KR102336770B1 - 메타물질-보강된 수동형 복사 냉각 패널 - Google Patents

메타물질-보강된 수동형 복사 냉각 패널 Download PDF

Info

Publication number
KR102336770B1
KR102336770B1 KR1020160067962A KR20160067962A KR102336770B1 KR 102336770 B1 KR102336770 B1 KR 102336770B1 KR 1020160067962 A KR1020160067962 A KR 1020160067962A KR 20160067962 A KR20160067962 A KR 20160067962A KR 102336770 B1 KR102336770 B1 KR 102336770B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
radiant energy
emitter layer
metamaterial
ultra
Prior art date
Application number
KR1020160067962A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160147649A (ko
Inventor
빅터 리우
버나드 디. 카세
아민 알. 볼켈
Original Assignee
팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드 filed Critical 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드
Publication of KR20160147649A publication Critical patent/KR20160147649A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102336770B1 publication Critical patent/KR102336770B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B7/00—Layered products characterised by the relation between layers; Layered products characterised by the relative orientation of features between layers, or by the relative values of a measurable parameter between layers, i.e. products comprising layers having different physical, chemical or physicochemical properties; Layered products characterised by the interconnection of layers
    • B32B7/02—Physical, chemical or physicochemical properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28B—STEAM OR VAPOUR CONDENSERS
    • F28B1/00—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser
    • F28B1/06—Condensers in which the steam or vapour is separate from the cooling medium by walls, e.g. surface condenser using air or other gas as the cooling medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2255/00—Coating on the layer surface
    • B32B2255/06—Coating on the layer surface on metal layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2255/00—Coating on the layer surface
    • B32B2255/20—Inorganic coating
    • B32B2255/205—Metallic coating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/30—Properties of the layers or laminate having particular thermal properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F2013/001—Particular heat conductive materials, e.g. superconductive elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/06—Coatings; Surface treatments having particular radiating, reflecting or absorbing features, e.g. for improving heat transfer by radiation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Abstract

저렴한 수동형 복사 냉각 패널은 상부 반사층 아래에 배치되는 방사체 층을 포함하고, 방사체 층은 메타물질 나노구조체 (예를들면, 테이퍼형 나노공극)를 포함하고 이는 복사에너지 형태로 열을 발산하고 이는 반사층을 통해 냉각 근-공간으로 전달된다. 실시태양에서 방사체 층은 울트라-블랙 재료를 포함하고, 이는 거의 1의 방사율로, 공지 대기 투명 구간 (예를들면, 8 μm 내지 13μm 또는 16 μm 내지 28μm)에 놓이는 파장/진동수를 가지는 복사에너지를 방사하도록 구성된다. 실제 실시태양에서 방사체 층은 개량된 양극 산화알루미늄 (AAO) 자기-조립 기술에 이어 금속-도금 테이퍼형 나노공극을 형성하는 무전해 도금을 이용하여 형성된다. 반사층은 분산 브랙 반사체를 포함하고, 이는 적어도 94%의 입사 태양광을 반사하면서 방사되는 복사에너지를 통과시키고, 일부 실시태양들에서 저렴한, 상업적으로 입수 가능한 태양광 반사 필름(solar mirror film)으로 구현된다.

