KR102514845B1 - 방사 파장 및 각도 제어 기반 온도 감응형 복사 냉각 디바이스 - Google Patents

방사 파장 및 각도 제어 기반 온도 감응형 복사 냉각 디바이스 Download PDF

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Abstract

본원은 주변 대기의 온도에 감응하여 적외선 파장 영역과 방사 각도에 따라 방사율이 변화하는 복사 냉각 디바이스, 및 상기 복사 냉각 디바이스를 이용한 물체의 냉각 방법에 관한 것이다.

Description

방사 파장 및 각도 제어 기반 온도 감응형 복사 냉각 디바이스{SPECTRAL AND ANGULAR EMISSION CONTROL BASED TEMPERATURE SENSITIVE RADIATIVE COOLING DEVICE}
본원은, 주변 대기의 온도에 감응하여 적외선 영역의 방사율이 파장과 각도에 따라 변화하는 복사 냉각 디바이스, 및 상기 복사 냉각 디바이스를 이용한 물체의 냉각 방법에 관한 것이다.
복사 냉각 디바이스란 태양빛 아래에서도 외부 에너지의 유입없이 자가적으로 주변 기온보다 물체를 냉각시킬 수 있는 장치로서, 지구 온난화로 인하여 세계적으로 에너지의 수요량이 증가하고 있는 현실에서 에너지 소비 없이 건물 또는 물건의 냉각에 도움이 되는 상기 복사 냉각 디바이스의 존재는 글로벌 에너지 산업에 큰 영향을 미칠 수 있다.
미국 공개특허공보 2017-0297750 A호의 복사 냉각 디바이스는, 디바이스 자체의 온도에 무관하게 특정한 파장 영역(중적외선 전체 또는 8 μm 내지 13 μm)과 모든 각도(평면형 디바이스에 수직한 축을 기준으로 벌어진 각도)에서 큰 방사율을 가지도록 설계된 것으로서, 냉각 속도가 비효율적으로 느리고 냉각 온도가 충분히 낮아지지 못하는 근본적인 한계점이 나타났다. 이처럼 주변 온도 변화에 대응하지 못하는 종래 기술의 복사 냉각 디바이스는 외부 환경(날씨, 바람, 구름 등)이 유도하는 디바이스의 온도 변화에 취약하기 때문에, 실질적인 응용(건물 외벽, 차량의 동체 등)에 있어서도 효과적으로 냉각 성능을 발휘하기 힘든 문제점이 있었다. 아울러 각 온도에서 파장과 각도에 따른 방사율이 잘못 설계됨으로 인해 냉각 성능이 저하되는 문제점도 발생했다.
본원은, 주변 대기의 온도에 감응하여 디바이스의 온도가 변화함에 따라 최적의 각도별 방사율 스펙트럼을 구현하는 복사 냉각 디바이스, 및 상기 복사 냉각 디바이스를 이용한 물체의 냉각 방법에 관한 것이다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 주변 대기 온도에 감응하는 복사 냉각 디바이스로서, 주변 대기의 온도에 대한 상기 복사 냉각 디바이스의 온도의 상대적 높낮이에 따라 적외선 영역의 각도별 방사율 스펙트럼이 변화하는 것인, 복사 냉각 디바이스를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 복사 냉각 디바이스를 이용한, 물체의 냉각 방법을 제공한다.
본원의 구현예들에 따른 복사 냉각 디바이스는, 디바이스 자체의 온도에 따라 복사열 방출을 극대화시킬 수 있도록 파장과 각도에 따라 변화하는 방사율 스펙트럼을 나타냄으로써, 광학적, 열적 특성 제어를 통한 에너지 소모 없이도 주변 대기 온도 이하로 빠르고 효과적으로 냉각을 구현할 수 있는 디바이스이다. 종래 기술에서 가장 많이 이용하고 있는, 모든 각도에서 방사율 스펙트럼이 8 μm 내지 13 μm 파장 영역인 디바이스는 상온에서만 효과적인 냉각 성능을 발휘함으로써, 디바이스 자체의 온도가 변화하는 경우에는 냉각 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 그러나, 본원에 따른 복사 냉각 디바이스는 외부 환경에 의해 변화하는 디바이스의 온도를 구간별로 나누어 방사율 각도 스펙트럼을 유동적으로 조절하여 모든 온도 상태에서 효율적인 냉각을 구현한 특징이 있다.
본원의 구현예들에 따른 복사 냉각 디바이스는 다층 박막, 나노 패턴, 분산된 나노입자를 포함하는 고분자층; 및 메타 물질 중에서 선택되는 것을 포함하는 것에 의해 온도에 따라 상이한 각도별 방사율 스펙트럼을 구현하는 것일 수 있으며, 상기 형태 외에 온도에 따라 상이한 각도별 방사율 스펙트럼을 나타낼 수 있는 것이면 본원에 따른 복사 냉각 디바이스에 적용 가능하므로, 값싼 소재와 단순한 구조를 통해 구현이 가능한 장점이 있다.
