CN115605722A - 利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件 - Google Patents

利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及最大限度地减少吸收太阳光谱的光并通过将元件下方的热量辐射到外部来对物质表面或物质下方的内部温度进行冷却的技术构思，尤其，涉及对于入射太阳光具有高透射率或高反射率且对于相应大气窗口区间的8μm至13μm波长范围内选择性地获得高吸收率的元件。

Description

利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件
技术领域
本发明涉及最大限度地减少吸收太阳光谱的光并通过将元件下方的热量辐射到外部来对物质表面或物质下方的内部温度进行冷却的技术构思，尤其，涉及对于入射太阳光具有高透射率或高反射率且对于相应大气窗口区间的8μm至13μm波长范围内选择性地获得高吸收率的元件。
背景技术
被动辐射冷却(Radiative Cooling)元件反射相应日间太阳光的波长(0.3μm-2.5μm)，并且，可通过发射能够逸出宇宙的辐射热(8μm-13μm)能量而被动地冷却。
另一方面，被动式辐射加热(Radiative Heating)元件吸收相应日间太阳光的波长(0.3μm-2.5μm)，而且，因难以吸收能够逸出宇宙的辐射热(8μm-13μm)能量而能够被动加热。
被动冷却元件的效率可通过测定元件本身的光学特性来确认。
为了散发热量，需要具备在长波长红外线区域内的高吸收率或高辐射率，并且，需要能够向宇宙充分散发热量。
根据普朗克分布(Planck distribution)，当温度为300K时，具有能够在6μm-20μm的波长区域最大限度散热的条件。在地球的情况下，大气窗口(sky window)区域约为8μm-13μm区域，因此，为了最大限度地提高被动冷却元件的散热能力，应使得在8μm-13μm区域中的吸收率或辐射率达到最大值。
大气窗口波长范围内的红外线辐射在通过实际散热实现辐射冷却的方面起着关键作用。若波长范围可100％反射紫外线-可见光线-近红外线入射的太阳光(从太阳辐射)并将在作为大气窗口区间的8μm-13μm区域带的长波长红外线100％辐射到外部，则在300K的环境温度下，无需消耗能量即可实现158W/m2的冷却性能。
若反射95％的太阳光并将8μm-13μm区域的90％以上中红外线辐射到外部，则在300K的环境温度下的日间冷却性能为100W/m2(即，存在太阳的光吸收)，而且，在没有太阳的光吸收的夜间下的冷却性能可以为120W/m2。
为了用作被动辐射冷却材料，不应因对入射太阳光的紫外线和近红外线(UV-vis-NIR)波长范围内的光具有高透射率或高反射率而吸收入射的太阳光，并且，应对作为大气窗口区间的8μm-13μm区域带的长波红外线而应具有高吸收(辐射)率，除此之外，在室外(outdoor)条件下也应具有高耐久性(稳定性、耐腐蚀性)，而且，所使用的材料应具有便宜且丰富的优点，并且，应能够以便宜且简单的工序实现大面积成型。
聚合物材料通常对长波长红外线具有高吸收率(辐射率)，但是，在材料的特性层面上，当放置在户外时，存在因紫外线、湿气而容易劣化并导致使用寿命缩短的问题。
当使用无机物材料(例如：陶瓷材料)的多层薄膜时，虽然材料的使用寿命及稳定性会得到保障，但需要真空增粘工序等，因此，随着生产单价的增加，将导致大面积制作受到限制。
假如在大气窗口区间的全区域中存在高吸收率(辐射率)的材料，而且，这种材料在户外具有高稳定性、低成本并能够应用大面积成型工序，则属于最为理想的被动辐射冷却材料，但在现实并不存在这种材料。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于，提供如下的辐射冷却元件，即，利用在相应大气窗口的波长范围内具有高辐射率的部分区间混合而成的陶瓷纳米粒子混合物构成红外线辐射层来实现比基于高分子的辐射冷却元件高的辐射率。
本发明的再一目的在于，提供如下的辐射冷却元件，即，即使在太阳光照射的日间(day time)或在太阳光未照射的夜间(night time)也可实现低于环境温度的冷却而无需消耗能量，而且，应用于建筑、汽车等需要冷却物质的外表面并执行不消耗能量的冷却功能。
本发明的还有一目的在于，可同时应用于现有利用能量的冷却系统并提高冷却系统的能源效率。
本发明的另一目的在于，提供如下的辐射冷却元件，即，可基于陶瓷纳米粒子混合物的低成本实现溶液工序，而且，可根据溶液工序的可行性而能够应用于廉价的塑料、金属基板、硅、玻璃等多种基板。
本发明的又一目的在于，提供如下的辐射冷却元件，即，通过纳米粒子物质使得陶瓷材料具备优秀的化学稳定性及机械特性，由此，即使长时间暴露在外部环境，也能提供稳定的辐射冷却特性。
技术方案
根据本发明一实施例，利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件可包括：太阳光反射层，由金属物质制成，用于反射太阳光；以及红外线辐射层，基于考虑相应大气窗口的波长范围中的吸收率确定的尺寸、厚度及重量百分比中的一种混合多个陶瓷纳米粒子而成，用于吸收及辐射上述波长范围中的红外线。
上述红外线辐射层可由在第一波长范围内具有第一固有辐射率的第一陶瓷纳米粒子、在第二波长范围内具有第二固有辐射率的第二陶瓷纳米粒子及在第三波长范围内具有第三固有辐射率的第三陶瓷纳米粒子中的至少两种陶瓷纳米粒子混合而成。
上述第一波长范围可包括上述波长范围中的8μm至10μm，上述第二波长范围可包括上述波长范围中的10μm至12.5μm，上述第三波长范围可包括上述波长范围中的11μm至13μm。