Description

메타물질-보강된 수동형 복사 냉각 패널{METAMATERIALS-ENHANCED PASSIVE RADIATIVE COOLING PANEL}
대형 냉각 시스템은 발전에 있어서 중요한 역할을 수행한다.
대부분의 발전소는 열원 (예를들면, 원자로심, 가스로/석탄로/유로, 또는 태양열 집광장치)을 이용하여 냉각재 (전형적으로 물)를 가열된 기체 상태 (예를들면, 증기)로 전환한 후, 가열된 기체 냉각재를 발전기 (즉, 기계 동력을 전력으로 전환시키는 회전 기계)에 통과시켜 발전한다. 발전기에서 유출되는 냉각재가 열원으로 복귀하기 전에, 냉각재는 기체 상태로부터 액체 상태로 전부 재전환되어야 하고, 이때 전형적으로 냉각재로부터 열이 충분히 발산되어 냉각재 온도는 비점 이하로 떨어진다. 대형 발전소에서 사용되는 냉각재 용량이 거대하므로, 이러한 냉각 기능은 전형적으로 발전기에서 나오는 냉각재를 발전소 외부에 배치되는 대형 냉각 시스템으로 관으로 연결하여 수행되고, 이로써 냉각재로부터 열은 무해하게 주변 환경으로 발산된다. 발전소 복귀 전에 냉각재가 액체 상태로 완전히 재-전환되지 않는다면 발전소 효율은 상당히 감소된다. 따라서, 대형 냉각 시스템은 발전에 있어서 중요한 기능을 한다.
냉각 시스템은 크게 두 종으로 분류된다: 물을 소모하는 (즉, 원하는 냉각력을 달성하기 위하여 증발에 의존하는) 수랭식 (wet cooling) 시스템, 및 물을 소모하지 않고 열을 제거하기 위하여 대류 또는 복사를 적용하는 공랭식 시스템. 일반적으로, 종래 기술 기반의 공랭식 시스템은 상당히 더욱 넓은 면적을 차지하고 동일한 냉각력을 발생시킬 수 있는 동등한 수랭식 시스템보다 더욱 높은 운전 비용이 요구된다. 따라서, 특히 전통적 공랭식이 비현실적인 고온 다습 기후대에서 대부분의 대형 발전소는, 엄청난 양의 물을 (즉, 매일 수십억 갤론의 물) 한꺼번에 소모하는 수랭식 시스템을 활용한다. 즉, 물이 풍부하고 저렴한 경우, 수랭식 시스템이 종래 기술 기반의 공랭식 시스템에 비하여 건설 및 운전에 있어서 상당히 저렴하다. 그러나, 건조 지역 또는 물 부족 지역 (예를들면, 가뭄 등)에서, 발전소에서 사용되기 위하여 소중한 수자원이 주거 또는 농업 지역으로부터 전용되어야 한다면 수랭식 시스템을 이용하는 것은 문제이다.
복사 냉각은 복사에너지에 의해 방열이 달성되는 공랭식 형태이다. 모든 물체는 일정하게 복사에너지를 방사하고 (emit) 흡수하고, 순에너지 흐름이 외향이면 복사 냉각이 진행되지만, 순에너지 흐름이 내향이면 열 취득이 생긴다. 예를들면, 건물의 수동형 복사 냉각 (예를들면, 냉각 팬을 돌리기 위한 전력 소모 없이 복사 냉각이 달성)은 전형적으로 맑은 하늘로부터의 장파 복사선이 건물 옥상에서 방사되는 장파 적외선보다 적은 야간에 발생된다. 반대로, 주간에는 건물 지붕을 향하는 태양 복사가 방사되는 장파 적외선보다 크고, 따라서 공중으로 순 흐름이 존재하다.
간단한 용어로, 복사 표면의 냉각력, P냉각, 은 복사력, Prad, 에서 공기로부터의 대기 열 복사의 흡수력, Patm, 일사량, Psun, 및 전도 및 대류 영향, Pcon를 제한 것과 같다:
P냉각 = Prad - Patm - Psun - Pcon (식 1)
실제 설정에 있어서, Patm 은 주변 온도에 의해 결정되고, Psun 은 낮 시간, 구름량, 등에 따라 달라지고, 야간에는 0이고, Pcon 은 냉각기의 구조적 사양에 따라 결정된다. 식 1로부터, 주간에 P냉각을 극대화하기 위하여 표면 방사율을 증가시켜 Prad를 높이고, Psun 영향을 최소화하고 (예를들면, 광대역 반사체를 이용), 전달성 열원으로부터 냉각기를 보호하여 대류 및 전도 영향 Pcon을 줄이는 것이 요구된다. 조합적인 비-복사 열계수를 6.9 W/m2K로 가정하면, Eq. 1에 의하면 실제 최소 목표 Prad 값은 주간에 55 W/m2이고, 야간에 100 W/m2이며, 이는 주변보다 약 5℃ 하강된다는 것이다.
이상적인 고성능 수동형 복사 냉각기는 따라서 다음 3가지 조건들을 만족하는 수동형 복사 냉각 장치로 정의될 수 있다. 첫째, 적어도 (대부분 가시광선 및 근적외선 파장에서)94%의 태양광을 반사시켜 냉각 패널이 가열되는 것을 방지하고, 따라서 Psun을 최소화하는 것이다. 둘째, 대기 투명 구간 (window) (예를들면 8-13 um (지배 구간), 16-25 um, 등)에서 방사율은 거의 1을 보이고 이들 구간 외에서는 방사는 0을 보인다. 이는 대기가 불투명한 파장에서 패널이 강하게 방사되지 않고, 따라서 Patm가 최소화되는 것을 보장한다. 셋째, 장치는 환경에서 차폐되어 달리 추가 열 부하에 기여할 수 있는 대류를 최소화하여, 따라서 Pconv를 최소화하는 것이다. 주변 온도 이하에서 작동되는 경우 장치 최상부에서의 대류는 유해하다. 정리하면, 이상적인 고성능 수동형 복사 냉각기는 직사 일광에 노출되는 경우에도, 냉각력을 달성하기 위하여 전력 입력 또는 재료 상변화가 필요하지 않은 주변 온도 이하로 "자기-냉각"할 수 있는 공학적 구조체이다.
현재 이상적인 고성능 수동형 복사 냉각기를 정의하는 3가지 조건들을 충족시키는 상업적 이용 가능한 수동형 복사 냉각 기술이 존재하지 않는다. 현존 복사 냉각 포일은 고가는 아니지만, 일광 부재 (즉, 대부분 야간)에서의 작동으로 제한된다. 주간 수동형 복사 냉각을 달성하기 위한 본 분야의 현재 기술적 시도는 방사체 (emitter)-상부 (over)-반사체 구조를 이용하는 것이지만, 이는 복잡한 고가의 분광-선택적 방사체 재료가 요구되어 전통적 전력 냉각 방법에 대한 현실적 상업적 대안을 제공하지 못한다. 또한, 고온 또는 다습 지역 대형 발전소용 공랭 방식을 제공하도록 쉽게 확장될 수 있는 상업적 또는 대안의 수동형 복사 냉각 기술이 존재하지 않는다(즉, 제로). 즉, 발전소 공랭 방식에 대한 도전은 쉽게 제작되고 매우 큰 면적 (예를들면 1 km2)으로 저렴하게 확장될 수 있는 광 구조체를 구성하는 것이다.
요구되는 것은 종래 시도된 고가 및 복잡성을 피하면서도 고성능 수동형 복사 냉각을 달성할 수 있는 저렴한 수동형 (즉, 전력/전기 입력이 요구되지 않는) 복사 냉각 장치이다.
본 발명은 저렴한 수동형 복사 냉각 패널 및 연관된 냉각 방법에 관한 것이고 (하부) 방사체 층은 (상부) 반사층 아래에 배치되고, 상기 방사체 층은 메타물질 나노구조체 (즉, 주문형 (tailored) 광학 특성을 가지는 광파장 이하의 (subwavelength) 공학적 구조체)를 포함하고, 이는 방사되는 복사에너지 형태로 열을 발산하고 이어 열은 반사층을 통해 냉각 근-공간 (cold near-space)으로 전달된다. 일 실시태양에서, 반사층은 적어도 94%의 입사 태양광 (즉, 2um 이하의 진동수를 가지는 태양 복사)을 반사한다. 반사층은 방사체 층 상부에 배치되므로, 방사체 층은 낮 시간에 반사층에 의해 일광으로부터 차폐되고 (가려지고), 따라서 이상적인 고성능 수동형 복사 냉각 장치의 제1 조건을 만족한다. 또 다른 실시태양에서, 방사체 층은 거의 방사율 1로, 하나 이상의 대기 투명 구간에 속하는 파장/진동수를 가지는 복사에너지 (즉, 방사 "ATW 복사에너지"의 파장은 8um 내지 13um, 및/또는 16-28um으로, 알려진 두 대기 투명 구간)를 방사하고, 따라서 실질적으로 이상적인 고성능 수동형 복사 냉각 장치의 두번째 조건을 만족한다. 방사체-하부 (under)-반사체 배열이 반드시 완화에 도움이 되지는 않지만, 대부분의 공랭 분야에서 대류는 유의한 인자가 아니고(예를들면, 냉각 발전소 유출액은 주변 온도보다 높게 유지되어, 대류는 시스템에 영향을 주지 않고), 따라서 이상적인-성능 냉각기의 제3 조건은 무의미하게 된다. 따라서, 본 발명은 이상적인 고성능 수동형 복사 냉각 장치의 3가지 조건들을 실질적으로 만족시키는 수동형 복사 냉각 패널 제조를 구현하는 것이다. 식 1 (상기)의 열수지식을 풀어 유도되는 순 냉각력 추정치에 기초한 예비 실험 결과, 본 발명에 따라 형성되는 저렴한 수동형 복사 냉각 패널의 순 냉각력은 주간 및 야간, 각각 75 W/m2 및 130 W/m2 에 도달되고, 초기 프로토타입에 의하면 알루미늄 기재는 한낮에 주변 온도보다 6℃ 냉각되고, 이는 주간 복사 냉각에 있어서 기록적 성능으로 판단된다. 또한, 복잡하고 고가의 분광-선택적 방사체-상부-반사체 구조가 필요한 종래 분광-선택적 방사체 방법과는 달리, 본 발명의 반사체-상부-방사체 배열은 확립된 저렴한 생산 방법 및, 어떤 경우에는, 현존 저렴한 재료를 이용하여 저렴하고, 확장 가능한 수동형 복사 냉각을 구현할 수 있다.
