KR102225804B1 - Radiative cooling device utilizing optical properties of substrate - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기판의 광특성을 활용하여 태양광 스펙트럼의 빛을 흡수를 최소화하면서 동시에 복사 냉각 소자 아래의 열을 외부로 방사하여 물질 표면 혹은 물질 아래의 온도를 냉각하는 기술적 사상에 관한 것으로서, 태양광 영역에서 높은 투과율을 가지며 대기의 창(sky window) 구간에 장파장 적외선에 대하여 부분적으로 높은 방사율을 갖는 다양한 종류의 기판을 활용하여 에너지 소모없이 주변 온도 이하로 물질 표면 혹은 물질 아래의 온도를 냉각시키는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technical idea of minimizing the absorption of light in the solar spectrum by utilizing the optical characteristics of a substrate and at the same time radiating heat under a radiation cooling element to the outside to cool the surface of a material or the temperature under the material. A technology that cools the surface of a material or the temperature under the material below the ambient temperature without consuming energy by using various types of substrates that have high transmittance in the region and partially have high emissivity for long-wavelength infrared rays in the sky window section. It is about.
수동형 복사 냉각(Radiative Cooling) 소자는 낮 동안 태양 빛에 해당하는 파장(0.3-2.5μm)를 반사하고 우주 밖으로 빠져나갈 수 있는 복사열(8-13μm) 에너지를 방사하여 수동적으로 냉각될 수 있다.Passive Radiative Cooling devices can be passively cooled by reflecting wavelengths (0.3-2.5μm) corresponding to sunlight during the day and radiating radiant heat (8-13μm) energy that can escape out of space.
한편, 수동형 복사 가열(Radiative Heating) 소자는 낮 동안 태양 빛에 해당하는 파장(0.3-2.5 μm)를 흡수하고 우주 밖으로 빠져나갈 수 있는 복사열(8- 13μm) 에너지는 잘 흡수하지 않아 수동적으로 가열될 수 있다.On the other hand, passive radiative heating elements absorb the wavelength (0.3-2.5 μm) corresponding to sunlight during the day and do not absorb radiant heat (8-13 μm) energy that can escape out of space. I can.
수동형 냉각 소자의 효율은 소자 자체의 광특성 측정을 통해서 확인 할 수 있다.The efficiency of the passive cooling device can be checked by measuring the optical properties of the device itself.
열 방출을 위해서는 장파장 적외선 영역에서의 높은 흡수율 또는 방사율을 가짐에 따라 우주로 열을 잘 내뿜을 수 있어야 한다.In order to emit heat, it must be able to radiate heat well into space by having a high absorption rate or emissivity in the long-wavelength infrared region.
플랑크 분포(Planck distribution)에 의하면 300K의 온도 일 때 파장 6-20㎛ 영역에서 최대로 열을 방출할 수 있는 조건을 가지게 된다. 지구의 경우에는 대기의 창(sky window) 영역이 약 8-13㎛ 영역이므로, 수동형 냉각 소자의 열 방출 능력을 최대치로 올리기 위해서는 8-13㎛ 영역에서의 흡수율 또는 방사율이 최대치가 되어야 한다.According to the Planck distribution, at a temperature of 300K, it has a condition capable of maximizing heat dissipation in a wavelength range of 6-20㎛. In the case of the Earth, since the sky window area is about 8-13 μm, the absorption rate or emissivity in the 8-13 μm area must be the maximum in order to maximize the heat dissipation capacity of the passive cooling element.
대기의 창 파장 범위에서의 적외선 방사가 실질적인 열방출에 의한 복사냉각을 달성하는데 핵심적인 역할을 수행한다. 파장 범위가 자외선-가시광선-근적외선이 입사하는 태양광(태양으로부터 방사되는)을 100% 반사시키고 대기의 창 구간인 8㎛-13㎛ 영역대의 장파장 적외선을 외부로 100% 방사시킬 수 있다면, 300K의 주변 온도일 때 158W/m2의 냉각성능이 에너지 소모 없이 구현할 수 있다.Infrared radiation in the window wavelength range of the atmosphere plays a key role in achieving radiative cooling by actual heat dissipation. If the wavelength range can reflect 100% of the sunlight (radiated from the sun) incident on the ultraviolet-visible-near-infrared rays and radiate 100% of the long-wavelength infrared rays in the 8㎛-13㎛ range, which is the window section of the atmosphere, 300K At ambient temperature of 158W/m 2 , cooling performance of 158W/
태양광의 95% 반사시키고, 8㎛-13㎛ 영역의 중적외선을 90% 이상 외부로 방사시키면 주변 온도가 300K 일 때 낮에는 (즉, 태양에 의한 광흡수 존재) 100W/m2의 냉각성능을 그리고 태양에 의한 광흡수가 없는 밤에는 120W/m2의 냉각성능을 구현할 수 있다.If 95% of sunlight is reflected and 90% or more of the mid-infrared rays in the 8㎛-13㎛ area are radiated to the outside, the cooling performance of 100W/m 2 during the day (that is, the presence of light absorption by the sun) is achieved when the ambient temperature is 300K. And it can realize 120W/m 2 cooling performance at night when there is no light absorption by the sun.
수동형 복사냉각 소재로 사용되기 위해서는 입사 태양광인 UV-vis-NIR 파장 범위의 빛에 대하여 높은 투과율을 갖거나 높은 반사율을 갖아 입사 태양광을 흡수하지 않아야 하며, 대기의 창 구간인 8 ~ 13㎛ 영역대의 장파장 적외선에 대하여 높은 흡수(방사)율을 갖아야 하며, 이외에도 옥외(outdoor) 조건에서 높은 내구성 (안정성, 내식성)을 갖아야 하고, 사용되는 물질이 값싸고 풍부하게 존재해야 하며, 값싸고 쉬운 공정으로 대면적에 성형이 가능하여야 한다.In order to be used as a passive radiation cooling material, it must not absorb incident sunlight because it has high transmittance or high reflectivity for incident sunlight in the UV-vis-NIR wavelength range. It must have a high absorption (emissivity) rate for long-wavelength infrared rays, and in addition, it must have high durability (stability, corrosion resistance) in outdoor conditions, and the materials used must be inexpensive and abundantly present, inexpensive and easy to use. It must be possible to form in a large area as a process.
폴리머 소재의 경우 일반적으로 장파장 적외선에 대하여 높은 흡수율(방사율)을 갖으나 재료의 특성상 옥외에 방치 시 자외선, 습기 등으로 쉽게 열화되어 수명이 짧다는 단점이 존재한다.Polymer materials generally have a high absorption rate (emissivity) with respect to long-wavelength infrared rays, but due to the nature of the material, it is easily deteriorated due to ultraviolet rays, moisture, etc., and has a short lifespan.
또한, 두꺼운 폴리머 소재는 모든 적외선 파장대에 대해서 높은 방사율을 갖는 브로드밴드 에미터(Broadband emitter) 이기 문에 대기의 창(sky window)에서 방사율이 높은 선택형 에미터(Selective emitter) 보다 복사냉각 성능이 떨어진다.In addition, the thick polymer material is a broadband emitter that has a high emissivity for all infrared wavelengths, so it has better radiative cooling performance than a selective emitter, which has a high emissivity in the sky window. Falls.
무기물 소재 또는 세라믹 소재의 다층박막을 이용하는 경우 대기의 창 전체에서 방사율이 높게 하기 위해서는 적층 수가 많아야 하며 이로 인하여 태양광 흡수율이 높아져 고효율 복사냉각성능을 달성하기에는 어려움이 있다.In the case of using a multilayered thin film made of an inorganic material or a ceramic material, the number of stacks must be large in order to increase the emissivity in the entire window of the atmosphere, thereby increasing the absorption rate of sunlight, making it difficult to achieve high-efficiency radiant cooling performance.
본 발명은 태양광 영역에서 높은 투과율을 가지며, 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 부분적으로 높은 방사율을 갖는 다양한 종류의 기판과 기판의 하부에 태양광을 반사하도록 태양광 반사층이 코팅 또는 증착된 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.In the present invention, various kinds of substrates having high transmittance in the solar region and partially having high emissivity in the wavelength range corresponding to the sky window, and a solar reflective layer are coated to reflect sunlight under the substrate. Or it is an object to provide a vapor-deposited radiation cooling element.
본 발명은 태양광 영역에서 높은 투과율을 가지며, 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 부분적으로 높은 방사율을 갖는 다양한 종류의 기판과 기판의 하부에 태양광을 반사하도록 태양광 반사층이 코팅 또는 증착되고, 기판의 상부에 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위의 방사율을 증진시킬 수 있는 물질층이 형성된 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.In the present invention, various kinds of substrates having high transmittance in the solar region and partially having high emissivity in the wavelength range corresponding to the sky window, and a solar reflective layer are coated to reflect sunlight under the substrate. Alternatively, it is an object of the present invention to provide a radiation cooling device in which a material layer is formed on a substrate and in which a material layer capable of enhancing an emissivity in a wavelength range corresponding to a sky window is formed.
본 발명은 태양빛이 비치는 낮(day time)이나 태양빛이 비치지 않는 밤(night time)에도 에너지 소모없이 주변 온도 이하로 냉각 시키는 복사 냉각 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a radiation cooling device that cools down to an ambient temperature below the ambient temperature without consuming energy even during the day time when sunlight is shining or at night when sunlight is not shining.
본 발명은 건축자재, 유리, 자동차 자재, 항공장비, 에너지 절감형 데이터 센터 및 전자기기, 태양전지 등 냉각이 필요한 물질의 외부 표면에 적용되어 에너지 소모 없이 냉각 기능을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a cooling function without energy consumption by being applied to the outer surfaces of materials requiring cooling, such as building materials, glass, automobile materials, aviation equipment, energy-saving data centers and electronic devices, and solar cells.
본 발명은 웨어러블 디바이스, 의류, 신발, 우산 등에 적용되어 낮 시간 동안 태양광에 의해 피부가 화상을 입는 현상을 방지하는 것을 목적으로 한다.The present invention is applied to wearable devices, clothes, shoes, umbrellas, and the like, and an object of the present invention is to prevent a phenomenon in which the skin is burned by sunlight during the day.
본 발명은 화학적 안정성과 기계적 특성이 우수한 세라믹 소재로 이루어진 기판을 활용함에 따라 장시간에 걸치 외부환경 노출 시에도 안정적인 복사 냉각 기능을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a stable radiation cooling function even when exposed to the external environment for a long time by using a substrate made of a ceramic material having excellent chemical stability and mechanical properties.
본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자는 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 일부 파장 범위에서 장파장 적외선을 흡수 및 방사하고, 태양광 스펙트럼(solar spectrum)에 해당되는 파장 범위에서의 태양광을 투과하는 적외선 방사 기판 및 상기 적외선 방사 기판의 하부에서 적어도 하나의 반사 물질로 형성되어 상기 투과된 태양광을 반사하는 태양광 반사층을 포함할 수 있다.The radiation cooling element utilizing the optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention absorbs and radiates long-wavelength infrared rays in a part of the wavelength range corresponding to the sky window, and absorbs and radiates long-wavelength infrared rays. ). An infrared radiation substrate that transmits sunlight in a wavelength range corresponding to ), and a solar reflective layer formed of at least one reflective material under the infrared radiation substrate to reflect the transmitted sunlight.
