[논문 리뷰] Radiative cooling by tailoring surfaces with microstructures

Armande Hervé, Jérémie Drevillon외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 11.

Thermal Radiation and Cooling Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 1차원 램펠 격자와 다층 광학/금속 스택을 조합한 하이브리드 복사 냉각기를 제안하여 태양 복사 반사율(80–90%)이 높고, 대기 투과 창문(8–13 μm) 내에서 강한 중적외선 방출(피크가 9–10 μm에 위치)을 달성한다. 이 구조는 평균 주간 조건에서 피크 복사 냉각 출력 밀도 80 W·m⁻²를 달성하며, 단순화된 버전은 약 75 W·m⁻²를 기록하여 격자와 다층 구조의 상호보완적 작용에 기인한 냉각 잠재력이 뚜렷하다.

ABSTRACT

We propose in this article a method to generate radiative coolers which are reflective in the solar spectrum and emissive in the transparency window of the atmosphere (8-13 $μ$m). We choose an approach combining thermal control capacity of gratings and multi-layers. We use optimized BN, SiC and SiO 2 gratings, which have emissivity peak in the transparency window. We place under these gratings a metal/dielectric multi-layer structure to obtain a near perfect reflectivity in the solar spectrum and to enhance the emissivity in the transparency window. The optimized structures produce a good radiative cooling power density up to 80 W.m --2 .

연구 동기 및 목표

• 태양 스펙트럼(0.3–2.5 μm)에서 높은 반사율을 가지며, 대기 투과 창문(8–13 μm)에서 높은 방출율을 가지는 복사 냉각기를 설계하는 것.
• 최적화된 기하학적 매개변수를 가진 BN, SiC 또는 SiO₂로 구성된 마이크로스케일 격자를 사용하여 8–13 μm 창문 내에서 방출율을 향상시키는 것.
• 격자 위에 Ag/다층 재료를 통합하여 태양 복사 반사율을 근사적으로 완벽하게 유지하고, 중적외선 방출을 추가로 증폭시키는 것.
• 실험 구현 가능성을 높이기 위해 설계를 단순화하면서도 높은 냉각 성능을 유지하기 위해, 복잡한 다층 구조 대신 TiO₂/SiO₂ 파이브-페로트 공진기 구조를 사용하는 것.
• 실제 적용을 위한 각도 및 편광 독립성을 향상시키기 위해 2차원 격자의 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• 1차원 램펠 격자(SiC, BN 또는 SiO₂)와 다층 스택(Ag/SiO₂ 또는 Ag/TiO₂/SiO₂)를 조합하여 스펙트럼적 방출율을 조절한다.
• 격자 기하학적 매개변수(주기 d, 높이 h, 듀티 사이클 F)를 최적화하여 9–10 μm 근처에 강한 방출 피크를 생성한다.
• 다층 스택은 간섭 효과를 통해 태양 스펙트럼(0.3–2.5 μm)에서 95% 이상의 근사 완벽한 반사율을 확보한다.
• 이론적 방출율과 냉각 출력은 현실적인 태양 및 대기 조건 하에서 법선 입사 스펙트럼적 방출율과 복사 열역학 모델을 사용해 계산된다.
• 격자의 역할은 다층 구조에서 표면 폴리머-폴라리톤(SPP)을 자극하는 것인지, 또는 다층 구조의 방출율을 향상시키는 상부 방출층으로 작용하는지 분석된다.
• 복잡한 다층 구조 대신 TiO₂/SiO₂ 공진기 구조를 사용하는 단순화된 설계를 제안하여 제작 복잡성을 감소시키면서도 높은 성능 유지를 도모한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 격자-다층 구조는 대기 투과 창문 내에서 강한 선택적 중적외선 방출과 동시에 높은 태양 복사 반사율을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 격자와 다층 스택 간의 결합이 각 구성 요소의 개별 기여를 초월해 방출율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 예를 들어 파이브-페로트 공진기로 구성된 단순화된 구조는 제작 복잡성을 줄이면서도 높은 복사 냉각 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ4 격자는 다층 구조의 방출율을 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가—SPP 자극을 통한 방출 증폭인지, 또는 고방출율 상부 층으로서의 기능인지?
• RQ5 편광 및 입사각 의존성은 냉각 성능에 어떤 영향을 미치며, 2차원 격자는 각도 및 편광 독립성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 최적화된 하이브리드 구조는 프랑스 포아티에에서 평균 주간 조건 하에서 피크 복사 냉각 출력 밀도 80 W·m⁻²를 달성한다.
• TiO₂/SiO₂ 공진기로 구성된 단순화된 구조는 저녁 7시에 약 75 W·m⁻²의 냉각 출력을 기록하여 복잡성 감소에도 불구하고 뛰어난 성능을 유지함을 보여준다.
• 격자의 방출 피크와 다층 구조의 공진 공진 반응의 조합 효과로 인해 8–13 μm 대기 투과 창문 내에서 방출율이 크게 향상된다.
• 격자는 약 9 μm 근처에 방출 피크를 기여하고 8–11 μm 범위의 전체 방출율을 향상시키며, 다층 구조는 10 및 12 μm에서 방출을 증폭시킨다.
• 태양 스펙트럼 전역에서 태양 반사율이 >80%로 유지되어 태양 난방을 최소화한다.
• 이론적 분석에 따르면 격자는 SPP 자극 또는 고방출율 상부 층으로서의 기능을 통해 방출율을 향상시킬 수 있으나, 정확한 메커니즘은 향후 실험적 검증이 필요하다.