본 발명의 실시태양에 의하면, 방사체 층은 메타물질 나노구조체 (즉, 주문형 광학 특성을 가지는 광파장 이하의 공학적 구조체)를 포함하고 이는 기본 재료 상에 울트라-블랙 (ultra-black) 메타물질-기반의 패턴으로 배치되고 형성된 울트라-블랙 재료는 열적 에너지를 복사에너지로 전환한다. 일부 실시태양들에서, 적합한 울트라-블랙 재료는 임의의 여러 메타물질 나노구조체 타입을 포함하고 이는 나노공극, 또는 기타 침상, 수지상 또는 다공 처리 (textured) 표면, 탄소 나노튜브 숲, 또는 기타 블랙 필름 (예를들면 블랙 크롬, 블랙 규소, 흑동, 니켈 인 (NiP) 합금)을 포함한다. 전형적으로 울트라-블랙 방사체는 현재 입수되고 분광-선택적 방사체 (다중-층 구조)와 비교하여 보다 쉽게 제작될 수 있으므로 (단일-층 구조) 울트라-블랙 재료를 이용하여 광대역 방사체 층을 구현하면 저렴한 수동형 복사 냉각 패널 생산이 가능하다. 따라서, 발명자들은 여러 상이한 울트라-블랙 재료 타입을 최적화하여 방사율이 거의 1로 ATW 복사에너지 (예를들면, 8um 내지 13um, 및/또는 16-28um 범위의 파장을 가지는 복사에너지)를 발생시킬 수 있다고 판단한다.
본 발명의 대안 실시태양들에 의하면, 수동형 복사 냉각 패널은, 수동형 복사 냉각 패널에서 방사되는 실질적으로 모든 복사에너지의 파장은 하나 이상의 대기 투명 구간 (예를들면, 8um 내지 13um 및/또는 16um 내지 28um)에 상당하도록 구성된다. 즉, 이상적인-성능 냉각기의 제2 조건에 따르면, 대기 열복사에 의한 성능 감소를 최소화 하기 위하여 패널은 ATW 구간 외에서 복사선 방출이 방지되어야 한다. 본 발명에 따라 형성되는 수동형 복사 냉각 패널은 ATW 복사에너지 부분외에도, 적은 정도의 비-ATW 복사에너지 (즉, ATW 구간 외에서 진동수를 가지는 복사에너지)를 방사하지만, 바람직한 실시태양에서 실질적으로 모든 비-ATW 복사에너지는 배제된다. 본 발명의 방사체-하부-반사체 배열은 제로 비-ATW 방사를 달성할 수 있는 2종의 대안적 방법이 가능하다: 제1 방법에서, 반사체 층은 방사체 층에 의해 발생된 임의의 비-ATW 복사에너지를 차단하도록 구성되고(또는 추가 필터 층이 부가), 제2 방법에서, 방사체 층은 오로지 ATW 복사에너지를 발생하도록 구성된다. 각각의 이러한 방법은 매우 특정한 광학 특성을 보이는 방사체/반사층 중 하나를 요구하고, 이는 전형적으로 고생산비를 의미한다. 예를들면, 일 실시태양에서, 저렴한 울트라-블랙 재료가 사용되어 광대역 복사에너지 (즉, 대기 투명 구간 내외의 진동수를 가짐)를 방사하고, 이는 광대역 복사에너지 중 오로지 ATW 부분만(예를들면, 8-13um 및/또는 16-28um 범위의 파장을 가지는 광대역 복사에너지 부분)을 선택적으로 전달하고 모든 비-ATW 복사에너지 (예를들면, having 파장 below 7um 이하, 14um 내지 15um, 또는 17um 이상)를 차단하는 상부 반사층이 사용될 필요가 있다 이러한 실시태양의 이점은 보다 광범위한 울트라-블랙 재료 사용이 가능한 것이지만, ATW 진동수만을 선택적으로 전달할 수 있는 맞춤식 반사체 재료, 또는 문제 대역을 억제할 수 있는 적외선 필터 층 (상업적으로 구입 가능하거나 2-차원 격자 구조체 형태로 구성) 추가가 필요하다. 제2 실시태양에서, 울트라-블랙 재료는 하나 이상의 대기 투명 구간에 속하는 진동수를 가지는 복사에너지만을 방사하도록 구성된다. 제2 실시태양의 이점은 상부 (반사) 층의 선택적 전달 요건을 줄이는 것이고, 이로써 상업적으로 입수 가능한 소정의 태양 반사 필름을 이용하여 상부 층을 구현할 수 있고, 따라서 총 제조 비용이 줄어든다. 그러나, 이러한 방법 또한 하기되는 특징부 및 공차 (tolerance)를 가지는 울트라-블랙 재료를 생성할 필요가 있다. 어떠한 경우이든, 상부 층의 기능은 입사 태양 복사 (예를들면, 대략 2um 이하의 파장을 가지는 복사에너지)를 반사하고, 대기 투명 구간 진동수를 가지는 울트라-블랙 재료에서 방사되는 복사에너지를 전달하는 것이다.
현재 바람직한 실시태양에 의하면, 각각의 수동형 복사 냉각 패널은 기본 재료 내부에 형성되는 테이퍼형 나노공극 어레이로 구성되는 방사체 층을 포함하고, 각각의 테이퍼형 나노공극은 구멍-유사 (pit-like) 공동으로 최상부 방사체 표면을 관통하여 형성되는 개방 상단, 기본 재료 내부에 배치되는 폐쇄 하단, 및 실질적으로 개방 상단 및 폐쇄 하단 사이 연장되는 원추형 측벽을 가진다. 일 실시태양에서, 개방 상단은 폐쇄 하단보다 더욱 큰 직경을 가지므로 원추 측벽 직경은 각각의 테이퍼형 나노공극 내부에서 감소한다. 대안 실시태양에서, 개방 상단은 폐쇄 하단보다 더욱 작으므로 원추 벽 직경은 각각의 테이퍼형 나노공극 내부에서 점차 증가한다. 테이퍼형 구조는 효과적으로 프레넬 반사 (Fresnel reflection)를 방지하는 고르게 가변되는 굴절률 (격자화 지수 매질)을 가지므로 (예를들면, 100nm 내지 1um의 명목상 폭을 가지는) 적합한 크기의 테이퍼형 나노공극을 이용하면 높은 방사율로 ATW 복사에너지를 방사할 수 있는 우수한 울트라-블랙 재료 생산이 가능하다.
특정 실시태양들에 의하면, 각각의 수동형 복사 냉각 패널의 방사체 층은 기본 (제1) 금속 재료 및 도금 (제2) 금속 층 모두를 포함하되 후자는 제1 금속 (기본 금속 층) 최상부 표면에 배치되어 도금 금속 층 일부는 각각의 테이퍼형 나노공극 내부에 배치된다. 임피던스 정합외에도, 이러한 금속-도포 테이퍼형 나노공극은 또한 울트라-블랙 재료 내부 빛을 산란시키고, 이는 ATW 복사에너지의 방사에 크게 기여한다. 또한, 금속의 큰 굴절률 허수부는 재료 내부에서 광 감쇄에 기여하여, 낮은 반사율을 일으켜 물리적으로 표면 외관은 암흑으로 보인다. 예시적 실시태양에서, 기본 금속 층은 알루미늄으로 구현되고, 도금 (제2) 금속 층은 니켈 (Ni) 구리 (Cu) 및 금 (Ag) 중 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 실제 실시태양에 의하면, 각각의 수동형 복사 냉각 패널의 방사체 층은 개량된 양극 (Anodic) 산화알루미늄 (AAO) 자기-조립 형판 (self-assembly template) 기술로 제작되고, 여기에서 알루미늄 층은 산 중에서 양극 산화 처리되고 다공 알루미나 (산화알루미늄) 층이 상부에 형성되어 알루미나 층은 자기-형성된, 육각 적층 나노공극 어레이를 포함한다. 양극 산화 과정에서 공정 변수를 점차로 변경시켜, 특징적인 테이퍼형 측벽을 포함한 알루미나를 형성함으로써 테이퍼형 나노공극은 따라서 전체에 제작된다. 이러한 방법으로 형성되는 각각의 테이퍼형 나노공극의 구멍 및 직경 (폭)은 양극 산화 전압 및 공정 조건들에 따라 달라지고, 각각의 나노공극 높이는 양극 산화 시간으로 조절된다. 이러한 AAO 방법은 높은-처리율, 상향식 (bottom-up), 및 저렴한 제조 방법으로 광파장 이하의 (예를들면, 서브-50 nm) 및 매우 높은-종횡비 (1:1000) 테이퍼형 나노공극을 제조할 수 있다. 실제 적용 예컨대 발전소 공랭방식에 있어서 수동형 복사 냉각은 본질적으로 대면적 (즉, 평방 킬로미터) 패널이 필요하므로, 수동형 복사 냉각 패널 개발에 있어서 주요 기술적-경제적 도전은 비용-효과적으로 패널을 대량-생산하는 것이다. AAO 자기-조립 형판 기술을 이용한 테이퍼형 나노공극 형성 후, 알루미나에 제2 금속 (예를들면, Ni, Cu 또는 Ag)의 무전해 도금으로, 우수한 금속-도포 테이퍼형 나노공극이 고효율로, 및 비용 효율이 높은 롤-투-롤 (roll-to-roll) 대량-생산 제조 기술을 이용하여 저렴한 수동형 복사 냉각 패널 대량 생산이 가능한 방식으로 생산된다.
본 발명의 또 다른 실시태양에 의하면, 각각의 수동형 복사 냉각 패널의 상부 반사층은 분산 브랙 (distributed Bragg) 반사체를 포함하고 이는 집합적으로 0 내지 2um 파장 범위의 입사 태양 복사를 반사하고(즉, 반사율 0.8 이상을 보이고), 예를들면, 8um 내지 13um 파장 범위의 ATW 복사에너지를 전달/통과시키는 (즉, 반사율 0.2 이하를 보이는) 다중 내부층을 포함한다. 일부 실시태양들에서, 집중화 태양 발전 (CSP) 집열판에서 현재 사용되는 상업적으로 입수 가능한 태양 미러 필름은 (예를들면, St. Paul, Minn. USA의3M Corporation에서, 또는 Arvada, CO USA의 ReflecTech, Inc.에서 생산되는 태양 필름) 원하는 분광에 충분히 가까운 분광학적 특징을 보이고, 비용-효과적으로 예를들면, 선택적인 개재 접착층으로 방사체 층의 최상부 표면에 부착된다. 광대역 복사에너지의 ATW 일부만을 선택적으로 전달하는 반사층이 요구되는 기타 실시태양들에서, 맞춤 공학적 가공 반사층이 필요하다.
본 발명의 이들 및 기타 특징부, 양태 및 장점은 하기 설명, 첨부 청구항 및 도면에서 더욱 양호하게 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 실시태양에 의한 예시적 수동형 복사 냉각 패널의 상측 사시도이다;