상기 적외선 방사 기판은, Al2O3, LiF, MgO, AlN, BeO, Si3N4 및 SiO2 중 적어도 하나를 이용하여 형성될 수 있다.The infrared radiation substrate may be formed using at least one of Al 2 O 3 , LiF, MgO, AlN, BeO, Si 3 N 4 and SiO 2.
상기 적외선 방사 기판은 상기 MgO 및 상기 Al2O3 중 어느 하나로 형성될 경우, 상기 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 8 ㎛ 내지 10 ㎛ 에서 방사율 피크(peak)점을 갖고, 상기 Al2O3 및 상기 LiF 중 어느 하나로 형성될 경우, 상기 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 10 ㎛ 내지 13 ㎛ 에서 방사율 피크(peak)점을 갖을 수 있다.When the infrared radiation substrate is formed of any one of MgO and Al 2 O 3 , it has an emissivity peak point in 8 µm to 10 µm in a wavelength range corresponding to the sky window, the When formed of either Al 2 O 3 or the LiF, the emissivity peak point may be at 10 µm to 13 µm in the wavelength range corresponding to the sky window.
상기 적외선 방사 기판의 두께는 50 ㎛ 이상으로 형성될 수 있다.The infrared radiation substrate may have a thickness of 50 μm or more.
상기 태양광 반사층은, 상기 반사 물질이 금속 물질인 경우, 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(cu), 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 및 백금(Pt) 중 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 물질이거나 적어도 둘이 결합된 합금 물질 중 어느 하나의 물질로 형성되고, 상기 반사 물질이 세라믹 물질인 경우, Al2O3, SiO2, BaSO4, CaCO3, CaSO4, MgHPO4, AlP, AlN, Ta2O5, 및 ZrO2 중 선택되는 적어도 어느 하나의 세라믹 물질이거나 적어도 둘이 혼합된 물질으로 형성될 수 있다.The solar reflective layer, when the reflective material is a metallic material, silver (Ag), aluminum (Al), gold (Au), copper (cu), titanium (Ti), chromium (Cr), manganese (Mn), When formed of at least one metal material selected from iron (Fe) and platinum (Pt) or an alloy material in which at least two are combined, and the reflective material is a ceramic material, Al 2 O 3 , SiO 2 , BaSO 4 , CaCO 3 , CaSO 4 , MgHPO 4 , AlP, AlN, Ta 2 O 5 , and ZrO 2 At least one ceramic material selected from or a mixture of at least two may be formed.
본 발명의 일실시예에 따르면 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자는 적어도 하나의 방사 물질로 형성되어 상기 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 상기 일부 파장 범위 외 나머지 파장 범위 및 상기 일부 파장 범위를 포괄하는 파장 범위 중 어느 하나의 파장 범위에서 상기 장파장 적외선을 흡수 및 방사하는 적외선 방사층을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate is formed of at least one radiating material, and the remaining wavelength ranges outside the partial wavelength range of the wavelength range corresponding to the sky window, and An infrared emission layer that absorbs and radiates the long-wavelength infrared rays in any one of the wavelength ranges encompassing the partial wavelength range may be further included.
상기 적외선 방사층은, 상기 적어도 하나의 방사 물질을 이용하여 단층 구조 및 다층 구조 중 어느 하나의 구조로 상기 적외선 방사 기판 상에 형성될 수 있다.The infrared emission layer may be formed on the infrared emission substrate in any one of a single layer structure and a multilayer structure using the at least one emission material.
상기 적어도 하나의 방사 물질은, 적어도 하나의 고분자 유기물 및 적어도 하나의 세라믹 무기물 중 적어도 하나의 방사 물질을 포함할 수 있다.The at least one radiating material may include at least one radiating material of at least one polymer organic material and at least one ceramic inorganic material.
상기 적어도 하나의 세라믹 무기물은, Al2O3, SiO2, BaSO4, LiF, CaSO4, ZnO, TiO2, ZrO2, CaF2, MgF2, HfO2 및 Si3N4 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 적어도 하나의 고분자 유기물은 PVDF(polyvinylidene fluoride), PVP(polyvinylpyrrolidone), PVF(polyvinyl fluoride), PUA(poly urethane acrylate), PMMA(polymethyl methacrylate), PBMA(polymethyl methacrylate), PTFE(polytetrafluoroethylene), PC(polycarbonate), PE(Polyethylene), PET(polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The at least one ceramic inorganic material includes at least one of Al 2 O 3 , SiO 2 , BaSO 4 , LiF, CaSO 4 , ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , CaF 2 , MgF 2 , HfO 2 and Si 3 N 4 And, the at least one polymer organic material is PVDF (polyvinylidene fluoride), PVP (polyvinylpyrrolidone), PVF (polyvinyl fluoride), PUA (poly urethane acrylate), PMMA (polymethyl methacrylate), PBMA (polymethyl methacrylate), PTFE (polytetrafluoroethylene), It may contain at least one of polycarbonate (PC), polyethylene (PE), and polyethylene terephthalate (PET).
상기 적외선 방사층은, 상기 적어도 하나의 세라믹 무기물의 경우, 상기 적어도 하나의 세라믹 무기물이 용액 안에 분산된 형태로 스핀코팅, 바코팅, 스프레이 코팅, 바코팅, 슬릭 코팅 및 딥 코팅 중 어느 하나의 코팅 방법으로 상기 적외선 방사 기판 상에 입자 형태로 형성되거나 진공 증착법을 이용하여 상기 적외선 방사 기판 상에 박막 형태로 형성될 수 있다.In the case of the at least one ceramic inorganic material, the infrared radiation layer is a coating of any one of spin coating, bar coating, spray coating, bar coating, slick coating, and dip coating in a form in which the at least one ceramic inorganic material is dispersed in a solution. As a method, it may be formed in the form of particles on the infrared emission substrate or in the form of a thin film on the infrared emission substrate using a vacuum deposition method.
상기 적외선 방사층은, 상기 적어도 하나의 고분자 유기물의 경우, 상기 적어도 하나의 고분자 유기물을 용매(solvent)에 녹여 스핀 코팅, 바코팅, 스프레이 코팅, 바 코팅, 슬릭 코팅 및 딥 코팅 중 어느 하나의 코팅 방법으로 상기 적외선 방사 기판 상에 코팅될 수 있다.In the case of the infrared emission layer, in the case of the at least one polymer organic material, any one of spin coating, bar coating, spray coating, bar coating, slick coating, and dip coating by dissolving the at least one polymer organic material in a solvent In a method, it may be coated on the infrared radiation substrate.
상기 적외선 방사층의 두께는 100 ㎚ 이상으로 형성될 수 있다.The infrared emission layer may have a thickness of 100 nm or more.
본 발명의 일실시예에 따르면 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자는 상기 태양광과 수직을 이루는 기준선에 대하여 상기 태양광이 -70도 내지 +70도의 입사각으로 입사될 경우, 0.4 이상의 적외선 방사율을 갖을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate has an infrared emissivity of 0.4 or more when the sunlight is incident at an incidence angle of -70 degrees to +70 degrees with respect to a reference line perpendicular to the sunlight. Can have.
본 발명은 태양광 영역에서 높은 투과율을 가지며, 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 부분적으로 높은 방사율을 갖는 다양한 종류의 기판과 기판의 하부에 태양광을 반사하도록 태양광 반사층이 코팅 또는 증착된 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.In the present invention, various kinds of substrates having high transmittance in the solar region and partially having high emissivity in the wavelength range corresponding to the sky window, and a solar reflective layer are coated to reflect sunlight under the substrate. Alternatively, a deposited radiation cooling element may be provided.
본 발명은 태양광 영역에서 높은 투과율을 가지며, 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 부분적으로 높은 방사율을 갖는 다양한 종류의 기판과 기판의 하부에 태양광을 반사하도록 태양광 반사층이 코팅 또는 증착되고, 기판의 상부에 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위의 방사율을 증진시킬 수 있는 물질층이 형성된 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.In the present invention, various kinds of substrates having high transmittance in the solar region and partially having high emissivity in the wavelength range corresponding to the sky window, and a solar reflective layer are coated to reflect sunlight under the substrate. Alternatively, it is possible to provide a radiation cooling device in which a material layer is deposited on a substrate and has a material layer capable of enhancing the emissivity in a wavelength range corresponding to a sky window.
본 발명은 태양빛이 비치는 낮(day time)이나 태양빛이 비치지 않는 밤(night time)에도 에너지 소모없이 주변 온도 이하로 냉각 시키는 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.The present invention can provide a radiation cooling device that cools down to an ambient temperature below the ambient temperature without consuming energy even during the day time when sunlight is shining or at night when the sun light is not shining.
본 발명은 건축자재, 유리, 자동차 자재, 항공장비, 에너지 절감형 데이터 센터 및 전자기기, 태양전지 등 냉각이 필요한 물질의 외부 표면에 적용되어 에너지 소모 없이 냉각 기능을 제공할 수 있다.The present invention is applied to the outer surface of materials that require cooling, such as building materials, glass, automobile materials, aviation equipment, energy-saving data centers and electronic devices, solar cells, etc. to provide a cooling function without energy consumption.
본 발명은 웨어러블 디바이스, 의류, 신발, 우산 등에 적용되어 낮 시간 동안 태양광에 의해 피부가 화상을 입는 현상을 방지할 수 있다.The present invention can be applied to wearable devices, clothes, shoes, umbrellas, and the like to prevent skin burns due to sunlight during daytime.
본 발명은 화학적 안정성과 기계적 특성이 우수한 세라믹 소재로 이루어진 기판을 활용함에 따라 장시간에 걸친 외부환경 노출 시에도 안정적인 복사 냉각 기능을 제공할 수 있다.The present invention can provide a stable radiation cooling function even when exposed to the external environment for a long time by using a substrate made of a ceramic material having excellent chemical stability and mechanical properties.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 광특성을 설명하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자에서 적외선 방사 기판을 설명하는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자에서 적외선 방사층을 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사층을 추가적으로 포함하는 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 광 특성을 설명하는 도면이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험을 낮(day time)에 수행한 결과를 설명하는 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험을 밤(night time)에 수행한 결과를 설명하는 도면이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 냉각 성능을 설명하는 도면이다.
도 9a 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 전자 현미경 이미지를 설명하는 도면이다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자에서 적외선 방사층의 두께 변화에 따른 복사 냉각 소자의 광 특성을 설명하는 도면이다.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능을 보충 설명하는 도면이다.
도 13는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험에서의 다양한 대기 투과율을 설명하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험에서의 다양한 대기 투과율에 따라 계산된 냉각 전력 및 냉각 온도를 설명하는 도면이다.1A to 1C are diagrams illustrating a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating optical characteristics of a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
3A to 3E are views for explaining an infrared radiation substrate in a radiation cooling device utilizing optical characteristics of the substrate according to an embodiment of the present invention.
4A to 4D are views for explaining an infrared radiation layer in a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are diagrams for explaining optical characteristics of a radiation cooling device using optical characteristics of a substrate additionally including an infrared emission layer according to an embodiment of the present invention.
6A to 6F are diagrams for explaining a result of performing a radiation cooling performance experiment of a radiation cooling device using optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention at a day time.
7A to 7D are diagrams for explaining results of a radiation cooling performance experiment of a radiation cooling element utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention at night time.