도 1은, 본원의 일 실시예에 따른 복사 냉각 디바이스의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 따른 복사 냉각 디바이스의 온도, 파장, 각도에 따른 방사율을 나타내는 그래프이다: a) θ=0°, Φ=0° 내지 360°; b) θ=60°, Φ=0° 내지 360°; c) θ=80°, Φ=0° 내지 360°.
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 복사 냉각 디바이스의 각 온도에서의 파장과 각도에 따른 이상적인 방사율을 나타내는 그래프이다: a) T=300K; b) T=280K; c) T=260K; d) T=240K; 검정색 영역은 방사율이 최대인 1이고, 흰색 영역은 방사율이 최소인 0임.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, 복사 냉각 디바이스의 온도에 따른 복사 에너지 밀도를 나타내는 그래프이다: 비교예 1(모든 각도에서 8 μm 내지 13 μm 파장 영역으로만 방사, ε8-13)에 따른 복사 냉각 디바이스; 비교예 2(모든 각도에서 4 μm 내지 20 μm 파장 영역으로만 방사, εfull)에 따른 복사 냉각 디바이스; 이상적인 복사 냉각 디바이스(본원에 따른 복사 냉각 디바이스, εideal).
도 5는, 복사 냉각 디바이스의 냉각 속도 및 냉각 온도 하한치를 나타내는 그래프이다: 비교예 1(모든 각도에서 8 μm 내지 13 μm 파장 영역으로만 방사, ε8-13)에 따른 복사 냉각 디바이스; 비교예 2(모든 각도에서 4 μm 내지 20 μm 파장 영역으로만 방사, εfull)에 따른 복사 냉각 디바이스; 이상적인 복사 냉각 디바이스(본원에 따른 복사 냉각 디바이스, εideal).
도 6a는, 종래 기술에 따른 복사 냉각 디바이스에서, 기울어진 표면에서의 디바이스 온도(300K)에 따른 유효 복사 조도를 나타내는 그래프이다.
도 6b는, 본원의 일 실시예에 따른 복사 냉각 디바이스에서, 기울어진 표면에서의 디바이스 온도(300K)에 따른 유효 복사 조도를 나타내는 그래프이다.
도 6c는, 종래 기술에 따른 복사 냉각 디바이스에서, 기울어진 표면에서의 디바이스 온도(280K)에 따른 유효 복사 조도를 나타내는 그래프이다.
도 6d는, 본원의 일 실시예에 따른 복사 냉각 디바이스에서, 기울어진 표면에서의 디바이스 온도(280K)에 따른 유효 복사 조도를 나타내는 그래프이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "태양광"은 태양으로부터 유입되고, 자외선, 가시광 및 근적외선(0.3 μm 내지 4 μm 파장 영역)을 포함하는 전자기파를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "중적외선(mid-IR; MIR)"은 어떤 물체가 흑체 복사하는 적외선 중에서 대기가 흡수하지 못하는 8 μm 내지 13 μm파장을 포함하는, 4 μm 파장 이상의 전자기파를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 주변 대기 온도에 감응하는 복사 냉각 디바이스로서, 주변 대기의 온도에 대한 상기 복사 냉각 디바이스의 온도의 상대적 높낮이에 따라 적외선 영역의 각도별 방사율 스펙트럼이 변화하는 것인, 복사 냉각 디바이스를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복사 냉각 디바이스는 에너지 소모없이 주변 대기 온도 이하로 냉각이 실현되는 것일 수 있다. 구체적으로, 본원에 따른 복사 냉각 디바이스는 디바이스 자체의 온도에 따라 복사열 방출을 극대화시킬 수 있는 각도별 방사율 스펙트럼을 나타냄으로써, 광학적, 열적 특성 제어를 통한 에너지 소모 없이도 주변 대기 온도 이하로 빠르고 효과적으로 냉각이 구현될 수 있는 디바이스이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복사 냉각 디바이스는 외부 환경 변화에 따라 실시간으로 각도별 방사율 스펙트럼이 변화하는 것일 수 있다. 구체적으로, 종래 기술의 디바이스는 그 자체의 온도에 무관하게 특정한 파장 영역(중적외선 전체 또는 8 μm 내지 13 μm)과 모든 각도 영역에서 큰 방사율을 가지도록 설계됨으로써 외부 환경에 변화(구름, 바람, 습도 등)에 따라 유동적으로 반응하지 못하여 에너지 복사 효율이 떨어져 복사 냉각 성능이 저하되는 문제점이 있었다. 그러나, 본원에 따른 복사 냉각 디바이스는 외부 환경에 의해 변화하는 디바이스의 각 온도를 구간별로 나누어 각도별 방사율 스펙트럼을 유동적으로 조절함으로써 모든 온도 상태에서 효율적인 냉각을 구현한 특징이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 지표면과 나란히 배치된 상기 복사 냉각 디바이스는, 상기 각도별 방사율 스펙트럼이 하기 식 1로 표현되고, 지표면과 나란히 배치되지 않은 상기 복사 냉각 디바이스는, 상기 각도별 방사율 스펙트럼이 하기 식 2로 표현되는 것일 수 있다:
[식 1]
ε(λ,Ω,T; Ωsun,Tamb,α) = 0.5 × [1 + sgn(IBB(λ,Ω,T) - Isun(λ,Ωsun,Tamb,α) - Iatm(λ,Ω,Tamb,α))];
[식 2]
ε(λ,Ω,T; Ωsun,Tamb,α,R,Ωrotation) = 0.5 × [1 + sgn(IBB(λ,Ω,T) - R(Isun(λ,Ωsun,Tamb,α) + Iatm(λ,Ω,Tamb,α)) - (1-R)Iground(λ,Ωsun,Tamb,α,Ωrotation))].