도 2는 도 1의 수동형 복사 냉각 패널의 상세 측단면도이다;
도 2A 및 2B는 도 2의 수동형 복사 냉각 패널의 작동 과정에서 다른 형태를 보이는 측단면도이다;
도 3은 도 2의 수동형 복사 냉각 패널에 적용되는 상부 반사층의 광학 특성을 보이는 도표이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시태양에 의한 테이퍼형 나노공극-타입 메타물질 나노구조체를 포함한 간략 울트라-블랙 재료를 보이는 측단면도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시태양에 의한 금속-도금 테이퍼형 나노공극을 포함한 간략 울트라-블랙 재료를 보이는 측단면도이다;
도 6은 본 발명의 실제 실시태양에 의해 개량된 AAO 자기-조립 기술에 따라 형성된 금속-도금 테이퍼형 나노공극을 포함한 울트라-블랙 재료를 보이는 측단면도이다;
도 7은 도 6의 방사체 층에서 적용되는 방사체 층의 예시적 광학 특성을 보이는 도표이다;
도 8은 육각 패턴으로 배열된 예시적 나노공극 어레이를 보이는 평면도이다;
도 9는 본 발명의 대안 실시태양에 따라 역 테이퍼형 나노공극을 포함한 울트라-블랙 재료를 보이는 측단면도이다.
본 발명은 수동형 반사 냉각 개량에 관한 것이다. 이하 설명은 당업자가 특정 적용 및 요건으로 본 발명의 실시 및 사용이 가능하도록 제시된다. 본원에 사용되는 바와 같이, 방향 용어들 예컨대 "상부", "상향-대면", "하부", "하향-대면", "최상부", 및 "바닥"은, 설명 목적으로 상대 위치를 제공할 의도인 것이지, 반드시 지시 대상의 절대 구조적 위치를 지정할 의도는 아니다. 바람직한 실시태양에 대한 다양한 변형들이 당업자들에게 명백할 것이고, 본원에 제시되는 포괄적 원리는 기타 실시태양들에 적용될 것이다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명된 특정 실시태양들에 국한되지 않고, 본원에 개시된 원리 및 신규한 특징부와 일치되는 최광의 범위에 따르는 것이다.
도 1은 본 발명의 포괄적 실시태양에 의한 예시적 수동형 복사 냉각 패널 (100)을 보이는 사시도이고, 도 2는 패널 (100)을 상세하게 보이는 부분 분해 측단면도이다.
도 1을 참고하면, 패널 (100)은 적층 구조이고 적어도 두 층을 포함한다: 복사에너지 RE를 발생시키는 방사체 (하부) 층 (110), 태양 복사를 반사하는 반사 (상부) 층 (120). 방사체 층 (110) 및 반사층 (120)은 바람직하게는 직접 접촉되어 방사체 층 (110)에서 반사체 층 (120)으로 복사에너지 RE 전달을 촉진하지만, 선택적인 개재 층 (130) (예를들면, 접착제 또는 선택적 필터 재료층)에 의해 분리될 수 있다. 실제 구성에서, 패널 (100)은 수평 평면으로 배향되어 방사체 층 (110)의 바닥 표면 (111)은 지면을 향하고 (즉, 하향 대향), 반사층 (120)의 상부 표면 (122)은 하늘을 향한다 (즉 상향). 패널 (100)의 총 냉각력은 수평 크기 (즉, 패널 길이 LP 곱하기 패널 폭 WP)에 비례하고, 따라서 실제 고려사항들 (즉, 주어진 적용에 대하여 요구되는 총 냉각력, 실제 공정 제한요소, 등)에 의해 결정된다. 예시적 실시태양에서, 패널 (100)의 명목 크기는 1m2이다. (도면에서 척도가 고려되지 않은) 패널 (100)의 총 두께 TP는 실제 제조 고려사항들에 의해 결정되지만, 재료비 및 패널 중량을 최소화하도록 일반적으로 가능한 얇게 제작되고, 하기 실제 실시태양들에서1mm 내지 10mm 범위일 수 있다.
도 2는 주광 작동 (즉, 태양으로부터의 입사 태양 복사 ISR은 상부 표면 (122)을 향함) 중인 패널 (100)을 보인다. 도 2 아래를 참고하면, 방사체 층 (110)은 기본 재료 층 (113)을 포함하고, 이는 바닥 표면 (111) 및 반사층 (120) 하부 (하향-대면) 표면 (121)을 향하는 반대 최상부 표면 (112)을 가진다. 설명 목적으로 방사체 층 (110)은 반사층 (120)과 분리되도록 도시되지만, 최상부 표면 (112)은 전형적으로 하부 표면 (121)과 접촉된다.
본 발명의 양태에 의하면, 방사체 층 (110)은 메타물질-보강된 재료로 구현되고 적합한 기본 재료 (113)에 배치되거나 달리 형성되어 최상부 표면 (112)으로부터 전달되는 복사에너지 RE를 방사함으로써 (즉, 반사층 (112)을 향하여 상향) 열을 발산하는 메타물질 나노구조체 (118) (즉, 주문형 광학 특성을 가지는 광파장 이하의 공학적 구조체)를 포함한다. 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 방사체 층 (110)은, 본원에서 부분 RE-ATW라고 칭하는, 방사되는 복사에너지 RE의 적어도 일부가 하나 이상의 대기 투명 구간에 상당하는 진동수/파장에서 발생되도록 구성된다. 즉, 대기 투명 구간 (ATW) 복사에너지 부분 RE-ATW는 공지 대기 투명 구간에 속하는 파장 예컨대 8um 내지 13um (주요 ATW에 해당, 및/또는 16um 내지 28um)의 복사에너지 만을 포함한다. 복사에너지 RE는 방사체 층 (110)의 최상부 표면 (112)에서 방사되고 적어도 부분 RE-ATW는 반사층 (120)을 통하여 상부 표면 (122)으로부터 지구 표면의 하층 대기를 통과하여 냉각 근-공간 (cold near-space) CNS로 전달된다. 즉, 복사에너지 부분 RE-ATW의 진동수는 하나 이상의 대기 투명 구간과 연관되므로, 흡수 및 재-방사 없이 직접 지구 대기를 통하여 우주로 전달되고, 따라서 패널 (100) 위의 대기를 가열시키지 않는다. 따라서, 복사에너지 부분 RE-ATW가 (예를들면, 입사 태양 복사 ISR에 의해) 수용되는 것보다 더욱 신속하게 패널 (100)로부터 열적 에너지 TE를 발산하면 패널 (100)은 순 냉각효과를 달성한다.
현재 바람직한 실시태양에서, 메타물질 나노구조체 (118)는 기본 재료 층 (113)에서 울트라-블랙 메타물질-기반의 패턴으로 배치되어, 열적 에너지 TE를 복사에너지 RE로 전환시키는 울트라-블랙 재료를 형성하도록 방사체 층 (110)이 제작된다. 일부 실시태양들에서, 메타물질 나노구조체 (118)는 나노공극, 또는 기타 침상, 수지상 또는 다공 처리 표면, 탄소 나노튜브 숲, 또는 기타 블랙 필름 (예를들면 블랙 크롬, 블랙 규소, 흑동, 니켈 인 (NiP) 합금)을 포함한다. 현재 바람직한 실시태양들에서, 임의의 이러한 울트라-블랙 재료는, 메타물질 나노구조체 (118)의 크기, 형상 및 간격이 방사율 거의 1로 복사에너지 부분 RE-ATW를 발생시키는 광학 특성을 이루도록 제작된다 (즉, 방사체 (110)의 울트라-블랙 재료는 방사율 0.998 이상으로 복사에너지 부분 RE-ATW를 발생시킨다).
다시 도 2를 참고하면, 반사층 (120)은 상향-대면 표면 (122)을 향하는 입사 태양 복사 ISR을 반사시켜 방사체 층 (110)을 태양 복사로부터 차폐하고 동시에 이를 통해 (즉, 하향-대면 표면 (121)로부터 상향-대면 표면 (122)로) 방사체 층 (110)으로부터 상향 방사되는 적어도 복사에너지 부분 RE-ATW를 전달한다. 일 실시태양에서, 반사층 (120)은 적어도 94%의 입사 태양 복사 ISR을 반사하다. 바람직한 실시태양에서, 반사층 (120)은 분산 브랙 반사체로 구성되고 이는 집합적으로 입사 태양 복사를 반사하고 이를 통해 도 3에 도시된 그래프에 도시된 것과 유사한 특성의 ATW 복사에너지를 전달하는 다중 내부층 (125)을 포함한다. 즉, 바람직한 실시태양에서, 반사층 (120)은 반사율 값 0.8 이상으로 0 내지 2um 파장 범위의 입사 태양 복사 ISR의 반사율을 보이고, 이를 통해 ATW 에너지 부분 RE-ATW를 효과적으로 전달/통과시킨다 (즉, 적어도 주요 ATW 8-13um의 복사에너지에 대하여0.2 이하의 반사율을 보인다). 일부 실시태양들에서, 집중화 태양 발전 (CSP) 집열판에서 현재 사용되는 상업적으로 입수 가능한 태양 미러 필름 (예를들면, St. Paul, Minn. USA의 3M Corporation에서 생산되거나, 또는 Arvada, CO USA의 ReflecTech, Inc.에서 생산되는 태양 필름)은 원하는 분광에 가까운 분광학적 특징을 보이고, 비용-효과적으로 예를들면, 선택적인 개재 접착층에 의해 방사체 층 (110)의 최상부 표면 (112)에 부착된다. 선택적으로 ATW 복사에너지만을 전달하는 반사층을 필요로 하는 다른 실시태양들에서, 맞춤 공학적 가공 반사층이 요구된다.
