[논문 리뷰] Bulk Material Based Selective Infrared Emitter for Sub-Ambient Daytime Radiative Cooling

Yue Yang, Linshuang Long외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 06.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 일광 조도 >900 W/m² 조건에서 약 60 W/m²의 순 냉각력을 가지며 주변 온도보다 5 K 낮은 정지 온도를 달성하는, 부하형 리튬 플루오라이드(LiF) 결정에 Ag 백킹을 조합한 선택적 적외선 방출체를 제안한다. 이 구조는 태양 복사흡수율이 4.7%이며, 대기 투과 창문(8–13 μm) 내에서 거의 단위에 가까운 방출율을 확보하여, 실외 조건에서의 실질적인 일일 냉각 성능을 실현한다.

ABSTRACT

Through passively emitting excess heat to the outer space, radiative cooling has been demonstrated as an efficient way for energy saving applications. Selective surface with unity emittance only within the atmospheric window as well as zero absorption within the solar spectrum is sought to achieve the best sub-ambient radiative cooling performance during the daytime. In this work, we proposed a bulk radiative cooler consisting of a 1-mm-thick lithium fluoride crystal coated with silver backing, which exhibits a solar absorptance of 4.7% and nearly ideal infrared selectivity with high emission exactly within the atmospheric transmission band (i.e., 8-13 um). Excellent daytime cooling performance was demonstrated in an outdoor test with stagnation temperature below the ambient temperature by 5 K under solar irradiance above 900 W/m2 and a net cooling power of about 60 W/m2 when the cooler is in thermal equilibrium with the ambient. As a bulk material with the highest ultraviolet-visible-near infrared transmittance, lithium fluoride crystal has been widely employed as the optical windows and mirrors in various applications. The proposed simple selective infrared emitter based on lithium fluoride would open up an innovative way to radiatively cool optical systems.

연구 동기 및 목표

• 일반적인 물질을 사용한 단순하고 확장 가능하며 효율적인 냉각 솔루션 개발을 목적으로 한다.
• 대기 투과 창문(8–13 μm) 내에서 고급 인프라레드 선택성을 확보하면서 태양 복사흡수를 최소화한다.
• 고일조 조도 조건에서 실생활 일일 환경에서의 주변 온도 이하 냉각 성능을 입증한다.
• 리튬 플루오라이드의 고도의 자외선-가시광선-근적외선 투과성 특성을 활용해 광학 응용 분야에 기여한다.

제안 방법

• 태양 스펙트럼에서 높은 투과성과 대기 투과 창문 내에서 높은 적외선 방출율을 지닌 리튬 플루오라이드(LiF) 결정을 주요 광학 재료로 사용한다.
• 적외선 방출을 향상시키고 방향성 방출을 위한 반사면을 제공하기 위해 Ag 백킹 층을 증착한다.
• 태양 복사흡수율을 4.7%로 설계하고, 8–13 μm 범위에서 거의 단위에 가까운 방출율을 확보한다.
• 실외 시험 중 주변 온도와 열적 평형 상태를 확보하기 위해 시스템을 최적화한다.
• 실생활 성능을 검증하기 위해 일조 조도 >900 W/m² 조건에서 실외 시험을 실시한다.
• 자연 조건에서의 성능 평가를 위해 정지 온도와 순 냉각력을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부하 재료 기반의 구조가 효과적인 일일 냉각을 위해 고급 인프라레드 선택성과 낮은 태양 복사흡수를 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 고일조 조도 조건에서 단순하고 확장 가능하며 안정적인 부하 방출체가 달성할 수 있는 최대 순 냉각력은 얼마인가?
• RQ3 LiF-Ag 시스템은 일일 운영 중 주변 온도 이하의 온도를 유지할 수 있는가?
• RQ4 실생활 조건에서 LiF 기반 방출체의 성능은 다른 선택적 방출체와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 LiF의 자외선-가시광선-근적외선 스펙트럼에서의 고투과성 특성을 활용해 광학 시스템 내에서 수동 냉각을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• LiF-Ag 구조는 태양 복사흡수율이 4.7%로 낮아 불필요한 태양 난방을 최소화하였다.
• 시스템은 대기 투과 창문(8–13 μm) 내에서 거의 이상적인 인프라레드 선택성을 보이며, 정확히 그 범위에서 고방출율을 확보하였다.
• 일조 조도가 900 W/m²를 초과하는 조건에서 냉각기는 주변 공기 온도보다 5 K 낮은 정지 온도를 달성하였다.
• 냉각기가 주변 환경과 열적 평형 상태에 도달했을 때 순 냉각력은 약 60 W/m²에 도달하였다.
• 실외 시험 결과, 실외 일조 조건에서 안정적이고 효과적인 주변 온도 이하 냉각 성능이 확인되었다.
• 부하형 LiF-Ag 시스템은 수동 냉각이 필요한 광학 시스템에 통합 가능성이 있음을 보여주었다.