KR102427068B1 - 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널 - Google Patents

상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에 관한 것으로서, 표면에서, 방사되는 복사에너지를 발생시켜 열을 발산하는 것으로서, 소정의 제1파장 범위의 복사 에너지가 상기 제1파장 범위를 제외한 나머지 파장의 복사 에너지보다 높은 방사율로 방사되는 선택적 발산부와, 상기 선택적 발산부의 하부에 마련되며, 표면에서, 상기 제1파장범위 보다 더 넓은 파장 범위인 제2파장 범위를 갖는 복사 에너지가 상기 제2파장 범위를 제외한 나머지 파장의 복사 에너지보다 높은 방사율로 방사되는 광대역 발산부를 구비한다.
본 발명에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널은 선택적 발산부 및 광대역 발산부가 상호 적층되는 구조로 형성되어 있으므로 차량과 같이 내부에 열원이 존재하는 상황에서도 냉각효율이 높다는 장점이 있다.

Description

상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널{Passive radiant cooling panel with different top and bottom thermal radiation characteristics}
본 발명은 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소정의 파장 범위에서만 높은 방사율을 갖는 선택적 발산부와, 비교적 넓은 파장 범위의 높은 방사율을 갖는 광대역 발산부가 마련된 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에 관한 것이다.
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, 기계동력을 전력으로 전환시키는 회전 기계)에 통과시켜 발전한다. 발전기에서 유출되는 냉각재가 열원으로 복귀하기 전에, 냉각재는 기체 상태로부터 액체 상태로 전부 재전환되어야 하고, 이때 전형적으로 냉각재로부터 열이충분히 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.
주간 활용을 위한 수동형 복사 냉각 구조는 태양광은 강하게 반사시키고, 내부 열은 전자기파의 형태로 외부공간으로 효과적으로 방출해야 한다. 따라서 이상적 복사 냉각 구조는 1) 280~3000 nm 파장의 빛은 최대한 반사시키고, 2) 대기의 창 영역인 8~13 μm 영역의 전자기파는 최대한 방출시켜야 한다. 가시광/근적외선 대역과 장적외선 대역을 모두 포함하는 광학적 설계는 매우 복잡하기 때문에 이전에는 태양광의 영향은 배제한 야간 냉각 시스템의 개발이 주를 이루었으나, 최근에는 메타물질 연구가 활발히 이루어지면서 포토닉 구조 기반의 주간 냉각 시스템의 개발이 가능해지고 있다.
그러나, 차량과 같이 열원이 구조물의 내부에 있고, 그 열을 구조물 외부로 방출해야 하는 상황의 경우, 구조물의 내부와 접하는 면은 복사 에너지가 보다 넓은 파장 범위에서 높은 방출특성(emissivisty)을 갖고, 구조물의 외부에 접하는 면은 비교적 좁은 파장 범위에서 높은 방출특성을 갖는 복사 냉각 구조가 적용되는 것이 바람직하나, 종래의 복사 냉각 구조는 사용처에 따라 단일한 파장범위의 방출특성을 갖도록 설계되므로 해당 상황에서는 냉각효율이 비교적 낮다는 단점이 있다.
공개특허공보 제10-2016-0147649호: 메타물질-보강된 수동형 복사 냉각 패널
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 선택적 방출기(selective emitter, SE) 및 광대역 방출기(broadband emitter, BE)의 특성을 모두 갖는 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널은 표면에서, 방사되는 복사에너지를 발생시켜 열을 발산하는 것으로서, 소정의 제1파장 범위의 복사 에너지가 상기 제1파장 범위를 제외한 나머지 파장의 복사 에너지보다 높은 방사율로 방사되는 선택적 발산부와, 상기 선택적 발산부의 하부에 마련되며, 표면에서, 상기 제1파장범위 보다 더 넓은 파장 범위인 제2파장 범위를 갖는 복사 에너지가 상기 제2파장 범위를 제외한 나머지 파장의 복사 에너지보다 높은 방사율로 방사되는 광대역 발산부를 구비한다.
상기 제1파장 범위는 8㎛ 내지 13㎛ 가 적용된다.
상기 제2파장 범위는 4㎛ 내지 25㎛ 인 것이 바람직하다.
상기 광대역 발산부는 쿼츠(SiO2)로 이루어진 하부 플레이트와, 상기 하부 플레이트의 상부에 형성되며, 은(Ag)로 이루어진 코팅층을 구비한다.