도 2를 다시 참고하면, 패널 (100)에서 방사되는 예시적 복사에너지 RE는 복사에너지 부분 RE-ATW 및 기타 (비-ATW) 부분 (즉, ATW 구간 외의 진동수를 가지는 복사에너지) 모두를 포함한다. 본 발명에 따라 형성되는 수동형 복사 냉각 패널 (100A)은 ATW 복사에너지 부분 외에도, 일부 비-ATW 복사에너지 (즉, ATW 구간 외의 진동수를 가지는 복사에너지)를 방사하지만, 바람직한 실시태양에서 실질적으로 모든 비-ATW 복사에너지가 배제될 수 있다.
도 2A 및 2B는 각각 복사에너지 RE-ATW 만이 방사되는 (즉, 상부 표면 (122)에서 방사되는 모든 복사에너지는 ATW 구간의 파장/진동수를 가지는)두 대안 실시태양들을 구현한 패널 (100A-1, 100A-2)을 도시한 것이다. 도 2A에서, 패널 (100A-1)은 저렴한 울트라-블랙 재료로 구현되는 방사체 층 (110A-1)을 포함하고 여기에서 메타물질 나노구조체 (118A-1)는 광대역 복사에너지 (즉, 대기 투명 구간 내 및 외의 모든 진동수를 가짐)를 방사하고, 상부 반사층 (120A-1)은 선택적으로 복사에너지 부분 RE-ATW만을 (예를들면, 8-13um 및/또는 16-28um 파장 범위를 가지는 광대역 복사에너지 부분) 전달하고, 모든 비-ATW 복사에너지 (예를들면, 7um 이하, 14um 내지 15um, 또는 17um 이상의 파장을 가지는)를 차단한다. 도 2B에서, 패널 (110A-2)은 방사체 층 (110A-2)를 포함하고 이는 메타물질 나노구조체 (118A-2)가 하나 이상의 대기 투명 구간과 연관된 파장을 가지는 복사에너지만을 발생하도록 맞춤 제작된 울트라-블랙 재료로 구성되어, 반사층 (120A-2)은 반사층 (120A-1)에 의해 요구되는 것보다 선택적 전달 공차가 낮은 반사 재료로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시태양에 의한 패널 (100B)의 부분 측단면도이고, 방사체 층 (110B)은 기본 재료 (113B)에 형성되는 테이퍼형 나노공극 (메타물질 나노구조체) (118B) 어레이를 포함하는 울트라-블랙 재료이고, 각각의 테이퍼형 나노공극 (118B)은 구멍-유사 공동으로 최상부 방사체 표면 (112B)을 관통하여 형성되는 개방 상단 (118B-1), 기본 재료 (113B) 내부에 배치되는 폐쇄 하단 (118B-2), 및 개방 상단 (118B-1) 및 폐쇄 하단 (118B-2) 사이에 연장되는 실질적 원추형 측벽 (118B-3)을 가진다. 본 실시태양에서, 개방 상단 (118B-1)은 폐쇄 하단 (118B-2)보다 더욱 큰 직경을 가지므로 원추 측벽 (118B-3) 직경은 각각의 테이퍼형 나노공극 내부에서 감소된다 (즉, 최상부 표면 (112B)으로부터 거리에 비례하여 감소된다). 테이퍼형 구조는 효과적으로 프레넬 반사를 방지하도록 고르게 가변되는 굴절률 (격자화 지수 매질)을 가지므로 적합한 크기 (예를들면, 명목 폭 WNOM 이 100nm 내지 1um)를 가지는 테이퍼형 나노공극 (118B)을 이용하면 높은 방사율로 대기 투명 구간 파장 범위 8um 내지 13um 및 16um 내지 28um 중 적어도 하나에서 파장을 가지는 복사에너지를 방사할 수 있는 우수한 울트라-블랙 재료를 생산하기에 용이하다.
도 5는 본 발명의 실시태양에 의한 패널 (100C)의 부분 측단면도이고, 방사체 층 (110C)은 금속-도금 테이퍼형 나노공극 (118C) 어레이를 포함하는 울트라-블랙 재료이다. 본 실시태양에서, 방사체 층 (110C)은 기본 재료 층 (113C) 및 기본 재료 층 (113C) 상면에 배치되어 테이퍼형 측벽 (118C-3) (즉, 각각의 금속-도금 테이퍼형 나노공극 (118C) 내부)에 형성되는 도금 금속 층 (116C)을 포함한다. 도금 금속 층 (116C)은 전형적으로 기본 재료 층 (113C)과는 상이한 금속을 포함한다. 임피던스 정합 외에도, 도금 금속 층 (116C)은 도금 금속은 울트라-블랙 재료 내부 빛을 산란시켜, ATW 복사에너지 방사에 크게 기여함으로써 금속-도포 테이퍼형 나노공극 (118C) 성능을 개선한다. 또한, 도금 금속 층 (116C) 굴절률의 큰 허수부는 테이퍼형 나노공극 (118C) 내부에서 광 감쇄에 기여하여, 최상부 표면 (112C)으로부터 낮은 반사율을 일으켜 물리적으로 암흑 외관으로 보인다. 예시적 실시태양에서, 기본 금속 층 (113C)은 알루미늄으로 구현되고, 도금 (제2) 금속 층 (116C)은 하나 이상의 니켈 (Ni) 구리 (Cu) 및 금 (Ag)을 포함한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시태양에 의한 패널 (100D) 방사체 층 (110D)의 부분 측단면도이고 금속-도금 테이퍼형 나노공극 (118D)은 기본 재료 층 (113D)에 형성되고, 층은 알루미늄 층 (114D) 및 알루미늄 층 (114D)에 배치되는 산화알루미늄 층 (115D)을 포함하고, 상기 테이퍼형 나노공극 (118D)은 산화알루미늄 층 (115D) 내에 전체로 형성된다. 방사체 층 (110D)은 개량된 양극 산화알루미늄 (AAO) 자기-조립 형판 기술로 제작되고, 여기에서 알루미늄 층 (114D)은 산 중에서 양극 처리되어 다공 알루미나 (산화알루미늄) 층 (115D)이 형성되어 알루미나 층 (115D)은 도 7에서의 배열과 유사하게 자기-형성된, 육각 적층 테이퍼형 나노공극 어레이를 포함한다. 양극 산화 과정에서 공정 변수를 점차로 변경시켜, 테이퍼형 나노공극 (118D)은 알루미나 형성 공정 중에 전체에 제작된다. 이러한 방법으로 형성되는 각각의 테이퍼형 나노공극 (118D)의 구멍 및 직경 (명목 폭 WNOM)은 양극 산화 전압 및 공정 조건들에 따라 달라지고, 각각의 나노공극 높이는 양극 산화 시간으로 조절된다. 이러한 AAO 방법은 광파장 이하 (예를들면, 50 nm 이하) 및 매우 높은-종횡비 (1:1000)의 테이퍼형 나노공극을 제작하기 위한 높은-처리율, 상향식, 및 저렴한 제작 방법이다. 수동형 복사 냉각은 실제 적용, 예컨대 발전소 공랭에 있어서 본질적으로 대면적 (즉, 평방 킬로미터) 패널이 필요하므로, 수동형 복사 냉각 패널 개발에 있어서 주요 기술적-경제적 도전은 비용-효과적으로 패널을 대량-생산하는 것이다. AAO 자기-조립 형판 기술을 이용한 테이퍼형 나노공극 (118D)을 가지는 방사체 층 (110D) 형성, 이어 알루미나 층 (115D)에 상기된 바와 같이 제2 금속 (116D) (예를들면, Ni, Cu 또는 Ag)의 무전해 도금으로, 우수한 금속-도포 테이퍼형 나노공극이 높은 효율로, 및 비용 효율이 높은 롤-투-롤 (roll-to-roll) 대량-생산 제조 기술을 이용하여 저렴한 수동형 복사 냉각 패널 (100D) 대량 생산이 가능한 방식으로 생산된다. 유한요소법 (FEM) 모의에 의해 생성된 방사율 값을 나타내는 도 8의 점선은 방사체 층 (110D)은 8um 내지 13um의 대기 투명 구간에서 1에 가까운 방사율을 보인다. 패널 (100D) 생산과 관련된 추가 사항들은 공유 및 공동-계류 중인 수동형 복사 냉각 패널 및 모듈 생산이라는 명칭의 미국특허출원 일련번호 14/740032에 제공된다.
본 발명은 소정의 특정 실시태양들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 발명적 특징부들은 다른 실시태양들에도 적용된다는 것은 당업자들에게 명백하고, 이들 모두는 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 예를들면, 본 발명은 특히 테이퍼형 나노공극을 참조하여 설명되지만, 적합한 방사체 층은 또 다른 타입의 메타물질 나노구조체, 예컨대 나노와이어를 이용하는 울트라-블랙 재료를 포함할 수 있다. 또한, 다른 나노공극 구조가 상기 감소되는 테이퍼형 나노공극 대신 사용될 수 있는 것이다. 예를들면, 도 9는 또 다른 실시태양에 의해 형성되는 수동형 복사 냉각 패널 (100E) 방사체 층 (110E)의 측단면도이고, 여기에서 각각의 테이퍼형 나노공극 (118E)의 테이퍼 방향은 상기 실시태양들의 감소되는 테이퍼와는 반대이다. 특히, 각각의 역-테이퍼형 나노공극 (118E) 개방 상단 (118E-1)은 폐쇄 하단 (118E-2)보다 더욱 작아, 원추 측벽 (118E-3) 직경은 각각의 테이퍼형 나노공극 (118E) 내부에서 점차 증가한다. 역-테이퍼형 나노공극 (118E)은 상기 AAO 자기-조립 공정의 개량 방법 (즉, 기본 재료 층 (113E)은 알루미늄 하층 (114D) 및 산화알루미늄 상층 (115D) 포함), 및 또한 상기 금속 도금 공정 지원 (즉, 따라서 도금 금속 층 (116E)은 상부 표면 (112E) 및 각각의 역-테이퍼형 나노공극 (118E) 내부에 형성)으로 형성된다고 판단된다. 또한 역-테이퍼형 나노공극 (118E)은 잠재적으로 우수한 울트라-블랙 광학 특성을 제공하도록 생산될 수 있다고 판단된다.