구체적으로, 상기 복사 냉각 디바이스가 지표면에 나란히 놓여있고 천정을 바라볼 때, 복사 냉각 디바이스의 온도 T에 따른 적외선 영역의 각도별 방사율 스펙트럼 ε(λ,Ω,T)은 주변 환경 조건(태양광의 입사 각도 Ωsun, 주변 대기 온도 Tamb, 계절과 기상 환경을 표현하는 환경 변수 α 등)을 고려하여, 이상적인 흑체의 각도별 복사 조도 스펙트럼(온도 T에 해당하는 각도별 복사 조도 스펙트럼; 물질이 최대로 복사 방출 가능한 각도별 복사 조도 스펙트럼을 의미) IBB(λ,Ω,T), 태양의 각도별 복사 조도 스펙트럼(spectral radiance) Isun(λ,Ωsun,Tamb,α), 그리고 대기의 각도별 복사 조도 스펙트럼 Iatm(λ,Ω,Tamb,α)을 통해 수식적으로 기술될 수 있다. 상기 복사 냉각 디바이스는, 냉각 조건(IBB(λ,Ω,T) - Isun(λ,Ωsun,Tamb,α) - Iatm(λ,Ω,Tamb,α) ≥ 0)에서는 방사율을 최대인 1로 만들어 외부로 에너지를 최대한 방출시키고, 가열 조건(IBB(λ,Ω,T) - Isun(λ,Ωsun,Tamb,α) - Iatm(λ,Ω,Tamb,α) < 0)에서는 방사율을 최소인 0으로 만들어 복사 흡수를 억제하도록 설계되어 복사열 방출이 극대화되는 각도별 방사율 스펙트럼을 구현할 수 있다. 본원의 복사 냉각 디바이스는 상기 원리에 기반한 각도별 방사율 스펙트럼을 구현하는 디바이스를 의미한다. 한편 냉각 및 가열 조건에 대한 단순한 수학적 기호로써, 괄호 안의 양이 양수일 때는 1이고 음수일 때는 -1인 sgn() 함수를 도입하여 각도별 방사율 스펙트럼이 다음과 같이 식 1로 기술될 수 있다 (λ는 방사 파장, 상기 Ω는 방사 각도로서 지표에서 수직한 축을 기준으로 하여 구면좌표계에서 방위각과 천정각을 포함하는 각임).
[식 1]
ε(λ,Ω,T; Ωsun,Tamb,α) = 0.5 × [1 + sgn(IBB(λ,Ω,T) - Isun(λ,Ωsun,Tamb,α) - Iatm(λ,Ω,Tamb,α))]
구체적으로, 상기 복사 냉각 디바이스가 지표면에 나란하지 않아 주변 물체(지표면, 주변 건물 등)를 바라볼 때, 적외선 영역의 각도별 방사율 스펙트럼 ε(λ,Ω,T)은 추가적인 환경 조건(주변 물체의 반사율 R, 지표면에 대해 디바이스가 기울어진 각도 Ωrotation 등)과 주변 물체의 각도별 복사 조도 스펙트럼 Iground(λ,Ωsun,Tamb,α,Ωrotation)을 포함하는, 수정된 하기 식 2로 기술될 수 있다. 이 때, 상기 복사 냉각 디바이스는, 냉각 조건(IBB(λ,Ω,T) - R(Isun(λ,Ωsun,Tamb,α) + Iatm(λ,Ω,Tamb,α)) - (1-R)Iground(λ,Ωsun,Tamb,α,Ωrotation) ≥ 0)에서는 방사율을 최대인 1로 만들어 외부로 에너지를 최대한 방출시키고, 가열 조건(IBB(λ,Ω,T) - R(Isun(λ,Ωsun,Tamb,α) + Iatm(λ,Ω,Tamb,α)) - (1-R)Iground(λ,Ωsun,Tamb,α,Ωrotation) < 0)에서는 방사율을 최소인 0으로 만들어 복사 흡수를 억제하도록 설계됨으로써 유효 복사열 방출을 극대화시키는 각도별 방사율 스펙트럼을 구현할 수 있다.