상기 선택적 발산부는 상기 코팅층의 상부에 형성되며, 폴리다이메틸실록세인(PDMS)로 이루어진다.
상기 하부 플레이트는 상면에서 하방으로 소정의 인입깊이로 인입되게 형성된 다수의 인입홈이 형성될 수도 있다.
상기 인입깊이는 1.5㎛ 인 것이 바람직하다.
상기 코팅층은 상기 하부 플레이트의 상면 및 상기 인입홈의 바닥면에 형성되어 있다.
상기 선택적 발산부는 4㎛의 두께를 갖도록 형성된 것이 바람직하다.
상기 코팅층은 100nm의 두께를 갖도록 형성된다.
상기 광대역 발산부는 방열 대상물의 열을 흡수할 수 있도록 하면이 방열 대상물에 설치되되, 흡수된 열이 상기 방열 대상물의 외부로 방출될 수 있도록 상기 선택적 발산부가 상기 방열 대상물의 외부로 노출되도록 설치된다.
본 발명에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널은 선택적 발산부 및 광대역 발산부가 상호 적층되는 구조로 형성되어 있으므로 차량과 같이 내부에 열원이 존재하는 상황에서도 냉각효율이 높다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에 대한 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에 대한 단면도이고,
도 3은 대기의 4㎛ 내지 17㎛ 파장 영역에서, 와이어 프레임(wireframe) 구조를 갖는 PDMS(polydimethylsiloxane)의 복소 굴절률(complex refractive index)의 허수 부분(Imaginary parts)에 대한 그래프, FIR 영역에서, 4㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제1실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에 대한 모의 방사율 스펙트럼에 대한 그래프, FIR 영역에서, 50㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제1실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에 대한 모의 방사율 스펙트럼에 대한 그래프, FIR 영역에서, 4㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제2실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에 대한 모의 방사율 스펙트럼에 대한 그래프이고,
도 4는 4㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제1실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널의 열 흡수 프로파일 시뮬레이션 결과이고,
도 5는 4㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제2실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널의 열 흡수 프로파일 시뮬레이션 결과이고,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에 대한, 낮시간 및 밤시간 동안 냉각 온도 및 냉각력(cooling power)에 대한 그래프이고,
도 8은 본 발명의 제2실시 예의 하부 플레이트에 대한 SEM(Scanning electron microscope) 사진이고,
도 9 및 도 10은 냉각온도를 기준으로 하부 플레이트의 마이크로 패턴의 인입홈들의 듀티 사이클(duty cycle), 주기(period) 및 깊이(depth)와 같은 기하학적 파리미터의 최적화에 대한 그래프이고,
도 11은 코팅층의 형성 위치에 따른 수동 냉각 패널의 방사율 스펙트럼이고,
도 12는 Ag floor, Ag roof, Ag floor/roof, Ag floor/roof on SiO2 구조에 대해 상기 세 개의 피크 위치(P1,P2,P3)에서의 Z 컴포넌트(component) 횡단면 전계 시뮬레이션이고,
도 13은 본 발명의 제2실시 예에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에서, 대류 실드가 장착된 상태와, 대류실드가 미장착된 상태에서의 선택적 발산부 및 광대역 발산부에 대한 온도를 측정한 그래프이고,
도 14는 대류 실드가 미장착된 상태의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에서 선택적 발산부 및 광대역 발산부에 대한 온도를 측정한 그래프이고,
도 15 및 도 16은 72시간 동안 연속적으로 선택적 발산부와 광대역 발산부의 주위 온도 및 표면 온도를 측정한 그래프이고,
도 17은 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널의 100℃까지의 가열시간을 나타낸 그래프이고,
도 18은 5개의 상호 다른 온도를 갖는 히터에 설치된 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널과, 해당 비교예2의 역방향 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널의 열화상 이미지이고,
도 19는 도 18의 열화상 이미지에서 추출된 온도에 대한 그래프이고,
도 20은 차량과 유사한 환경에서의 실험을 위한 실험 모델에 대한 개념도이고,
도 21은 도 20의 실험용 각 샘플에 대한 복사 물체의 온도 측정에 대한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1에는 본 발명의 제1실시 예에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(100)이 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 상기 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(100)은 표면에서, 방사되는 복사에너지를 발생시켜 열을 발산하는 것으로서, 소정의 제1파장 범위의 복사 에너지가 상기 제1파장 범위를 제외한 나머지 파장의 복사 에너지보다 높은 방사율로 방사되는 선택적 발산부(110)와, 상기 선택적 발산부(110)의 하부에 마련되며, 표면에서, 상기 제1파장범위 보다 더 넓은 파장 범위인 제2파장 범위를 갖는 복사 에너지가 상기 제2파장 범위를 제외한 나머지 파장의 복사 에너지보다 높은 방사율로 방사되는 광대역 발산부(120)를 구비한다
상기 광대역 발산부(120)는 하부 플레이트(121) 및 하부 플레이트(121)의 상부에 형성되는 코팅층(122)을 구비한다.