上述第一陶瓷纳米粒子可包括SiO2、cBN及CaSO4中的一种陶瓷纳米粒子，上述第二陶瓷纳米粒子可包括Si3N4的陶瓷纳米粒子，上述第三陶瓷纳米粒子可包括Al2O3的陶瓷纳米粒子。
上述第一固有辐射率所包括的辐射率可在上述第一波长范围内高于上述第二陶瓷纳米粒子及上述第三陶瓷纳米粒子的辐射率，上述第二固有辐射率所包括的辐射率可在上述第二波长范围内高于上述第一陶瓷纳米粒子及上述第三陶瓷纳米粒子的辐射率，上述第三固有辐射率所包括的辐射率可在上述第三波长范围内高于上述第一陶瓷纳米粒子及上述第二陶瓷纳米粒子的辐射率。
能够以在上述波长范围内增加上述红外线的吸收率的方式确定上述红外线辐射层的与上述多个陶瓷纳米粒子的尺寸及厚度相关的粒度及组分。
上述多个陶瓷纳米粒子可包括SiO2、Al2O3、Si3N4、cBN、CaSO4、TiO2、ALON、BaTiO3、BeO、Cu2O、MgAl2O4、SrTiO3、Y2O3、Bi12SiO20、CaCO3、LiTaO3、KNbO3、NaNo3、ZrSiO4、CaMg(Co3)2中的至少两种陶瓷纳米粒子。
上述红外线辐射层所包括的上述多个陶瓷纳米粒子可分别形成单粒子结构及多核壳(multiple core shell)结构中的一种结构。
上述红外线辐射层可通过使用旋转涂布、滴涂布、棒涂布、喷涂布、流延涂布及刮刀涂布中的一种涂布方法向上述太阳光反射层上单一涂敷由上述多个陶瓷纳米粒子混合而成的混合溶液来形成。
在上述红外线辐射层中，可向形成上述混合溶液的混合物添加聚二甲基硅氧烷(PDMS，Polydimethyl siloxane)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA，Poly urethane acrylate)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，polyethylene terephthalate)、聚氯乙烯(PVC，polyvinylchloride)、聚偏氟乙烯(PVDF，Polyvinylidene fluoride)及聚二季戊四醇六丙烯酸酯(DPHA，Dipentaerythritol Hexaacrylate)中的一种聚合物(polymer)。
上述红外线辐射层可由上述第一陶瓷纳米粒子、上述第二陶瓷纳米粒子及上述第三陶瓷纳米粒子按1：1：1、1：4：1及3：6：7中的一种重量百分比混合而成。
上述太阳光反射层可由选自银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、铜(cu)、钛(Ti)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)及铂(Pt)中的至少一种金属物质或至少两种金属物质结合而成的合金物质中的一种物质制成。
发明的效果
本发明具有如下效果，即，可利用在相应大气窗口的波长范围内具有高辐射率的部分区间混合而成的陶瓷纳米粒子混合物构成红外线辐射层来实现比基于高分子的辐射冷却元件高的辐射率。
并且，即使在太阳光照射的日间(day time)或在太阳光未照射的夜间(nighttime)也可实现低于环境温度的冷却而无需消耗能量，而且，本发明可应用于建筑、汽车等需要冷却物质的外表面并执行不消耗能量的冷却功能。
并且，本发明可同时应用于现有利用能量的冷却系统并提高冷却系统的能源效率。
并且，本发明提供的辐射冷却元件可基于陶瓷纳米粒子混合物的低成本实现溶液工序，而且，可根据溶液工序的可行性而能够应用于廉价的塑料、金属基板、硅、玻璃等多种基板。
并且，本发明可通过纳米粒子物质使得陶瓷材料具备优秀的化学稳定性及机械特性(强度及硬度)，由此，即使长时间暴露在外部环境，也能提供稳定的辐射冷却特性。
附图说明
图1a至图1c为用于说明本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的结构要素的图。
图2a至图2d为用于说明本发明一实施例的陶瓷纳米粒子的固有辐射率的图。
图3为用于说明本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的辐射率的图。
图4a至图4d为用于说明本发明一实施例的由陶瓷纳米粒子溶液形成的膜的电子束显微图像的图。
图5为用于说明本发明一实施例的按照陶瓷纳米粒子混合物的重量百分比形成的辐射冷却元件的辐射率的图。
图6a及图6b为用于说明本发明一实施例的利用添加有聚合物的陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的图。
图7a及图7b为用于说明本发明一实施例的按照陶瓷纳米粒子混合物的重量百分比形成的辐射冷却元件的外部温度测定数据的图。
图8为用于说明本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件和基于高分子的辐射冷却元件的光特性的图。
图9a至图9c为用于说明本发明一实施例的陶瓷纳米粒子混合物的粒度与辐射冷却元件的光特性的相关关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本说明书的多种实施例。
实施例及其中使用的术语并不意图将在本说明书中所记载的技术限定于特定实施方式，应该理解为包括相应实施例的各种修改、等同技术方案和/或代替技术方案。
在以下说明多个实施例的过程中，当判断有关公知功能或结构的具体说明有可能不必要地混淆本发明的主旨时，将省略其详细说明。
而且，以下使用的术语作为考虑各种实施例中的功能定义的术语，可根据使用个人原因或操作人员的意图或惯例等变得不同。因此，应基于说明书的全文内容加以定义。
有关附图的说明，对于相似的结构要素可使用相似的附图标记。