8A to 8D are views for explaining the cooling performance of a radiation cooling element utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
9A to 10 are diagrams illustrating electron microscope images of a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
11A to 11D are diagrams illustrating optical characteristics of a radiation cooling element according to a change in thickness of an infrared radiation layer in a radiation cooling element utilizing the optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
12A to 12C are diagrams supplementing the radiant cooling performance of the radiant cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
13 is a view for explaining various atmospheric transmittances in a radiation cooling performance experiment of a radiation cooling device using optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
14 is a diagram illustrating cooling power and cooling temperature calculated according to various atmospheric transmittances in a radiant cooling performance experiment of a radiant cooling device using optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.Hereinafter, various embodiments of the present document will be described with reference to the accompanying drawings.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The embodiments and terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to a specific embodiment, and should be understood to include various changes, equivalents, and/or substitutes for the corresponding embodiment.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of various embodiments, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the invention, a detailed description thereof will be omitted.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in various embodiments, which may vary according to the intention or custom of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the present specification.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.In connection with the description of the drawings, similar reference numerals may be used for similar elements.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.In this document, expressions such as "A or B" or "at least one of A and/or B" may include all possible combinations of items listed together.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.Expressions such as "first," "second," "first," or "second," can modify the corresponding elements regardless of their order or importance, and to distinguish one element from another It is used only and does not limit the corresponding components.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.When any (eg, first) component is referred to as being “(functionally or communicatively) connected” or “connected” to another (eg, second) component, the component is It may be directly connected to the component, or may be connected through another component (eg, a third component).
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.In the present specification, "configured to" (configured to)" is changed to "suitable to," "having the ability to," "to," "to," "suitable for" in hardware or software according to the situation, for example, ," "made to," "can do," or "designed to" can be used interchangeably.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.In some situations, the expression "a device configured to" may mean that the device "can" along with other devices or parts.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.For example, the phrase “a processor configured (or configured) to perform A, B, and C” means a dedicated processor (eg, an embedded processor) for performing the operation, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , May mean a general-purpose processor (eg, a CPU or an application processor) capable of performing the corresponding operations.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.In addition, the term'or' means an inclusive OR'inclusive or' rather than an exclusive OR'exclusive or'.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.That is, unless stated otherwise or unless clear from context, the expression'x uses a or b'means any one of natural inclusive permutations.
이하 사용되는 '..부', '..기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Terms such as'.. unit' and'.. group' used hereinafter refer to units that process at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자를 설명하는 도면이다.1A to 1C are diagrams illustrating a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따라 적외선 방사 기판과 태양광 반사층으로만 구성된 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자를 예시한다.1A illustrates a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate composed of only an infrared radiation substrate and a solar reflective layer according to an embodiment of the present invention.
도 1a를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자(100)는 적외선 방사 기판(101) 및 태양광 반사층(102)을 포함한다.Referring to FIG. 1A, a
본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사 기판(101)은 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 일부 파장 범위에서 장파장 적외선을 흡수 및 방사하고, 태양광 스펙트럼(solar spectrum)에 해당되는 파장 범위에서의 태양광을 투과할 수 있다.The
예를 들어, 기판의 광특성은 대기의 창에 해당되는 파장 범위에서 장파장 적외선을 흡수 및 방사하고, 태양광 스펙트럼에 해당되는 파장 범위에서의 태양광을 투과하는 특성을 나타낼 수 있다.For example, the optical characteristics of the substrate may represent a characteristic of absorbing and emitting long-wavelength infrared rays in a wavelength range corresponding to a window of the atmosphere, and transmitting sunlight in a wavelength range corresponding to the solar spectrum.
일례로, 적외선 방사 기판(101)은 Al2O3, LiF, MgO, AlN, BeO, Si3N4 및 SiO2 중 적어도 하나를 이용하여 형성될 수 있다.For example, the
본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사 기판(101)은 MgO 및 Al2O3 중 어느 하나로 형성될 경우, 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 8 ㎛ 내지 10 ㎛ 에서 방사율 피크(peak)점을 갖고, Al2O3 및 LiF 중 어느 하나로 형성될 경우, 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 10 ㎛ 내지 13 ㎛ 에서 방사율 피크(peak)점을 갖을 수 있다.When the
예를 들어, 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 8 ㎛ 내지 13 ㎛를 포함할 수 있다.For example, it may include 8 μm to 13 μm in the wavelength range corresponding to the sky window.
본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사 기판(101)의 두께는 50 ㎛ 이상으로 형성될 수 있다.The thickness of the
예를 들어, 적외선 방사 기판(101)은 두께가 50 ㎛ 이상으로 형성될 경우, 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 10 ㎛ 내지 13 ㎛ 에서 장파장 적외선을 흡수 및 방사할 수 있다.For example, when the
일례로, 태양광 반사층(102)은 적외선 방사 기판(101)의 하부에서 적어도 하나의 반사 물질로 형성되어 태양광을 반사할 수 있다. 여기서, 반사 물질은 태양광을 반사할 수 있는 물질을 지칭하고, 금속 물질 및 세라믹 물질 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.For example, the solar
본 발명의 일실시예에 따른 태양광 반사층(102)은 반사 물질이 금속 물질인 경우, 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(cu), 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 및 백금(Pt) 중 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 물질이거나 적어도 둘이 결합된 합금 물질 중 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다.In the solar
또한, 태양광 반사층(102)은 반사 물질이 세라믹 물질인 경우, Al2O3, SiO2, BaSO4, CaCO3, CaSO4, MgHPO4, AlP, AlN, Ta2O5, 및 ZrO2 중 선택되는 적어도 어느 하나의 세라믹 물질이거나 적어도 둘이 혼합된 물질으로 형성될 수 있다.Further, in the case of
일례로, 태양광 반사층(102)은 200 nm의 두께로 코팅 되거나 증착 형성될 수 있다.For example, the solar
따라서, 본 발명은 태양광 영역에서 높은 투과율을 가지며, 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 부분적으로 높은 방사율을 갖는 다양한 종류의 기판과 기판의 하부에 태양광을 반사하도록 태양광 반사층이 코팅 또는 증착된 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention has a high transmittance in the solar region, and a solar reflective layer to reflect sunlight under the substrate and various kinds of substrates having a partially high emissivity in the wavelength range corresponding to the sky window. This coated or deposited radiation cooling element can be provided.
도 1b는 본 발명의 일실시예에 따라 적외선 방사 기판과 태양광 반사층에 적외선 방사층이 추가로 구성된 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자를 예시한다.FIG. 1B illustrates a radiation cooling device utilizing optical characteristics of an infrared radiation substrate and a substrate further comprising an infrared radiation layer on a solar reflective layer according to an embodiment of the present invention.
도 1b를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자(110)는 적외선 방사 기판(111), 태양광 반사층(112) 및 적외선 방사층(113)을 포함한다.Referring to FIG. 1B, the
본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자(110)에서 적외선 방사 기판(111)과 태양광 반사층(112)은 도 1a에서 설명된 적외선 방사 기판(101) 및 태양광 반사층(102)과 동일한 복사 냉각 성능을 제공하는 구성일 수 있다.In the
본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자(110)는 적어도 하나의 방사 물질로 형성되어 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 일부 파장 범위 외 나머지 파장 범위 및 일부 파장 범위를 포괄하는 파장 범위 중 어느 하나의 파장 범위에서 장파장 적외선을 흡수 및 방사하는 적외선 방사층(113)을 더 포함할 수 있다.The
일례로, 적외선 방사층(113)은 적외선 방사 기판(111)이 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 흡수 및 방사하지 못하는 장파장 적외선을 흡수 및 방사하여 복사 냉각 성능 또는 효율을 증가시킬 수 있다.As an example, the
본 발명의 일실시예에 따르면 적외선 방사층(113)은, 적어도 하나의 방사 물질을 이용하여 단층 구조 및 다층 구조 중 어느 하나의 구조로 적외선 방사 기판 상에 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
일례로, 적어도 하나의 방사 물질은 적어도 하나의 고분자 유기물 및 적어도 하나의 세라믹 무기물 중 적어도 하나의 방사 물질을 포함할 수 있다.For example, the at least one radiating material may include at least one radiating material of at least one polymer organic material and at least one ceramic inorganic material.
예를 들어, 적어도 하나의 세라믹 무기물은 Al2O3, SiO2, BaSO4, LiF, CaSO4, ZnO, TiO2, ZrO2, CaF2, MgF2, HfO2 및 Si3N4 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.For example, at least one ceramic inorganic material is at least one of Al 2 O 3 , SiO 2 , BaSO 4 , LiF, CaSO 4 , ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , CaF 2 , MgF 2 , HfO 2 and Si 3 N 4 It may include.
예를 들어, 적어도 하나의 고분자 유기물은 PVDF(polyvinylidene fluoride), PVP(polyvinylpyrrolidone), PVF(polyvinyl fluoride), PUA(poly urethane acrylate), PMMA(polymethyl methacrylate), PBMA(polymethyl methacrylate), PTFE(polytetrafluoroethylene), PC(polycarbonate), PE(Polyethylene), PET(polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.For example, at least one polymer organic material is PVDF (polyvinylidene fluoride), PVP (polyvinylpyrrolidone), PVF (polyvinyl fluoride), PUA (poly urethane acrylate), PMMA (polymethyl methacrylate), PBMA (polymethyl methacrylate), PTFE (polytetrafluoroethylene). , PC (polycarbonate), PE (Polyethylene), PET (polyethylene terephthalate) may include at least one.
본 발명의 일실시예에 따르면 적외선 방사층(113)은 적어도 하나의 세라믹 무기물의 경우, 적어도 하나의 세라믹 무기물이 용액 안에 분산된 형태로 스핀코팅, 바코팅, 스프레이 코팅, 바코팅, 슬릭 코팅 및 딥 코팅 중 어느 하나의 코팅 방법으로 적외선 방사 기판(111) 상에 입자 형태로 형성되거나 진공 증착법을 이용하여 적외선 방사 기판(111) 상에 박막 형태로 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the case of at least one ceramic inorganic material, the
일례로, 적외선 방사층(113)은 적어도 하나의 고분자 유기물의 경우, 적어도 하나의 고분자 유기물을 용매(solvent)에 녹여 스핀 코팅, 바코팅, 스프레이 코팅, 바 코팅, 슬릭 코팅 및 딥 코팅 중 어느 하나의 코팅 방법으로 적외선 방사 기판(111) 상에 코팅될 수 있다.As an example, in the case of at least one polymer organic material, the
예를 들어, 적외선 방사층(113)의 두께는 100 ㎚ 이상으로 형성될 수 있다.For example, the
본 발명의 일실시예에 따르면 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자(110)는 태양광과 수직을 이루는 기준선에 대하여 태양광이 -70도 내지 +70도의 입사각으로 입사될 경우, 0.4 이상의 적외선 방사율을 갖을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
예를 들어, 적외선 방사율은 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자(110)가 적외선을 흡수 및 방사하는 확률을 나타낼 수 있다.For example, the infrared emissivity may represent a probability that the
도 1c는 본 발명의 일실시예에 따라 적외선 방사 기판과 태양광 반사층에 적외선 방사층이 추가로 구성된 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자를 예시한다.1C illustrates a radiation cooling device utilizing the optical characteristics of an infrared radiation substrate and a substrate further comprising an infrared radiation layer on the solar reflecting layer according to an embodiment of the present invention.