상기 하부 플레이트(121)는 소정의 두께를 갖는 플레이트 형상으로 형성된다. 여기서, 하부 플레이트(121)는 제2파장 범위를 갖는 복사 에너지가 상기 제2파장 범위를 제외한 나머지 파장의 복사 에너지보다 높은 방사율로 방사되는 것으로서, 가시광에서 투명하고, 장적외선 대역에서 소정의 방사율을 갖는 소재로 이루어진다. 이때, 하부 플레이트(121)는 쿼츠(SiO2), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane), SU8, 폴리우레탄(Polyurethan), 폴리이미드(Polyimide), TPX, 또는 P(VDF-HFP) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 여기서, 제2파장 범위는 4㎛ 내지 25㎛인 것이 바람직하다.
상기 하부 플레이트(121)는 바람직하게는 4㎛ 내지 25㎛의 파장 범위에서 높은 방출특성(emissivity)를 갖도록 쿼츠로 형성된다. 상술된 하부 플레이트(121)는 냉각력(cooling power)을 높일 수 있도록 비교적 넓은 대역에서 전체적으로 높은 방출특성을 갖는 광대역 방출기(broadband emitter, BE)의 기능을 수행한다. 이때, 하부 플레이트(121)는 4㎛의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 상술된 하부 플레이트(121)의 하면에는, 차량과 같이 내부에 열원이 존재하는 물체에 설치된다.
코팅층(122)은 하부 플레이트(121) 상부에, 소정의 두께를 갖고 증착되는 것으로서, 은(Ag)로 이루어진다. 여기서, 코팅층(122)은 100nm의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 코팅층(122)에 의해 소정의 파장을 갖는 태양광이 반사된다.
선택적 발산부(110)는 코팅층(122)의 상부에 마련되며, 하부 플레이트(121)에 대응되는 소정의 두께를 갖는 판형으로 형성된다. 여기서, 선택적 발산부(110)는 제1파장 범위의 복사 에너지가 상기 제1파장 범위를 제외한 나머지 파장의 복사 에너지보다 높은 방사율로 방사되는 것으로서, 가시광 대역에서 투명하고, 장적외선 대역에서 소정의 방사율을 갖는 폴리머로 이루어진다. 상기 선택적 발산부(110)는 폴리다이메틸실록세인(PDMS), SU8, 폴리우레탄(Polyurethan), 폴리이미드(Polyimide), TPX, 또는 P(VDF-HFP) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1파장 범위는 8㎛ 내지 13㎛ 인 것이 바람직하다. 이때, 선택적 발산부(110)는 광대역 발산부(120)보다 더 높은 복사 에너지의 방사효율을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 선택적 발산부(110)는 4㎛의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 선택적 발산부(110)는 PDMS로 이루어지는 데, 상기 PDMS는 소정의 선택적 파장에서 높은 흡광계수를 갖기 때문에, 비교적 높은 흡수율(또는 방출율)을 보이며, 나머지 파장에서는 낮은 흡수율을 보인다.
상술된 바와 같이 구성된 본 발명의 수동 냉각 패널은 차량과 같이 방열 대상물의 내부에 열원이 존재하는 경우, 해당 방열 대상물에 상기 광대역 발산부(120)가 설치되고, 선택적 발산부(110)는 방열 대상물의 외부에 노출되도록 설치되는 것이 바람직하다. 상술된 수동 냉각 패널은 차량 등 밀폐된 공간에서 내부에 갇혀있는 열을 최대한 흡수를 하고, 흡수된 열은 전도를 통해 전면으로 확산되며, 확산된 열이 다시 선택적 복사를 통해 방열 대상물의 외부로 방출될 수 있습니다. 즉, 상기 수동 냉각 패널은 하부에 마련된 광대역 발산부(120)가 비교적 넓은 범위에서 열 입력을 흡수할 수 있고, 상부에 마련된 선택적 발산부(110)가 주변 복사의 방해없이 차가운 외부 공간으로 흡수된 열을 방출하기 때문에 표면뿐만 아니라 내부 공간에서도 효과적으로 열을 끌어올 수 있습니다.
