[논문 리뷰] Tuning near field radiative heat flux through surface excitations with a metal insulator transition

P. J. van Zwol, L. Ranno외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 24.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 박막 바나듐다이옥사이드(VO2)의 금속-절연체 전이 동안 근접장 복사열전달을 조절함으로써 표면 진동 상태를 통해 열전달을 크게 조절할 수 있음을 실험적으로 입증한다. 상전이 과정에서 표면 폴라리톤 상태가 변화하여, 원거리장에서의 경우보다 더 큰 열류 대비비를 유도하며, Derjaguin 근사법은 근접장 전달을 정확히 예측하지만 원거리장 한계를 과소평가한다는 점이 확인되었다.

ABSTRACT

The control of heat flow is a formidable challenge due to lack of good thermal insulators. Promising new oppor-tunities for heat flow control were recently theoretically discovered for radiative heat flow in near field, where large heat flow contrasts may be achieved by tuning electronic excitations on surfaces. Here we show experi-mentally that the phase transition of VO2 entails a change of surface polariton states that significantly affects radiative heat transfer in near field. In all cases the Derjaguin approximation correctly predicted radiative heat transfer in near field, but it underestimated the farfield limit. Our results indicate that heat flow contrasts can be realized in near field that can be larger than those obtained in farfield.

연구 동기 및 목표

• VO2의 상전이가 근접장 복사열전달에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 표면 진동, 특히 표면 폴라리톤의 열류 조절 역할을 탐색하는 것.
• 근접장에서의 열류 대비비가 원거리장에서의 것보다 초월할 수 있는지 확인하는 것.
• 조절 가능한 재료의 맥락에서 근접장 복사열전달에 대해 Derjaguin 근사법의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• VO2 코ating이 도포된 기판과 프로브 사이의 진공 갭을 통해 근접장 복사열전달을 실험적으로 측정하는 것.
• VO2의 금속-절연체 전이를 활용하여 표면 폴라리톤 상태를 동적으로 조절하는 것.
• Derjaguin 근사법을 사용하여 이론적 예측를 모델링하고 실험 데이터와 비교하는 것.
• VO2 상전이 동안 온도에 따른 열류 변화를 분석하는 것.
• 근접장과 원거리장 열전달 한계를 비교하여 조절 대비비를 평가하는 것.
• 스펙트럼 및 열적 특성 분석을 통해 전자적 반응과 열적 반응의 상관관계를 규명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VO2의 금속-절연체 전이가 표면 진동을 통해 근접장 복사열전달에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 근접장에서의 열류 조절이 원거리장에서의 것보다 초월할 수 있는가?
• RQ3 Derjaguin 근사법이 이 시스템에서 근접장 복사열전달을 얼마나 정확히 예측하는가?
• RQ4 표면 폴라리톤은 상전이 기간 동안 향상된 열전달을 매개하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 VO2의 온도 의존적인 전자 구조는 열전달의 스펙트럼적 및 공간적 특성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• VO2의 금속-절연체 전이 과정에서 표면 폴라리톤 상태에 심한 변화가 발생하여 근접장 복사열전달이 강하게 조절됨을 확인하였다.
• 근접장에서의 열류 대비비는 원거리장에서 관측된 것보다 높아, 더 뛰어난 가변성을 보였다.
• Derjaguin 근사법은 근접장 열전달을 정확히 예측하지만 원거리장 한계를 과소평가함을 확인하였다.
• 실험 결과는 표면 진동을 활용하여 복사열전달을 제어할 수 있다는 이론적 예측를 확인하였다.
• 관측된 열류 조절은 VO2 상전이 동안 유전율 응답의 변화와 직접적으로 연관되어 있음이 밝혀졌다.
• 본 연구는 근접장 복사 제어 기반의 능동적 열관리 장치에 있어 VO2가 매우 유망한 재료임을 입증하였다.