除非在文脉上明确表示其他含义，否则单数的表达可包括复数的表达。
在本说明书中，“A或B”或“A和/或B中的一个”等表述可包括一并列出项目的所有可能的组合。
“第1”、“第2”、“第一”或“第二”等表述仅用于区分一个结构要素与另一个结构要素，与相应结构要素的顺序或重要程度并无关联，并不限定相应结构要素。
当表示某结构要素(例如，第1)与另一结构要素(例如，第2)“相连接”或“相联接”(在功能或通信层面上)时，上述某结构要素可直接连接另一结构要素，或者，可通过其他结构要素(例如，第3结构要素)连接。
在本说明书中，根据情况，“被配置为(或被设定为)(configured to)”等表述可通过硬件或软件与“适用于～”、“具备～的能力”、“变更为～的”、“制成～的”、“可实现～”、“被设计为～”等相互替换(interchangeably)使用。
在某些情况下，“被配置为～的设备”的表述可表示其设备“可以”与其他设备或部件一同“实现～”。
例如，“被配置(或设定)为执行A，B及C的处理器”可表示用于执行相应操作的专用处理器(例如，嵌入式处理器)，或者，可以为通过执行存储于存储设备中的一个以上软件程序来执行相应操作的通用处理器(例如，中央处理器或应用程序处理器)。
并且，相比于排他性逻辑“异或(exclusive or)”，术语“或”表示包含性的“同或(inclusive or)”。
即，除非另有说明或在文脉上明确表示，否则“x利用a或b”的表达方式表示自然包含性排列(natural inclusive permutations)中的一种。
以下使用的“...部”、“...器”等术语是指执行至少一个功能或工作的单位，可通过硬件、软件及硬件与软件的结合来实现。
图1a至图1c为用于说明本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的结构要素的图。
图1a例示出本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的层叠结构。
参照图1a，本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件(90)可在基层(110)上形成有太阳光反射层(120)及红外线辐射层(130)。以下，为了便于说明，将利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件(90)称为辐射冷却元件进行说明。
作为一例，辐射冷却元件(90)包括太阳光反射层(120)及红外线辐射层(130)。
本发明一实施例的太阳光反射层(120)由金属物质制成，用于反射太阳光。
作为一例，太阳光反射层(120)可由选自银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、铜(cu)、钛(Ti)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)及铂(Pt)中的至少一种金属物质或至少两种金属物质结合而成的合金物质中的一种物质制成。
即，太阳光反射层(120)可由选自银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、铜(cu)、钛(Ti)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)及铂(Pt)中的至少一种金属物质制成。
并且，太阳光反射层(120)可由银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、铜(cu)、钛(Ti)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)及铂(Pt)中的至少两种金属物质结合而成的合金物质制成。
例如，太阳光反射层(120)可通过向作为基层(110)的玻璃、塑料膜及金属板中的一个基板上涂敷作为金属物质的选自银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、铜(cu)、钛(Ti)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)及铂(Pt)中至少一种金属物质或由至少两种金属物质结合而成的合金物质中的一种物质制成。
本发明一实施例的红外线辐射层(130)基于考虑相应大气窗口的波长范围中的吸收率确定的尺寸、厚度及重量百分比中的一种混合多个陶瓷纳米粒子而成，可用于吸收及辐射波长范围中的红外线。
例如，相应大气窗口的波长范围包括8μm至13μm的波长范围。
作为一例，可以以在相应大气窗口的波长范围内增加红外线的吸收率的方式确定红外线辐射层(130)的与多个陶瓷纳米粒子的尺寸及厚度相关的粒度及组分。
例如，在调节多个陶瓷纳米粒子的粒度和组分以在相应大气窗口的波长范围内获得高辐射率后，红外线辐射层(130)可利用由多个陶瓷纳米粒子混合而成的混合物形成。
作为一例，红外线辐射层(130)所包括的上述多个陶瓷纳米粒子可分别形成单粒子结构及多核壳(multiple core shell)结构中的一种结构。
因此，本发明可基于陶瓷纳米粒子混合物的低成本实现溶液工序，而且，可根据溶液工序的可行性提供能够应用于廉价的塑料、金属基板、硅、玻璃等多种基板的辐射冷却元件。
以下，参照图1b进一步详细说明单粒子结构，参照图1c进一步详细说明多核壳(multiple core shell)结构。
根据本发明一实施例，红外线辐射层(130)可通过使用旋转涂布、滴涂布、棒涂布、喷涂布、流延涂布及刮刀涂布中的一种涂布方法向太阳光反射层(120)上单一涂敷由多个陶瓷纳米粒子混合而成的混合溶液来形成。