한편, 도 2에는 본 발명의 제2실시 예에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)이 도시되어 있다.
앞서 도시된 도면에서와 동일한 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
도면을 참조하면, 상기 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)의 하부 플레이트(210)는 상면에서 하방으로 소정의 인입깊이로 인입되게 형성된 다수의 인입홈(211)이 마련된 마이크로 패턴이 형성될 수 있다. 여기서, 인입홈(211)은 사각 구조로 형성되며, 인입깊이는 1.5㎛ 이며, 상기 인입홈(211)들은 약 8㎛의 사이간격을 갖는다. 이때, 코팅층(122)은 상기 하부 플레이트(210)의 상면 및 상기 인입홈(211)의 바닥면에 형성될 수도 있다.
선택적 발산부(110)가 약 4㎛ 의 두께를 갖는 PDMS로 이루어지는데, PDMS는 전자기파의 몇 개의 선택적 파장에서 비교적 높은 흡광계수를 갖기 때문에 비교적 높은 흡수율(또는 방출율)을 보이며, 나머지 파장에서는 낮은 흡수율을 보인다. 그러나, 하부 플레이트(210)의 마이크로 패턴 및 코팅층(122)의 금속의 상호작용에 의해 상기 선택적 발산부(110)는 원하는 파장대역에서 높은 흡수를 야기할 수 있으며, 이를 통해 선택적 방출기(SE)를 구현할 수 있다.
한편, 도 3의 (a)는 대기의 4㎛ 내지 17㎛ 파장 영역에서, 와이어 프레임(wireframe) 구조를 갖는 PDMS(polydimethylsiloxane)의 복소 굴절률(complex refractive index)의 허수 부분(Imaginary parts)에 대한 그래프이고, 도 3의 (b)는 FIR 영역에서, 4㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제1실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(100)에 대한 모의 방사율 스펙트럼에 대한 그래프이고, 도 3의 (c)는 FIR 영역에서, 50㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제1실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(100)에 대한 모의 방사율 스펙트럼에 대한 그래프이고, 도 3의 (d)는 FIR 영역에서, 4㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제2실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)에 대한 모의 방사율 스펙트럼에 대한 그래프이다.
도 3의 (a)를 참조하면, PDMS는 대기 창 영역에서, Si-O-Si의 대칭/비대칭 스트레칭(stretching) 또는 CH3의 대칭 굽힘/락킹(rocking)에 의한 흡수 피크를 갖는다. 그러나, 도 3의 (b)를 참조하면, 4㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제1실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)은 대기창 영역에서, 고유한 방사율 감소를 나타낸다. 도 3의 (c)를 참조하면, 방사율 감소를 증가시키기 위해 비교적 두꺼운 선택적 방사부를 적용할 경우, 광범위한 방사율 스펙트럼을 수반한다. 그러나, 도 3의 (d)를 참조하면, 4㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제2실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)은 SPP 공명 즉, 인입홈(211)에 의한 마이크로 패턴에 의한 결과로 이상적인 선택적 방출을 촉진합니다.
한편, 도 4 및 도 5는 최대 방출 손실이 발생되는 10.75㎛ 파장의 박막 및 J-RC의 흡수 프로파일 시뮬레이션 결과이고, 도 4는 4㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제1실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(100)의 시뮬레이션 결과이고, 도 5는 4㎛의 두께의 선택적 방사부가 마련된 제2실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)의 시뮬레이션 결과이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)은 은으로 이루어진 코팅층(122)의 불연속으로 절단적 구조에서 더 강한 흡수가 유도됨을 알 수 있다.