Claims (10)

  1. 수동형 복사 냉각 패널로서,
    방사체 층의 표면에서 방사되는 복사 에너지를 생성시켜 열을 발산하도록 구성된 복수의 메타물질 나노구조체들을 포함하는 방사체 층으로서, 상기 메타물질 나노구조체들은, 하나 이상의 대기 투명 구간에 상당하는 파장을 가지는 상기 생성된 복사 에너지의 적어도 일부분이 적어도 0.998의 방사율로 방사되도록 더욱 구성되는, 상기 방사체 층; 및
    상기 방사체 층의 상기 표면을 대면하는 하향-대면 표면 및 반대측 상향-대면 표면을 가지는 상부층으로서, 상기 상부층은 상기 상향-대면 표면을 향하는 입사 태양 복사를 반사하도록 구성되며, 상기 방사체 층으로부터 방사되는 상기 복사에너지의 적어도 상기 일부분을 투과하도록 구성됨으로서, 상기 복사에너지의 상기 일부분은 상기 상부 층의 상기 상향-대면 표면을 통해 투과되는, 상기 상부층;을 포함하고,
    상기 방사체 층은 상기 메타물질 나노구조체들의 어레이를 포함하는 기본 재료 층을 포함하고, 상기 메타물질 나노구조체들의 어레이는 상기 기본 재료 층 내부에 한정된 테이퍼형 나노공극들의 어레이를 포함하고, 상기 테이퍼형 나노공극의 각각의 공칭 폭은 1 ㎛ 이하인, 수동형 복사 냉각 패널.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방사체 층은 상기 하나 이상의 대기 투명 구간에 상당하는 파장을 가지는 상기 복사에너지의 상기 일부분을 생성하도록 구성되는 울트라-블랙 메타물질-기반의 패턴으로 배열되는 상기 메타물질 나노구조체들의 상기 어레이를 포함하는 상기 기본 재료 층을 포함하는, 수동형 복사 냉각 패널.
  3. 제2항에 있어서, 상기 울트라-블랙 메타물질-기반의 패턴은 8μm 내지 13μm 및 16μm 내지 28μm를 포함하는 파장 범위를 가지는 상기 복사에너지의 상기 일부분을 생성하도록 더욱 구성되는, 수동형 복사 냉각 패널.
  4. 제2항에 있어서, 상기 울트라-블랙 메타물질은 상기 하나 이상의 대기 투명 구간에 상당하는 파장을 가지는 상기 복사에너지의 상기 일부분 및 상기 하나 이상의 대기 투명 구간의 밖의 파장을 가지는 비-대기 투명 구간(non-ATW)부분도 포함하는 광대역 복사에너지를 생성하도록 구성되며, 상기 상부층은 상기 복사 에너지의 상기 일부분만이 상기 상부층의 상기 상향-대면 표면을 통하여 투과되도록 상기 비-대기 투명 구간을 차단하도록 구성되는, 수동형 복사 냉각 패널.
  5. 제2항에 있어서, 상기 울트라-블랙 메타물질은 상기 하나 이상의 대기 투명 구간에 상당하는 파장을 가지는 상기 복사에너지만을 생성하도록 구성되는, 수동형 복사 냉각 패널.
  6. 수동형 복사 냉각 패널로서,
    복사에너지의 적어도 일부분이 파장 범위가 8μm 내지 13μm이도록 열적 에너지를 상기 복사에너지로 전환하도록 구성되는 울트라-블랙 메타물질을 포함하는 방사체 층으로서, 상기 울트라-블랙 메타물질은 상기 복사에너지의 상기 일부분이 적어도 0.998의 방사율로 발생되도록 더욱 구성되는, 상기 방사체 층; 및
    상부층으로서, 상기 상부층은 상기 상부층의 하부 표면에서 상기 복사에너지를 수용하도록 배치되고 상기 상부층은 상기 상부층의 상부 표면을 향하는 입사 태양 복사를 반사하도록 구성되며, 상기 상부층은 상기 방사되는 복사에너지 일부분이 상기 상부 표면으로부터 투과되도록 8μm 내지 13μm 파장 범위를 가지는 상기 복사 에너지의 상기 일부분을 통과하도록 더욱 구성되는, 상기 상부층;을 포함하고,
    상기 울트라-블랙 메타물질은 기본 재료 층 내부에 형성되는 테이퍼형 나노공극들의 어레이를 포함하고, 각각의 상기 테이퍼형 나노공극의 공칭 폭은 1㎛ 이하인, 수동형 복사 냉각 패널.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
KR1020160067962A 2015-06-15 2016-06-01 메타물질-보강된 수동형 복사 냉각 패널 KR102336770B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/740,009 US9927188B2 (en) 2015-06-15 2015-06-15 Metamaterials-enhanced passive radiative cooling panel
US14/740,009 2015-06-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160147649A KR20160147649A (ko) 2016-12-23
KR102336770B1 true KR102336770B1 (ko) 2021-12-09

