KR102140669B1 - Passive radiating cooling structure - Google Patents

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Abstract

수동 냉각 복사 구조가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 수동 냉각 복사 구조는, 복사 냉각의 대상인 시스템과 연결되는 하부 금속층, 상기 하부 금속층 위에 마련되어 공진을 통해 유채색을 발색하기 위한 유전체층, 및 상기 유전체 위에 마련되는 상부 금속층을 포함하는 MIM층을 포함하고, 상기 상부 금속층 위에 마련되어 수동 복사 특성을 나타내는 열 방사층을 포함한다.A passive cooling radiation structure is disclosed. The passive cooling radiation structure according to an embodiment of the present invention includes a lower metal layer connected to a system targeted for radiative cooling, a dielectric layer provided on the lower metal layer for coloring chromatic color through resonance, and an upper metal layer provided on the dielectric It includes a MIM layer, and a thermal radiation layer provided on the upper metal layer and exhibiting passive radiation characteristics.

Description

수동 복사 냉각 구조{PASSIVE RADIATING COOLING STRUCTURE}PASSIVE RADIATING COOLING STRUCTURE

본 발명은, 다양한 색상의 유채색을 발색하면서도 수동 복사 냉각을 수행할 수 있는 수동 복사 냉각 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a passive radiation cooling structure capable of performing passive radiation cooling while developing chromatic colors of various colors.

화석 연료 고갈로 인한 차세대 대체 에너지 개발에 대한 급진적 수요와 더불어, 에너지를 효율적으로 이용하고자 하는 노력이 전 세계적으로 이루어지고 잇다. 수동 복사 냉각 구조는 외부 전원 공급 없이 발명제품 또는 빌딩/플랜트의 온도를 낮추기 위한 기구물로서, 전력소모를 최소화하여 온도를 낮출 수 있기 때문에 초절전/친환경 기술로 주목받고 있다. Along with the radical demand for the development of alternative energy for the next generation due to fossil fuel depletion, efforts are being made worldwide to utilize energy efficiently. The passive radiant cooling structure is a device for lowering the temperature of the invention product or building/plant without external power supply, and is attracting attention as an ultra power saving/environmental technology because it can lower the temperature by minimizing power consumption.

수동 복사 냉각 구조는 열평형을 유도하는 전도 및 대류방식과는 확연히 구분되는 기술로서, 특히 최근에는 야간뿐 아니라 주간에도 사용할 수 있는 수동 복사 냉각 구조에 대한 연구가 선진국에서 활발히 이루어지고 있다.The passive radiant cooling structure is a technology distinctly distinguished from the conduction and convection methods that induce thermal equilibrium. In particular, research on passive radiant cooling structures that can be used not only at night but also during the day has been actively conducted in developed countries.

주간 활용을 위한 수동형 복사 냉각 구조는 태양광은 강하게 반사시키고, 내부 열은 전자기파의 형태로 외부공간으로 효과적으로 방출해야 한다. 따라서 이상적 복사 냉각 구조는 1) 280 ~ 4000nm 파장의 빛은 최대한 반사시키고, 2) 대기의 창 영역인 8 ~ 13μm 영역의 전자기파는 최대한 방출시키야 한다. 가시광 / 근적외선 대역과 장적외선 대역을 모두 포함하는 광학적 설계는 매우 복잡하기 때문에 이전에는 태양광의 영향은 배제한 야간 냉각 시스템의 개발이 주를 이루었다.The passive radiation cooling structure for daytime use strongly reflects sunlight, and internal heat must be effectively emitted to the external space in the form of electromagnetic waves. Therefore, the ideal radiative cooling structure should 1) reflect light of 280 ~ 4000nm wavelength as much as possible, and 2) emit electromagnetic waves of 8 ~ 13μm area, the window area of the atmosphere, as much as possible. Since the optical design including both the visible/near-infrared band and the long-infrared band is very complex, the development of night cooling systems, excluding the effect of sunlight, has been the main focus.

최근에는 메타물질 연구가 활발히 이루어지면서 포토닉 구조 기반의 주간 냉각 시스템의 개발이 가능해지고 있다. 그러나, 선행연구 그룹의 구조들은 매우 복잡한 유전체/금속 다층 박막 구조 또는 나노 구조와의 혼합 구조로 구성되어 제작 단가가 높으며, 대면적 공적에 제약이 따른다Recently, as metamaterial research has been actively conducted, it is possible to develop a daytime cooling system based on a photonic structure. However, the structures of the previous research group are composed of a very complex dielectric/metal multilayer thin film structure or a mixed structure with a nano structure, so that the production cost is high, and there are limitations on large area achievement.

한편, 수동형 복사 냉각 구조는 주로 건물의 외벽이나, 발열제품의 외부에 장착되기 때문에 실제 응용을 위해서는 심미적 요인을 고려해야 하며, 따라서 단순히 흰색 또는 은색 계열의 색상이 아닌 다양한 색을 구현하는 것이 요구된다. 그러나, 현재까지 발색기능을 가지면서 동시에 수동 냉각 특성을 보이는 구조에 대해서는 발명된 사례가 없다.On the other hand, since the passive radiation cooling structure is mainly mounted on the exterior wall of a building or the exterior of a heating product, aesthetic factors must be considered for practical application, and therefore, it is required to implement various colors rather than simply white or silver-based colors. However, there has been no invented case for a structure having a color development function and showing passive cooling characteristics at the same time.

본 발명은, 다양한 색상의 유채색을 발색하면서도 수동 복사 냉각을 수행할 수 있는 수동 복사 냉각 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a passive radiation cooling structure capable of performing passive radiation cooling while developing chromatic colors of various colors.

본 발명의 실시 예에 따른 수동 냉각 복사 구조는, 복사 냉각의 대상인 시스템과 연결되는 하부 금속층, 상기 하부 금속층 위에 마련되어 공진을 통해 유채색을 발색하기 위한 유전체층, 및 상기 유전체 위에 마련되는 상부 금속층을 포함하는 MIM층을 포함하고, 상기 상부 금속층 위에 마련되어 수동 복사 특성을 나타내는 열 방사층을 포함한다.The passive cooling radiation structure according to an embodiment of the present invention includes a lower metal layer connected to a system targeted for radiative cooling, a dielectric layer provided on the lower metal layer for coloring chromatic color through resonance, and an upper metal layer provided on the dielectric It includes a MIM layer, and a thermal radiation layer provided on the upper metal layer and exhibiting passive radiation characteristics.

본 발명에서 제안하는 수동 냉각 복사 구조는, 낮 시간에 태양광 아래에서 상온과 비슷하거나 더 낮은 온도를 유지하면서도 다양한 색상의 유채색을 발색할 수 있기 때문에, 심미성이 향상되고 활용 범위가 매우 높아지는 장점이 있다.The passive cooling radiation structure proposed in the present invention has the advantage of improving aesthetics and increasing the utilization range because it can develop chromatic colors of various colors while maintaining a temperature similar to or lower than room temperature under sunlight during the daytime. have.

또한 본 발명에서 제안하는 수동 냉각 복사 구조는 적층 구조로써 구조의 형태가 단순하기 때문에, 다양한 무늬, 다양한 색상으로 패터닝이 가능하며, 플렉서블 소자 형태로 제작하기도 용이한 장점이 있다.In addition, since the passive cooling radiation structure proposed in the present invention is a stacked structure and has a simple structure, patterning in various patterns and colors is possible, and it is easy to manufacture in a flexible device form.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수동 복사 냉각 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발색형 수동 냉각 구조의 일 예를 나타낸다.
도 3은 유전체로 SiO2를 사용하는 경우 두께에 따른 반사 특성을 나타낸다.
도 4는 상부 Ag층의 두께에 따른 반사율 및 흡수율을 나타낸다.
도 5는 하부 Ag층의 두께에 따른 반사율, 흡수율 및 투과율을 나타낸다.
도 6은 열 방사층으로 PDMS을 사용하는 경우 두께에 따른 수동 복사 특징을 나타낸다.
도 7은 상부 금속(Ag) 층의 두께에 따라 달라지는 색 좌표(a)와 냉각 특성(b)을 보여준다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발색형 수동 냉각 복사 구조의 PDMS 코팅 전/후의 샘플 사진(a)과 가시광에서의 광학(b)을 보여준다.
도 9a 내지 도 9d는 CPRC의 구조 및 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 내지 도 10d는 CPRC에서의 온도와 색상의 상관 관계를 시뮬레이션(계산) 한 결과이다.
도 11a 내지 도 11d는 CPRC에서의 온도와 색상의 상관 관계를 시뮬레이션(계산) 한 결과에 따라 실제로 제작한 샘플의 측정 데이터에 관한 것이다.
도 12는 플렉서블(Flexible) 형태의 수동 냉각 복사 구조 및 테스트 결과를 도시한 도면이다.
1 shows a passive radiation cooling structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows an example of a color-type passive cooling structure according to an embodiment of the present invention.
3 shows reflection characteristics according to thickness when SiO 2 is used as the dielectric.
4 shows reflectance and absorption according to the thickness of the upper Ag layer.
5 shows reflectance, absorption and transmittance according to the thickness of the lower Ag layer.
6 shows a passive radiation characteristic according to thickness when PDMS is used as a heat radiation layer.
FIG. 7 shows color coordinates (a) and cooling characteristics (b) depending on the thickness of the upper metal (Ag) layer.
FIG. 8 shows sample pictures (a) before and after PDMS coating of a color-type passive cooling radiation structure according to an embodiment of the present invention and optics (b) in visible light.
9A to 9D are diagrams for explaining the structure and features of CPRC.
10A to 10D are results of simulation (calculation) of the correlation between temperature and color in CPRC.
11A to 11D relate to measurement data of a sample actually produced according to a simulation (calculation) of the correlation between temperature and color in CPRC.
FIG. 12 is a diagram illustrating a flexible passive cooling radiation structure and test results.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명의 사상은 이하의 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the spirit of the present invention is not limited to the following embodiments, and those skilled in the art to understand the spirit of the present invention can easily implement other embodiments included within the scope of the same spirit by adding, changing, deleting, and adding components. It can be suggested, but it will be said that this is also included within the scope of the present invention.