[식 2]
ε(λ,Ω,T; Ωsun,Tamb,α) = 0.5 × [1 + sgn(IBB(λ,Ω,T) - R(Isun(λ,Ωsun,Tamb,α) + Iatm(λ,Ω,Tamb,α)) - (1-R)Iground(λ,Ωsun,Tamb,α,Ωrotation))]
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 대기의 온도 이상인 경우, 지표면과 나란히 배치된 상기 복사 냉각 디바이스는, 4 μm 파장 이상의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 90°의 각도 영역으로 방사하고, 지표면과 나란히 배치되지 않은 상기 복사 냉각 디바이스는, 4 μm 파장 이상의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 180°의 각도 영역으로 방사하는 것일 수 있다. 또한, 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 대기의 온도 미만인 경우, 상기 복사 냉각 디바이스, 배치에 관계없이 8 μm 내지 13 μm의 파장의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60°의 각도 영역으로 방사하는 것일 수 있다. 구체적으로, 복사의 방출과 흡수의 크기 관계는 복사 냉각 디바이스와 주변 대기의 온도에 의해 결정되기 때문에 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 대기의 온도보다 높고 낮은지에 따라 최적의 방사 파장 영역은 4 μm 이상의 모든 파장 영역부터 8 μm 내지 13 μm 파장 영역까지, 최적의 각도 영역은 디바이스가 지표면에 나란한 경우 지표에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 90°까지부터 0° 내지 60°까지 극단적으로 달라지는 특성이 있다. 종래 기술의 디바이스처럼 온도와 무관하게 설계된 각도별 방사율 스펙트럼의 디바이스는 매우 좁은 온도 구간(주로, 상온)에서만 효과적으로 동작하는 한계가 있다. 예를 들어, 8 μm 내지13 μm 파장 영역과 모든 각도 영역으로 방사율이 설계된 디바이스는 상온 이상으로 가열되었을 때 냉각 속도가 비효율적으로 느리며, 4 μm 이상의 모든 파장 영역과 모든 각도 영역으로 방사율이 설계된 디바이스는 냉각 온도가 충분히 낮아지지 못하는 근본적인 한계점이 나타났다. 그러나, 본원에 따른 복사 냉각 디바이스는, 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 대기의 온도 이상인 경우 4 μm 이상의 모든 파장 영역과 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 90°의 각도 영역(지표면과 나란히 배치된 복사 냉각 디바이스) 또는 0° 내지 180°의 각도 영역(지표면과 나란히 배치되지 않은 복사 냉각 디바이스)으로 복사열을 우주로 방사하고, 주변 대기 온도 미만인 경우 8 μm 내지 13 μm의 파장 영역과 지표에 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60° 각도 영역으로 복사열을 우주로 방사하도록 설계됨으로써 효율적인 냉각을 구현하는 특징이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지표면에 나란히 배치된 복사 냉각 디바이스는, 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 대기의 온도 이상인 경우, 4 μm 이상의 모든 파장을 지표에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 90°의 각도 영역으로 방사하고, 주변 대기 온도 미만인 경우 8 μm 내지 13 μm의 파장을 0° 내지 60°각도 영역으로 방사하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 지표면과 나란히 배치되지 않은 복사 냉각 디바이스는, 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 대기의 온도 이상인 경우, 4 μm 이상의 모든 파장을 지표에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 180°의 각도 영역으로 방사하고, 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 대기 온도 미만인 경우 8 μm 내지 13 μm의 파장을 0° 내지 60°각도 영역으로 방사하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복사 냉각 디바이스는 지표면에 나란히 또는 나란히 배치되지 않은 경우에 있어서, 10 μm 내지 12 μm의 파장 영역과 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60°각도 영역에서 복사열을 방사하여 극한의 냉각 온도를 구현하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 복사 냉각 디바이스는, 배치에 관계없이 10 μm 내지 12 μm의 파장의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60°의 각도 영역으로 방사하여 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 대기의 온도의 5℃ 이상 냉각되는 것일 수 있다. 본원에 따른 복사 냉각 디바이스가 극한의 냉각 온도까지 도달하기 위해서는 10 μm 내지 12 μm 구간의 매우 좁은 파장 영역과 지표면에서 수직한 축을 기준으로 60° 이내의 각도 영역으로만 복사열을 방출해야 하는 것을 확인하여 하였으며, 이를 통해 주변 대기 온도에서 5℃ 이상 냉각되고, 종래 기술의 복사 냉각 디바이스 보다 20℃ 이상 낮은 냉각 온도를 구현할 수 있음을 확인하였다. 