도 1c를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자(120)는 적외선 방사 기판(121), 태양광 반사층(122) 및 적외선 방사층(123)을 포함한다.Referring to FIG. 1C, the
본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자(120)의 적외선 방사 기판(121)과 적외선 방사층(123)이 선택적으로 적외선 흡수하여 방사하는 선택적 적외선 방출(selective IR emission)을 수행한다.Selective IR emission in which the
일례로, 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자(120)의 태양광 반사층(122)이 태양광 반사(solar reflection)을 수행한다.For example, the
본 발명의 일실시예에 따르면 적외선 방사 기판(121), 태양광 반사층(122) 및 적외선 방사층(123)의 형성 물질은 도 1a 및 도 1b에서 설명된 형성 물질 및 구조가 동일하다.According to an embodiment of the present invention, materials for forming the
따라서, 본 발명은 태양광 영역에서 높은 투과율을 가지며, 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위에서 부분적으로 높은 방사율을 갖는 다양한 종류의 기판과 기판의 하부에 태양광을 반사하도록 태양광 반사층이 코팅 또는 증착되고, 기판의 상부에 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위의 방사율을 증진시킬 수 있는 물질층이 형성된 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention has a high transmittance in the solar region, and a solar reflective layer to reflect sunlight under the substrate and various kinds of substrates having a partially high emissivity in the wavelength range corresponding to the sky window. It is possible to provide a radiation cooling device in which a layer of a material capable of enhancing the emissivity in a wavelength range corresponding to a sky window is formed on the top of a substrate, and is coated or deposited.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 광특성을 설명하는 도면이다.2 is a diagram illustrating optical characteristics of a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자에서 적외선 방사 기판의 두께 변화에 따른 광특성을 예시하고, 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자는 태양광 반사층이 은(ag)로 형성되고, 적외선 방사 기판은 사파이어(sapphire) 기판으로서 220 ㎛ 또는 430 ㎛의 두께로 형성된다.2 illustrates the optical characteristics according to the thickness change of the infrared radiation substrate in the radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate according to an embodiment of the present invention, and utilizes the optical characteristics of the substrate according to an embodiment of the present invention. In one radiation cooling element, the solar reflecting layer is formed of silver (ag), and the infrared emitting substrate is a sapphire substrate, which is formed to a thickness of 220 μm or 430 μm.
도 2를 참고하면, 그래프(200)는 파장 범위 변화에 따른 적외선 흡수 및 방사율과 태양광 파워 밀도(solar power density)를 나타낸다.Referring to FIG. 2, a
그래프(200)에 따르면 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자는 4 ㎛ 내지 15 ㎛의 파장 범위에서 적외선 방사율을 갖고, 6 ㎛ 내지 10 ㎛의 파장 범위에서 0.8 내지 0.9의 적외선 방사율을 갖는다.According to the
즉, 그래프(200)는 파장 범위 변화에 따른 기판의 적외선 흡수 및 방사율과 관련된 기판의 광특성을 나타내고 있다.That is, the
그래프(200)에 따르면, 사파이어(sapphire) 기판은 220 ㎛ 및 430 ㎛의 두께에서 유사한 광특성을 나타낸다.According to the
다만, 사파이어(sapphire) 기판은 220 ㎛의 두께로 형성될 경우 추가 공정이 필요하다는 단점이 존재한다.However, when the sapphire substrate is formed to a thickness of 220 μm, there is a disadvantage that an additional process is required.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자는 적외선 방사 기판과 태양광 반사층만으로 이루어져 복사 냉각 기능을 수행할 수 있음에 따라 얇은 두께로 형성될 수 있다.That is, the radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate according to an embodiment of the present invention may be formed to have a thin thickness as it can perform a radiation cooling function composed of only an infrared radiation substrate and a solar reflective layer.
따라서, 본 발명은 건축자재, 유리, 자동차 자재, 항공장비, 에너지 절감형 데이터 센터 및 전자기기, 태양전지 등 냉각이 필요한 물질의 외부 표면에 적용되어 에너지 소모 없이 냉각 기능을 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention can be applied to the outer surface of materials requiring cooling, such as building materials, glass, automobile materials, aviation equipment, energy-saving data centers and electronic devices, and solar cells, thereby providing a cooling function without energy consumption.
또한, 본 발명은 웨어러블 디바이스, 의류, 신발, 우산 등에 적용되어 낮 시간 동안 태양광에 의해 피부가 화상을 입는 현상을 방지할 수 있다.In addition, the present invention can be applied to wearable devices, clothes, shoes, umbrellas, and the like to prevent skin burns due to sunlight during daytime.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자에서 적외선 방사 기판을 설명하는 도면이다.3A to 3E are views for explaining an infrared radiation substrate in a radiation cooling device utilizing optical characteristics of the substrate according to an embodiment of the present invention.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사 기판의 이미지(300)를 예시하고, 이미지(300)를 참고하면, 적외선 방사 기판은 후면에 글자가 식별될 수 있을 정도로 투명한 소재로 이루어질 수 있다.3A illustrates an
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사 기판에 대한 XRD(X-ray diffraction) 데이터를 나타내는 그래프를 예시한다.3B is a graph illustrating X-ray diffraction (XRD) data for an infrared radiation substrate according to an embodiment of the present invention.
그래프(310)를 참고하면, 사파이어 기판이 c축 결정성을 가지며, 최대 폭이 0.06°이고, 전체폭이 41.71°임을 나타낸다.Referring to the
도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사 기판에 대한 굴절률(refractive index)과 흡광계수(extinction coefficient)를 나타내는 그래프를 예시한다.3C illustrates a graph showing a refractive index and an extinction coefficient for an infrared radiation substrate according to an embodiment of the present invention.
그래프(320)를 참고하면, 사파이어 기판의 굴절률은 대략 10 ㎛의 파장 후에 낮아지기 때문에, 사파이어 기판의 표면은 금속으로서 작용하는 10 ㎛ 이상의 파장의 전자기파를 강하게 반사시킬 수 있다.Referring to the
도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사 기판의 자외선(UV) 및 근 적외선(NIR) 영역에서의 광특성을 나타내는 그래프를 예시한다.3D is a graph illustrating optical characteristics in ultraviolet (UV) and near infrared (NIR) regions of an infrared emitting substrate according to an embodiment of the present invention.
도 3d의 그래프(330)를 참고하면, 반사율(reflectance) 및 흡수율(absorptance)은 낮고, 투과율(transmittance)은 높다.Referring to the
도 3e는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사 기판의 장파장 적외선 영역에서의 광특성을 나타내는 그래프를 예시한다.3E is a graph illustrating optical characteristics in a long wavelength infrared region of an infrared radiation substrate according to an embodiment of the present invention.
도 3e의 그래프(340)를 참고하면, 대기의 창에 해당하는 파장 범위에서 흡수율(absorptance)이 높고, 그 이상의 파장 범위에서는 반사율(reflectance)이 높으며, 그 이하의 파장 범위에서는 투과율(transmittance)이 높다.Referring to the
한편, 대기의 창에 해당하는 파장 범위에서는 반사율(reflectance)과 투과율(transmittance)이 모두 낮다.On the other hand, in the wavelength range corresponding to the window of the atmosphere, both reflectance and transmittance are low.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사 기판은 대기의 창에 해당하는 파장 범위에서 효율적으로 장파장 적외선을 흡수 및 방사할 수 있다.Accordingly, the infrared radiation substrate according to an embodiment of the present invention can efficiently absorb and radiate long-wavelength infrared rays in a wavelength range corresponding to the window of the atmosphere.
또한, 본 발명은 화학적 안정성과 기계적 특성이 우수한 세라믹 소재로 이루어진 기판을 활용함에 따라 장시간에 걸친 외부환경 노출 시에도 안정적인 복사 냉각 기능을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a stable radiation cooling function even when exposed to the external environment for a long time by using a substrate made of a ceramic material having excellent chemical stability and mechanical properties.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자에서 적외선 방사층을 설명하는 도면이다.4A to 4D are views for explaining an infrared radiation layer in a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사층이 Si3N4 박막(thin film)으로 형성된 경우의 굴절률(refractive index)과 흡광계수(extinction coefficient)를 나타내는 그래프를 예시한다.FIG. 4A illustrates a graph showing a refractive index and an extinction coefficient when an infrared radiation layer according to an embodiment of the present invention is formed of a Si 3 N 4 thin film.
흡광 계수(extinction coefficient)는 흡수율(absorptivity)에 비례하며, 이는 태양 스펙트럼 영역에서의 낮은 흡광 계수 및 대기 투명도 윈도우에서의 높은 흡광 계수가 주간 방사 냉각에 유리하다는 것을 의미할 수 있다.The extinction coefficient is proportional to the absorptivity, which may mean that a low extinction coefficient in the solar spectral region and a high extinction coefficient in the atmospheric transparency window are advantageous for daytime radiative cooling.
도 4a의 그래프(400)를 참고하면, Si3N4 박막의 흡광 계수 값은 약 0.3 ㎛의 파장 영역에서 멀리 떨어진 태양 스펙트럼 영역에서 매우 낮으며 대부분의 대기 투명도 창에서 광범위하게 높게 나타날 수 있다.Referring to the
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사층이 Al2O3 나노입자(nano particle)으로 형성된 경우의 굴절률(refractive index)과 흡광계수(extinction coefficient)를 나타내는 그래프를 예시한다.FIG. 4B illustrates a graph showing a refractive index and an extinction coefficient when the infrared radiation layer according to an embodiment of the present invention is formed of Al 2 O 3 nanoparticles.
도 4b의 그래프(410)를 참고하면, Al2O3는 나노 입자의 형태이기 때문에, Al2O3 나노입자는 Si3N4 박막과 비교하여 낮은 굴절률 및 낮은 흡광 계수 값을 갖을 수 있다.Referring to the
일례로, Al2O3 나노입자의 흡광 계수는 8.5 ㎛의 파장에서 작은 피크를 나타내며 10μm 이상의 파장에서 증가될 수 있다.For example, the extinction coefficient of the Al 2 O 3 nanoparticles exhibits a small peak at a wavelength of 8.5 μm and may be increased at a wavelength of 10 μm or more.
예를 들어, Al2O3 나노입자는 10 ㎛ 이상의 파장 범위에서 사파이어 기판의 굴절률보다 상대적으로 높기 때문에 빛을 반사하지 않으나, 전자기파는 흡수될 수 있다.For example, Al 2 O 3 nanoparticles do not reflect light because they are relatively higher than the refractive index of the sapphire substrate in a wavelength range of 10 μm or more, but electromagnetic waves may be absorbed.