图1b例示出本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的红外线辐射层中的多个陶瓷纳米粒子被混合成单粒子结构的情况。
参照图1b，在本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的红外线辐射层(140)中，多个陶瓷纳米粒子被混合成单粒子结构。
根据本发明一实施例，红外线辐射层(140)可通过单粒子结构分别混合多个陶瓷纳米粒子中的第一陶瓷纳米粒子(141)、第二陶瓷纳米粒子(142)及第三陶瓷纳米粒子(143)来向太阳光反射层上形成纳米粒子混合层。
例如，第一陶瓷纳米粒子(141)、第二陶瓷纳米粒子(142)及第三陶瓷纳米粒子(143)可分别通过旋转涂布、滴涂布、棒涂布、喷涂布、流延涂布及刮刀涂布中的一种涂布方法进行单一涂敷。
例如，第一陶瓷纳米粒子(141)、第二陶瓷纳米粒子(142)及第三陶瓷纳米粒子(143)的配置顺序可任意变更。
例如，第一陶瓷纳米粒子(141)可包括SiO2、cBN及CaSO4中的一种陶瓷纳米粒子，第二陶瓷纳米粒子(142)可包括Si3N4的陶瓷纳米粒子，第三陶瓷纳米粒子(143)可包括Al2O3的陶瓷纳米粒子。
图1c例示出本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的红外线辐射层中的多个陶瓷纳米粒子被混合成多核壳(multiple core shell)结构的情况。
参照图1c，在本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的红外线辐射层(150)中，多个陶瓷纳米粒子被混合成多核壳(multiple core shell)结构。
可通过多核壳(multiple core shell)结构分别混合多个陶瓷纳米粒子中的第一陶瓷纳米粒子(151)、第二陶瓷纳米粒子(152)及第三陶瓷纳米粒子(153)来向太阳光反射层上形成纳米粒子混合层。
例如，第一陶瓷纳米粒子(151)、第二陶瓷纳米粒子(152)及第三陶瓷纳米粒子(153)可分别通过旋转涂布、滴涂布、棒涂布、喷涂布、流延涂布及刮刀涂布中的一种涂布方法从芯依次涂敷，第一陶瓷纳米粒子(151)、第二陶瓷纳米粒子(152)及第三陶瓷纳米粒子(153)的涂敷顺序可任意变更。
例如，第一陶瓷纳米粒子(151)可包括SiO2、cBN及CaSO4中的一种陶瓷纳米粒子，第二陶瓷纳米粒子(152)可包括Si3N4的陶瓷纳米粒子，第三陶瓷纳米粒子(153)可包括Al2O3的陶瓷纳米粒子。
图2a至图2d为用于说明本发明一实施例的陶瓷纳米粒子的固有辐射率的图。
图2a示出SiO2的折射率(refractive index)及萃取系数(extractioncoefficient)，图2b示出CaSO4的折射率(refractive index)及萃取系数(extractioncoefficient)，图2c示出Si3N4的折射率(refractive index)及萃取系数(extractioncoefficient)，图2d示出Al2O3的折射率(refractive index)及萃取系数(extractioncoefficient)。
参照图2a的曲线图(200)，折射率(201)和萃取系数(202)表示对于SiO2的测定指标，用于红外线辐射的红外线吸收率与萃取系数(202)有所关联，SiO2的萃取系数(202)在8μm至10μm中相对较高。
参照图2b的曲线图(210)，折射率(211)和萃取系数(212)表示对于CaSO4的测定指标，用于红外线辐射的红外线吸收率与萃取系数(212)有所关联，CaSO4的萃取系数(212)在8μm至9.5μm中相对较高。
参照图2c的曲线图(220)，折射率(221)和萃取系数(222)表示对于Si3N4的测定指标，用于红外线辐射的红外线吸收率与萃取系数(222)有所关联，Si3N4的萃取系数(222)在10μm至13μm中相对较高。
参照图2d的曲线图(230)，折射率(231)和萃取系数(232)表示对于Al2O3的测定指标，用于红外线辐射的红外线吸收率与萃取系数(232)有所关联，Al2O3的萃取系数(232)在12μm以后相对较高。
根据本发明一实施例，红外线辐射层可由在第一波长范围内具有第一固有辐射率的第一陶瓷纳米粒子、在第二波长范围内具有第二固有辐射率的第二陶瓷纳米粒子及在第三波长范围内具有第三固有辐射率的第三陶瓷纳米粒子中的至少两种陶瓷纳米粒子混合而成。
作为一例，上述第一波长范围包括波长范围中的8μm至10μm，第二波长范围包括波长范围中的10μm至12.5μm，第三波长范围可包括上述波长范围中的11μm至13μm。
例如，第一陶瓷纳米粒子包括SiO2、cBN及CaSO4中的一种陶瓷纳米粒子，第二陶瓷纳米粒子包括Si3N4的陶瓷纳米粒子，第三陶瓷纳米粒子可包括Al2O3的陶瓷纳米粒子。
第一固有辐射率所包括的辐射率可在第一波长范围内高于第二陶瓷纳米粒子及第三陶瓷纳米粒子的辐射率。
并且，第二固有辐射率所包括的辐射率可在第二波长范围内高于第一陶瓷纳米粒子及第三陶瓷纳米粒子的辐射率。
并且，第三固有辐射率所包括的辐射率可在第三波长范围内高于第一陶瓷纳米粒子及第二陶瓷纳米粒子的辐射率。
因此，根据本发明一实施例，当向太阳光反射层上混合SiO2、Al2O3、Si3N4、cBN及CaSO4中的多个陶瓷纳米粒子而成时，红外线辐射层可由在相应大气窗口的波长范围8μm至10μm内具有高于Al2O3及Si3N4的辐射率的SiO2、cBN及CaSO4中的一种陶瓷纳米粒子；在波长范围10μm至12.5μm内具有高于SiO2、Al2O3、cBN及CaSO4的辐射率的Si3N4的纳米粒子；以及在波长范围11μm至13μm内具有高于SiO2、cBN、CaSO4及Si3N4的辐射率的Al2O3的纳米粒子混合而成。