상기의 극한의 냉각 온도는 대기 또는 계절 등의 조건에 따라 달라질 수 있는 온도로서, 상기 복사 냉각 디바이스가 구현할 수 있는 최저의 냉각 온도를 의미한다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 복사 냉각 디바이스가 냉각시키는 하부에 배치되는 물체는, 이상적으로 상기 복사 냉각 디바이스와 열 교환하고 이외의 것들과는 열 교환(복사, 전도, 대류 등)하지 않으므로, 상기 복사 냉각 디바이스가 극한의 냉각 온도까지 도달하는 것은 상기 물체의 극한의 냉각으로 이어질 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 상기 주변 대기 온도 이상인 경우, 상기 지표면에 나란히 배치된 복사 냉각 디바이스는, 순서대로 4 μm 이상의 모든 파장의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 90°의 각도 영역으로 방사하고, 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 상기 주변 대기 온도 미만으로 떨어지면 상기 8 μm 내지 13 μm 파장의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60°의 각도 영역으로 방사하고, 점차 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 떨어지면 10 μm 내지 12 μm 파장의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60°각도 영역으로 방사하는 것일 수 있다. 상기 일련의 순서를 통해 상기 복사 냉각 디바이스는 하부에 배치되는 물체와 함께 극한의 냉각 온도를 구현할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 상기 주변 대기 온도 이상인 경우, 상기 지표면에 나란히 배치되지 않은 복사 냉각 디바이스는, 순서대로 4 μm 이상의 모든 파장의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 180°의 각도 영역으로 방사하고, 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 상기 주변 대기 온도 미만으로 떨어지면 상기 8 μm 내지 13 μm 파장의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60°의 각도 영역으로 방사하고, 점차 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 떨어지면 10 μm 내지 12 μm 파장의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60°각도 영역으로 방사하는 것일 수 있다. 상기 일련의 순서를 통해 상기 복사 냉각 디바이스는 하부에 배치되는 물체와 함께 극한의 냉각 온도를 구현할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도별 방사율 스펙트럼의 변화는, 주변 대기 온도에 따른 상기 복사 냉각 디바이스의 구성 물질의 굴절률 변화, 상변화에 의한 굴절률의 변화, 또는 상기 둘 모두로 인해 구현되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 복사 냉각 디바이스의 구성 물질은 주변 대기 온도에 감응하여 온도 구간에 따라 굴절률 변화를 이룰 수 있는 물질일 수 있다. 상기 복사 냉각 디바이스의 구성 소재 중 전체 또는 일부가 각 온도 구간에서 다른 굴절률을 가지는 것일 수 있다. 또한, 상기 굴절률의 차이는 도체, 반도, 부도체 기준에서 다른 물성으로 변화하는 정도일 수 있으며, 상변화가 없더라도 각 온도에 따른 굴절률 변화가 큰 것이면 사용이 가능하고, 온도에 따라 같은 전기적 특성을 보이더라도 굴절률 변화의 폭이 크다면 상기 물질로 사용이 가능하다. 비제한적인 예로서, 주변 대기 온도 미만에서는 부도체이며, 주변 대기 온도 이상에서는 도체인 물질을 본원에 따른 복사 냉각 디바이스의 구성 물질로서 사용이 가능하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복사 냉각 디바이스는 다층 박막, 나노 패턴, 분산된 나노입자를 포함하는 고분자층 및 메타 물질 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 상기 복사 냉각 디바이스는 다층 박막, 나노 패턴, 분산된 나노입자를 포함하는 고분자층 및 메타 물질 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것에 의해 온도에 따라 상이한 각도별 방사율 스펙트럼을 구현하는 것일 수 있으며, 상기 외에 온도에 따라 상이한 각도별 방사율 스펙트럼을 나타낼 수 있는 것이면 본원에 따른 복사 냉각 디바이스에 적용 가능하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복사 냉각 디바이스는 전체 또는 일부에, 주변 대기 온도에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 물질; 주변 대기 온도에 따라 상변화로 인해 굴절률이 변화하는 제 2 물질; 또는 상기 둘 모두를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복사 냉각 디바이스는 전체 또는 일부에, 도핑된 이산화 바나듐(VO2); 도핑 또는 도핑되지 않은 VxOy(x는 2 내지 4, Y는 2 내지 10의 정수일 수 있음); 파라핀; 및 파라핀 계열의 유기 또는 무기 상변화 물질(PCM) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 특히, 상기 복사 냉각 디바이스는 전체 또는 일부에, 도핑된 이산화 바나듐(VO2)을 포함하는 것일 수 있으며, 이산화 바나듐은 상온 근처에서 유전체 - 금속 사이의 상변화가 일어나므로 본원의 복사 냉각 디바이스에 사용되기에 적합하다. 