Family

ID=56561198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160067962A KR102336770B1 (ko) 2015-06-15 2016-06-01 메타물질-보강된 수동형 복사 냉각 패널

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9927188B2 (ko)
EP (2) EP3106814B1 (ko)
JP (1) JP6761673B2 (ko)
KR (1) KR102336770B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230151264A (ko) 2022-04-25 2023-11-01 공주대학교 산학협력단 저점도 용매를 이용한 유연 복사 냉각 필름 및 유연 복사 냉각 필름 합성 방법
KR20230163885A (ko) 2022-05-24 2023-12-01 공주대학교 산학협력단 저점도 용매를 이용한 다층구조 유연 복사 냉각 필름 및 다층구조 유연 복사 냉각 필름 합성 방법
KR20240054442A (ko) 2022-10-18 2024-04-26 국립공주대학교 산학협력단 격자무늬 구조가 형성된 유연 복사 냉각 필름 및 격자무늬 구조가 형성된 유연 복사 냉각 필름의 합성 방법

Families Citing this family (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016180278A1 (zh) * 2015-05-08 2016-11-17 宁波信远工业集团有限公司 一种波热转化结构及其应用
US9680696B1 (en) * 2016-07-18 2017-06-13 Capital One Financial Corporation Cloud migration and maintenance controls
US10323151B2 (en) * 2017-02-27 2019-06-18 Palo Alto Research Center Incorporated Coating to cool a surface by passive radiative cooling
AU2019247424A1 (en) * 2018-04-04 2020-11-26 The Research Foundation For The State University Of New York Systems and methods for passive cooling and radiator for same
KR102036818B1 (ko) 2018-04-11 2019-10-25 고려대학교 산학협력단 상전이 물질을 이용한 스마트 태양광 흡수-반사 장치
CN108832302B (zh) * 2018-05-03 2021-01-05 西安电子科技大学 一种双频率双辐射方向的相位梯度超表面系统
US20200025468A1 (en) * 2018-07-02 2020-01-23 Massachusetts Institute Of Technology Passive radiative cooling during the day
US11835255B2 (en) 2018-12-27 2023-12-05 SkyCool Systems, Inc. Cooling panel system
CN109943810A (zh) * 2019-03-06 2019-06-28 深圳大学 一种三维锥形纳米层膜结构、制备方法及其应用
KR102347673B1 (ko) * 2019-03-29 2022-01-07 한국과학기술원 온도 감응형 스마트 복사냉각 디바이스
EP3956614A1 (en) * 2019-04-17 2022-02-23 Skycool Systems, Inc. Radiative cooling systems
CN110206172A (zh) * 2019-06-10 2019-09-06 苏州大学 一种基于微纳结构的被动降温系统
DE102019124110A1 (de) * 2019-09-09 2021-03-11 Trumpf Gmbh + Co. Kg Kühlvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
US10736244B1 (en) 2019-09-13 2020-08-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Wearable electronic devices having multiple layers of electromagnetic spectrum specific paint for enhanced thermal performance
CN110744900A (zh) * 2019-10-29 2020-02-04 厦门银蚁新能源科技有限公司 一种辐射制冷薄膜及其制备方法和用途
US11543157B2 (en) 2019-10-31 2023-01-03 Korea University Research And Business Foundation Radiative cooling device and method of manufacturing the same
KR102230346B1 (ko) 2019-11-19 2021-03-22 고려대학교 산학협력단 발광형 냉각 소자
KR102427068B1 (ko) 2020-02-27 2022-07-29 주식회사 포엘 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널
US11674759B2 (en) 2020-03-11 2023-06-13 Tovota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Multi mode heat transfer systems
US11874073B2 (en) 2020-04-09 2024-01-16 The Hong Kong University Of Science And Technology Radiative cooling structure with enhanced selective infrared emission
KR102230347B1 (ko) 2020-04-10 2021-03-22 고려대학교 산학협력단 스마트 복사 냉각가열 장치
KR102514845B1 (ko) * 2020-04-16 2023-03-29 한국과학기술원 방사 파장 및 각도 제어 기반 온도 감응형 복사 냉각 디바이스
CN111690382B (zh) * 2020-06-18 2021-11-19 中国科学院光电技术研究所 一种透射式辐射制冷无机材料
KR102271456B1 (ko) 2020-11-24 2021-07-02 고려대학교 산학협력단 나노 또는 마이크로 입자로 구현되는 페인트 도막층을 포함하는 복사 냉각 소자
WO2022055312A1 (ko) * 2020-09-11 2022-03-17 주식회사 포엘 수동 복사 냉각을 수행하는 썬루프 시스템
KR102495990B1 (ko) * 2020-09-18 2023-02-06 주식회사 포엘 수동 복사 냉각을 수행하는 썬루프 시스템
KR102392577B1 (ko) * 2020-09-11 2022-05-02 주식회사 포엘 복사 냉각 구조체
CN112413926A (zh) * 2020-11-06 2021-02-26 南昌大学 一种光栅选择性无源辐射制冷装置
KR20220074101A (ko) * 2020-11-27 2022-06-03 롯데케미칼 주식회사 수동 복사 냉각 필름 및 그의 용도
KR102442291B1 (ko) * 2020-12-10 2022-09-13 고려대학교 산학협력단 홀 패턴층 기반의 복사 냉각 소자
US11852423B2 (en) * 2021-02-03 2023-12-26 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Systems and methods for tunable radiative cooling
KR102559424B1 (ko) * 2021-03-31 2023-07-24 포항공과대학교 산학협력단 온도 반응형 상전이 냉각소자
US11828498B2 (en) * 2021-07-16 2023-11-28 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Multi mode heat transfer systems
WO2023076435A1 (en) * 2021-10-26 2023-05-04 Massachusetts Institute Of Technology Hybrid evaporative-radiative cooling panels
US11365720B1 (en) * 2021-11-10 2022-06-21 Michael Ross Adelman Device to enhance radiant transfer of heat from the earth to outer space
CN114322132A (zh) * 2021-12-08 2022-04-12 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种智能加热散热一体化装置