并且，红外线辐射层可使得SiO2、cBN及CaSO4中的一种陶瓷纳米粒子的辐射率、Si3N4的纳米粒子的辐射率及Al2O3的纳米粒子的辐射率在相应大气窗口的波长范围内重叠。
因此，本发明可利用在相应大气窗口的波长范围内具有高辐射率的部分区间混合而成的陶瓷纳米粒子混合物构成红外线辐射层来实现比基于高分子的辐射冷却元件高的辐射率。
图3为用于说明本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的辐射率的图。
图3示出本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的吸收率与SiO2、Al2O3、Si3N4纳米粒子膜在各个波长范围内的吸收率。
参照图3的曲线图(300)，曲线图(300)表示基于波长和太阳光强度变化的吸收率(辐射率)变化，即，第一吸收率(301)、第二吸收率(302)、第三吸收率(303)及第四吸收率(304)，第一吸收率(301)表示在太阳光反射层上涂敷SiO2时的辐射冷却元件的吸收率，第二吸收率(302)表示在太阳光反射层上涂敷Al2O3时的辐射冷却元件的吸收率，第三吸收率(303)表示在太阳光反射层上涂敷Si3N4时的辐射冷却元件的吸收率，第四吸收率(304)表示利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的吸收率。
若比较第一吸收率(301)至第四吸收率(304)，则第二吸收率(302)在11μm至13μm范围内相对较高，第三吸收率(303)在9μm至12μm范围内相对较高，第一吸收率(301)在9μm至10μm范围内相对较高，第四吸收率(304)因各个物质的光特性重叠而在相应大气窗口的8μm至13μm范围内具有高吸收率，有关曲线图(300)的平均吸收率及平均辐射率如表1所示。
例如，陶瓷纳米粒子混合物可包括按1：1：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3及Si3N4的混合物。
[表1]
Figure BDA0003934514190000081
由于第一吸收率(301)至第四吸收率(304)在相应0.3μm至2.5μm的入射太阳光波长范围内表示较低的平均吸收率，因此，可吸收更少的入射太阳光能量，并且，可在日间(day time)实现辐射冷却。
若比较第一吸收率(301)至第四吸收率(304)，则相应第四吸收率(304)的混合物的平均辐射率(吸收率)相比于其他物质相对较高。
然而，混合物在大气窗口区间中的平均辐射率(吸收率)仅为约74％，这意味着通过大气窗口区域无法充分实现辐射冷却，可分别调节纳米粒子的粒度(particle size)、混合率(mixture ratio)及膜厚度(film thickness)维持入射太阳光波长范围内较低的平均吸收率来增加大气窗口区间中的平均辐射率(吸收率)。
图4a至图4d为用于说明本发明一实施例的由陶瓷纳米粒子溶液形成的膜的电子束显微图像的图。
图4a为SiO2膜的电子束显微图像，图4b为Al2O3膜的电子束显微图像，图4c为Si3N4膜的电子束显微图像，图4d为本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的膜的电子束显微图像。
例如，陶瓷纳米粒子混合物可包括按1：1：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3及Si3N4的混合物。
参照图4a，图像(400)表示SiO2膜的粒子，图像(401)可表示SiO2膜的层叠结构，在图像(401)中，SiO2膜可层叠约1.3μm。
参照图4b，图像(410)表示Al2O3膜的粒子，图像(411)可表示Al2O3膜的层叠结构，在图像(411)中，Al2O3膜可层叠约1.3μm。
参照图4c，图像(420)表示Si3N4膜的粒子，图像(421)可表示Si3N4膜的层叠结构，在图像(421)中，Si3N4膜可层叠约1.8μm。
在图像(400)、图像(410)及图像(420)中，各个纳米粒子能够以20重量百分比浓度的乙醇为溶剂旋涂成膜。
例如，溶剂可包括乙醇、水、正己烷、丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA，Propylene glycolmethyl ether acetate)、丙二醇甲醚(PGME，Propylene glycol methyl ether)及甲基异丁基酮(MIBK，Methyl isobutyl ketone)中的一种溶剂。
例如，由于溶剂的强挥发性，因此，使用在短时间内挥发的溶剂来分散各个陶瓷纳米粒子后，可通过旋转涂布形成膜。
参照图4d，图像(430)示出利用陶瓷纳米粒子混合物的膜的粒子，图像(430)示出利用陶瓷纳米粒子混合物的膜的层叠结构，在图像(431)中，利用陶瓷纳米粒子混合物的膜可层叠约2μm。
根据图像(430)及图像(431)，在陶瓷纳米粒子混合物中，各个纳米粒子能够以6.67重量百分比浓度的乙醇为溶剂旋转涂布(spin coating)形成膜。
图5为用于说明本发明一实施例的按照陶瓷纳米粒子混合物的重量百分比形成的辐射冷却元件的辐射率的图。
图5为用于说明在形成陶瓷纳米粒子混合物的过程中通过调节陶瓷纳米粒子的重量百分比来比较在入射太阳光波长范围和大气窗口波长范围中的平均吸收率及平均辐射率的图。