도 4c는 적외선 방사층이 Si3N4 박막으로 형성된 경우의 이미지(420)를 예시하고, 도 4d는 적외선 방사층이 Al2O3는 나노 입자의 형태로 형성된 경우의 이미지(430)를 예시한다.FIG. 4C illustrates an image 420 when the infrared emission layer is formed of a Si 3 N 4 thin film, and FIG. 4D illustrates an
이미지(420) 및 이미지(430)을 참고할 경우, 사파이어 기판 기반 복사 냉각 소자와 유사하게 거울(mirror)과 같은 색을 나타낼 수 있다.When referring to the
예를 들어, 적외선 방사층은 Al2O3 나노입자 층의 소멸 계수가 Si3N4 박막보다 상대적으로 낮기 때문에, Si3N4 박막으로 형성될 경우보다 Al2O3 나노입자 층으로 형성될 경우 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다. For example, since the extinction coefficient of the Al 2 O 3 nanoparticle layer is relatively lower than that of the Si 3 N 4 thin film, the infrared radiation layer will be formed as an Al 2 O 3 nanoparticle layer than when formed as a Si 3 N 4 thin film. If the case can be formed relatively thick.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 적외선 방사층을 추가적으로 포함하는 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 광 특성을 설명하는 도면이다.5A and 5B are diagrams for explaining optical characteristics of a radiation cooling device using optical characteristics of a substrate additionally including an infrared emission layer according to an embodiment of the present invention.
도 5a는 적외선 방사층을 추가적으로 포함하는 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 파장 범위 별 장파장 적외선 흡수 및 방사율 변화를 예시하는 그래프이다.5A is a graph illustrating long-wavelength infrared absorption and emissivity change for each wavelength range of a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate additionally including an infrared emission layer.
도 5a의 그래프(500)를 참고하면, 이상적인 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 장파장 적외선 흡수 및 방사율 변화를 나타낸다.Referring to the
본 발명의 일실시예에 따르면 제1 복사 냉각 소자(RC1)는 태양광 반사층과 적외선 방사 기판으로 이루어지고, 제2 복사 냉각 소자(RC2)는 태양광 반사층은 적외선 방사 기판, 적외선 방사층으로 이루어지며, 제3 복사 냉각 소자(RC3)도 태양광 반사층은 적외선 방사 기판, 적외선 방사층으로 이루진다.According to an embodiment of the present invention, the first radiation cooling element RC1 is made of a solar reflective layer and an infrared radiation substrate, and the second radiation cooling element RC2 is made of an infrared radiation substrate and an infrared radiation layer. In addition, the third radiation cooling element RC3 also includes an infrared radiation substrate and an infrared radiation layer as the solar reflective layer.
다만, 제2 복사 냉각 소자(RC2)와 제3 복사 냉각 소자(RC3)는 적외선 방사층에 차이가 존재하는데, 제2 복사 냉각 소자(RC2)의 적외선 방사층은 Si3N4 박막으로 형성되고, 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 적외선 방사층은 Al2O3 나노입자 층으로 형성된다.However, there is a difference in the infrared radiation layer between the second radiation cooling element RC2 and the third radiation cooling element RC3, and the infrared radiation layer of the second radiation cooling element RC2 is formed of a Si 3 N 4 thin film. , The infrared emission layer of the third radiation cooling element RC3 is formed of an Al 2 O 3 nanoparticle layer.
예를 들어, 태양광 반사층은 은(Ag)으로 형성되고, 적외선 방사 기판은 사파이어 기판일 수 있다.For example, the solar reflective layer may be formed of silver (Ag), and the infrared radiation substrate may be a sapphire substrate.
예를 들어, 제1 복사 냉각 소자(RC1)는 적외선 방사 기판이 430 ㎛의 두께를 갖는 사파이어 기판으로 형성되고, 태양광 반사층이 200 ㎚의 두께를 갖는 은 막(silver layer)로 형성될 수 있다.For example, the first radiation cooling element RC1 may be formed of a sapphire substrate having a thickness of 430 μm in an infrared radiation substrate, and a silver layer having a thickness of 200 nm in the solar reflective layer. .
또한, 제2 복사 냉각 소자(RC2)는 적외선 방사 기판이 430 ㎛의 두께를 갖는 사파이어 기판으로 형성되고, 태양광 반사층이 200 ㎚의 두께를 갖는 은 막(silver layer)로 형성되고, 200 ㎚의 두께를 갖는 Si3N4 박막이 추가로 사파이어 기판 상에 형성될 수 있다.In addition, in the second radiation cooling element RC2, the infrared radiation substrate is formed of a sapphire substrate having a thickness of 430 μm, the solar reflecting layer is formed of a silver layer having a thickness of 200 nm, and A Si 3 N 4 thin film having a thickness may be additionally formed on the sapphire substrate.
또한, 제3 복사 냉각 소자(RC3)는 적외선 방사 기판이 430 ㎛의 두께를 갖는 사파이어 기판으로 형성되고, 태양광 반사층이 200 ㎚의 두께를 갖는 은 막(silver layer)로 형성되고, 1400 ㎚의 두께를 갖는 Al2O3 나노입자 층이 추가로 사파이어 기판 상에 형성될 수 있다.In addition, the third radiation cooling element (RC3) is an infrared radiation substrate is formed of a sapphire substrate having a thickness of 430 ㎛, the solar reflective layer is formed of a silver film (silver layer) having a thickness of 200 ㎚, A layer of Al 2 O 3 nanoparticles having a thickness may additionally be formed on the sapphire substrate.
그래프(500)에서 제1 복사 냉각 소자(RC1)와 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 방사율을 대비해보면, 10.5 ㎛ 내지 13 ㎛에서 제1 복사 냉각 소자(RC1)의 부족한 방사율이 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)에서는 보완되었다.When comparing the emissivity of the first radiation cooling element RC1, the second radiation cooling element RC2, and the third radiation cooling element RC3 in the
따라서, Si3N4 박막 또는 Al2O3 나노입자로 적외선 방사층을 추가적으로 포함하여 대기의 창에 해당하는 파장 범위에서 평균 방사율이 아래 표 1과 같이 증가되었다.Therefore, the average emissivity was increased as shown in Table 1 below in the wavelength range corresponding to the window of the atmosphere by additionally including an infrared emission layer with Si 3 N 4 thin film or Al 2 O 3 nanoparticles.
열전달계수(h) = 6Wm-2KTemperature(T)=27C°
Heat transfer coefficient (h) = 6Wm -2 K
표 1에서의 평균 흡수율, 평균 방사율, 총 냉각 전력 및 냉각 온도는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 지표에 해당될 수 있다.The average absorption rate, average emissivity, total cooling power, and cooling temperature in Table 1 may correspond to the radiative cooling performance index of the radiant cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate according to an embodiment of the present invention.
또한, 표 1을 통해 Si3N4 박막 또는 Al2O3 나노입자로 적외선 방사층을 추가적으로 포함할 경우, 총 냉각 전력과 냉각 온도도 상승함을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen from Table 1 that when the infrared emission layer is additionally included as a Si 3 N 4 thin film or Al 2 O 3 nanoparticles, the total cooling power and cooling temperature are also increased.
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 대기 투과율 대 입사각 그래프를 예시한다.5B illustrates a graph of an atmospheric transmittance versus an angle of incidence of a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 5b의 그래프(510)를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자에서 입사각 변화에 따른 평균 방사율을 확인할 수 있다.Referring to the
제2 복사 냉각 소자(RC2)와 제3 복사 냉각 소자(RC3)는 제1 복사 냉각 소자에 대비하여 모든 입사각에 대하여 우수한 평균 방사율을 나타낸다.The second radiation cooling element RC2 and the third radiation cooling element RC3 exhibit excellent average emissivity for all incident angles compared to the first radiation cooling element.
제2 복사 냉각 소자(RC2)는 50도 이상의 입사각에 대해 제3 복사 냉각 소자(RC3)에 대비하여 우수한 방사 특성을 나타낸다.The second radiation cooling element RC2 exhibits excellent radiation characteristics compared to the third radiation cooling element RC3 for an incident angle of 50 degrees or more.
또한, 제2 복사 냉각 소자(RC2)와 제3 복사 냉각 소자(RC3)는 입사각이 70도 까지 0.6 이상의 방사율을 나타낸다.In addition, the second radiation cooling element RC2 and the third radiation cooling element RC3 exhibit an emissivity of 0.6 or more up to an angle of incidence of 70 degrees.
예를 들어, 0.6 이상의 방사율을 갖을 경우, 복사 냉각 소자는 입사되는 장파장 적외선의 60%를 흡수 및 방사할 수 있다.For example, when it has an emissivity of 0.6 or more, the radiation cooling element may absorb and emit 60% of incident long-wavelength infrared rays.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자는 태양광이 -70도 내지 +70도의 입사각으로 입사될 경우, 0.4 이상의 적외선 방사율을 갖을 수 있다.That is, the radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate according to an embodiment of the present invention may have an infrared emissivity of 0.4 or more when sunlight is incident at an incidence angle of -70 degrees to +70 degrees.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험을 낮(day time)에 수행한 결과를 설명하는 도면이다.6A to 6F are diagrams for explaining a result of performing a radiation cooling performance experiment of a radiation cooling device using optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention at a day time.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험 환경을 예시한다.6A illustrates a radiation cooling performance experiment environment of a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 6a를 참고하면, 복사 냉각 성능 실험 환경(600)은 제1 복사 냉각 소자(RC1) 내지 제3 복사 냉각 소자(RC3)가 측정 장치 내에 삽입되어 있고, 측정 장치의 몸체는 두께가 30mm 인 백색 압축 폴리스티렌으로 구성되며, 바깥 쪽은 태양열을 방지하기 위해 알루미늄 테이프로 덮여 있다.6A, in the radiation cooling
제1 복사 냉각 소자(RC1) 내지 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 하부에는 온도계가 위치하고, 장치 내부의 실제 온도를 측정하기 위해 구리선 주변 열전대(thermos couple)를 장치의 가장자리에 배치될 수 있다.A thermometer is positioned under the first to third radiation cooling elements RC1 to RC3, and a thermocouple around a copper wire may be disposed at the edge of the device to measure an actual temperature inside the device.
또한, 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE) 필름이 장치 상단에 덮여 있기 때문에 장치 내부의 온도를 고온으로 만드는 온실 효과는 LDPE 필름의 비 이상적 투과율로 인해 발생될 수 있다.In addition, since a low-density polyethylene (LDPE) film is covered on the top of the device, a greenhouse effect that causes the temperature inside the device to become high may occur due to the non-ideal transmittance of the LDPE film.
제1 복사 냉각 소자(RC1) 내지 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 온도와 주변 온도는 30초마다 데이터 로거로 기록될 수 있고, 30초마다 태양 조도, 상대 습도 및 풍속도 기록될 수 있다.The temperature and ambient temperature of the first to third radiation cooling elements RC1 to RC3 may be recorded by the data logger every 30 seconds, and solar illuminance, relative humidity, and wind speed may also be recorded every 30 seconds.
도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험 환경에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 이미지를 예시한다.6B illustrates an image of a radiation cooling element utilizing optical characteristics of a substrate according to an experimental environment for a radiation cooling performance of a radiation cooling element utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 6b의 이미지(610)를 참고하면, 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)는 서로 분리되어 배치된다.Referring to the
도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 온도와 주변 온도에 대한 낮 시간의 측정 결과를 예시한다.6C is a diagram illustrating a measurement result of a temperature of a radiation cooling element and an ambient temperature during the day using optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 6c의 그래프(620)를 참고하면, 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 하부 온도가 주변 온도에 대비하여 낮음을 확인할 수 있다.Referring to the
즉, 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 냉각 효과를 확인할 수 있다.That is, the cooling effect of the first radiation cooling element RC1, the second radiation cooling element RC2, and the third radiation cooling element RC3 can be confirmed.