첨부 도면은 발명의 사상을 이해하기 쉽게 표현하기 위하여 전체적인 구조를 설명함에 있어서는 미소한 부분은 구체적으로 표현하지 않을 수도 있고, 미소한 부분을 설명함에 있어서는 전체적인 구조는 구체적으로 반영되지 않을 수도 있다. 또한, 설치 위치 등 구체적인 부분이 다르더라도 그 작용이 동일한 경우에는 동일한 명칭을 부여함으로써, 이해의 편의를 높일 수 있도록 한다. 또한, 동일한 구성이 복수 개가 있을 때에는 어느 하나의 구성에 대해서만 설명하고 다른 구성에 대해서는 동일한 설명이 적용되는 것으로 하고 그 설명을 생략한다. In the accompanying drawings, in order to easily understand the spirit of the invention, in describing the overall structure, the minute parts may not be specifically expressed, and in describing the minute parts, the overall structure may not be specifically reflected. In addition, even if specific parts, such as installation positions, are different, if the action is the same, the same name is given to enhance the convenience of understanding. In addition, when there are a plurality of identical configurations, only one of the configurations will be described, and the same description will be applied to other configurations, and the description will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수동 복사 냉각 구조를 나타낸다.1 shows a passive radiation cooling structure according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수동 복사 냉각 구조는 복수의 층이 차례로 적층되어 형성된다.1, the passive radiation cooling structure according to an embodiment of the present invention is formed by stacking a plurality of layers in sequence.

본 발명의 일 실시 예에 따른 수동 복사 냉각 구조는 MIM층 및 열 방사층을 포함할 수 있다.Passive radiation cooling structure according to an embodiment of the present invention may include a MIM layer and a heat radiation layer.

여기서 MIM층(금속-유전체-금속 층)은, Metal-insulator-metal의 약자로써, 가시광 대역에서 패브리 페로 인터페이스(Fabry-Perot interference)를 이용하여 특정 대역의 파장에 대한 흡수를 증가시켜 다양한 색상의 유채색을 발색할 수 있다. 즉 본 발명에서 설명하는 유채색은, 상부 금속층 또는 하부 금속층 본연의 색이 아닌, 반사 공진 특성을 통하여 MIM층(금속-유전체-금속 층)에 의해 발색되는 색상들을 의미할 수 있다.Here, the MIM layer (metal-dielectric-metal layer) is an abbreviation of metal-insulator-metal, and increases the absorption of wavelengths in a specific band by using a Fabry-Perot interference in the visible light band to obtain various colors. You can develop chromatic colors. That is, the chromatic color described in the present invention may refer to colors developed by the MIM layer (metal-dielectric-metal layer) through reflection resonance characteristics, not the natural color of the upper metal layer or the lower metal layer.

MIM층은 복사 냉각의 대상인 시스템과 연결되는 하부 금속층(1), 하부 금속층 위에 마련되어 공진을 통해 유채색을 발색하기 위한 유전체층(2) 및 유전체 위에 마련되는 상부 금속층(3)을 포함할 수 있다.The MIM layer may include a lower metal layer 1 connected to a system targeted for radiative cooling, a dielectric layer 2 provided on the lower metal layer for coloring chromatic color through resonance, and an upper metal layer 3 provided on the dielectric.

그리고 MIM층은 상부 금속층, 하부 금속층 및 유전체층 중 적어도 하나의 두께가 변경됨에 따라 다른 색상을 발색할 수 있다.In addition, the MIM layer may develop different colors as the thickness of at least one of the upper metal layer, the lower metal layer, and the dielectric layer is changed.

하부 금속층(1)은 복사 냉각의 대상이 되는 시스템, 예를 들어, 지면이나 건물, 옷, 차량, 웨어러블 디바이스, 인공위성, 광 전지, 적외선 감지기, 발전소, 기타 냉각이 필요한 장치에 연결될 수 있다. The lower metal layer 1 may be connected to a system targeted for radiative cooling, for example, ground or buildings, clothes, vehicles, wearable devices, satellites, photocells, infrared detectors, power plants, and other devices requiring cooling.

하부 금속층은 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag) 또는 백금(Pt) 중 어느 하나로 구성될 수 있다. The lower metal layer may be formed of any one of gold (Au), copper (Cu), silver (Ag), and platinum (Pt).

또한 하부 금속층의 두께는 40nm 이상 1um 이하일 수 있다.In addition, the thickness of the lower metal layer may be 40 nm or more and 1 um or less.

그리고 하부 금속층 위에 유전체층(2)이 마련된다. 유전체층(2)은 하부 금속층(1)과 상부 금속층(3) 사이에 마련되어 하부 금속층(1)과 상부 금속층(3)을 분리할 수 있다. Then, a dielectric layer 2 is provided on the lower metal layer. The dielectric layer 2 may be provided between the lower metal layer 1 and the upper metal layer 3 to separate the lower metal layer 1 and the upper metal layer 3.

유전체층(2)은 SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiC, HfO2 또는 SiNx 중 어느 하나로 구성되는 단일 층을 포함할 수 있다.The dielectric layer 2 may include a single layer composed of any one of SiO 2, TiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 3, SiC, HfO 2 or SiNx.

예를 들어 유전체층(2)은 두께 2 um 이상의 SiO2로 구성될 수 있다. 다른 예를 들어 유전체층(2)은 두께 2 um 이상의 Si3N4로 구성될 수 있다. For example, the dielectric layer 2 may be made of SiO2 having a thickness of 2 um or more. For another example, the dielectric layer 2 may be formed of Si3N4 having a thickness of 2 um or more.

다만 이에 한정되지 않으며, 유전체층(2)은 SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiC, HfO2 또는 SiNx 중 둘 이상의 유전체 조합이 가능하다.However, the present invention is not limited thereto, and the dielectric layer 2 may be formed of a combination of two or more of SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiC, HfO2 or SiNx.

구체적으로 유전체층(2)은 SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiC, HfO2 또는 SiNx 중 둘 이상의 유전체가 각각 하나의 층을 구성하는 복수 층을 포함할 수 있다.Specifically, the dielectric layer 2 may include a plurality of layers in which two or more dielectrics of SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiC, HfO2, or SiNx each constitute one layer.

예를 들어 유전체층(2)은 SiO2 와 Si3N4 를 각각 600 nm, 900 nm 두께로 증착함으로써, SiO2로 구성되는 하나의 층 및 Si3N4로 구성되는 하나의 층을 포함하는 복수의 층으로 구성될 수 있다.For example, the dielectric layer 2 may be composed of a plurality of layers including one layer composed of SiO2 and one layer composed of Si3N4, by depositing SiO2 and Si3N4 to a thickness of 600 nm and 900 nm, respectively.

또한 유전체층은, SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiNx, PDMS, Polyimide, PVDF, PMMA 또는 SU8 중 어느 하나로 구성되거나 둘 이상의 조합(둘 이상의 유전체가 각각 하나의 층을 구성하는 복수의 층)으로 구성될 수 있다.In addition, the dielectric layer is composed of any one of SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiNx, PDMS, Polyimide, PVDF, PMMA, or SU8, or a combination of two or more (a plurality of layers in which two or more dielectrics each constitute one layer). Can.

이 경우 SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiNx, PDMS, Polyimide, PVDF, PMMA 또는 SU8는, 가시광 대역에서 투명한 유전체 물질일 수 있다. 즉 유전체층을 가시광 대역에서 투명한 물질로 구성함으로써, 공진 구조에 의해 발색되는 색상에 영향을 미치지 않고 발색되는 색상의 예측 가능성을 향상시킬 수 있다.In this case, SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiNx, PDMS, Polyimide, PVDF, PMMA or SU8 may be transparent dielectric materials in the visible light band. That is, by configuring the dielectric layer with a transparent material in the visible light band, it is possible to improve the predictability of the color to be developed without affecting the color to be developed by the resonant structure.

유전체층(2) 위에 상부 금속층(3)이 마련된다. 상부 금속층(3)은 태양 복사를 반사할 수 있다. 상부 금속층(3)은 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti) 또는 백금(Pt) 중 어느 하나로 구성될 수 있다. The upper metal layer 3 is provided on the dielectric layer 2. The upper metal layer 3 can reflect solar radiation. The upper metal layer 3 may be formed of any one of gold (Au), copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), titanium (Ti), or platinum (Pt).

한편 상부 금속층의 재질과 하부 금속층의 재질은 같거나 다를 수 있다.Meanwhile, the material of the upper metal layer and the material of the lower metal layer may be the same or different.

예를 들어 상부 금속층의 재질 및 하부 금속층의 재질이 모두 은(Ag)일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 상부 금속층과 하부 금속층의 재질이 다른것도 가능하다. For example, the material of the upper metal layer and the material of the lower metal layer may be both silver (Ag), but are not limited thereto, and different materials of the upper metal layer and the lower metal layer are also possible.

그리고 상부 금속층(3) 위에 열 방사층(4)이 마련된다. 열 방사층(4)은 수동 복사를 위한 층으로 수동 복사 특성을 나타낼 수 있다. 열 방사층(4)는 PDMS(Polydimethylsiloxane), TPX(polymethylpentene), Polyimide, PVDF(Polyvinylidene difluoride) 또는 PET 중 어느 하나로 구성될 수 있다.In addition, a heat radiation layer 4 is provided on the upper metal layer 3. The heat radiation layer 4 is a layer for passive radiation and may exhibit passive radiation characteristics. The thermal radiation layer 4 may be composed of any one of polydimethylsiloxane (PDMS), polymethylpentene (TPX), polyimide, polyvinylidene difluoride (PVDF), or PET.

여기서 PDMS(Polydimethylsiloxane), TPX(polymethylpentene), Polyimide, PVDF(Polyvinylidene difluoride) 또는 PET으로 열 방사층이 구성되는 경우, 열 방사층은 장적외선 대역에서 고방사율을 가지는 고분자층의 구성을 가질 수 있다.Here, when the thermal emission layer is composed of polydimethylsiloxane (PDMS), polymethylpentene (TPX), polyimide, polyvinylidene difluoride (PVDF), or PET, the thermal emission layer may have a polymer layer having a high emissivity in a long infrared band.

이하에서는 유전체층이 SiO2으로, 상부 금속층과 하부 금속층이 은(Ag)로 구성되는 것으로 예시하여 설명한다. Hereinafter, the dielectric layer is SiO2, and the upper metal layer and the lower metal layer are exemplified as silver (Ag).

또한 이하에서는 열 방사층(4)이 PDMS(Polydimethylsiloxane)으로 구성되는 것으로 예시하여 설명한다.In addition, hereinafter, the heat radiation layer 4 will be described as an example consisting of a polydimethylsiloxane (PDMS).

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발색형 수동 냉각 구조의 일 예를 나타낸다.Figure 2 shows an example of a color-type passive cooling structure according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예 수동 복사 냉각 구조는 1) 다양한 가시광 색상 표현 및 2) 수동 복사 냉각 기능을 동시에 구현할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수동 복사 냉각 구조는, Ag/SiO2/Ag 구조를 수십 마이크로 미터의 두께를 갖는 예를 들어 PDMS층 아래에 두어 상기의 두 가지 기능을 가질 수 있다. 구체적으로, 가시광 영역에서는 공진 구조에 의해 최소한의 흡수로 발색이 가능하며, 적외선 영역에서는 높은 반사율을 가지는 수동 복사 냉각 구조를 제안한다.In one embodiment of the present invention, the passive radiant cooling structure may simultaneously implement 1) various visible light color expressions and 2) passive radiant cooling functions. 2, the passive radiation cooling structure according to an embodiment of the present invention, Ag/SiO2/Ag structure is placed under the PDMS layer, for example, having a thickness of several tens of micrometers to achieve the above two functions. Can have Specifically, in the visible region, it is possible to develop color with minimal absorption by the resonance structure, and in the infrared region, a passive radiation cooling structure having high reflectance is proposed.