参照图5，曲线图(500)示出基于波长变化的吸收率(辐射率)变化，即，第一吸收率(501)、第二吸收率(502)及第三吸收率(503)，第一吸收率(501)为按1：1：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3及Si3N4的陶瓷纳米粒子而成的情况下的吸收率，第二吸收率(502)为按1：4：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3及Si3N4的陶瓷纳米粒子而成的情况下的吸收率，第三吸收率(503)可以为按3：6：7的重量百分比混合SiO2、Al2O3及Si3N4的陶瓷纳米粒子而成的情况下的吸收率。
若比较曲线图(500)的第一吸收率(501)至第三吸收率(503)，则利用相应第三吸收率(503)的按3：6：7的重量百分比混合SiO2、Al2O3及Si3N4的陶瓷纳米粒子而成的混合物来形成的红外线辐射层可表现出相对较高的红外线辐射率。
以下，表2示出曲线图(500)的第一吸收率(501)至第三吸收率(503)相关平均吸收率及平均辐射率的数值数据。
[表2]
Figure BDA0003934514190000091
根据曲线图(500)及表2，可通过SiO2、Al2O3、Si3N4各个纳米粒子的尺寸、重量百分比、最终纳米粒层厚度及物质筛选等变量调节来实现太阳光谱内的优化以在低吸收率和大气窗口内具有高辐射率。
根据本发明一实施例，红外线辐射层可由第一陶瓷纳米粒子、第二陶瓷纳米粒子及第三陶瓷纳米粒子按1：1：1、1：4：1及3：6：7中的一种重量百分比混合而成。
例如，可通过改变物质的重量百分比及厚度(变量)来变更红外线辐射层的辐射率。
图6a及图6b为用于说明本发明一实施例的利用添加有聚合物的陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的图。
以下，参照图6a比较说明向混合陶瓷纳米粒子而成的混合物添加约10重量百分比聚合物的情况及未添加聚合物的情况。
参照图6a的曲线图(600)，曲线图(600)示出基于波长范围的吸收率变化，第一吸收率(601)为利用按1：1：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4而成的混合物来形成的辐射冷却元件的红外线吸收率，第二吸收率(602)为向按1：1：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4而成的混合物添加约10重量百分比的聚合物来形成的辐射冷却元件的红外线吸收率。
曲线图(600)中的数值数据如以下表3所示。
[表3]
物质比例 平均吸收率(0.3μm至2.5μm) 平均辐射率(8μm至13μm)
1：1：1 0.049 0.81
1：1：1+聚合物 0.044 0.74
参照曲线图(600)及表3，添加聚合物对于光特性的影响不大，所有试样在入射太阳光波长范围内表现出5％以下的低平均吸收率，在大气窗口波长范围内的平均辐射率(吸收率)为74％以上，因此，可用于日间辐射冷却和夜间辐射冷却。
例如，聚合物可包括聚二甲基硅氧烷(PDMS，Polydimethyl siloxane)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA，Poly urethane acrylate)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，polyethyleneterephthalate)、聚氯乙烯(PVC，polyvinyl chloride)、聚偏氟乙烯(PVDF，Polyvinylidene fluoride)及聚二季戊四醇六丙烯酸酯(DPHA，DipentaerythritolHexaacrylate)中的至少一种。
根据本发明一实施例，辐射冷却元件的红外线辐射层可通过向形成混合溶液的混合物添加聚二甲基硅氧烷(PDMS，Polydimethyl siloxane)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA，Polyurethane acrylate)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，polyethylene terephthalate)、聚氯乙烯(PVC，polyvinyl chloride)、聚偏氟乙烯(PVDF，Polyvinylidene fluoride)及聚二季戊四醇六丙烯酸酯(DPHA，Dipentaerythritol Hexaacrylate)中的一种聚合物(polymer)形成。
图6b例示出利用向按1：1：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4而成的混合物添加聚合物得到的混合物来形成的辐射冷却元件的图像及利用按1：1：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4的混合物形成的辐射冷却元件的图像。
参照图6b，图像(610)表示按1：1：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4而成的混合物添加聚合物得到的混合物来形成的辐射冷却元件，图(611)表示利用按1：1：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4而成的混合物来形成的辐射冷却元件。
在向用于形成红外线辐射层的纳米粒子混合物添加少量聚二季戊四醇六丙烯酸酯等聚合物的情况下，可提高陶瓷纳米粒子与基板之间的粘结力。
在此情况下，由于聚合物以无法对太阳光区域吸收产生影响的程度少量添加，因此，如通过表3确认到的结果，可不影响太阳光区域吸收。
图7a及图7b为用于说明本发明一实施例的按照陶瓷纳米粒子混合物的重量百分比形成的辐射冷却元件的外部温度测定数据的图。