도 6d는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험 환경에서 복사 냉각 소자들의 냉각 온도를 예시한다.6D illustrates cooling temperatures of the radiation cooling elements in a radiation cooling performance experiment environment of a radiation cooling element utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 6d의 그래프(630)를 참고하면, 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 평균 온도 강하는 각각 -8.24도, -8.75도 및 -9.82도임을 확인할 수 있다.Referring to the
제3 복사 냉각 소자(RC3)는 흡수 및 방출 스펙트럼 결과의 적합성을 갖는 3 개의 복사 냉각기 중에서 가장 강력한 냉각 효과를 보여주었고, 이는 제3 복사 냉각 소자(RC3)가 제2 복사 냉각 소자(RC2)보다 태양 광 스펙트럼 영역에서 흡수율이 낮고 제1 복사 냉각 소자(RC1)보다 대기 투명도 창에서 더 높은 방사율을 나타냄을 예시한다.The third radiant cooling element (RC3) showed the strongest cooling effect among the three radiant coolers with suitability of absorption and emission spectrum results, which is that the third radiant cooling element (RC3) is more than that of the second radiant cooling element (RC2). It exemplifies that the absorption rate is low in the solar spectrum region and a higher emissivity in the atmospheric transparency window than the first radiant cooling element (RC1).
제2 복사 냉각 소자(RC2)는 대기 투명도 윈도우에서 강한 방출 특성을 나타내지 만, 제2 복사 냉각 소자(RC2)의 냉각 성능은 Si3N4 박막에 의해 유도 된 높은 태양 흡수로 인해 제1 복사 냉각 소자(RC1)의 냉각 성능과 크게 다르지 않음을 나타낸다.The second radiation cooling element RC2 exhibits strong emission characteristics in the atmospheric transparency window, but the cooling performance of the second radiation cooling element RC2 is the first radiation cooling due to the high solar absorption induced by the Si 3 N 4 thin film. It shows that the cooling performance of the element RC1 is not significantly different.
제1 복사 냉각 소자(RC1)의 경우, 사파이어 기판의 뒷 면에 은으로 형성된 태양광 반사층을 증착하여 낮 시간 동안에 복사 냉각을 수행 할 수 있음을 예시한다.In the case of the first radiation cooling element RC1, it is exemplified that radiation cooling can be performed during the day by depositing a solar reflective layer formed of silver on the back surface of the sapphire substrate.
도 6e는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험 환경에서의 상대 습도를 나타내고, 도 6f는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험 환경에서의 풍속을 나타낸다.6E shows the relative humidity in the experimental environment of the radiation cooling performance of the radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6F shows the optical characteristics of the substrate according to an embodiment of the present invention. It shows the wind speed in the experimental environment of the radiant cooling performance of the used radiant cooling element.
도 6e의 그래프(640)은 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험 환경에서의 낮 시간의 상대 습도를 예시하고, 도 6f의 그래프(650)는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험 환경에서의 낮 시간의 풍속을 예시한다.The
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험을 밤(night time)에 수행한 결과를 설명하는 도면이다.7A to 7D are diagrams for explaining results of a radiation cooling performance experiment of a radiation cooling element utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention at night time.
도 7a 내지 도 7d는 도 6a 내지 도 6f에서 설명된 복사 냉각 성능 실험 환경과 동일한 조건에서 시간을 변경하여 측정된 결과를 예시한다.7A to 7D illustrate the results measured by changing the time under the same conditions as the radiation cooling performance experiment environment described in FIGS. 6A to 6F.
도 7a의 그래프(700)를 참고하면, 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3) 모두 하부 온도를 하강 시키는 효과를 나타낸다.Referring to the
도 7b의 그래프(710)를 참고하면, 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3) 모두 자정 시간으로 갈 수 록 냉각 온도가 증가함을 나타낸다.Referring to the
도 7c의 그래프(720)은 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험 환경에서의 밤 시간의 상대 습도를 예시하고, 도 7d의 그래프(730)는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험 환경에서의 밤 시간의 풍속을 예시한다.The
야간 동안 측정 된 태양 조도 값은 거의 0에 가까웠었고 상대 습도는 낮의 습도보다 높다.The measured solar illuminance values during the night were close to zero, and the relative humidity was higher than that during the day.
태양이 수평선 아래로 떨어질 때 17:00에, 각 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능은 낮은 태양 조도 및 상대 습도 및 높은 주변 온도로 인해 가장 높음을 확인할 수 있다.At 17:00 when the sun falls below the horizon, it can be seen that the radiant cooling performance of each radiant cooling element is highest due to low solar illumination and relative humidity and high ambient temperature.
세 개의 복사 냉각 소자 중 대기 투명도 창에서 방사율이 가장 낮은 제1 복사 냉각 소자는 17:00에 약 1.5도만큼 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)에 비해 가장 낮은 복사 냉각 성능을 나타냈다.Among the three radiant cooling elements, the first radiant cooling element, which has the lowest emissivity in the atmospheric transparency window, has the lowest radiation compared to the second radiation cooling element (RC2) and the third radiation cooling element (RC3) by about 1.5 degrees at 17:00. Showed cooling performance.
제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 평균 온도 강하는 각각 -6.81도, -7.67도 및 -7.57도였으며 제2 복사 냉각 소자(RC2)는 전체 측정 기간 동안 가장 높은 온도 강하를 나타냄을 확인할 수 있다.The average temperature drops of the first radiation cooling element RC1, the second radiation cooling element RC2, and the third radiation cooling element RC3 were -6.81 degrees, -7.67 degrees, and -7.57 degrees, respectively, and the second radiation cooling element ( It can be seen that RC2) shows the highest temperature drop over the entire measurement period.
또한, 시간이 경과함에 따라 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3) 사이의 냉각 온도 차이가 감소했고, 상대 습도가 증가하고 주변 온도가 감소하면 대기 투과율과 열 복사 전력이 각각 감소하여 복사 냉각 성능이 저하되었다.In addition, as time passed, the difference in cooling temperature between the first radiant cooling element RC1, the second radiant cooling element RC2, and the third radiant cooling element RC3 decreased, the relative humidity increased, and the ambient temperature increased. As the decrease, the atmospheric transmittance and the thermal radiation power decreased, respectively, and the radiant cooling performance was degraded.
따라서, 본 발명은 태양빛이 비치는 낮(day time)이나 태양빛이 비치지 않는 밤(night time)에도 에너지 소모없이 주변 온도 이하로 냉각 시키는 복사 냉각 소자를 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention can provide a radiant cooling device that cools down to an ambient temperature below the ambient temperature without consuming energy even during the day time when sunlight is shining or at night when the sun light is not shining.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 냉각 성능을 설명하는 도면이다.8A to 8D are views for explaining the cooling performance of a radiation cooling element utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자를 통해 측정 및 계산된 순 냉각 전력과 냉각 온도를 나타낼 수 있다.8A and 8B may show net cooling power and cooling temperature measured and calculated by a radiation cooling element utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 8a의 그래프(800)를 참고하면, 이상적인 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 주변 온도(ambient temperature) 변화에 따른 순 냉각 전력(net cooling power)의 변화를 나타낸다.Referring to the
예를 들어, 27도(300K)의 주변 온도에서 계산 된 이상적인 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 순 냉각 전력은 125.7Wm-2, 62.5Wm-2, 89.5Wm-2 및 98.9Wm- 2로 측정 및 계산될 수 있다.For example, an ideal selective emitter (ISE) calculated at an ambient temperature of 27 degrees (300K), a first radiant cooling element (RC1), a second radiant cooling element (RC2) and a third radiant cooling element. net cooling power of (RC3) is 125.7Wm -2, 62.5Wm -2, 89.5Wm -2 and 98.9Wm - can be measured and calculated by two.
도 8b의 그래프(810)를 참고하면, 6Wm-2K-1의 열전달 계수인 환경에서 이상적인 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 주변 온도(ambient temperature) 변화에 따른 냉각 온도(cooling temperature)의 변화를 나타낸다.Referring to the
27도(300K)의 주변 온도에서 이상적인 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 냉각 온도는 온도에서 각각 -15.4도, -7.39도, -9.74도 및 -10.5도 일 수 있다.Cooling temperature of the ideal selective emitter (ISE), the first radiant cooling element (RC1), the second radiant cooling element (RC2) and the third radiant cooling element (RC3) at an ambient temperature of 27 degrees (300K) May be -15.4 degrees, -7.39 degrees, -9.74 degrees, and -10.5 degrees in temperature, respectively.
선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 냉각 온도 차이는 적외선 방사층에서 발생하는 고유 태양광 흡수의 영향일 수 있다.The difference in cooling temperature between the ideal selective emitter (ISE), the first radiant cooling element (RC1), the second radiant cooling element (RC2), and the third radiant cooling element (RC3) is the intrinsic aspect that occurs in the infrared radiation layer. It may be the effect of light absorption.
도 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자를 통해 측정 및 계산된 열 전달 계수가 0이고 주변 온도가 300K 인 조건에서 냉각 온도와 냉각 전력 그래프를 예시한다.8C illustrates a graph of a cooling temperature and a cooling power under a condition in which a heat transfer coefficient measured and calculated by a radiation cooling element utilizing the optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention is 0 and an ambient temperature is 300K.
도 8c의 그래프(820)를 참고하면, 열 전달 계수가 0 인 경우 복사 냉각 소자 주변의 장소가 진공 상태이고 대기 투명도 창이 복사 냉각 소자에 영향을 미치는 것으로 해석 할 수 있다.Referring to the
이상적 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 냉각 온도 값은 각각 -87.0도, -29.5도, -32.1도 및 -33.0도 일 수 있다.The cooling temperature values of the ideal selective emitter (ISE), the first radiant cooling element (RC1), the second radiant cooling element (RC2), and the third radiant cooling element (RC3) are -87.0 degrees and -29.5 degrees, respectively. Degrees, -32.1 degrees, and -33.0 degrees.
도 8d의 그래프(831), 그래프(832) 및 그래프(833)은 순 냉각 전력을 구성하는 전력 파라미터들을 나타낸다.
그래프(831)는 복사 전력(P_rad)를 나타내고, 그래프(832)는 대기 방출 전력(P_atm)을 나타내며, 그래프(833)는 태양 흡수 전력(P_sun)을 나타낼 수 있다.The
그래프(831), 그래프(832) 및 그래프(833)에 기반한 복사 냉각 소자와 관련된 순 냉각 전력을 구성하는 전력 파라미터들은 아래의 표 2와 같이 정리할 수 있다.Power parameters constituting the net cooling power related to the radiant cooling element based on the
하기 표 2는 주변 온도 (T_amb)가 300K 인 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 복사 전력(Prad), 대기 방출 전력(Patm), 태양 흡수 전력(Psun) 및 순 냉각 전력(Pnet)을 예시한다.Table 2 below shows the ambient temperature (T_amb) of 300K of an ideal selective emitter (ISE), a first radiation cooling element (RC1), a second radiation cooling element (RC2), and a third radiation cooling element (RC3). Radiated power (Prad), standby emission power (Patm), solar absorbed power (Psun) and net cooling power (Pnet) are illustrated.