상기 파라핀 계열의 유기 상변화 물질은 파라핀 C n H2 n +2로서, n이 10이상, 보다 구체적으로는 10 내지 34인 것일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본원에 따른 복사 냉각 디바이스는 전체 또는 일부에 이산화 바나듐(VO2)을 포함하는 것일 수 있으며, 일반적으로 VO2는 60℃ 내지 70℃의 기준 온도 이하에서는 부도체 상태이지만 그 이상의 온도에서는 도체 상태인 물질이다. 여러 물질의 도핑을 통해 VO2의 기준 온도를 상온(25℃) 근처로 낮출 수 있으며 (도 1), 이를 통해 대기 온도 이상 또는 미만에서 상이한 각도별 방사율 스펙트럼을 갖는 디바이스를 설계할 수 있다 (도 2). 구체적으로, 본원의 실시예는 9층의 다층 박막으로 구성될 수 있으며, 온도 감응형 물질(VO2)과 온도 변화에도 굴절률이 유지되는 온도 비감응형 물질(SiO2, Ge, SiC 및 ZnS 중에서 선택)이 적층된 구조이다. 상기 복사 냉각 디바이스가 지표면과 나란히 배치된 경우에 있어서, 상기 복사 냉각 디바이스는 그 온도가 주변 대기 온도 미만일 경우(부도체 상태의 VO2)는 8 μm 내지 13 μm 파장 영역과 지표에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60° 각도 영역에서 큰 방사율을 나타내지만, 주변 대기 온도 이상인 경우(도체 상태의 VO2)는 4 μm 내지 20 μm 파장 영역(도면에 표기하지 않았으나, 20 μm 이상에서도 구현됨)과 지표에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 90° 각도 영역에서도 큰 방사율을 나타냄을 확인함으로써, 간단한 구조와 물질 구성을 통해 본원에 따른 복사 냉각 디바이스를 구현할 수 있음을 확인할 수 있다 (도 2의 a, b, 및 c).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복사 냉각 디바이스는 태양광 발전 또는 건물 외벽용 타일에 적용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 구체적으로, 본원에 따른 복사 냉각 디바이스는 4 μm 미만의 파장인 태양광 스펙트럼을 응용하여 다양한 설계가 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 복사 냉각 디바이스는 태양광 발전에 적용될 수 있으며, 이때 복사 냉각 디바이스는 태양광 영역의 파장을 최대한 흡수할 수 있도록 설계될 수 있다. 이를 통해 상기 복사 냉각 디바이스는 태양광 발전기의 온도를 낮춤과 동시에 태양광 흡수율을 높여 태양광 발전 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다. 아울러, 상기 복사 냉각 디바이스는 건물 외벽용 타일에 적용될 수 있으며, 이때 복사 냉각 디바이스는 색상을 띠기 위해 태양광 영역 중 가시광 일부 파장을 반사하는 것일 수 있다. 이를 통해 상기 복사 냉각 디바이스는 건물의 온도를 주변 대기 온도 이하로 낮춤과 동시에 색상을 가져 건물의 에너지 절약과 심미감을 부여하는 효과가 있다.
도 3 내지 5를 참조하여, 상기 복사 냉각 디바이스가 지표면과 나란히 배치된 경우에 있어서, 외부 환경 요인(날씨, 바람, 구름 등)이 유도하는 복사 냉각 디바이스의 온도 변화와 관련된 광학적 특성을 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 3에서, 복사 냉각 디바이스의 온도에 따라 본원에서 제시하는 각도별 이상적인 방사율 스펙트럼 ε(λ,Ω,T)을 확인할 수 있다. 복사열을 100% 방출하기 위해 방사율이 최대인 ε(λ,Ω,T)=1인 영역은 검정색으로 나타나고, 외부로부터의 복사열 흡수를 최대한 차단하기 위해 방사율이 최소인 ε(λ,Ω,T)=0인 영역은 흰색으로 나타낼 수 있다. 주변 대기 온도(300K) 이상의 복사 냉각 디바이스 온도에서는 4 μm 내지 20 μm의 파장 영역에서 100% 방사율을 나타내고, 주변 대기 온도 미만(280, 260, 240K)에서는 8 μm 내지 13 μm의 파장 영역 내 선별적인 파장에서 100% 방사율을 나타남을 확인할 수 있다. 복사 냉각 디바이스의 온도가 상온(300K)일 때와 상온 이하(280, 260, 240K)일 때, 각도별 방사율 스펙트럼에 큰 차이가 있음을 확인하였으며, 특히 극한의 냉각 온도까지 도달하기 위해서는 주로 10 μm 내지 12 μm 구간의 매우 좁은 파장 영역으로 복사열을 방출해야 하는 것을 확인하였다. 도 4를 통해 주변 기온이 상온(300K)인 상태에서의 복사 냉각 디바이스의 온도(Tcooler)에 따른 복사 파워 밀도를 확인할 수 있다. εideal은 주변 대기 온도와 복사 냉각 디바이스 온도를 고려하여 각도별 방사율 스펙트럼이 조절되는 본원에 따른 복사 냉각 디바이스를 나타내고, ε8-13은 모든 각도에서 8 μm 내지 13 μm까지의 파장에서만 방사하도록 설계된 비교예 1, 및 εfull은 모든 각도에서 중적외선 전체 영역을 통해 방사하도록 설계된 비교예 2를 나타낸다. 실시예, 비교예 1 및 비교예 2는 상온 부근에서는 서로 유사한 복사 파워 밀도를 보이나, 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 기온에 비해 낮아질수록 서로 큰 차이를 나타내었으며, 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 기온에 비해 높은 경우에는 실시예와 비교예 2는 동일한 거동을 나타내나 비교예 1은 낮은 복사 파워 밀도를 나타내었다 (도 4).