그리고, 도 6 및 도 7에는 본 발명에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)에 대한, 낮시간 및 밤시간 동안 냉각 온도 및 냉각력(cooling power)에 대한 그래프이다. 여기서, SE는 선택적 발산부(110)이고, BE는 광대역 발산부(120)이고, Thin film은 PDMS 박막이다. 도 7에서 점선은 낮시간이고, 실선은 밤시간이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)은 두 방출 모드 즉, 선택적 발산부(110) 및 광대역 발산부(120)의 냉각력 및 냉각온도는 태양 복사가 1000W/m2의 IAM1.5(λ)로 가정할 때, 열평형 방적식을 사용하여 계산할 수 있다. 낮에는 SE 모드 즉, 선택적 발산부(110)가 대류 및 전도 효과를 제외하고, 냉각력 66W/m2와, 냉각온도 19.8℃에서, PDMS 박막을 능가한다. 또한, SE 모드 즉, 선택적 발산부(110)는 야간 및 주간에 각각 11.6℃ 및 4.2℃로서, BE모드 즉, 광대역 발산부(120)보다 냉각 온도가 더 높은 반면에, 광대역 발산부(120)는 선택적 발산부(110)보다 우수한 냉각력을 갖는다. BE모드 즉, 광대역 발산부(120)의 냉각력은 최대 124W/m2이다.
한편, 도 8에는 본 발명의 제2실시 예의 하부 플레이트(210)에 대한 SEM(Scanning electron microscope) 사진이 게시되어 있다. 도 9 및 도 10에는 냉각온도를 기준으로 하부 플레이트(210)의 마이크로 패턴의 인입홈(211)들의 듀티 사이클(duty cycle), 주기(period) 및 깊이(depth)와 같은 기하학적 파리미터의 최적화에 대한 그래프가 게시되어 있다. 해당 도면은 본 발명의 제2실시 예의 수동 냉각 패널의 모의 방사율 스펙트럼에 기초하여 냉각온도를 산출함으로 최적화를 수행하였다. 도면을 참조하면, 최적의 파라미터는, 듀티(duty)는 75%이고, 주기(period)는 8.5㎛이고, 깊이(depth)는 1.7㎛이다. 또한, 태양 스펙트럼을 충분히 반영하고, 상단의 선택적 발산부(110)와 하단의 광대역 발산부(120)의 방사율 스펙트럼을 분리하기 위해 코팅층(122)도 냉각 온도에 따라 100nm의 두께를 갖는 것이 최적화된 설계임을 알 수 있다. 그리고, 선택적 발산부(110)는 선택적 방출 특징을 확립하기 위해 두께가 4㎛인 것이 바람직하다.
도 11에는 코팅층(122)의 형성 위치에 따른 수동 냉각 패널의 방사율 스펙트럼이 게시되어 있다. 여기서, "Ag floor"는 제2실시 예의 수동 복사 패널의 선택적 발산부(110)에, 하부 플레이트(210)를 제외하고, 코팅층(122)만 마련되되, 인입홈(211)의 바닥면에 접하는 선택적 발산부(110)의 부분에만 코팅층(122)이 형성된 냉각 패널이고, "Ag roof"는 제2실시 예의 수동 복사 패널의 선택적 발산부(110)에, 하부 플레이트(210)를 제외하고, 코팅층(122)만 마련되되, 인입홈(211)을 제외한 하부 플레이트(210) 상면에 접하는 선택적 발산부(110)의 부분에만 코팅층(122)이 형성된 냉각 패널이고, "Ag floor/roof"는 제2실시 예의 수동 복사 패널의 선택적 발산부(110)에, 하부 플레이트(210)를 제외하고, 코팅층(122)만 마련된 냉각 패널이고, "Ag floor/roof on SiO2"는 제2실시 예의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)이다.
또한, 파란색 파선(dashed line)은 Ag 미러 상에, 4㎛ 두께의 PDMS 박막의 방사율이고, 검은 점선은 제2실시 예의 수동 복사 패널의 방사율을 측정한 것이고, 빨간색 화살표는 비슷한 원점에서 피크 P1과 P1'를 나타낸 것이고, 파란색 화살표는 비슷한 원점에서 피크P2와 P2'를 나타낸 것이다. 여기서, 피크 P3은 Ag floor/roof 레이아웃에서 나타난다. 딥D1(dip D1)은 SiO2를 보조함으로써 채워진다.
도 11의 Ag floor, Ag roof, Ag floor/roof, Ag floor/roof on SiO2의 시뮬레이션된 방사율 스펙트럼은 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)의 공진기점을 보여준다. 도 11의 (a), (b)를 참조하면, 피크 P1 및 P2는 Ag floor 및 Ag roof에서 발생하지만, 도 11의 (c)를 참조하면, 피크 P3은 Ag floor 및 Ag roof 구조에선 발생되지 않는다. 이는 피크 P3은 Ag floor/roof 레이아웃의 커플링(coupling) 결과임을 의미한다. 도 11의 (d)를 참조하면, 이러한 공명은 측정 및 시뮬레이션된 발사율 스펙트럼과 유사한 PDMS 박막에서 발생되는 방사율 손실을 증가시킨다.