예를 들어, 복사 전력(Prad)은 복사 냉각 소자의 표면에서 방출되는 반구 복사 전력으로서, 하기 수학식 1에 기반하여 계산될 수 있다.For example, the radiant power Prad is a hemispherical radiant power emitted from the surface of the radiant cooling element, and may be calculated based on
[수학식 1][Equation 1]
수학식 1에서, IBB는 흑체 복사 강도를 나타낼 수 있고, T는 온도를 나타낼 수 있다.In
예를 들어, 대기 방출 전력(Patm)은 복사 냉각 소자의 대기 복사 흡수로 인한 전력 손실로서, 하기 수학식 2에 기반하여 계산될 수 있다.For example, the standby emission power (Patm) is a power loss due to absorption of atmospheric radiation by the radiation cooling element, and may be calculated based on
[수학식 2][Equation 2]
수학식 2에서, IBB는 흑체 복사 강도를 나타낼 수 있고, Tatm은 주변 온도를 나타낼 수 있다.In
예를 들어, 태양 흡수 전력(Psun)은 복사 냉각 소자의 태양 흡수로 인한 전력 손실로서, 하기 수학식 3에 기반하여 계산될 수 있다.For example, the solar absorbed power Psun is a power loss due to solar absorption of the radiant cooling element, and may be calculated based on
[수학식 3][Equation 3]
수학식 3에서, IAM1.5는 태양력 밀도 조건을 나타낼 수 있다.In
예를 들어, 순 냉각 전력(Pnet)은 에너지 보존 법칙에 기반하여 아래 수학식 4로 표현될 수 있다.For example, the net cooling power Pnet may be expressed by
[수학식 4][Equation 4]
수학식 4에서, Pnet은 순 냉각 전력을 나타낼 수 있고, Prad는 복사 전력을 나타낼 수 있으며, Patm은 대기 방출 전력을 나타낼 수 있고, Psun은 태양 흡수 전력을 나타낼 수 있으며, Pnon-rad는 전도와 대류에 따른 전력 손실을 나타낼 수 있다.In
도 9a 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 전자 현미경 이미지를 설명하는 도면이다.9A to 10 are diagrams illustrating electron microscope images of a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 9a는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자에서 적외선 방사층이 Si3N4 박막으로 이루어진 복사 냉각 소자의 단면에 대한 전자 현미경 이미지를 예시하고, 도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자에서 적외선 방사층이 Al2O3 나노 입자층으로 이루어진 복사 냉각 소자의 단면에 대한 전자 현미경 이미지를 예시한다.9A illustrates an electron microscope image of a cross section of a radiation cooling element in which an infrared radiation layer is made of a Si 3 N 4 thin film in a radiation cooling element utilizing the optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9B is An electron microscope image of a cross section of a radiation cooling device in which an infrared emission layer is made of an Al 2 O 3 nanoparticle layer in a radiation cooling device utilizing the optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention is illustrated.
도 9a의 이미지(900)를 참고하면, Si3N4 박막은 200 ㎚의 두께를 갖고, 도 9b의 이미지(910)를 참고하면, Al2O3 나노 입자층은 1400 ㎚의 두께를 갖는다.Referring to the
도 10은 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 단면에 대한 전자 현미경 이미지 및 EDS 원소 매핑 이미지를 예시한다.10 illustrates an electron microscope image and an EDS element mapping image of the cross section of the second radiation cooling element RC2 and the third radiation cooling element RC3.
도 10을 참고하면, 이미지(1000)는 제2 복사 냉각 소자(RC2)의 단면에 대한 전자 현미경 이미지를 예시하고, 이미지(1010) 및 이미지(1020)는 제2 복사 냉각 소자(RC2)의 EDS 원소 매핑 이미지를 나타낸다.Referring to FIG. 10, an
이미지(1010)은 규소(silicon)에 대하여 나타내고, 이미지(1020)는 질소(nitrogen)에 대하여 나타낸다.
이미지(1030)는 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 단면에 대한 전자 현미경 이미지를 예시하고, 이미지(1040) 및 이미지(1050)는 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 EDS 원소 매핑 이미지를 나타낸다.
이미지(1040)는 알루미늄(aluminum)에 대하여 나타내고, 이미지(1050)는 산소(oxygen)에 대하여 나타낸다.
즉, 도 10은 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 에너지 분산 형 X- 선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS) 매핑 이미지는 원래의 캡처 된 전자 현미경 이미지를 나타낸다.That is, Figure 10 is the energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping image of the second radiation cooling element (RC2) and the third radiation cooling element (RC3) is the original captured electron microscope image Represents.
제2 복사 냉각 소자(RC2)의 Si3N4 박막은 이미지(1020) 및 이미지(1030)에서 규소 및 질소 원자와의 원소 맵핑으로 명확하게 특징 지어짐을 나타낸다.It is shown that the Si 3 N 4 thin film of the second radiation cooling element RC2 is clearly characterized by elemental mapping with silicon and nitrogen atoms in
이미지(1040) 및 이미지(1050)는 사파이어 기판을 덮는 캡처 된 이미지 전체에 알루미늄과 산소가 표시됨을 나타낸다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자에서 적외선 방사층의 두께 변화에 따른 복사 냉각 소자의 광 특성을 설명하는 도면이다.11A to 11D are diagrams illustrating optical characteristics of a radiation cooling element according to a change in thickness of an infrared radiation layer in a radiation cooling element utilizing the optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 11a는 적외선 방사층의 두께 변화에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 파장 범위 별 장파장 적외선 흡수 및 방사율 변화를 예시하는 그래프이다.11A is a graph illustrating long-wavelength infrared absorption and emissivity change for each wavelength range of a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to a change in thickness of an infrared emission layer.
도 11a의 그래프(1100)를 참고하면, 적외선 방사층에 해당하는 Si3N4 박막의 두께가 100 ㎚, 200 ㎚, 300 ㎚인 제1 복사 냉각 소자 내지 제3 복사 냉각 소자의 파장 범위 별 장파장 적외선 흡수 및 방사율 변화를 나타낸다.Referring to the
그래프(1100)에 따르면, Si3N4 박막의 두께가 상대적으로 클수록 10.5 ㎛ 이상의 파장 범위에 장파장 적외선 흡수 및 방사율이 크다.According to the
도 11b는 적외선 방사층의 두께 변화에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 입사각도 별 장파장 적외선 흡수 및 방사율 변화를 예시하는 그래프이다.11B is a graph illustrating long-wavelength infrared absorption and emissivity changes according to incident angles of a radiation cooling element utilizing optical characteristics of a substrate according to a change in thickness of an infrared emission layer.
도 11b의 그래프(1110)를 참고하면, 적외선 방사층에 해당하는 Si3N4 박막의 두께가 100 ㎚, 200 ㎚, 300 ㎚인 제1 복사 냉각 소자 내지 제3 복사 냉각 소자의 파장 범위 별 장파장 적외선 흡수 및 방사율 변화를 나타낸다.Referring to the
그래프(1110)에 따르면, Si3N4 박막의 두께가 상대적으로 클수록 동일한 입사 각도에 대하여 높은 장파장 적외선 흡수 및 방사율을 나타낸다.According to the
도 11c는 적외선 방사층의 두께 변화에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 순 냉각 전력 변화를 예시한다.11C illustrates a change in net cooling power of a radiation cooling device utilizing optical characteristics of a substrate according to a change in thickness of an infrared radiation layer.
도 11c의 그래프(1120)를 참고하면, 동일한 주변 온도(ambient temperature)에서 200 ㎚ 두께의 Si3N4 박막을 적외선 방사층으로 포함하는 제2 복사 냉각 소자가 가장 높은 순 냉각 전력을 나타내고, 다음으로 100 ㎚ 두께의 Si3N4 박막을 적외선 방사층으로 포함하는 제1 복사 냉각 소자가 높은 순 냉각 전력을 나타내고, 마지막으로 300 ㎚ 두께의 Si3N4 박막을 적외선 방사층으로 포함하는 제3 복사 냉각 소자가 높은 순 냉각 전력을 나타낸다.Referring to the
즉, 제2 복사 냉각 소자, 제1 복사 냉각 소자 및 제3 복사 냉각 소자 순으로 높은 순 냉각 전력을 나타낸다.That is, the second radiation cooling element, the first radiation cooling element, and the third radiation cooling element, in that order, show high net cooling power.
도 11d는 적외선 방사층의 두께 변화에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 냉각 온도 변화를 예시한다.11D illustrates a change in cooling temperature of a radiation cooling element utilizing optical characteristics of a substrate according to a change in thickness of an infrared radiation layer.
도 11d의 그래프(1130)를 참고하면, 동일한 주변 온도(ambient temperature)에서 200 ㎚ 두께의 Si3N4 박막을 적외선 방사층으로 포함하는 제2 복사 냉각 소자가 가장 낮은 냉각 온도를 나타내고, 다음으로 100 ㎚ 두께의 Si3N4 박막을 적외선 방사층으로 포함하는 제1 복사 냉각 소자가 낮은 냉각 온도를 나타내고, 마지막으로 300 ㎚ 두께의 Si3N4 박막을 적외선 방사층으로 포함하는 제3 복사 냉각 소자가 낮은 냉각 온도를 나타낸다.Referring to the
즉, 제2 복사 냉각 소자, 제1 복사 냉각 소자 및 제3 복사 냉각 소자 순으로 낮은 냉각 온도를 나타낸다.That is, the second radiation cooling element, the first radiation cooling element, and the third radiation cooling element, in that order, show lower cooling temperatures.
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능을 보충 설명하는 도면이다.12A to 12C are diagrams supplementing the radiant cooling performance of the radiant cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 12a 내지 도 12c는 도 11a 내지 도 11d에서 설명된 적외선 방사층의 두께 변화에 따라 다르게 형성된 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)와 이상적인 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE)의 순 냉각 전력과 냉각 온도를 비교하여 보충 설명한다.12A to 12C are a first radiation cooling element RC1, a second radiation cooling element RC2, and a third radiation cooling element RC3 formed differently according to the thickness change of the infrared radiation layer described in FIGS. 11A to 11D. Supplementary explanation is made by comparing the net cooling power and cooling temperature of an ideal selective emitter (ISE).
도 12a의 그래프(1200)는 이상적인 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 주변 온도(ambient temperature) 변화에 따른 순 냉각 전력(net cooling power)의 변화를 나타낸다.The
도 12b의 그래프(1210)는 이상적인 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 주변 온도(ambient temperature) 변화에 따른 냉각 온도 변화를 나타낸다.The
도 12c의 그래프(1220)는 제로 열 전달 계수 및 주변 온도 300K의 조건에서 이상적인 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)의 냉각 온도 대 냉각 전력을 나타낸다.The
도 13는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험에서의 다양한 대기 투과율을 설명하는 도면이다.13 is a view for explaining various atmospheric transmittances in a radiation cooling performance experiment of a radiation cooling device using optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 13을 참고하면, 그래프(1300)는 중위도 여름(Mid-latitude Summer)의 대기 투과율을 나타내고, 그래프(1310)는 중위도 겨울(Mid-latitude Winter)의 대기 투과율을 나타내며, 그래프(1320)는 북극 여름(Sub-arctic Summer)의 대기 투과율을 나타내고, 그래프(1330)는 북극 겨울(Sub-arctic Winter)의 대기 투과율을 나타내며, 그래프(1340)는 열대(tropical)의 대기 투과율을 나타내며, 그래프(1350)는 1976년의 미국 표준에서의 대기 투과율을 나타낸다.Referring to FIG. 13, a
도 13의 그래프들을 통해서 지상 온도, 수증기 기둥 및 고도와 같은 일부 요인으로 특징 지어진 계절 또는 위치에 따른 대기 투과율의 영향을 확인할 수 있다.Through the graphs of FIG. 13, the influence of atmospheric transmittance according to the season or location characterized by some factors such as ground temperature, steam column, and altitude can be confirmed.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자의 복사 냉각 성능 실험에서의 다양한 대기 투과율에 따라 계산된 냉각 전력 및 냉각 온도를 설명하는 도면이다.14 is a diagram illustrating cooling power and cooling temperature calculated according to various atmospheric transmittances in a radiant cooling performance experiment of a radiant cooling device using optical characteristics of a substrate according to an embodiment of the present invention.