만약, PDMS로 대표되는 열 방사층 아래에 단순하게 하나의 금속층(예를 들어 Ag 층)만을 배치하는 경우 금속층이 대기의 창(8~13 μm) 영역뿐 만 아니라, 넓은 파장 대역에서 태양광을 반사하여 단순 냉각 특성만을 가진다. 그에 반하여 도 2에 도시된 것과 같이 Ag/SiO2/Ag로 대표되는 금속/유전체/금속의 구조는 가시광 영역에서 색을 구현하기 위해 필요한 최소한의 태양광 흡수만이 가능하고, 따라서, 발색형 수동 냉각 구조의 구현이 가능하다.If only one metal layer (for example, an Ag layer) is disposed under the thermal radiation layer represented by PDMS, the metal layer not only receives the sunlight (8~13 μm) region but also the sunlight in a wide wavelength band. It reflects and has only simple cooling characteristics. On the other hand, the structure of the metal/dielectric/metal represented by Ag/SiO2/Ag, as shown in Fig. 2, is only capable of absorbing the minimum amount of sunlight required to realize color in the visible light region, and thus, color-type passive cooling The structure can be implemented.

MIM층은 다양한 색상의 유채색을 발색할 수 있으며, MIM층이 다양한 색을 내는데 주요한 물질 중 하나는 Ag와 Ag 사이에 배치되는 SiO2일 수 있다.The MIM layer may develop various colors of chromatic colors, and one of the main materials for the MIM layer to produce various colors may be SiO2 disposed between Ag and Ag.

도 3은 유전체로 SiO2를 사용하는 경우 두께에 따른 반사 특성을 나타낸다.3 shows reflection characteristics according to thickness when SiO 2 is used as the dielectric.

MIM층은 유전체층의 두께가 변경됨에 따라 다른 색상을 발색할 수 있다.The MIM layer may develop different colors as the thickness of the dielectric layer changes.

구체적으로 도 3에서 도시하는 바와 같이, SiO2로 구성되는 유전체층의 두께가 60nm에서 150nm으로 변하면서, 노란색 계열에서 보라색을 거쳐 파랑색과 녹색 계열까지 구현될 수 있다.Specifically, as illustrated in FIG. 3, the thickness of the dielectric layer composed of SiO 2 is changed from 60 nm to 150 nm, and may be implemented from yellow to purple to blue and green.

만약 상부 금속층이 Au인 경우 SiO2로 구성되는 유전체층은 60nm 에서 180nm 사이의 두께를 가질 수 있다.If the upper metal layer is Au, the dielectric layer made of SiO2 may have a thickness between 60 nm and 180 nm.

도 4는 상부 Ag층의 두께에 따른 반사율 및 흡수율을 나타낸다.4 shows reflectance and absorption according to the thickness of the upper Ag layer.

도 5는 하부 Ag층의 두께에 따른 반사율, 흡수율 및 투과율을 나타낸다.5 shows reflectance, absorption and transmittance according to the thickness of the lower Ag layer.

본 발명의 수동 냉각 복사 구조가 발색 특징을 나타내기 위해서는 상/하부 금속층은 각각 최적의 두께가 존재한다. In order for the passive cooling radiation structure of the present invention to exhibit color development characteristics, the upper and lower metal layers each have an optimal thickness.

바람직한 실시 예에서, Ag로 구성되는 하부 금속층의 두께는 40-60nm 수준이어야 하며, 상부 금속층의 두께는 50nm 이하여야 한다. 만약 상부 금속층의 두께가 더 두꺼워 지는 경우, Ag의 본연의 색이 발색되어 도 4에 도시된 바와 같이 반사 공진 특성이 사라지기 때문이다.In a preferred embodiment, the thickness of the lower metal layer composed of Ag should be about 40-60 nm, and the thickness of the upper metal layer should be 50 nm or less. If the thickness of the upper metal layer becomes thicker, the natural color of Ag develops and the reflection resonance characteristic disappears as shown in FIG. 4.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이 하부 금속층의 두께가 두꺼워질수록 반사 공진을 강하게 일으켜 색의 순도를 높일 수 있는 장점이 있으나, 그만큼 280nm에서 400nm 사이의 대역에서의 태양광의 흡수율이 증가하기 때문에 태양광에 의한 가열 현상이 증가하는 단점도 있다. 반면에 하부 금속층 두께를 너무 얇게 제작하는 경우 투과되는 광량이 커져 발색형 수동 냉각 복사 구조와 연결된 시스템이 태양광에 노출될 수 있다.In addition, as illustrated in FIG. 5, the thicker the lower metal layer is, the stronger the reflection resonance is, thereby increasing the purity of the color. However, as the absorption rate of sunlight in the band between 280 nm and 400 nm increases, the sun increases. There is also a disadvantage that the heating phenomenon caused by light increases. On the other hand, if the thickness of the lower metal layer is made too thin, the amount of transmitted light may be large, and the system connected to the color-type passive cooling radiation structure may be exposed to sunlight.

결론적으로 본 발명의 바람직한 실시 예에서, 금속층으로 Ag를 예로 들면, 상부 금속층은 20nm 에서 40nm 사이의 두께를 가질 수 있다. 상부 금속층의 두께가 20nm 미만인 경우 선명한 색상을 구현할 수 없으며, 50nm 이상인 경우 상부 금속층에서 발색된 색상이 금속색(Ag 색)으로 변하기 시작한다.In conclusion, in a preferred embodiment of the present invention, for example, Ag as a metal layer, the upper metal layer may have a thickness between 20 nm and 40 nm. When the thickness of the upper metal layer is less than 20 nm, a vivid color cannot be realized, and when it is 50 nm or more, the color developed in the upper metal layer starts to change to a metallic color (Ag color).

또한, Ag를 예로 들면 바람직한 실시 에에서 하부 금속층은 40nm 에서 60nm 사이의 두께를 가질 수 있다. 하부 금속층이 40nm 미만인 경우 색상 손실과 투과율 증대의 문제가 있으며, 60nm 이상인 경우 하부 금속층 흡수율이 최대치로 수렴하는 문제가 있다.In addition, taking Ag as an example, in a preferred embodiment, the lower metal layer may have a thickness between 40 nm and 60 nm. When the lower metal layer is less than 40 nm, there is a problem of color loss and increase in transmittance, and when it is 60 nm or more, there is a problem that the absorption rate of the lower metal layer converges to the maximum.

Ag/SiO2/Ag 구조의 경우 상술한 다른 물질로 대체할 수 있다.In the case of Ag/SiO2/Ag structure, other materials described above can be substituted.

구체적으로 상부 금속층 및 하부 금속층은 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 등 반사율이 높은 물질로 구성될 수 있으며, 유전체층은 TiO2, Al2O3 또는 SiNx 등 다른 유전체 물질로 구성될 수 있다.Specifically, the upper metal layer and the lower metal layer may be made of a material having high reflectance such as gold (Au), aluminum (Al), platinum (Pt), and the dielectric layer may be made of another dielectric material such as TiO2, Al2O3 or SiNx.

한편 상부 금속층, 하부 금속층 및 유전체층을 구성하는 물질이 달라지는 경우에는 각 물질의 복소 굴절률 정보에 따라 각각 다른 두께를 설정해야 원하는 색상이 발색될 수 있다.On the other hand, when the materials constituting the upper metal layer, the lower metal layer and the dielectric layer are different, different thicknesses should be set according to the complex refractive index information of each material so that a desired color can be developed.

도 6은 열 방사층으로 PDMS을 사용하는 경우 두께에 따른 수동 복사 특징을 나타낸다.6 shows a passive radiation characteristic according to thickness when PDMS is used as a heat radiation layer.

바람직한 실시 예에서 열 방사층으로 PDMS를 사용하는 경우 수동 복사 특징을 갖기 위해서는 최소 20μm의 두께를 가져야 하며, 이보다 얇게 열 방사층이 제작되는 경우 대기의 창 영역에서 충분한 방사율을 확보하지 못해 수동 복사가 이루어지지 않는 문제가 존재한다. PDMS는 상술한 바와 같이 방사율(emissivity)이 높은 다른 투명 고분자 물질로 대체 가능하다.In a preferred embodiment, when PDMS is used as the thermal radiation layer, it must have a thickness of at least 20 μm in order to have a passive radiation characteristic, and when a thermal radiation layer is made thinner than this, manual radiation may not be obtained due to insufficient emissivity in the window area of the atmosphere. There is a problem that cannot be achieved. PDMS can be replaced with other transparent polymer materials having high emissivity as described above.

더하여, 열 방사층에 마이크로 유전체를 도핑하여 방사율을 높일 수도 있다. 여기에서 열 방사층에 도핑되는 마이크로 유전체는 SiO2, TiO2 또는 SiC 중 어느 하나일 수 있다. In addition, the emissivity may be increased by doping a micro dielectric in the heat radiation layer. Here, the micro dielectric doped on the heat radiation layer may be any one of SiO 2, TiO 2 or SiC.

도 7은 상부 금속(Ag) 층의 두께에 따라 달라지는 색 좌표(a)와 냉각 특성(b)을 보여준다. FIG. 7 shows color coordinates (a) and cooling characteristics (b) depending on the thickness of the upper metal (Ag) layer.

여기에서 냉각 특성이란 주변 온도와 샘플 온도간의 차이를 의미한다. 색 좌표는 설계된 구조의 가시광 대역에서의 반사율 특성을 토대로 계산되었다. 냉각 특성은 열평형 상태가 기준이며, AM1.5G 태양광의 수직 입사를 기준으로 계산하였다. 냉각 특성 그래프의 x 축의 변수 h는 비방사 열수수 계수(non-radiative heat exchange coefficient)이며, 대류와 전도에 의한 열 전달량의 크기를 나타내는 계수이다. 순수 수동 냉각 복사 능력은 hc =0에서 평가하기 때문에 이 점을 기준으로 냉각 능력을 평가하였다. 설계된 구조의 하부 Ag 층 두께는 40nm이며, PDMS 두께는 20 μm이다.Here, the cooling characteristic means the difference between the ambient temperature and the sample temperature. The color coordinates were calculated based on the reflectance characteristics in the visible light band of the designed structure. The cooling characteristics are based on the thermal equilibrium state, and calculated based on the vertical incidence of AM1.5G sunlight. The variable h on the x-axis of the cooling characteristic graph is a non-radiative heat exchange coefficient, and is a coefficient indicating the amount of heat transfer due to convection and conduction. Since the pure passive cooling radiation capability is evaluated at hc = 0, the cooling capability was evaluated based on this point. The bottom Ag layer thickness of the designed structure is 40 nm, and the PDMS thickness is 20 μm.