한편, 도 12에는 Ag floor, Ag roof, Ag floor/roof, Ag floor/roof on SiO2 구조에 대해 상기 세 개의 피크 위치(P1,P2,P3)에서의 Z 컴포넌트(component) 횡단면 전계 시뮬레이션이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, Z 컴포넌트에서의 시뮬레이션된 전기장(electric fields)는 SPP(surface plasmon polariton) 공진 특성을 보여준다. 도 12의 (a)를 참조하면, 피크 P1'에서는 "Ag floor"에서 약한 SPP가 발견되지만, "Ag roof" 구조에서는 PDMS 층에서 강한 SPP가 나타난다. 도 12의 (b)를 참조하면, 피크 P2'의 경우, "Ag floor" 레이아웃은 PDMS 레이어에서 SPP 공진이 강한 반면에, "Ag roof" 레이아웃에서는 SPP 공진이 약함을 알 수 있다.
도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 피크 P1 및 P2에서, "Ag floor/roof" 구조는 "Ag floor" 및 "Ag roof"의 전계 분포를 중첩함으로써 추론될 수 있는 결합된 필드 분포를 나타낸다. 도 12의 (c)를 참조하면, 피크P3의 경우, "Ag floor" 및 "Ag roof"의 레이아웃은 PDMS 층에서 약한 SPP 공진을 나타낸다. 대조적으로 "Ag floor/roof" 레이아웃은 PDMS층에서 더 강하게 결합된 SPP를 갖는다. 따라서, 피크 P3은 Ag floor 와 Ag roof 사이의 커플링에서 발생한다고 추론할 수 있다. 또한, 전기장(electric field) 분석은 P3 외에도, Ag floor 와 Ag roof 사이의 결합이 피크 P1과 P2를 강화하는 것을 보여준다.
한편, 이론적 분석에 기초하여 최적화된 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)을 제조하고, 선택전 발산부 및 광대역 발산부(120)의 냉각력 및 냉각온도를 조사하기 위해 실외 실험을 수행하였다. 측정 장소는 광주 광역시 과학 기술원 건물(GIST; 35°13'36.5"N 126°50'24.0"E)의 옥상이고, 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)의 샘플에 온도 센서 및 히터를 부착하여 샘플 온도를 측정하였으며, 냉각 패널 샘플은 폴스티렌 블록에 장착하였다. 일반적으로 대기 창(atmospheric window) 및 태양광 스펙트럼에서 높은 투과율을 갖는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)필름인 대류 실드(convection shield)는 주로 복사 냉각을 고려하여 개발되었다. 그러나, 상기 대류 실드는 대기 창에서 투과율이 불완전하므로 선택적 발산부(110)의 냉강 성능은 대치 창에서만 높은 방사율을 갖기 때문에 손실이 발생한다.
도 13에는 본 발명의 제2실시 예에 따른 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)에서, 대류 실드가 장착된 상태와, 대류실드가 미장착된 상태에서의 선택적 발산부(110) 및 광대역 발산부(120)에 대한 온도를 측정한 그래프가 게시되어 있다. 여기서, SE mode는 선택적 발산부(110)이고, BE mode는 광대역 발산부(120)이다. 도면을 참조하면, 대류 실드가 장착된 상태에서는 선택적 발산부(110)와 광대역 발산부(120)의 온도 차이는 0.5℃ 이하이지만, 대류 실드를 미장착한 상태에서는 선택적 발상부와 광대역 발산부(120)의 온도차이는 0.9℃ 이하로, 커짐을 알 수 있다.
도 14에는 대류 실드가 미장착된 상태의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)에서 선택적 발산부(110) 및 광대역 발산부(120)에 대한 온도를 측정한 그래프가 게시되어 있다. 여기서, SE mode는 선택적 발산부(110)이고, BE mode는 광대역 발산부(120)이다. 도면을 참조하면, 강한 태양 복사 조도에서는 선택적 발산부(110)는 광대역 발산부(120)보다 온도가 1℃ 이하로 더 낮다. 즉, 선택적 발산부(110)가 광대액 발산부보다 더 높은 냉각온도를 갖는다. 또한, 대류 실드가 없는 상태에서 선택적 발산부(110)는 6℃ 이하의 냉각을 나타낸다. 이 결과는 선택적 발산부(110)가 광대역 발산보다 주변 냉각에 대해 더 우수하다는 것을 알려준다.