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3929594A (en) 1973-05-18 1975-12-30 Fromson H A Electroplated anodized aluminum articles
US4065364A (en) 1976-01-21 1977-12-27 Fromson H A Process for anodizing aluminum
US4315873A (en) 1977-11-21 1982-02-16 Hudson Products Corporation Cooling equipment
CA1212487A (en) 1983-08-26 1986-10-07 Her Majesty In Right Of Canada As Represented By Atomic Energy Of Canada Limited L'energie Atomique De Canada, Limitee Direct reading radiation detector/dosimeter
US5043739A (en) 1990-01-30 1991-08-27 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy High frequency rectenna
GB9325364D0 (en) 1993-12-10 1994-02-16 British Nuclear Fuels Plc A method and material for the detection of ionising radiation
JPH09159339A (ja) * 1995-12-12 1997-06-20 Olympus Optical Co Ltd 自然冷却装置
JP3518206B2 (ja) 1996-11-26 2004-04-12 三菱電機株式会社 深部線量測定装置
US6661375B2 (en) 2001-02-15 2003-12-09 Roke Manor Research Limited Beam steering in sub-arrayed antennae
US7012483B2 (en) 2003-04-21 2006-03-14 Agile Materials And Technologies, Inc. Tunable bridge circuit
US6989541B2 (en) 2003-05-30 2006-01-24 General Dynamics Advanced Information Systems, Inc. Coincident neutron detector for providing energy and directional information
JP4583025B2 (ja) 2003-12-18 2010-11-17 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 ナノアレイ電極の製造方法およびそれを用いた光電変換素子
JP2008544730A (ja) 2005-06-08 2008-12-04 パワーキャスト コーポレイション Ｒｆエネルギーハーベスティングを用いた電力供給装置
ITFI20050173A1 (it) 2005-08-03 2007-02-04 Frigel Firenze S P A Un termoconvertitore per il raffreddamento di un fluido circolante in una conduttura
ZA200803885B (en) 2005-10-24 2009-08-26 Powercast Corp Method and apparatus for high efficiency rectification for various loads
WO2007079491A2 (en) 2006-01-05 2007-07-12 University Of Pittsburgh-Of The Commonwealth System Of Higher Education Multiple antenna energy harvesting
WO2007095876A1 (de) 2006-02-21 2007-08-30 Von Ardenne Anlagentechnik Gmbh Hochreflektierendes schichtsystem, verfahren zur herstellung des schichtsystems und einrichtung zur durchführung des verfahrens
US20080049228A1 (en) 2006-08-28 2008-02-28 Novaspectra, Inc. Fabry-perot interferometer array
US8260201B2 (en) 2007-07-30 2012-09-04 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Dispersive antenna for RFID tags
FR2933699B1 (fr) 2008-07-11 2016-01-15 Centre Nat Rech Scient Nouvelle famille de molecules discriminantes pour les rayonnements neutron et gamma
US8680945B1 (en) 2010-02-17 2014-03-25 Lockheed Martin Corporation Metamaterial enabled compact wideband tunable phase shifters
US8330298B2 (en) 2010-06-17 2012-12-11 Scarf Technologies Llc Generating DC electric power from ambient electromagnetic radiation
US8432309B2 (en) 2010-11-29 2013-04-30 Freescale Semiconductor, Inc. Automotive radar system and method for using same
US9112262B2 (en) 2011-06-02 2015-08-18 Brigham Young University Planar array feed for satellite communications
JP5626132B2 (ja) 2011-06-07 2014-11-19 株式会社日本自動車部品総合研究所 物体検出装置
US20130240188A1 (en) 2011-09-12 2013-09-19 Bluelagoon Technologies Ltd. Method and apparatus for a delayed and prolonged air cooling condensation system
KR101309469B1 (ko) 2011-09-26 2013-09-23 삼성전기주식회사 알에프 모듈
US10217045B2 (en) 2012-07-16 2019-02-26 Cornell University Computation devices and artificial neurons based on nanoelectromechanical systems
CN102778144A (zh) 2012-08-16 2012-11-14 上海廷亚冷却系统有限公司 喷射式低出水温度蒸发冷却器
US9709349B2 (en) * 2012-11-15 2017-07-18 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Structures for radiative cooling
GB201221330D0 (en) 2012-11-27 2013-01-09 Univ Glasgow Terahertz radiation detector, focal plane array incorporating terahertz detector, and combined optical filter and terahertz absorber
FR3003256B1 (fr) 2013-03-18 2015-08-07 Centre Nat Rech Scient Nouvelle famille de molecules discriminantes pour les rayonnements neutron et gamma et liquides ioniques
CN103312042B (zh) 2013-06-13 2016-02-17 中傲智能科技（苏州）有限公司 一种rf能量收集器
US20150288318A1 (en) 2013-09-11 2015-10-08 Prf Refractory plasmonic metamaterial absorber and emitter for energy harvesting
FR3017752B1 (fr) 2014-02-14 2017-10-13 Inst Mines Telecom Dispositif de conversion d'energie radiofrequence en courant continu et capteur correspondant
US9680327B2 (en) 2014-06-30 2017-06-13 Landis+Gyr Innovations, Inc. RF energy harvesting by a network node
US9871298B2 (en) 2014-12-23 2018-01-16 Palo Alto Research Center Incorporated Rectifying circuit for multiband radio frequency (RF) energy harvesting
US10158401B2 (en) 2015-02-27 2018-12-18 Ricoh Co., Ltd. Intelligent network sensor system
US9596896B2 (en) * 2015-05-11 2017-03-21 Adidas Ag Multilayer fabric with selective radiation filter
US10790160B2 (en) 2015-05-12 2020-09-29 Smartrac Technology Gmbh Barrier configurations and processes in layer structures

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230151264A (ko) 2022-04-25 2023-11-01 공주대학교 산학협력단 저점도 용매를 이용한 유연 복사 냉각 필름 및 유연 복사 냉각 필름 합성 방법
KR20230163885A (ko) 2022-05-24 2023-12-01 공주대학교 산학협력단 저점도 용매를 이용한 다층구조 유연 복사 냉각 필름 및 다층구조 유연 복사 냉각 필름 합성 방법
KR20240054442A (ko) 2022-10-18 2024-04-26 국립공주대학교 산학협력단 격자무늬 구조가 형성된 유연 복사 냉각 필름 및 격자무늬 구조가 형성된 유연 복사 냉각 필름의 합성 방법

Also Published As

Publication number Publication date
EP3106814B1 (en) 2018-05-09
KR20160147649A (ko) 2016-12-23
JP2017003254A (ja) 2017-01-05
EP3252414B1 (en) 2019-02-06
EP3252414A1 (en) 2017-12-06
EP3106814A1 (en) 2016-12-21
JP6761673B2 (ja) 2020-09-30
US9927188B2 (en) 2018-03-27
US20160363396A1 (en) 2016-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102336770B1 (ko) 메타물질-보강된 수동형 복사 냉각 패널
KR102337926B1 (ko) 메타물질을 이용한 수동형 복사 공랭식 모듈/시스템
Li et al. A materials perspective on radiative cooling structures for buildings
Jeong et al. Daytime passive radiative cooling by ultra emissive bio-inspired polymeric surface
Jeong et al. Field investigation of a photonic multi-layered TiO2 passive radiative cooler in sub-tropical climate
Hossain et al. Radiative cooling: principles, progress, and potentials
Chan et al. Potential passive cooling methods based on radiation controls in buildings
Mabchour et al. Daytime radiative cooling purposes with selective multilayer design based on Ta2O5
Li et al. Ultra-broadband thermal radiator for daytime passive radiative cooling based on single dielectric SiO2 on metal Ag
CN112513690B (zh) 辐射装置和发射冷却装置
KR102427068B1 (ko) 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널
KR101763229B1 (ko) 표면 플라즈몬 공명 기반의 선택적 복사체
Zhan et al. Enhanced performance of diurnal radiative cooling for solar cells based on a grating-textured PDMS photonic structure
JP6942270B2 (ja) 多層構造体
US20180131310A1 (en) Thermal Emitter for Energy Conversion Technical Field
KR102190420B1 (ko) 고온 안정성을 갖는 산화세륨 기반의 열 방사체 및 이의 제조방법
CN208672143U (zh) 一种红外窄带热辐射器
Gangisetty et al. Selection of nano-particulate material for improved passive cooling skylight performance
Tamiru et al. Numerical Study of High Spectral Efficiency and High‐Temperature Energy Harvesting Metamaterial Emitter to Improve Thermophotovoltaic Performance
Kim et al. Wavelength selective cover for sub-ambient passive radiative cooling
Zohra et al. A Review of Super-Cool Passive Heat Radiating Materials
Andueza Unanua et al. Enhanced thermal performance of photovoltaic panels based on glass surface texturization
Xu et al. Bioinspired Antireflection Double‐Layer Coatings Design Method and Light Management to Realize Radiative Sky Cooling in Photovoltaic Module
Tamiru et al. Research Article Numerical Study of High Spectral Efficiency and High-Temperature Energy Harvesting Metamaterial Emitter to Improve Thermophotovoltaic Performance
Tong et al. Manipulation of solar-absorbing metamaterial coatings for implementing anti-frost and energy-saving transparent glass windows

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right