도 7에 도시된 바와 같이, PDMS가 없는 구조(no PDMS)는 한낮에 대류가 전도가 없는 상황에서 태양광에 노출되면 주변 온도보다 300도 가량 높게 유지된다. PDMS를 발색 구조 위에 도입할 경우 발색형 수동 냉각 복사 구조의 온도는 상부 Ag 층 두께에 따라 주변 온도보다 5도 가량 높거나 20도 가량 낮게 유지 가능하다. As shown in FIG. 7, the structure without PDMS (no PDMS) is maintained at about 300 degrees higher than the ambient temperature when convection is exposed to sunlight in the absence of conduction at midday. When PDMS is introduced on the color-developing structure, the temperature of the color-type passive cooling radiation structure can be maintained about 5 degrees higher than the ambient temperature or about 20 degrees lower depending on the thickness of the upper Ag layer.

상술한 바와 같이, 상부 금속층의 두께가 두꺼울수록 색의 순도가 떨어지나, 냉각 특성면에서 봤을 때 두께가 20nm로 얇을 때 가장 색 범위가 넓으며 다양한 색상을 낼 수 있다. 반면에 주변 온도보다 약 5도 높게 유지되는 면은 있다.As described above, the thicker the thickness of the upper metal layer, the lower the purity of the color, but in terms of cooling characteristics, when the thickness is thin to 20 nm, the widest color range is wide and various colors can be produced. On the other hand, there are some that are maintained about 5 degrees higher than the ambient temperature.

따라서, 다양한 색상을 유지하면서 주변 온도보다 낮은 수준의 수동 냉각 복사 기능을 구현하기 위해서는 상부 Ag 층의 두께가 30nm ~ 40nm인 것이 바람직하다. 만약 주변 온도와 비슷한 수준의 수동 냉각 복사 기능을 목표로 하는 경우 상부 Ag 층의 두께를 20nm 정도로 얇게 증착하는 것이 색상 측면에서 더 우수하다.Therefore, it is preferable that the thickness of the upper Ag layer is 30 nm to 40 nm in order to realize a passive cooling radiation function that is lower than the ambient temperature while maintaining various colors. If the aim is to achieve a passive cooling radiation level similar to the ambient temperature, it is better in terms of color to deposit the upper Ag layer as thin as 20 nm.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발색형 수동 냉각 복사 구조의 PDMS 코팅 전/후의 샘플 사진(a)과 가시광에서의 광학(b)을 보여준다. Figure 8 shows a sample photo (a) before and after PDMS coating of the color-type passive cooling radiation structure according to an embodiment of the present invention and optical (b) in visible light.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발색형 수동 냉각 복사 구조는 SiO2 두께에 따라 다양한 색을 보여주는 것을 알 수 있고, PDMS 코팅 여부에 관계없이 반사 특성에서도 일정함을 볼 수 있다.As shown in FIG. 8, it can be seen that the color-type passive cooling radiation structure according to an embodiment of the present invention shows various colors according to the thickness of SiO 2, and it is also seen that it is constant in reflective properties regardless of whether or not PDMS is coated. have.

한편 앞선 실시 예에서는, 열 방사층이 PDMS(Polydimethylsiloxane)으로 구성되는 것으로 설명하였다.On the other hand, in the previous embodiment, it was described that the heat radiation layer is composed of polydimethylsiloxane (PDMS).

한편 PDMS(Polydimethylsiloxane)는 매우 넓은 대역에서 방사율(emissivity)이 높다. 그리고 방사율(emissivity)이 높다는 것은 흡수율(absorptance) 역시 높다는 것을 의미하기 때문에 PDMS(Polydimethylsiloxane)는 매우 넓은 대역에서 전자기파를 흡수할 수 있으며, 이는 수동 냉각에 불리하게 작용할 수 있다.Meanwhile, polydimethylsiloxane (PDMS) has high emissivity in a very wide band. And because emissivity is high, it means that absorptance is also high, so polydimethylsiloxane (PDMS) can absorb electromagnetic waves in a very wide band, which can adversely affect passive cooling.

따라서 이하에서는 MIM 구조를 통하여 다양한 색상의 유채색을 발색할 수 있으면서도, 수동 냉각 및 색상 발현에 필요한 대역에서만 흡수율(absorptance)을 높힐 수 있는 구조를 제안한다. 이를 실현하기 위한 열 방사층을 선택적 열 방사층이라 명칭할 수 있다.Therefore, hereinafter, it is proposed a structure capable of increasing chromatic colors of various colors through the MIM structure, while increasing the absorption rate only in the band required for passive cooling and color development. The thermal radiation layer for realizing this may be referred to as an optional thermal radiation layer.

도 9는 CPRC의 구조 및 특징을 설명하기 위한 도면이다.9 is a view for explaining the structure and features of the CPRC.

도 9a는 은색 배경에 다양한 색상의 유채색 영역을 가져서 심미성을 더한 수동 복사 냉각 구조를 나타낸 도면이다. 9A is a diagram showing a passive radiative cooling structure having a chromatic region of various colors on a silver background to add aesthetics.

도 9b는 은색 영역에서의 수동 복사 냉각 구조의 구조 모식도(좌측 상단), 은색 영역에서의 SEM(scanning electron microscope) 이미지(좌측 하단), 유채색 영역에서의 수동 복사 냉각 구조의 구조 모식도(우측 상단), 유채색 영역에서의 SEM(scanning electron microscope) 이미지(우측 하단)을 도시한 도면이다.9B is a structural schematic diagram of the passive radiation cooling structure in the silver region (top left), a scanning electron microscope (SEM) image in the silver region (bottom left), and a schematic structural diagram of the passive radiation cooling structure in the chromatic region (top right). , A diagram showing a scanning electron microscope (SEM) image (bottom right) in a chromatic region.

도 9c는, 은색 영역에서의 수동 복사 냉각 구조(도 9b에서의 좌측 구조)의 반사율, 흡수율(방사율) 특성(상단 그래프), 열 방사층 없이 금속 - 절연체 ? 금속으로 구성된 MIM층만 존재하는 수동 복사 냉각 구조의 반사율, 흡수율(방사율) 특성(중단 그래프), 금속 - 절연체 ? 금속으로 구성된 MIM 층 위에 선택적 열 방사층이 마련되는 경우의 반사율, 흡수율(방사율) 특성(하단 그래프)를 도시한 도면이다.9C shows the reflectivity, absorption (emissivity) characteristics of the passive radiation cooling structure (left structure in FIG. 9B) in the silver region (top graph), metal-insulator without thermal radiation layer? Reflectance, absorption (emissivity) characteristics of the passive radiative cooling structure in which only the MIM layer composed of metal is present (interruption graph), metal-insulator It is a diagram showing reflectance and absorption (emissivity) characteristics (bottom graph) when a selective heat-emitting layer is provided on a MIM layer made of metal.

도 9d는 선택적 열 방사층 없이 MIM층만 존재하는 경우와, MIM 층 위에 선택적 열 방사층이 마련되는 경우 색상차를 나타내기 위한 도면이다.FIG. 9D is a diagram for showing the color difference when only the MIM layer is present without the selective heat emission layer and when the selective heat emission layer is provided on the MIM layer.

도 9e는 장식용으로 사용되는 수동 복사 냉각 구조를 도시한 도면이다.9E is a diagram showing a passive radiation cooling structure used for decoration.

이하에서는 MIM 구조를 통하여 다양한 색상의 유채색을 발색할 수 있으면서도, 수동 냉각 및 색상 발현에 필요한 대역에서만 흡수율(absorptance)을 높힐 수 있는 수동 복사 구조를 CPRC(a colored passive radiative cooler)라고 명칭할 수 있다.Hereinafter, a passive radiation structure capable of developing chromatic colors of various colors through the MIM structure while increasing absorption in the band required for passive cooling and color development may be referred to as a colored passive radiative cooler (CPRC). .

그리고 CPRC는 MIM 층 및 MIM 층 위에 마련되는 열 방사층(선택적 열 방사층)을 포함할 수 있다.In addition, the CPRC may include a MIM layer and a thermal emission layer (optional thermal emission layer) provided on the MIM layer.

도 9a 및 도 9b를 참고하면, Ag-SiO2-Ag로 구성되는 MIM 층 위에 이중층으로 구성되는 열 방사층이 마련된다.9A and 9B, a thermal radiation layer composed of a double layer is provided on the MIM layer composed of Ag-SiO2-Ag.

한편 열 방사층은, SiO2, HfO2, TiO2, SiC, Ta2O3 및 Si3N4 중 둘 이상이 각각 하나의 층을 구성하는 복수의 층을 포함할 수 있다. 이 경우 복수의 층 각각은 각각 수 nm 에서 수백 nm의 두께를 가질 수 있다.Meanwhile, the heat radiation layer may include a plurality of layers in which two or more of SiO2, HfO2, TiO2, SiC, Ta2O3, and Si3N4 each constitute one layer. In this case, each of the plurality of layers may have a thickness of several nm to several hundred nm, respectively.

이 경우 SiO2, HfO2, TiO2, SiC, Ta2O3 및 Si3N4는 가시광 대역에서 투명한 물질일 수 있다. 즉 열 방사층을 가시광 대역에서 투명한 물질로 구성함으로써, 열 방사층은 MIM층에서 발색되는 본연의 색상에 영향을 미치지 않고, 발색되는 색상의 예측 가능성을 향상시킬 수 있다.In this case, SiO2, HfO2, TiO2, SiC, Ta2O3 and Si3N4 may be transparent materials in the visible light band. That is, by configuring the heat-emitting layer as a transparent material in the visible light band, the heat-emitting layer can improve the predictability of the color to be developed without affecting the natural color developed in the MIM layer.

열 방사층을 구성할 수 있는 다수의 물질 중 Si3N4 및 SiO2의 예를 들어 설명하면, 열 방사층은 MIM 층 위에 마련되고 Si3N4로 구성되는 제1층 및 상기 제1층 위에 마련되고 SiO2로 구성되는 제2층을 포함할 수 있다.When an example of Si3N4 and SiO2 among a plurality of materials capable of forming a heat radiation layer is described, the heat radiation layer is provided on the MIM layer, and the first layer is composed of Si3N4 and the first layer is composed of SiO2. It may include a second layer.

그리고 Si3N4 / SiO2 이중층은 선택된 대역에서의 흡수율(방사율)이 다른 대역에서의 흡수율(방사율)보다 높기 때문에, 고 효율 열 방출기의 역할을 수행할 수 있다. 이와 같이 구성되는 열 방사층을 선택적 열 방사층이라 명칭할 수 있다.In addition, since the Si3N4 / SiO2 bilayer has a higher absorption rate (emissivity) in a selected band than an absorption rate (emissivity) in another band, it can serve as a high-efficiency heat emitter. The heat radiation layer configured as described above may be referred to as an optional heat radiation layer.

선택적 열 방사층은, SiO2 (650 nm)와 Si3N4 (910 nm)의 이중층을 포함하는 선택적 방사체일 수 있다.The selective heat radiation layer may be a selective emitter comprising a double layer of SiO2 (650 nm) and Si3N4 (910 nm).

또한 SiO2 (650 nm)와 Si3N4 (910 nm)의 두께는, MIM 층의 반사 공진에 의한 색상 발현 및 CPRC의 방사율을 고려하여 수치 최적화에 의해 결정될 수 있다.In addition, the thickness of SiO2 (650 nm) and Si3N4 (910 nm) can be determined by numerical optimization in consideration of the color expression by reflection resonance of the MIM layer and emissivity of CPRC.

도 9b의 좌측 도면은 MIM층이 유전체 없이 하나의 금속(Ag)으로 구성된 구조이며, 도 9b의 우측 도면은 MIM층이 금속 - 유전체 ? 금속으로 구성된 구조이다.9B is a structure in which the MIM layer is composed of one metal (Ag) without a dielectric, and in the right view of FIG. 9B, the MIM layer is a metal-dielectric? It is made of metal.

MIM층에 절연체가 존재하는 경우, 절연체 층의 두께를 조정함으로써 발색되는 색상이 결정될 수 있다. 구체적으로 절연체 층이 얇아지는 경우 박막 간섭 공진이 단파장에서 일어나면서 Yellow 색이 발현될 수 있으며, 절연체 층이 두꺼워지는 경우 박막 간섭 공진이 장파장에서 일어나면서 Cyan 색이 발색될 수 있다.When an insulator is present in the MIM layer, the color to be developed can be determined by adjusting the thickness of the insulator layer. Specifically, when the insulator layer becomes thin, the yellow color may be developed while the thin film interference resonance occurs at a short wavelength, and when the insulator layer becomes thick, the Cyan color may develop as the thin film interference resonance occurs at a long wavelength.

MIM 구조는 다른 필터에 비하여 흡수율이 높은 대역이 좁고, 따라서 반사율의 손실을 최소화 할 수 있다.The MIM structure has a narrow band with a high absorption rate compared to other filters, and thus can minimize the loss of reflectance.

또한 MIM층과 선택적 열 방사층이 결합된 CPRC는 박막이 적층된 구조를 가지기 때문에, 패터닝이 용이하다. 즉 얇고 단순한 구조로 인하여 CPRC는 플렉서블 디바이스에 사용될 수 있다.In addition, since the CPRC in which the MIM layer and the selective heat radiation layer are combined has a structure in which a thin film is stacked, patterning is easy. That is, CPRC can be used in a flexible device due to its thin and simple structure.

도 9c의 상단 그래프는, 낮 시간, 은색 영역에서의 수동 복사 냉각 구조(도 9b에서의 좌측 구조)의 반사율, 흡수율(방사율) 특성을 나타낸다.The upper graph of FIG. 9C shows reflectance and absorption (emissivity) characteristics of the passive radiant cooling structure (left structure in FIG. 9B) in the daytime and silver regions.

도 9c의 상단 그래프를 참조하면, 은색 영역에서의 수동 복사 냉각 구조는 대기의 창에서 주변 대역에 비하여 높은 흡수율(방사율)을 나타내며, 다른 대역에서 높은 태양광 반사율을 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to the upper graph of FIG. 9C, it can be seen that the passive radiation cooling structure in the silver region shows a high absorption (emissivity) compared to the surrounding band in the window of the atmosphere, and a high solar reflectance in the other band.

즉 도 9c의 상단 그래프를 참조하면, MIM층이 은(Ag)으로 구성됨에 따라 금속색인 은색을 발색하되, 열 방사층이 대기의 창 영역에서 흡수율(방사율)을 증가시킴에 따라, 수동 복사 냉각 구조가 대기의 창에서 높은 흡수율(방사율)을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한 적외선 대역에서 높은 반사율을 나타내어 냉각에 유리함을 알 수 있다.That is, referring to the upper graph of FIG. 9C, as the MIM layer is composed of silver (Ag), a metallic silver color is developed, but as the thermal radiation layer increases the absorption (emissivity) in the window region of the atmosphere, passive radiative cooling It can be seen that the structure exhibits a high absorption rate (emissivity) in the window of the atmosphere. In addition, it can be seen that it exhibits high reflectance in the infrared band and is advantageous for cooling.

도 9c의 중단 그래프는, 낮 시간, 열 방사층 없이 금속 - 유전체 ? 금속으로 구성된 MIM층만 존재하는 수동 복사 냉각 구조의 반사율, 흡수율(방사율) 특성을 나타낸다.The interruption graph in FIG. 9C shows day-time, metal-dielectric without a heat-radiating layer. Reflectance and absorption (emissivity) characteristics of the passive radiative cooling structure in which only the MIM layer made of metal is present.

도 9c의 중단 그래프를 참조하면, 금속 - 절연체 ? 금속으로 구성된 MIM층은 가시광 대역에서 주변 대역에 비하여 낮은 반사율 및 높은 흡수율을 나타내는 것을 알 수 있다. 이 경우 MIM 층은, 적외선 대역의 반사율이 가시광선 대역의 반사율보다 높을 수 있다.Referring to the interruption graph in FIG. 9C, metal-insulator? It can be seen that the MIM layer made of metal exhibits a low reflectance and a high absorption rate in the visible light band compared to the surrounding band. In this case, in the MIM layer, the reflectance of the infrared band may be higher than that of the visible light band.

즉 금속 - 절연체 ? 금속으로 구성된 MIM층은 가시광 대역에서 태양광의 흡수를 증가시키고 공진 구조를 통하여 유채색을 발색할 수 있다. 또한 절연체의 두께를 조절함으로써 발색되는 유채색의 색상이 결정될 수 있다.Ie metal-insulator? The MIM layer made of metal may increase absorption of sunlight in the visible light band and develop chromatic color through a resonance structure. Also, by adjusting the thickness of the insulator, the color of the chromatic color to be developed can be determined.

구체적으로 MIM층은 가시광선 대역에서, 유채색의 발색에 필요한 파장의 흡수율을 선택적으로 증가시킬 수 있다.Specifically, the MIM layer may selectively increase the absorption rate of a wavelength required for chromatic color development in the visible light band.

더욱 구체적으로 MIM층이 특정 색상을 발색하는 경우, MIM층은 특정 색상을 발색하는데 필요한 파장의 흡수율을 선택적으로 증가시킬 수 있다. 예를 들어 MIM층이 yellow를 발색하는 경우 yellow를 발색하기 위하여 MIM층에 포함되는 복수의 층이 두께가 결정될 수 있다. 이 경우 MIM층은 yellow를 발색하는데 필요한 파장의 흡수율을 주변의 파장(yellow를 제외한 다른 색상의 파장)의 흡수율보다 증가시키게 된다.More specifically, when the MIM layer develops a specific color, the MIM layer can selectively increase the absorption rate of a wavelength required to develop a specific color. For example, when the MIM layer develops yellow, the thickness of a plurality of layers included in the MIM layer may be determined in order to develop yellow. In this case, the MIM layer increases the absorption rate of the wavelength required to develop yellow than that of the surrounding wavelengths (wavelengths of other colors except yellow).

도 9c의 하단 그래프는, 낮 시간, 금속 - 절연체 ? 금속으로 구성된 MIM 층 위에 선택적 열 방사층이 마련되는 경우의 반사율, 흡수율(방사율) 특성을 나타낸다.The bottom graph of FIG. 9C shows daytime, metal-insulator? Reflectance and absorption (emissivity) characteristics when a selective heat-emitting layer is provided on a MIM layer made of metal.

도 9c의 중단 그래프를 다시 참조하면, 금속 - 유전체 ? 금속으로 구성된 MIM 층이 적외선 파장을 차단하는 것을 알 수 있다.Referring back to the interruption graph in FIG. 9C, metal-dielectric? It can be seen that the MIM layer made of metal blocks the infrared wavelength.

그리고 MIM층은 MIM 구조와 선택적 열 방사층 사이의 독립성을 만드는 격리 특성을 제공한다.And the MIM layer provides isolation properties that create independence between the MIM structure and the selective heat radiation layer.

즉 도 9d를 참조하면, MIOM층과 선택적 열 방사층이 서로의 특성을 저해하지 않기 때문에, 금속 - 유전체 ? 금속으로 구성된 MIM 층 위에 선택적 열 방사층이 마련되는 경우에는 MIM 층에 의해 발색되는 색상을 유지할 수 있다. That is, referring to FIG. 9D, since the MIOM layer and the selective heat-radiating layer do not inhibit each other's properties, a metal-dielectric? When an optional heat radiation layer is provided on the MIM layer made of metal, the color developed by the MIM layer can be maintained.

또한 MIOM층과 선택적 열 방사층이 서로의 특성을 저해하지 않기 때문에, 금속 - 절연체 ? 금속으로 구성된 MIM 층 위에 선택적 열 방사층이 마련되는 경우 선택적 열 방사층의 수동 복사 특성을 유지할 수 있다.Also, since the MIOM layer and the selective heat-radiating layer do not interfere with each other, the metal-insulator? When the selective heat radiation layer is provided on the MIM layer made of metal, the passive radiation characteristics of the selective heat radiation layer can be maintained.

즉 CPRC는 MIM층의 발색 특성과 선택적 열 방사층의 수동 복사 특성을 모두 가질 수 있다.That is, CPRC may have both the color development property of the MIM layer and the passive radiation property of the selective heat emission layer.

따라서, Si3N4로 구성되는 제1층 및 상기 제1층 위에 마련되고 SiO2로 구성되는 제2층을 포함하는 선택적 열 방사층이 MIM층 위에 마련되는 경우, PDMS(Polydimethylsiloxane)로 구성되는 열 방사층이 MIM층 위에 마련되는 경우보다 대기의 창 영역에서의 방사율이 더 클 수 있다.Accordingly, when an optional thermal radiation layer including a first layer composed of Si3N4 and a second layer composed of SiO2 provided on the first layer is provided on the MIM layer, a thermal radiation layer composed of polydimethylsiloxane (PDMS) is provided. The emissivity in the window area of the atmosphere may be greater than that provided on the MIM layer.

도 9d에서, 선택적 열 방사층 없이 MIM층만 존재하는 경우의 이미지들은 좌측에, MIM 층 위에 선택적 열 방사층이 마련되는 경우의 이미지들은 우측에 도시하였다.In FIG. 9D, images in the case where only the MIM layer is present without the selective heat radiation layer are shown on the left, and images in the case where the optional heat radiation layer is provided on the MIM layer are shown on the right.