도 14는 도 13에서 예시된 서로 다른 대기 투과율 모델에 대한 이상적 선택적 이미터(ideal selective emitter, ISE), 제1 복사 냉각 소자(RC1), 제2 복사 냉각 소자(RC2) 및 제3 복사 냉각 소자(RC3)에 대한 순 냉각 전력 및 냉각 온도 그래프를 나타낸다.14 is an ideal selective emitter (ISE), a first radiant cooling element (RC1), a second radiant cooling element (RC2) and a third radiant cooling element for the different atmospheric transmittance models illustrated in FIG. Graphs of net cooling power and cooling temperature for (RC3) are shown.
도 14를 참고하면, 그래프(1400)는 중위도 여름(Mid-latitude Summer)의 순 냉각 전력 및 냉각 온도를 나타내고, 그래프(1410)는 중위도 겨울(Mid-latitude Winter)의 순 냉각 전력 및 냉각 온도를 나타내며, 그래프(1420)는 북극 여름(Sub-arctic Summer)의 순 냉각 전력 및 냉각 온도를 나타내고, 그래프(1430)는 북극 겨울(Sub-arctic Winter)의 순 냉각 전력 및 냉각 온도를 나타내며, 그래프(1440)는 열대(tropical)의 순 냉각 전력 및 냉각 온도를 나타내며, 그래프(1450)는 1976년의 미국 표준에서의 순 냉각 전력 및 냉각 온도를 나타낸다.Referring to FIG. 14, a
그래프(1400) 내지 그래프(1450)는 위치와 계절에 따른 순 냉각 전력 및 냉각 온도의 차이가 존재함을 나타낸다.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.In the above-described specific embodiments, constituent elements included in the invention are expressed in the singular or plural according to the presented specific embodiments.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.However, the singular or plural expression is selected appropriately for the situation presented for convenience of description, and the above-described embodiments are not limited to the singular or plural constituent elements, and even constituent elements expressed in plural are composed of the singular or However, even if it is a component expressed in a singular number, it can be composed of pluralities.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.Meanwhile, although specific embodiments have been described in the description of the present invention, various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea included in the various embodiments.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, and should be defined by the claims and equivalents as well as the claims to be described later.
100: 복사 냉각 소자 101: 적외선 방사 기판
102: 태양광 반사층100: radiation cooling element 101: infrared radiation substrate
102: solar reflective layer
Claims (13)
상기 적외선 방사 기판의 하부에서 적어도 하나의 반사 물질로 형성되어 상기 투과된 태양광을 반사하는 태양광 반사층; 및
적어도 하나의 방사 물질로 형성되어 상기 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 상기 일부 파장 범위 외 나머지 파장 범위 및 상기 일부 파장 범위를 포괄하는 파장 범위 중 어느 하나의 파장 범위에서 상기 장파장 적외선을 흡수 및 방사하는 적외선 방사층을 포함하는
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.An infrared radiation substrate that absorbs and radiates long-wavelength infrared rays in some wavelength ranges of a wavelength range corresponding to a sky window, and transmits sunlight in a wavelength range corresponding to a solar spectrum;
A solar reflective layer formed of at least one reflective material under the infrared radiation substrate to reflect the transmitted sunlight; And
The long-wavelength infrared rays in any one of a wavelength range other than the partial wavelength range and a wavelength range encompassing the partial wavelength range of the wavelength range corresponding to the sky window of the atmosphere by being formed of at least one radiation material Comprising an infrared radiation layer that absorbs and radiates
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
상기 적외선 방사 기판은 Al2O3, LiF, MgO, AlN, BeO, Si3N4 및 SiO2 중 적어도 하나를 이용하여 형성된
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.The method of claim 1,
The infrared radiation substrate is formed using at least one of Al 2 O 3 , LiF, MgO, AlN, BeO, Si 3 N 4 and SiO 2
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
상기 적외선 방사 기판은 상기 MgO 및 상기 Al2O3 중 어느 하나로 형성될 경우, 상기 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 8 ㎛ 내지 10 ㎛ 에서 방사율 피크(peak)점을 갖고, 상기 LiF 로 형성될 경우, 상기 대기의 창(sky window)에 해당되는 파장 범위 중 10 ㎛ 내지 13 ㎛ 에서 방사율 피크(peak)점을 갖는
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.The method of claim 2,
When the infrared radiation substrate is formed of any one of MgO and Al 2 O 3 , it has an emissivity peak point in 8 µm to 10 µm in a wavelength range corresponding to the sky window, the When formed of LiF, the emissivity peak point at 10 ㎛ to 13 ㎛ of the wavelength range corresponding to the sky window (sky window)
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
상기 적외선 방사 기판의 두께는 50 ㎛ 이상으로 형성되는
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.The method of claim 1,
The infrared radiation substrate has a thickness of 50 μm or more.
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
상기 태양광 반사층은, 상기 적어도 하나의 반사 물질이 금속 물질인 경우, 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au), 구리(cu), 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe) 및 백금(Pt) 중 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 물질이거나 적어도 둘이 결합된 합금 물질 중 어느 하나의 물질로 형성되고,
상기 적어도 하나의 반사 물질이 세라믹 물질인 경우, Al2O3, SiO2, BaSO4, CaCO3, CaSO4, MgHPO4, AlP, AlN, Ta2O5, 및 ZrO2 중 선택되는 적어도 어느 하나의 세라믹 물질이거나 적어도 둘이 혼합된 물질으로 형성되는
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.The method of claim 1,
When the at least one reflective material is a metallic material, the solar reflective layer includes silver (Ag), aluminum (Al), gold (Au), copper (cu), titanium (Ti), chromium (Cr), and manganese ( Mn), iron (Fe) and platinum (Pt) at least one metal material selected from, or formed of at least one of the alloy material in which the two are combined,
If the at least one reflective material is a ceramic material, Al 2 O 3, SiO 2 , BaSO 4, CaCO 3, CaSO 4, MgHPO 4, AlP, AlN, at least one is Ta 2 O 5, and ZrO 2 selected from A ceramic material or a mixture of at least two
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
상기 적외선 방사층은, 상기 적어도 하나의 방사 물질을 이용하여 단층 구조 및 다층 구조 중 어느 하나의 구조로 상기 적외선 방사 기판 상에 형성되는
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.The method of claim 1,
The infrared radiation layer is formed on the infrared radiation substrate in any one of a single-layer structure and a multi-layer structure using the at least one radiation material.
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
상기 적어도 하나의 방사 물질은, 적어도 하나의 고분자 유기물 및 적어도 하나의 세라믹 무기물 중 적어도 하나의 방사 물질을 포함하는
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.The method of claim 1,
The at least one radiating material includes at least one radiating material of at least one polymer organic material and at least one ceramic inorganic material
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
상기 적어도 하나의 세라믹 무기물은, Al2O3, SiO2, BaSO4, LiF, CaSO4, ZnO, TiO2, ZrO2, CaF2, MgF2, HfO2 및 Si3N4 중 적어도 하나 이상을 포함하고,
상기 적어도 하나의 고분자 유기물은 PVDF(polyvinylidene fluoride), PVP(polyvinylpyrrolidone), PVF(polyvinyl fluoride), PUA(poly urethane acrylate), PMMA(polymethyl methacrylate), PBMA(polymethyl methacrylate), PTFE(polytetrafluoroethylene), PC(polycarbonate), PE(Polyethylene), PET(polyethylene terephthalate) 중 적어도 하나 이상을 포함하는
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.The method of claim 8,
The at least one ceramic inorganic material is at least one of Al 2 O 3 , SiO 2 , BaSO 4 , LiF, CaSO 4 , ZnO, TiO 2 , ZrO 2 , CaF 2 , MgF 2 , HfO 2 and Si 3 N 4 Including,
The at least one polymer organic material is PVDF (polyvinylidene fluoride), PVP (polyvinylpyrrolidone), PVF (polyvinyl fluoride), PUA (poly urethane acrylate), PMMA (polymethyl methacrylate), PBMA (polymethyl methacrylate), PTFE (polytetrafluoroethylene), PC ( polycarbonate), PE (Polyethylene), PET (polyethylene terephthalate)
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
상기 적외선 방사층은, 상기 적어도 하나의 세라믹 무기물의 경우, 상기 적어도 하나의 세라믹 무기물이 용액 안에 분산된 형태로 스핀코팅, 바코팅, 스프레이 코팅, 바코팅, 슬릭 코팅 및 딥 코팅 중 어느 하나의 코팅 방법으로 상기 적외선 방사 기판 상에 입자 형태로 형성되거나 진공 증착법을 이용하여 상기 적외선 방사 기판 상에 박막 형태로 형성되는
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.The method of claim 9,
The infrared radiation layer, in the case of the at least one ceramic inorganic material, is a coating of any one of spin coating, bar coating, spray coating, bar coating, slick coating, and dip coating in a form in which the at least one ceramic inorganic material is dispersed in a solution. Formed in the form of particles on the infrared radiation substrate by a method, or formed in the form of a thin film on the infrared radiation substrate using a vacuum deposition method.
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
상기 적외선 방사층은, 상기 적어도 하나의 고분자 유기물의 경우, 상기 적어도 하나의 고분자 유기물을 용매(solvent)에 녹여 스핀 코팅, 바코팅, 스프레이 코팅, 바 코팅, 슬릭 코팅 및 딥 코팅 중 어느 하나의 코팅 방법으로 상기 적외선 방사 기판 상에 코팅되는
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.The method of claim 9,
In the case of the at least one polymer organic material, the infrared radiation layer is a coating of any one of spin coating, bar coating, spray coating, bar coating, slick coating, and dip coating by dissolving the at least one polymer organic material in a solvent. The method is coated on the infrared radiation substrate
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
상기 적외선 방사층의 두께는 100 nm 이상으로 형성되는
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.The method of claim 1,
The infrared emission layer has a thickness of 100 nm or more.
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
상기 태양광과 수직을 이루는 기준선에 대하여 상기 태양광이 -70도 내지 +70도의 입사각으로 입사될 경우, 0.4 이상의 적외선 방사율을 갖는
기판의 광특성을 활용한 복사 냉각 소자.
The method of claim 1,
When the sunlight is incident at an incidence angle of -70 degrees to +70 degrees with respect to the reference line perpendicular to the sunlight, it has an infrared emissivity of 0.4 or more.
Radiation cooling element utilizing the optical characteristics of the substrate.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |