[논문 리뷰] Atomistic metrics of BaSO$_4$ as an ultra-efficient radiative cooling material: a first-principles prediction

Zhen Tong, Joseph Peoples외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 13.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 47인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 처음으로 원자적 계산과 몽테카를로 시뮬레이션을 사용하여 BaSO₄-아크릴 나노복합재가 초효율적인 복사 냉각을 달성할 수 있음을 예측한다. 태양광 반사율 92.5%와 8–13 μm 천공 창문 영역에서의 법선 발산율 96.0%를 기록하며, α-SiO₂를 능가한다. 핵심 통찰은 균형 잡힌 금속간역과 굴절률이 낮은 흡수를 동반한 강한 산란을 가능하게 하며, 풍부한 적외선 활성 진동 모드가 Reststrahlen 밴드를 형성하여 높은 발산율을 유도한다는 것이다.

ABSTRACT

Radiative cooling has recently revived due to its significant potential as an environmentally friendly cooling technology. However, the design of particle-matrix cooling nanocomposites was generally carried out via tedious trial-and-error approaches, and the atomistic physics for efficient radiative cooling was not well understood. In this work, we identify the atomistic metrics of Barium Sulfate (BaSO$_4$) nanocomposite, which is an ultra-efficient radiative cooling material, using a predictive first-principles approach coupled with Monte Carlo simulations. Our results show that BaSO$_4$-acrylic nanocomposites not only attain high total solar reflectance of 92.5% (0.28 - 4.0 um), but also simultaneously demonstrate high normal emittance of 96.0% in the sky window region (8 - 13 um), outperforming the commonly used $α$-quartz ($α$-SiO$_2$). We identify two pertinent characters of ultra-efficient radiative cooling paints: i) a balanced band gap and refractive index, which enables strong scattering while negating absorption in the solar spectrum, and ii) a sufficient number of infrared-active optical resonance phonon modes resulting in abundant Reststrahlen bands and high emissivity in the sky window. The first principles approach and the resulted physical insights in this work pave the way for further search of ultra-efficient radiative cooling materials.

연구 동기 및 목표

• 나노복합재에서 초효율 복사 냉각을 지배하는 원자적 구조적 지표를 규명하는 것.
• 복사 냉각 물질의 시험적·오차 설계의 한계를 극복하기 위해 예측 가능한 초기 원자적 프레임워크를 수립하는 것.
• BaSO₄가 복사 냉각 성능에서 최신 기술인 α-SiO₂를 능가하는 이유를 설명하는 것.
• 내재된 전자적 및 격자 성질에 기반한 고성능 복사 냉각 물질을 위한 일반 설계 원칙을 도출하는 것.
• 실험적 광학 상수가 없는 물질의 유전율 함수 및 복사 성질에 대해 초기 원자적 방법의 예측 능력을 검증하는 것.

제안 방법

• 태양광 및 중적외선 스펙트럼 범위에서 BaSO₄의 유전율 함수를 계산하기 위해 베테-살프터 방정식을 사용한 초기 원자적 계산.
• 포논 매개 광자-격자 상호작용과 적외선 흡수를 정확히 모델링하기 위해 비조화 격자 역학 시뮬레이션.
• 예측된 유전율 함수를 바탕으로 BaSO₄-아크릴 및 α-SiO₂-아크릴 나노복합재의 투과율, 반사율, 발산율을 몽테카를로 시뮬레이션으로 예측.
• 태양 스펙트럼(0.28–4.0 μm)과 천공 창문 영역(8–13 μm)에서 BaSO₄와 α-SiO₂의 광학적 성질을 체계적으로 비교.
• 원자적 구조와 매크로스코픽 복사 성능 간의 상관관계를 분석하기 위해 금속간역, 굴절률, 적외선 활성 진동 모드 수를 정량적으로 분석.
• 직사광선 조건에서의 저온 냉각 잠재력을 평가하기 위해 도구 수치(0.21)를 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BaSO₄가 α-SiO₂에 비해 뛰어난 복사 냉각 성능을 가지는 데 기여하는 원자 척도적 특성은 무엇인가?
• RQ2 재료의 금속간역과 굴절률이 태양광 반사율과 흡수 특성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 적외선 활성 진동 모드와 Reststrahlen 밴드가 8–13 μm 천공 창문 영역에서 높은 열발산율을 결정하는 데 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 실험적 광학 상수가 없는 물질의 복사 성질을 초기 원자적 방법이 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 다음 세대 복사 냉각 물질의 예측적 설계를 이끄는 일반적인 원자적 지표는 무엇인가?

주요 결과

• BaSO₄-아크릴 나노복합재는 태양광 스펙트럼(0.28–4.0 μm) 전역에서 총 태양광 반사율 92.5%를 기록하며, α-SiO₂를 초월한다.
• BaSO₄의 8–13 μm 천공 창문 영역에서의 법선 발산율은 96.0%에 달하며, α-SiO₂의 94.0%보다 뚜렷이 높다.
• 향상된 성능는 약 5.0 eV의 균형 잡힌 금속간역과 높은 굴절률 덕분에 태양광 스펙트럼에서 산란을 극대화하고 흡수를 최소화함으로써 기인한다.
• BaSO₄는 α-SiO₂보다 더 많은 적외선 활성 진동 모드를 가지며, 이는 풍부한 Reststrahlen 밴드 형성과 천공 창문 영역에서의 높은 발산율로 이어진다.
• BaSO₄-아크릴의 복사 냉각 도구 수치는 0.21로 계산되어 직사광선 조건에서의 저온 냉각 잠재력이 높음을 시사한다.
• 이 연구는 두 가지 보편적인 원자적 지표를 규명했다: (1) 높은 태양광 반사율을 위한 균형 잡힌 금속간역과 굴절률, (2) 높은 천공 창문 발산율을 위한 적외선 활성 진동 모드의 높은 밀도.