도 9d를 참조하면, 비스듬한 입사각(an oblique angle of incidence, AOI)에서도, MIM층과 CPRC 간의 색상이 매우 유사하다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 9D, it can be seen that even at an oblique angle of incidence (AOI), the color between the MIM layer and the CPRC is very similar.

도 10a 내지 도 10d는 CPRC에서의 온도와 색상의 상관 관계를 시뮬레이션(계산) 한 결과이다.10A to 10D are results of simulation (calculation) of the correlation between temperature and color in CPRC.

도 10a에 따르면, CPRC는 상부 금속층(Ag)의 두께 및 유전체층(SiO2)의 두께 중 적어도 하나에 따라 색상이 변경될 수 있다.According to FIG. 10A, the color of the CPRC may be changed according to at least one of the thickness of the upper metal layer (Ag) and the thickness of the dielectric layer (SiO2).

그리고 특정 두께에서 색상이 선명하게 나오며, 그에 따라 태양광 흡수가 증가해 CPRC 의 온도가 대기의 온도보다 높아지거나, 낮아지는 특성을 보인다.And the color comes out clearly at a certain thickness, and accordingly, the absorption of sunlight increases, and the temperature of CPRC is higher or lower than that of the atmosphere.

예를 들어, 도 10a의 아래 그래프 및 도 10b를 참조하면, 강한 태양광 아래에서 (1000W/m2), 상부 금속층의 두께가 20 nm 인 경우에 가장 선명한 색을 나타낸다. 여기서 C,M,Y 는 반사형 컬러 필터가 표현할 수 있는 3원색인 Cyan, Magenta, Yellow 를 의미할 수 있다.For example, referring to the graph below in FIG. 10A and FIG. 10B, under strong sunlight (1000 W/m2), the thickness of the upper metal layer is 20 nm. Here, C, M, Y may mean Cyan, Magenta, and Yellow, which are three primary colors that can be expressed by a reflective color filter.

한편 도 10a의 위 그래프 및 도 10b를 참조하면, 상부 금속층이 20 nm일 때 가장 선명한 색을 나타내나, 이 경우 거의 모든 유전체층의 두께에서 온도가 상온보다 높다. 즉, CPRC 는 히터로 동작한다.On the other hand, referring to the above graph of FIG. 10A and FIG. 10B, when the upper metal layer is 20 nm, it exhibits the most vivid color, but in this case, the temperature is higher than room temperature at the thickness of almost all dielectric layers. That is, CPRC operates as a heater.

다만 CPRC의 온도가 상온보다 6K 정도 높은 수준이기 때문에, 한낮에도 CPRC 는 대기와 비슷한 수준의 온도 특성을 보인다고 할 수 있다.However, since CPRC's temperature is about 6K higher than room temperature, it can be said that CPRC exhibits a temperature characteristic similar to that of the atmosphere in the middle of the day.

한편 도 10b를 참조하면, 붉은색 점선 내부는 가장 선명한 유채색을 발색할 수 있는 영역이다. 다만 붉은색 점선 내부 영역에서는 CPRC 의 온도가 대기보다 약간 높다.On the other hand, referring to Figure 10b, the inside of the red dotted line is the region that can develop the most vivid chromatic color. However, in the area inside the red dotted line, the temperature of CPRC is slightly higher than the atmosphere.

그리고 색의 선명도를 다소 희생하는 경우, 예를 들어 상부 금속층의 두께를 20 nm 이상으로 할 경우, CPRC 의 온도가 상온보다 내려가면서 CPRC 은 쿨러(Cooler)로 동작할 수 있다. And when the color sharpness is slightly sacrificed, for example, when the thickness of the upper metal layer is 20 nm or more, the CPRC may operate as a cooler while the temperature of the CPRC falls below room temperature.

한편 회색 점선 밖의 영역에서는 CRPC가 발색하는 색상이 금속색(은색)이 되버리므로, MIM의 유채색 발색 특성을 잃게 된다.On the other hand, in the region outside the gray dotted line, the color that the CRPC develops becomes a metallic color (silver), so the chromatic color development characteristics of the MIM are lost.

따라서 본 발명은, 붉은색 점선 내부 영역에 해당하도록 상부 금속층의 두께와 유전체층의 두께를 설계함으로써, CPRC를 대기와 비슷한 수준(상온보다 6K 정도 높은 수준)의 온도 특성을 유지시키게 하고 가장 선명한 유채색을 구현할 수 있다.Therefore, the present invention, by designing the thickness of the upper metal layer and the thickness of the dielectric layer to correspond to the area inside the red dotted line, maintains the temperature characteristics of CPRC similar to the atmosphere (a level higher than room temperature by about 6K) and provides the most vivid chromatic color. Can be implemented.

또한 본 발명은 붉은색 점선 밖, 그리고 회색 점선 내부 영역에 해당하도록 상부 금속층의 두께와 유전체층의 두께를 설계함으로써, 유채색의 선명도를 다소 희생하는 대신 CPRC 를 쿨러(Cooler)로 동작시킬 수 있다. In addition, by designing the thickness of the upper metal layer and the thickness of the dielectric layer to correspond to areas outside the red dotted line and inside the gray dotted line, the CPRC can be operated as a cooler instead of sacrificing the clarity of chromatic color.

또한 본 발명은 회색 점선 밖의 영역에 해당하도록 상부 금속층의 두께와 유전체층의 두께를 설계함으로써, 발색되는 색상을 금속색(은색)으로 포화시킬 수 있다.In addition, by designing the thickness of the upper metal layer and the thickness of the dielectric layer to correspond to an area outside the gray dotted line, the color to be developed can be saturated with a metallic color (silver).

또한 상부 금속층의 두께가 10 nm 내지 40 nm를 가지는 경우, CPRC는 대기와 비슷한 수준(상온보다 6K 정도 높은 수준)의 온도 특성을 유지하거나 쿨러(Cooler)로 동작하면서 유채색을 발색할 수 있다.In addition, when the thickness of the upper metal layer is 10 nm to 40 nm, CPRC may develop a chromatic color while maintaining a temperature characteristic similar to that of the atmosphere (a level about 6K higher than room temperature) or operating as a cooler.

도 10c는 Non-radiative heat exchange coefficient, hc 에 따른 MIM 층과 CPRC 의 온도 특성을 보인 계산 데이터이다.10C is calculation data showing temperature characteristics of a MIM layer and CPRC according to a non-radiative heat exchange coefficient, hc.

hc 는 대류와 전도를 어느정도 고려하는지에 대한 계수이며, hc가 0인 경우는 대류와 전도가 없다고 가정된 상황이다.hc is a coefficient of how much convection and conduction are considered, and when hc is 0, it is assumed that there is no convection and conduction.

도 10c를 참조하면, MIM층은 항상 상온보다 높은 온도를 보이는 반면에, MIM층 및 선택적 열 방사층을 포함하는 CPRC은 hc 에 관계없이 상온과 비슷하거나 상온보다 낮은 온도를 유지할 수 있다.Referring to FIG. 10C, while the MIM layer always shows a temperature higher than room temperature, the CPRC including the MIM layer and the selective heat emitting layer can maintain a temperature similar to or lower than normal temperature regardless of hc.

도 10d는 MIM층과 CPRC의 색상 차이를 하부 금속층의 두께 별로 도시한 도면이다. 10D is a diagram showing the color difference between the MIM layer and the CPRC for each thickness of the lower metal layer.

도 10d를 참조하면 하부 금속층의 모든 두께에서 MIM층과 CPRC의 색상 차이가 매우 작다. 즉 MIM층 위에 선택적 열 방사층이 배치되더라도 선택적 열 방사층이 MIM층의 발색에 영향을 거의 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 10D, the color difference between the MIM layer and the CPRC is very small at all thicknesses of the lower metal layer. That is, it can be seen that even if the selective heat radiation layer is disposed on the MIM layer, the selective heat radiation layer has little effect on the color development of the MIM layer.

또한 도 10d를 참조하면, 하부 금속층의 두께 변화에도 불구하고 50nm 이상에서는 색상이 거의 동일한 것을 알 수 있다. 즉 하부 금속층의 두께가 50nm 이상인 경우 반사율의 변화가 거의 발견되지 않는다.In addition, referring to FIG. 10D, it can be seen that despite the thickness change of the lower metal layer, the color is almost the same at 50 nm or more. That is, when the thickness of the lower metal layer is 50 nm or more, a change in reflectance is hardly found.

도 11a 내지 도 11d는 CPRC에서의 온도와 색상의 상관 관계를 시뮬레이션(계산) 한 결과에 따라 실제로 제작한 샘플의 측정 데이터에 관한 것이다.11A to 11D relate to measurement data of a sample actually produced according to a result of simulation (calculation) of the correlation between temperature and color in CPRC.

도 11a에서는 실제로 제작한 CPRC에 대한 측정값을 도시하였다. 선택적 열 방사층은 SiO2 (650 nm)와 Si3N4 (910 nm)로 구성되어 있으며, 이 경우 CPRC는 대기의 창 영역에서 매우 높은 방사율을 나타내는 것을 알 수 있다.In FIG. 11A, measured values for the actually manufactured CPRC are shown. The selective heat emission layer is composed of SiO2 (650 nm) and Si3N4 (910 nm), and in this case, it can be seen that CPRC exhibits a very high emissivity in the window region of the atmosphere.

도 11b는 금속-유전체-금속으로 구성되는 MIM층으로 Magenta, Cyan, Yellow 의 색상을 구현한 세 개의 샘플(아래), CPRC로 Magenta, Cyan, Yellow 의 색상을 구현한 세 개의 샘플(위), 금속으로 구성되는 MIM 층 및 선택적 열 방사층으로 금속 색상을 구현한 하나의 샘플(최우측 상단) 및 광 대역 방사체(Broadband emitter)(최우측 최하단)의 샘플을 도시한 도면이다.11B is a MIM layer composed of a metal-dielectric-metal, and three samples embodying the colors of Magenta, Cyan, and Yellow (bottom), and three samples embodying the colors of Magenta, Cyan, and Yellow by CPRC (top). It is a diagram showing one sample (top rightmost) and a broadband emitter (bottom rightmost) that implements a metallic color with a MIM layer composed of metal and an optional heat emitting layer.

도 11c는 낮 시간 동안의 온도 특성을 나타낸 그래프이다.11C is a graph showing temperature characteristics during the daytime.

MIM 구조의 경우, 색상 평균 온도가 대기(주황색 선)보다 3-4도 가량 높은 것이 비해 CPRC 는 색상 평균 온도가 대기와 거의 같은 수준으로, 앞의 계산 결과와 매우 잘 일치함을 보여준다.In the case of the MIM structure, the color average temperature is about 3-4 degrees higher than that of the atmosphere (orange line), whereas CPRC shows that the color average temperature is almost the same as that of the atmosphere, which is in good agreement with the previous calculation results.