图7a例示出通过调节陶瓷纳米粒子的重量百分比形成的多个冷却元件在日间期间的外部温度测定结果，图7b例示出通过调节陶瓷纳米粒子的重量百分比形成的多个冷却元件在日间期间的冷却温度。
参照图7a的曲线图(700)，图示有太阳光(701)、第一温度(702)、第二温度(703)、第三温度(704)、第四温度(705)及第五温度(706)。
其中，第一温度(702)表示在基板上仅形成太阳光反射层的情况，第二温度(703)表示利用按1：1：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4的混合物在基板、太阳光反射层上形成红外线辐射层的情况，第三温度(704)表示利用按1：4：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4的混合物在基板、太阳光反射层上形成红外线辐射层的情况，第四温度(705)表示利用按3：6：7的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4的混合物在基板、太阳光反射层上形成红外线辐射层的情况，第五温度(706)对应于大气层(ambient)。
即，曲线图(700)示出没有热辐射且仅形成太阳光反射层的物质和基于混合纳米粒子而成的辐射冷却元件的外部温度测定数据，上述混合纳米粒子分别按1：1：1、1：4：1、3：6：7的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4纳米粒子而成。
当比较第二温度(703)至第四温度(705)与第五温度(706)时，基于混合纳米粒子的辐射冷却元件在12点至16点期间被冷却8度至13度左右。
并且，当比较第二温度(703)至第四温度(705)与第一温度(702)时，相比于没有辐射率的第一温度(702)，被冷却5度至10度左右。
参照图7b的曲线图(710)，图示有第一温度(711)、第二温度(712)、第三温度(713)、第四温度(714)。
其中，第一温度(711)表示在基板上仅形成太阳光反射层的情况，第二温度(712)表示利用按1：1：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4的混合物在基板、太阳光反射层上形成红外线辐射层的情况，第三温度(713)表示利用按1：4：1的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4的混合物在基板、太阳光反射层上形成红外线辐射层的情况，第四温度(714)表示利用按3：6：7的重量百分比混合SiO2、Al2O3、Si3N4的混合物在基板、太阳光反射层上形成红外线辐射层的情况。
当比较第一温度(711)与第二温度(712)至第四温度(714)时，相比于没有辐射率且太阳光吸收较少的第一温度(711)，与基于混合纳米粒子的辐射冷却元件相应的第二温度(712)至第四温度(714)被冷却6度至10度左右。
因此，即使在太阳光照射的日间(day time)或在太阳光未照射的夜间(nighttime)也可实现低于环境温度的冷却而无需消耗能量，而且，本发明可应用于建筑、汽车等需要冷却物质的外表面并执行不消耗能量的冷却功能。
并且，本发明可同时应用于现有利用能量的冷却系统并提高冷却系统的能源效率。
并且，本发明可通过纳米粒子物质使得陶瓷材料具备优秀的化学稳定性及机械特性(强度及硬度)，由此，即使长时间暴露在外部环境，也能提供稳定的辐射冷却特性。
图8为用于说明本发明一实施例的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件和基于高分子的辐射冷却元件的光特性的图。
参照图8，曲线图(800)表示利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件的光特性，曲线图(810)可表示基于高分子的辐射冷却元件的光特性。
若比较曲线图(800)中的第一吸收率(801)的变化及曲线图(810)中的第二吸收率(811)的变化，则相比基于高分子的辐射冷却元件，通过筛选在大气窗口内具有固有辐射率的物质并利用混合纳米粒子制造的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件可表现出在相应大气窗口的8μm至13μm波长范围中选择性地获得高辐射率的特征。
图9a至图9c为用于说明本发明一实施例的陶瓷纳米粒子混合物的粒度与辐射冷却元件的光特性的相关关系的图。
图9a至图9c例示出基于陶瓷纳米粒子混合物所包括的SiO2粒子的粒度表示可视光线及红外线的吸收及辐射特性的曲线图(900)、曲线图(910)及曲线图(920)。
参照图9a的曲线图(900)，横向变量表示波长，纵向变量表示吸收率，可基于SiO2粒子的尺寸表示第一尺寸(901)、第二尺寸(902)、第三尺寸(903)及第四尺寸(904)。
参照图9b的曲线图(910)，横向变量表示波长，纵向变量表示吸收率，可基于SiO2粒子的尺寸表示第一尺寸(911)、第二尺寸(912)、第三尺寸(913)及第四尺寸(914)。
参照图9c的曲线图(920)，横向变量表示波长，纵向变量表示吸收率，可基于SiO2粒子的尺寸表示第一尺寸(921)、第二尺寸(922)、第三尺寸(923)及第四尺寸(924)。
在曲线图(900)至曲线图(920)中，第一尺寸可以为50nm，第二尺寸可以为300nm，第三尺寸可以为600nm，第四尺寸可以为2400nm。
曲线图(900)及曲线图(910)表示相同数据，在吸收率方面存在差异。
即，曲线图(900)的吸收率为0至1.0，曲线图(910)的吸收率为0至0.3，若放大曲线图(900)的吸收率，则可对应于曲线图(910)。