도 5을 참조하면, 냉각 속도 및 냉각 온도 하한치를 통해 냉각 성능을 확인할 수 있다. 구체적으로, 주변 대기 온도와 복사 냉각 디바이스 온도를 고려하여 각도별 방사율 스펙트럼 εideal이 조절되는 본원에 따른 복사 냉각 디바이스의 냉각 성능, 모든 각도에서 8 μm 내지 13 μm 파장 영역으로만 방사하도록 설계된 방사율 ε8-13에 대한 비교예 1의 냉각 성능, 모든 각도에서 중적외선 전체 영역을 통해 방사하도록 설계된 방사율 εfull에 대한 비교예 2의 냉각 성능을 확인할 수 있다. 비교예 1은 초기 냉각 속도가 느리고, 비교예 2는 최종 냉각되는 온도가 충분히 낮지 않은 문제가 나타난다. 그에 반해, 본원의 실시예는 260K 이하까지 냉각이 실현되고, 냉각 초기부터 우수한 냉각 속도를 나타냄을 확인하였다.
도 6a 내지 6d를 참조하여, 상기 복사 냉각 디바이스가 지표면과 나란히 배치되지 않은 경우에 있어서, 방사 각도에 따른 복사 냉각 성능의 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 6a 및 도 6c는 모든 각도에서 8 μm 내지 13 μm 파장 영역으로만 방사하도록 설계된 비교예 1의 냉각 성능을 나타내며, 도 6b 및 도 6d는 주변 대기 온도와 복사 냉각 디바이스 온도를 고려하여 각도별 방사율 스펙트럼이 조절되는 본원에 따른 실시예의 냉각 성능을 나타낸다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 복사 냉각 디바이스의 온도가 상온(300K)일 때는 비교예 1 및 실시예 모두 냉각 성능이 구현됨을 확인할 수 있다. 그러나, 도 6c 및 도 6d를 참조하면, 복사 냉각 디바이스의 온도가 상온 미만(280K)일 때는 비교예 1은 냉각 부분과 오히려 가열되는 부분이 동시에 나타남을 확인할 수 있는 반면, 실시예는 냉각 부분만 나타나고 가열되는 부분이 나타나지 않아 냉각 성능이 충분히 구현됨을 확인할 수 있다. 구체적으로 상기 시뮬레이션을 설명하면, 실시예 및 비교예 1의 복사 냉각 디바이스의 온도(300K)가 상온(300K) 이상인 경우, 실시예의 복사 냉각 디바이스는 4 μm 파장 이상의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 180°의 각도 영역으로 방사함으로써 냉각을 구현하고, 비교예 1의 복사 냉각 디바이스는 8 μm 내지 13 μm의 파장의 적외선을 모든 각도로 방사함으로써 공히 냉각이 구현될 수 있다(도 6a 및 도6b). 그러나, 상기 실시예 및 비교예 1의 복사 냉각 디바이스의 온도(270K)가 상온(300K) 미만인 경우, 실시예에 따른 복사 냉각 디바이스는 8 μm 내지 13 μm의 파장의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60°의 각도 영역으로 방사함으로써 여전히 냉각 기능을 구현할 수 있으나 (도 6d), 비교예 1의 복사 냉각 디바이스는 8 μm 내지 13 μm의 파장의 적외선을 모든 각도로 방사하도록 설계되기 때문에 지표면에 존재하는 다양한 물질(풀, 흙, 모래, 물 등; 방사율 90% 이상)으로부터 입사하는 복사열을 흡수하게 되므로 오히려 가열되는 부분이 발생할 수 있어 냉각 효율이 상당히 떨어질 수 있다 (지표면 및 지표면에 존재하는 물질은 방사율이 1, 온도가 300K로 가정).
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 복사 냉각 디바이스를 이용한, 물체의 냉각 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 물체의 표면에 상기 복사 냉각 디바이스를 위치시키는 것을 포함하는 것일 수 있다.