즉 도 11c의 실험 데이터는 CPRC가 다양한 색상을 발색하는 동안에도 주변 온도와 유사하거나 더 낮은 온도를 유지할 수 있음을 보여준다.That is, the experimental data in FIG. 11C shows that CPRC can maintain a temperature similar to or lower than the ambient temperature even while developing various colors.

또한 본 발명의 CPRC는 MIM 구조에 선택적 열 방사 층이 결합된 것으로, 도 11c의 실험 데이터는 CPRC가 광대역 방사체(검은 선)에 비해 낮은 온도를 유지할 수 있음을 보여준다.In addition, the CPRC of the present invention is a selective thermal radiation layer combined with the MIM structure, and the experimental data of FIG. 11C shows that the CPRC can maintain a lower temperature than a broadband radiator (black line).

도 11d는 무채색의 배경에 다양한 색상의 유채색이 패터닝 되도록 설계한 MIM과 CPRC의 온도 특성을 나타내는 그래프이다.11D is a graph showing the temperature characteristics of MIM and CPRC designed to pattern various chromatic colors on an achromatic background.

도 11d의 그래프는, CPRC의 온도는 대기보다 낮아서 쿨러로 동작하고 있으며, 또한 CPRC의 온도는 MIM의 온도보다 낮음을 보여준다.The graph of FIG. 11D shows that the temperature of CPRC is lower than that of the atmosphere to operate as a cooler, and the temperature of CPRC is lower than that of MIM.

또한 무채색의 배경에 다양한 색상의 유채색이 패터닝 되도록 설계한 경우, 배경색(예를 들어 은색)의 높은 반사율에 따라, 유채색만으로 CPRF를 설계한 경우보다 높은 냉각 효율을 나타낼 수 있다.In addition, when the chromatic color of various colors is designed to be patterned on the achromatic background, according to the high reflectance of the background color (for example, silver color), the cooling efficiency may be higher than when the CPRF is designed with only the chromatic color.

도 12는 플렉서블(Flexible) 형태의 수동 냉각 복사 구조 및 테스트 결과를 도시한 도면이다.12 is a diagram illustrating a passive cooling radiation structure and test results in a flexible form.

플렉서블 수동 복사 냉각 구조는, flexible radiative cooling material (fRCM)로 명칭될 수 있다.The flexible passive radiative cooling structure may be referred to as flexible radiative cooling material (fRCM).

도 12a에서의 플렉서블 수동 냉각 복사 구조는 Ag-SiO2-Ag의 구조의 MIM층 및 선택적 열 방사층을 포함한다. 또한 선택적 열 방사층 위해 보호 용도로 PDMS 필름을 코팅하였으며, 플렉서블한 성질을 위하여 하부 금속층은 알루미늄 호일로 구성하였다.The flexible passive cooling radiation structure in FIG. 12A includes a MIM layer of Ag-SiO2-Ag structure and a selective heat radiation layer. In addition, the PDMS film was coated for protection for the selective heat radiation layer, and the lower metal layer was made of aluminum foil for flexible properties.

또한 테스트를 위하여 제작된 플렉서블 히터도 도시되었다.Also shown is a flexible heater made for testing.

도 12b는 열 화상 카메라를 통하여 Bare heater, PDMS가 코팅된 Al 레이어, 그리고 flexible radiative cooling material (fRCM)를 촬영한 측정 결과이다.12B is a measurement result of shooting a Bare heater, an Al layer coated with PDMS, and a flexible radiative cooling material (fRCM) through a thermal imaging camera.

도 12c는 서모커플(Thermocouple)을 뒷면에 부착한 후 시간의 흐름에 따라 측정한 결과 그래프이다.FIG. 12C is a graph showing the result of measurement over time after attaching a thermocouple to the back side.

(i)은 Bare heater, (ii)는 PDMS가 코팅된 Al 레이어, (iii)은 flexible radiative cooling material (fRCM)의 온도 그래프이다.(i) Bare heater, (ii) PDMS coated Al layer, (iii) flexible radiative cooling material (fRCM) temperature graph.

도 12b 및 도 12c를 참조하면, flexible radiative cooling material (fRCM)에서 열 방사가 가장 우수함을 알 수 있다.12B and 12C, it can be seen that heat radiation is most excellent in a flexible radiative cooling material (fRCM).

도 12d는 Bare heater에 flexible radiative cooling material (fRCM)를 덮고 인공 태양광을 조사한 상태에서 열 화상 카메라로 관찰한 결과이다.12D is a result of observing a flexible radiative cooling material (fRCM) on a bare heater and observing it with a thermal imaging camera while irradiating artificial sunlight.

유채색을 발색하는 flexible radiative cooling material (fRCM)의 경우, 발색을 위해 태양광 흡수가 이루어진다. 따라서 소자의 동작 열(Bare heater의 온도)뿐만 아니라 태양광 역시 열원으로 작용할 수 있다.In the case of flexible radiative cooling material (fRCM) that develops a chromatic color, sunlight is absorbed for coloring. Therefore, not only the heat of operation of the device (the temperature of the bar heater), but also sunlight can act as a heat source.

도 12d의 첫번째 이미지와 두번째 이미지를 참조하면, flexible radiative cooling material (fRCM)은 소자에서 발생한 열을 잘 퍼트려 주는 것을 알 수 있다.Referring to the first image and the second image of FIG. 12D, it can be seen that the flexible radiative cooling material (fRCM) spreads heat generated in the device well.

또한 도 12d의 세번째 이미지를 참조하면, 인공 태양광 아래에서도 유채색이 발색되는 영역과 금속색(또는 무채색)을 가지는 영역의 온도 차이가 미미함을 알 수 있다.In addition, referring to the third image of FIG. 12D, it can be seen that even under artificial sunlight, a difference in temperature between a region where chromatic color develops and a region having a metallic color (or achromatic color) is insignificant.

도 12e는 flexible radiative cooling material (fRCM)를 웨어러블 디바이스에 적용한 결과이다.12E is a result of applying a flexible radiative cooling material (fRCM) to a wearable device.

구체적으로 flexible radiative cooling material (fRCM)로 스마트 워치의 시계줄의 일부를 덮었다. 그리고 flexible radiative cooling material (fRCM)가 덮인 시계 줄과 flexible radiative cooling material (fRCM)이 덮이지 않은 시계 줄에 서모커플을 1개씩 부착하여 실험을 진행하였다.Specifically, a part of the watch band of the smart watch was covered with flexible radiative cooling material (fRCM). In addition, an experiment was conducted by attaching one thermocouple to a watch band covered with flexible radiative cooling material (fRCM) and a watch band not covered with flexible radiative cooling material (fRCM).

도 12f는 한 낮에 (990W/m2) 열화상 카메라로 스마트 워치를 촬영한 결과이다.12F is a result of taking a smart watch with a thermal imaging camera (990W/m2) at midday.

도 12f를 참조하면, flexible radiative cooling material (fRCM)가 덮인 영역은 낮은 온도를 나타내고, flexible radiative cooling material (fRCM)가 덮이지 않은 bare device에서는 높은 온도를 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 12F, it can be seen that a region covered with flexible radiative cooling material (fRCM) represents a low temperature and a high temperature in a bare device without flexible radiative cooling material (fRCM).

도 12g는 스마트 워치를 착용한 상태에서 flexible radiative cooling material (fRCM)가 덮인 영역과 덮이지 않은 영역이 번갈아가면서 태양광에 완전 노출될 수 있도록, 1분 간격으로 손목을 뒤집으면서 측정한 결과이다. 12G is a result of measuring while turning the wrist at an interval of 1 minute so that the covered area and the uncovered area of flexible radiative cooling material (fRCM) can be completely exposed to sunlight while wearing a smart watch.

flexible radiative cooling material (fRCM)가 덮이지 않은 영역은 태양광에 태양광에 직접 노출될 때 온도가 상승하는 폭이 매우 큰 반면(36-48도 가량), flexible radiative cooling material (fRCM)가 덮인 영역은 약 30도에서 36도 수준에서 머무는 것을 관찰 할 수 있다. The area where the flexible radiative cooling material (fRCM) is not covered has a very large temperature rise (about 36-48 degrees) when exposed directly to sunlight, while the area covered by flexible radiative cooling material (fRCM) It can be observed that the silver stays at about 30 to 36 degrees.

다음은 CPRC의 제조 방법에 대하여 도 9a를 다시 참조하여 설명한다.Next, the CPRC manufacturing method will be described with reference to FIG. 9A again.

MIM층은 하부 금속층, 하부 금속층 위에 마련되는 유전체층 및 유전체층 위에 마련되는 상부 금속층을 포함한다고 앞서 설명한 바 있다.It has been previously described that the MIM layer includes a lower metal layer, a dielectric layer provided on the lower metal layer, and an upper metal layer provided on the dielectric layer.

하부 금속층이 형성된 상태에서, 하부 금속층 위에 유전체층이 증착될 수 있다. 이 경우 하부 금속층의 일부 영역은 마스킹을 하지 않고 하부 금속층의 다른 일부 영역은 마스킹을 한 후 유전체 층이 증착될 수 있다.In the state in which the lower metal layer is formed, a dielectric layer may be deposited on the lower metal layer. In this case, some regions of the lower metal layer are not masked, and other regions of the lower metal layer are masked, and then a dielectric layer may be deposited.

그리고 나서 상부 금속층이 증착되면 MIM층이 완성되고, MIM층 위에 Si3N4 층 및 SiO2 층을 포함하는 선택적 열 방사층을 성장시키게 되면, CPRC가 제조될 수 있다.Then, when the upper metal layer is deposited, the MIM layer is completed, and when the selective heat radiation layer including the Si3N4 layer and the SiO2 layer is grown on the MIM layer, CPRC can be produced.

이와 같은 방식으로 제조된 CPRC를 살피면, MIM층의 일부 영역은 하부 금속층, 유전체층 및 상부 금속층을 모두 포함할 수 있다. 다만 MIM층의 다른 일부 영역은, 유전체층을 제외하고, 하부 금속층 및 상부 금속층을 포함할 수 있다.When looking at the CPRC manufactured in this way, some regions of the MIM layer may include both the lower metal layer, the dielectric layer and the upper metal layer. However, some other regions of the MIM layer may include a lower metal layer and an upper metal layer, except for the dielectric layer.

따라서 일부 영역에서는 유채색이 발색되고 다른 일부 영역에서는 금속색(또는 무채색)이 발색되며, 상기 일부 영역과 상기 다른 일부 영역을 적절히 조절함에 따라 다양한 무늬 패턴이 생성될 수 있다.Accordingly, chromatic colors are developed in some regions and metallic colors (or achromatic colors) are developed in other regions, and various pattern patterns may be generated by appropriately adjusting the partial regions and the other partial regions.