在曲线图(910)中，随着粒子尺寸的增加，吸收率在400nm至700nm的波长中逐渐增加。
在曲线图(920)中，可通过在2.5μm至15μm波长中的第一尺寸(921)至第四尺寸(924)确认到SiO2在具有相对较高辐射率的8μm至10μm中具有高辐射率的SiO2粒子的尺寸为50nm至2400nm。
即，红外线辐射层可为了增加红外线的吸收率而将多个陶瓷纳米粒子中的SiO2粒子确定为50nm至2400nm。
因此，能够以在相应大气窗口的波长范围内增加红外线的吸收率的方式确定红外线辐射层的与多个陶瓷纳米粒子的尺寸及厚度相关的粒度及组分。
在上述特定实施例中，本发明包括的结构要素根据公开的特定实施例表示为单数或复数。
但是，为了便于说明，可根据公开的状况适当选择单数或复数的表达，上述实施例并不限定于单数或复数的结构要素，表示为复数的结构要素也可由单数构成，或者，表示为单数的结构要素也可由复数构成。
另一方面，在本发明的说明书中，虽然具体说明了特定实施例，但是，可在不脱离多个实施例所包括的技术构思范围内进行多种修改。
因此，本发明的范围并不限定于以上说明的实施例，应基于发明要求保护范围及其等同技术范围加以定义。

Claims (12)

1.一种利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，包括：
太阳光反射层，由金属物质制成，用于反射太阳光；以及
红外线辐射层，基于考虑相应大气窗口的波长范围中的吸收率确定的尺寸、厚度及重量百分比中的一种混合多个陶瓷纳米粒子而成，用于吸收及辐射上述波长范围中的红外线。
2.根据权利要求1所述的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，上述红外线辐射层由在第一波长范围内具有第一固有辐射率的第一陶瓷纳米粒子、在第二波长范围内具有第二固有辐射率的第二陶瓷纳米粒子及在第三波长范围内具有第三固有辐射率的第三陶瓷纳米粒子中的至少两种陶瓷纳米粒子混合而成。
3.根据权利要求2所述的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，
上述第一波长范围包括上述波长范围中的8μm至10μm，
上述第二波长范围包括上述波长范围中的10μm至12.5μm，
上述第三波长范围包括上述波长范围中的11μm至13μm。
4.根据权利要求2所述的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，
上述第一陶瓷纳米粒子包括SiO2、cBN及CaSO4中的一种陶瓷纳米粒子，
上述第二陶瓷纳米粒子包括Si3N4的陶瓷纳米粒子，
上述第三陶瓷纳米粒子包括Al2O3的陶瓷纳米粒子。
5.根据权利要求2所述的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，
上述第一固有辐射率所包括的辐射率在上述第一波长范围内高于上述第二陶瓷纳米粒子及上述第三陶瓷纳米粒子的辐射率，
上述第二固有辐射率所包括的辐射率在上述第二波长范围内高于上述第一陶瓷纳米粒子及上述第三陶瓷纳米粒子的辐射率，
上述第三固有辐射率所包括的辐射率在上述第三波长范围内高于上述第一陶瓷纳米粒子及上述第二陶瓷纳米粒子的辐射率。
6.根据权利要求1所述的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，以在上述波长范围内增加上述红外线的吸收率的方式确定上述红外线辐射层的与上述多个陶瓷纳米粒子的尺寸及厚度相关的粒度及组分。
7.根据权利要求1所述的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，上述多个陶瓷纳米粒子包括SiO2、Al2O3、Si3N4、cBN、CaSO4、TiO2、ALON、BaTiO3、BeO、Cu2O、MgAl2O4、SrTiO3、Y2O3、Bi12SiO20、CaCO3、LiTaO3、KNbO3、NaNo3、ZrSiO4、CaMg(Co3)2中的至少两种陶瓷纳米粒子。
8.根据权利要求1所述的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，上述红外线辐射层所包括的上述多个陶瓷纳米粒子分别形成单粒子结构及多核壳结构中的一种结构。
9.根据权利要求1所述的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，上述红外线辐射层通过使用旋转涂布、滴涂布、棒涂布、喷涂布、流延涂布及刮刀涂布中的一种涂布方法向上述太阳光反射层上单一涂敷由上述多个陶瓷纳米粒子混合而成的混合溶液来形成。
10.根据权利要求9所述的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，在上述红外线辐射层中，向形成上述混合溶液的混合物添加聚二甲基硅氧烷、聚氨酯丙烯酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯及聚二季戊四醇六丙烯酸酯中的一种聚合物。
11.根据权利要求2所述的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，上述红外线辐射层由上述第一陶瓷纳米粒子、上述第二陶瓷纳米粒子及上述第三陶瓷纳米粒子按1：1：1、1：4：1及3：6：7中的一种重量百分比混合而成。
12.根据权利要求1所述的利用陶瓷纳米粒子混合物的辐射冷却元件，其特征在于，上述太阳光反射层由选自银、铝、金、铜、钛、铬、锰、铁及铂中的至少一种金属物质或至少两种金属物质结合而成的合金物质中的一种物质制成。
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