도 15 및 도 16에는 72시간 동안 연속적으로 선택적 발산부(110)와 광대역 발산부(120)의 주위 온도 및 표면 온도를 측정한 그래프가 게시되어 있다. 여기서, 주변 온도는 회색 그래프이고, 선택적 발산부(110)의 표면 온도는 파란색 그래프이고, 광대역 발산부(120)의 표면 온도는 빨간색 그래프이다. 음영 부분은 야간 시간을 나타낸다. 도면을 참조하면, 광대역 발산부(120)에서는 주변 온도의 급격한 변화와 큰 태양 입사각으로 인해 일출 후 및 일몰 전에 냉각력 피크가 관찰된다. 광대역 발산부(120)의 평균 냉각력은 130W/m2이다. 선택적 발산부(110)는 일조시간대에, 광대역 발산부(120)보다 낮은 냉각력을 보여준다. 이론적으로, 광대역 발산부(120)는 동일한 온도에서 선택적 발산부(110)보다 높은 방사력(radiation power; Prad)을 방출한다. 따라서, 광대역 발산부(120)의 경우, 샘플의 온도가 증가하면 방사 능력도 향상된다. 그러므로 광대역 발산부(120)는 주위보다 높은 온도를 갖는 물체의 온도를 낮추는 것이 적절하다. 한편, 주변 온도가 상대적으로 나자은 야간(10℃)의 경우, 선택적 발산부(110) 및 광대역 발산부(120)의 냉각력은 100W/m2로 상호 비슷하다.
일반적으로 대류는 개방된 지역에서 열 전달의 주요 매커니즘이지만, 열 전달 현상은 내부에 열원이 존재하는 밀폐된 공간에서는 개방된 공간과는 다르다. 밀폐된 공간에서 방사율을 갖는 복사(radiation)은 열적 층화와 순환 속도의 증가와 같은 현상을 유발할 수 있다. 자연 대류에 대한 이러한 복사의 영향 외에도, 밀폐된 공간의 온도가 증가함에 따라 주요 열 전달 매커니즘으로 복사가 대류를 변경할 수 있다. 밀폐된 공간을 갖는 물체의 표면 온도가 높으면 유체의 점도가 높아져 고온의 벽 영역의 공기 속도가 느려진다. 따라서, 이 것은 복사 열전달이 대류 열전달을 능가할 수 있게 한다. 직사광선 아래의 자동차와 같이 밀폐된 공간을 갖는 물에의 경우, 복사가 주 열전달로 지배적으로 고려되어야하는 상황이다. 창문을 통해 태양 에너지가 들어가고 열IR이 빠져나갈 수 없는 자동차의 온실효과는 주변온도가 21℃일 경우, 해당 밀폐된 공간을 갖는 물체는 최대 60 내지 82℃까지 가열된다. 이러한 고온은 열사병과 같은 고열을 유발하여 노약자의 안전을 위협할 수 있다. 따라서, 차량과 같이 밀폐된 공간을 갖는 물체에 대한 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)의 성능을 시험하였다.
도 17에는 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)의 100℃까지의 가열시간을 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 여기서, 검은색 실선은 비교예1로서, 알루미늄이고, 파란색은 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)이고, 빨간색은 비교예2로서, 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)과 반대로 적층된 선택적 발산부(110) 및 광대역 발산부(120)를 갖는 냉각패널이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 ℃상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)이 가장 긴 시간인 1108초 동안 가열을 지연시켜, 나머지 비교예들보다 뛰어난 열방출 기능을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 18에는 5개의 상호 다른 온도를 갖는 히터에 설치된 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)과, 해당 비교예2의 역방향 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널의 열화상 이미지가 게시되어 있다. 여기서, Rev. JET는 비교예2의 역방향 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널이고, JET는 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 수동 복사 냉각패널이 보다 효과적으로 열을 흡수하고 방출함을 알 수 있다.