제 1 측면 및 제 2 측면에 있어서, 서로 공통될 수 있는 내용은 그 기재가 생략되었더라도 제 1 측면 및 제 2 측면 모두에 적용될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 주변 대기 온도에 감응하는 복사 냉각 디바이스로서,
    주변 대기의 온도에 대한 상기 복사 냉각 디바이스의 온도의 상대적 높낮이에 따라 적외선 영역의 각도별 방사율 스펙트럼이 변화하는 것이며,
    상기 복사 냉각 디바이스는 지표면과 나란히 배치되는 경우 상기 각도별 방사율 스펙트럼이 하기 식 1로 표현되고,
    상기 복사 냉각 디바이스는 지표면과 나란히 배치되지 않는 경우 상기 각도별 방사율 스펙트럼이 하기 식 2로 표현되는 것인, 복사 냉각 디바이스:
    [식 1]
    ε(λ,Ω,T; Ωsun,Tamb,α) = 0.5 × [1 + sgn(IBB(λ,Ω,T) - Isun(λ,Ωsun,Tamb,α) - Iatm(λ,Ω,Tamb,α))];
    [식 2]
    ε(λ,Ω,T; Ωsun,Tamb,α,R,Ωrotation) = 0.5 × [1 + sgn(IBB(λ,Ω,T) - R(Isun(λ,Ωsun,Tamb,α) + Iatm(λ,Ω,Tamb,α)) - (1-R)Iground(λ,Ωsun,Tamb,α,Ωrotation))];
    상기 식 1 및 식 2에서,
    ε(λ,Ω,T)은 복사 냉각 디바이스의 온도 T에 따른 적외선 영역의 각도별 방사율 스펙트럼이고, λ는 방사 파장이고,
    Ωsun은 태양광의 입사 각도이고, Tamb은 주변 대기 온도이고, α는 계절 및 기상 환경을 표현하는 환경 변수이고, R은 주변 환경의 반사율이고, Ωrotation은 복사 냉각 디바이스가 기울어진 각도이고,
    IBB(λ,Ω,T)는 온도 T에 해당하는 각도별 복사 조도 스펙트럼이고,
    Isun(λ,Ωsun,Tamb,α)는 태양의 각도별 복사 조도 스펙트럼이고,
    Iatm(λ,Ω,Tamb,α)는 대기의 각도별 복사 조도 스펙트럼이고,
    Iground(λ,Ωsun,Tamb,α,Ωrotation)는 주변 환경의 각도별 복사 조도 스펙트럼이고,
    각도 Ω는 지표에서 수직한 축을 기준으로 하여 구면좌표계에서 방위각과 천정각을 포함하는 각임.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복사 냉각 디바이스는 외부 환경 변화에 따라 실시간으로 각도별 방사율 스펙트럼이 변화하는 것인, 복사 냉각 디바이스.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 대기의 온도 이상인 경우,
    지표면과 나란히 배치된 상기 복사 냉각 디바이스는, 4 μm 파장 이상의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 90°의 각도 영역으로 방사하고,
    지표면과 나란히 배치되지 않은 상기 복사 냉각 디바이스는, 4 μm 파장 이상의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 180°의 각도 영역으로 방사하는 것인, 복사 냉각 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 대기의 온도 미만인 경우,
    상기 복사 냉각 디바이스는, 배치에 관계없이 8 μm 내지 13 μm의 파장의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60°의 각도 영역으로 방사하는 것인, 복사 냉각 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복사 냉각 디바이스는, 배치에 관계없이 10 μm 내지 12 μm의 파장의 적외선을 지표면에서 수직한 축을 기준으로 0° 내지 60°의 각도 영역으로 방사하여 상기 복사 냉각 디바이스의 온도가 주변 대기의 온도의 5℃ 이상 냉각되는 것인, 복사 냉각 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 각도별 방사율 스펙트럼의 변화는, 주변 대기 온도에 따른 상기 복사 냉각 디바이스의 구성 물질의 굴절률 변화, 상변화에 의한 굴절률의 변화, 또는 상기 주변 대기 온도에 따른 상기 복사 냉각 디바이스의 구성 물질의 굴절률 변화와 상기 상변화에 의한 굴절률의 변화 모두로 인해 구현되는 것인, 복사 냉각 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복사 냉각 디바이스는 다층 박막, 나노 패턴, 분산된 나노입자를 포함하는 고분자층 및 메타 물질 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 복사 냉각 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복사 냉각 디바이스는 전체 또는 일부에, 주변 대기 온도에 따라 굴절률이 변화하는 제 1 물질; 주변 대기 온도에 따라 상변화로 인해 굴절률이 변화하는 제 2 물질; 또는 상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질 모두를 포함하는 것인, 복사 냉각 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복사 냉각 디바이스는 전체 또는 일부에, 도핑된 이산화 바나듐(VO2); 도핑 또는 도핑되지 않은 VxOy (x는 2 내지 4, Y는 2 내지 10의 정수); 파라핀; 및 파라핀 계열의 유기 또는 무기 상변화 물질(PCM) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인, 복사 냉각 디바이스.
  11. 제 1 항에 따른 복사 냉각 디바이스를 이용한, 물체의 냉각 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 물체의 표면에 상기 복사 냉각 디바이스를 위치시키는 것을 포함하는, 물체의 냉각 방법.
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