한편 유전체층의 증착 과정에서 다양한 두께를 가지는 유전체층이 생성될 수 있다.Meanwhile, a dielectric layer having various thicknesses may be generated in a process of depositing the dielectric layer.

구체적으로 하부 금속층, 유전체층 및 상부 금속층을 모두 포함하는 MIM층의 일부 영역은, 제1 영역 및 제2 영역을 포함할 수 있다.Specifically, some regions of the MIM layer including both the lower metal layer, the dielectric layer, and the upper metal layer may include a first region and a second region.

그리고 제1 영역에서의 유전체층의 두께와 제2 영역에서의 유전체층의 두께는 서로 상이할 수 있다.In addition, the thickness of the dielectric layer in the first region and the thickness of the dielectric layer in the second region may be different from each other.

이 경우 MIM층의 제1 영역은 제1 색상의 유채색을 발색할 수 있으며, MIM층의 제2 영역은 제2 색상의 유채색(제1 색상과 다른)을 발색할 수 있다.In this case, the first region of the MIM layer may develop a chromatic color of the first color, and the second region of the MIM layer may develop a chromatic color (different from the first color) of the second color.

이 경우 도 9a에서 도시된 바와 같이, CPRC는 무채색(또는 금속색) 배경에 다양한 무늬 패턴 및 다양한 무늬 색상을 가질 수 있다.In this case, as illustrated in FIG. 9A, the CPRC may have various pattern patterns and various pattern colors on an achromatic (or metallic) background.

기존의 수동 냉각 장치는 낮 시간에도 냉각을 가능하게 하기 위하여 태양광 흡수를 줄이기 위한 구조를 가지고 있었으나, 은색 또는 흰색의 표면 색을 가지게 되어 심미성이 떨어졌다. 따라서 설치 장소가 제한되고 각종 외장재에 사용이 어려운 문제가 있었다.The existing passive cooling device has a structure for reducing solar absorption to enable cooling even during the daytime, but has a silver or white surface color, thereby deteriorating aesthetics. Therefore, there is a problem that the installation location is limited and difficult to use for various exterior materials.

다만 본 발명에서 제안하는 수동 냉각 복사 구조는, 낮 시간에 태양광 아래에서 상온과 비슷하거나 더 낮은 온도를 유지하면서도 다양한 색상의 유채색을 발색할 수 있기 때문에, 심미성이 향상되고 활용 범위가 매우 높아지는 장점이 있다.However, since the passive cooling radiation structure proposed in the present invention can develop chromatic colors of various colors while maintaining a temperature similar to or lower than room temperature under sunlight during the daytime, the aesthetics are improved and the utilization range is very high. There is this.

또한 본 발명에서 제안하는 수동 냉각 복사 구조는 적층 구조로써 구조의 형태가 단순하기 때문에, 다양한 무늬, 다양한 색상으로 패터닝이 가능하며, 플렉서블 소자 형태로 제작하기도 용이한 장점이 있다.In addition, since the passive cooling radiation structure proposed in the present invention is a stacked structure and has a simple structure, patterning in various patterns and colors is possible, and it is easy to manufacture in a flexible device form.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.The above detailed description should not be construed as limiting in all respects, but should be considered illustrative. The scope of the invention should be determined by rational interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the invention are included in the scope of the invention.

1: 하부 금속층 2: 유전체층
3: 상부 금속층 4: 열 방사층
1: lower metal layer 2: dielectric layer
3: upper metal layer 4: heat radiation layer

Claims (15)

복사 냉각의 대상인 시스템과 연결되는 하부 금속층, 상기 하부 금속층 위에 마련되어 공진을 통해 유채색을 발색하기 위한 유전체층, 및 상기 유전체 위에 마련되는 상부 금속층을 포함하는 MIM층; 및
상기 상부 금속층 위에 마련되어 수동 복사 특성을 나타내는 열 방사층을 포함하는
수동 냉각 복사 구조.
A MIM layer including a lower metal layer connected to a system targeted for radiative cooling, a dielectric layer provided on the lower metal layer for coloring chromatic color through resonance, and an upper metal layer provided on the dielectric; And
A heat radiation layer provided on the upper metal layer and exhibiting passive radiation characteristics
Manual cooling radiation structure.
제 1 항에 있어서,
상기 상부 금속층은 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti) 또는 백금(Pt) 중 어느 하나로 구성되고,
상기 하부 금속층은 금(Au), 구리(Cu), 은(Ag) 또는 백금(Pt) 중 어느 하나로 구성되고,
상기 상부 금속층의 재질과 상기 하부 금속층의 재질은 같거나 다른
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
The upper metal layer is made of any one of gold (Au), copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al), titanium (Ti), or platinum (Pt),
The lower metal layer is made of any one of gold (Au), copper (Cu), silver (Ag), or platinum (Pt),
The material of the upper metal layer and the material of the lower metal layer are the same or different
Manual cooling radiation structure.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체층은,
SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiC, HfO2 또는 SiNx 중 어느 하나로 구성되는 단일 층을 포함하거나,
상기 SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiC, HfO2 또는 SiNx 중 둘 이상의 유전체가 각각 하나의 층을 구성하는 복수 층을 포함하는
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
The dielectric layer,
Comprises a single layer consisting of SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiC, HfO2 or SiNx, or
The SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiC, HfO2, or two or more dielectrics of SiNx each include a plurality of layers constituting one layer
Manual cooling radiation structure.
제 1 항에 있어서,
상기 열 방사층은 PDMS(Polydimethylsiloxane), TPX(polymethylpentene), Polyimide, PVDF(Polyvinylidene difluoride) 또는 PET 중 어느 하나로 구성되는
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
The heat radiation layer is composed of any one of polydimethylsiloxane (PDMS), polymethylpentene (TPX), polyimide, polyvinylidene difluoride (PVDF) or PET
Manual cooling radiation structure.
제 1항에 있어서,
상기 MIM층은,
가시광선 대역에서, 상기 유채색의 발색에 필요한 파장의 흡수율을 선택적으로 증가시키는
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
The MIM layer,
In the visible light band, to selectively increase the absorption rate of the wavelength required for the chromatic color development
Manual cooling radiation structure.
제 1 항에 있어서,
상기 MIM층은,
상기 상부 금속층, 하부 금속층 및 상기 유전체층 중 적어도 하나의 두께가 변경됨에 따라 다른 색상을 발색하는
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
The MIM layer,
Different colors are developed as the thickness of at least one of the upper metal layer, the lower metal layer, and the dielectric layer is changed.
Manual cooling radiation structure.
제 1 항에 있어서,
상기 유전체층은,
SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiNx, PDMS, Polyimide, PVDF, PMMA 또는 SU8 중 어느 하나로 구성되거나 둘 이상의 조합으로 구성되고,
상기 SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiNx, PDMS, Polyimide, PVDF, PMMA 또는 SU8는,
가시광 대역에서 투명한 유전체 물질인
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
The dielectric layer,
SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiNx, PDMS, Polyimide, PVDF, PMMA or SU8, or a combination of two or more,
The SiO2, TiO2, Al2O3, Ta2O3, SiNx, PDMS, Polyimide, PVDF, PMMA or SU8,
Transparent dielectric material in the visible light band
Manual cooling radiation structure.
제 1항에 있어서,
상기 상부 금속층의 두께는,
10 nm 내지 40 nm인
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
The thickness of the upper metal layer,
10 nm to 40 nm
Manual cooling radiation structure.
제 1항에 있어서,
상기 하부 금속층의 두께는,
40 nm 내지 1um인
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
The thickness of the lower metal layer,
40 nm to 1 um
Manual cooling radiation structure.
제 1항에 있어서,
상기 열 방사층은, 대기의 창 영역에서 방사율을 증가시키고,
SiO2, HfO2, TiO2, SiC, Ta2O3 및 Si3N4 중 둘 이상이 각각 하나의 층을 구성하는 복수의 층을 포함하는
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
The heat radiation layer increases the emissivity in the window region of the atmosphere,
Two or more of SiO2, HfO2, TiO2, SiC, Ta2O3 and Si3N4 each include a plurality of layers constituting one layer
Manual cooling radiation structure.
제 10항에 있어서,
상기 열 방사층은,
상기 MIM층 위에 마련되고 Si3N4로 구성되는 제1층; 및
상기 제1층 위에 마련되고 SiO2로 구성되는 제2층을 포함하는
수동 냉각 복사 구조.
The method of claim 10,
The heat radiation layer,
A first layer formed on the MIM layer and composed of Si3N4; And
It is provided on the first layer and comprises a second layer composed of SiO2
Manual cooling radiation structure.
제 1항에 있어서,
Si3N4로 구성되는 제1층 및 상기 제1층 위에 마련되고 SiO2로 구성되는 제2층을 포함하는 상기 열 방사층이 상기 MIM층 위에 마련되는 경우, PDMS(Polydimethylsiloxane)로 구성되는 상기 열 방사층이 상기 MIM층 위에 마련되는 경우보다 대기의 창 영역에서의 방사율이 더 큰
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
When the heat radiation layer including the first layer made of Si3N4 and the second layer made of SiO2 and provided on the first layer is provided on the MIM layer, the heat radiation layer made of polydimethylsiloxane (PDMS) is The emissivity in the window area of the atmosphere is greater than that provided on the MIM layer.
Manual cooling radiation structure.
제 1항에 있어서,
상기 MIM층은,
적외선 대역의 반사율이 가시광선 대역의 반사율보다 높은
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
The MIM layer,
The reflectance of the infrared band is higher than that of the visible light band.
Manual cooling radiation structure.
제 1항에 있어서,
상기 MIM층의 일부 영역은, 상기 하부 금속층, 상기 유전체층 및 상기 상부 금속층을 모두 포함하고,
상기 MIM층의 다른 일부 영역은, 상기 유전제층을 제외하고, 상기 하부 금속층 및 상기 상부 금속층을 포함하는
수동 냉각 복사 구조.
According to claim 1,
Some regions of the MIM layer include all of the lower metal layer, the dielectric layer, and the upper metal layer,
Some other regions of the MIM layer include the lower metal layer and the upper metal layer, except for the dielectric agent layer.
Manual cooling radiation structure.
제 14항에 있어서,
상기 MIM층의 일부 영역은 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고,
상기 제1 영역에서의 상기 유전체층의 두께와 상기 제2 영역에서의 상기 유전체층의 두께는 서로 상이한
수동 냉각 복사 구조.
The method of claim 14,
Some regions of the MIM layer include a first region and a second region,
The thickness of the dielectric layer in the first region and the thickness of the dielectric layer in the second region are different from each other.
Manual cooling radiation structure.
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