한편, 도 19에는 도 18의 열화상 이미지에서 추출된 온도에 대한 그래프가 게시되어 있다. 여기서, 기록된 온도는 도 18의 각각의 열화상 이미지의 중앙부분에서 추출되었다. Rev. JET는 비교예2의 역방향 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널이고, JET는 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)이 히터 온도가 각각 25℃ 및 100℃ 인 경우의 표면온도에서 비교예2보다 더 큰 온도 변화를 보여준다. 상기 결과는 냉각 패널의 바닥의 열 흡수율이 높을 수록 냉각효율이 높음을 알 수 있다.
도 20에는 차량과 유사한 환경에서의 실험을 위한 실험 모델에 대한 개념도가 게시되어 있다. 여기서, 실험모델은 내부에 공간이 마련되며, 상단에 직사각형의 구멍이 마련된 알루미늄으로 이루어진 하우징으로 이루어진다. 가죽으로 이루어진 복사 물체는 온도센서와 연결되어 있으며, 폴리스티렌 위에 위치한다. 실험 모델의 상단부 구멍에는 샘플 즉, 비교예1의 알루미늄, 비교예2의 역방향 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널 및 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)이 각각 설치되어 실험을 진행하였다.이때, 세가지 샘플은 선루프로 간주된다. 도 21에는 각 샘플에 대한 복사 물체의 온도 측정에 대한 그래프가 게시되어 있다. 도면을 참조하면, 실험 모델 내부의 물체가 태양광에 의해 가열될 때, 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)에서의 냉각효율이 우수함을 알 수 있다. 이러한 실험결과는 본 발명의 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널(200)이 차량 내부의 열을 냉각시키는 문제를 해결할 수 있음을 증명한다.
제시된 실시 예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
100: 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널
110: 선택적 발산부
120: 광대역 발산부
121: 하부 플레이트
122: 코팅층

Claims (13)

  1. 표면에서, 방사되는 복사에너지를 발생시켜 열을 발산하는 것으로서, 소정의 제1파장 범위의 복사 에너지가 상기 제1파장 범위를 제외한 나머지 파장의 복사 에너지보다 높은 방사율로 방사되는 선택적 발산부;
    하면이 방열 대상물에 장착되는 것으로서, 상기 선택적 발산부의 하면에 형성되고, 표면에서, 소정의 제2파장 범위를 갖는 복사 에너지가 상기 제2파장 범위를 제외한 나머지 파장의 복사 에너지보다 높은 방사율로 방사되는 광대역 발산부;를 구비하고,
    상기 제2파장 범위는 상기 제1파장 범위를 포함하되, 상기 제1파장범위보다 더 넓은 파장 범위인,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1파장 범위는 8㎛ 내지 13㎛ 인,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2파장 범위는 4㎛ 내지 25㎛ 인,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광대역 발산부는
    가시광에서 투명하고, 장적외선 대역에서 소정의 방사율을 갖는 소재로 이루어진 하부 플레이트; 및
    상기 하부 플레이트의 상부에 형성되며, 은(Ag)로 이루어진 코팅층;을 구비하는,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하부 플레이트는 쿼츠(SiO2), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane), SU8, 폴리우레탄(Polyurethan), 폴리이미드(Polyimide), TPX, 또는 P(VDF-HFP) 중 적어도 어느 하나로 이루어진,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 선택적 발산부는 상기 코팅층의 상부에 형성되며, 가시광 대역에서 투명하고, 장적외선 대역에서 소정의 방사율을 갖는 폴리머로 이루어진,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 선택적 발산부는 폴리다이메틸실록세인(PDMS), SU8, 폴리우레탄(Polyurethan), 폴리이미드(Polyimide), TPX, 또는 P(VDF-HFP) 중 적어도 어느 하나로 이루어진,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 하부 플레이트는 상면에서 하방으로 소정의 인입깊이로 인입되게 형성된 다수의 인입홈이 형성된,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인입깊이는 1.5㎛ 인,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 하부 플레이트의 상면 및 상기 인입홈의 바닥면에 형성된,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 선택적 발산부는 4㎛의 두께를 갖도록 형성된,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 코팅층은 100nm의 두께를 갖도록 형성된,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 광대역 발산부는 방열 대상물의 열을 흡수할 수 있도록 하면이 방열 대상물에 설치되되, 흡수된 열이 상기 방열 대상물의 외부로 방출될 수 있도록 상기 선택적 발산부가 상기 방열 대상물의 외부로 노출되도록 설치되는,
    상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널.

KR1020200024454A 2020-02-27 2020-02-27 상하면의 열방사 특성이 상이한 수동 복사 냉각 패널 KR102427068B1 (ko)

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