KR20220091269A

KR20220091269A - 입사 및 방사 각도 제어 기반의 복사냉각 디바이스

Info

Publication number: KR20220091269A
Application number: KR1020200182599A
Authority: KR
Inventors: 신종화; 윤경선; 전수완
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-06-30
Also published as: US20220196351A1

Abstract

본원은, 각도 제어기를 사용한 입사 및 방사 각도 제어 기반의 복사냉각 디바이스, 및 상기 복사냉각 디바이스를 이용한 물체의 냉각 방법에 관한 것이다.

Description

입사 및 방사 각도 제어 기반의 복사냉각 디바이스{RADIATION COOLING DEVICE BASED ON INCIDENCE AND EMISSION ANGLE CONTROL}

복사냉각 디바이스란 태양빛 아래에서도 외부 에너지의 유입 없이 자가적으로 주변 기온보다 차가워지는 장치이다. 지구 온난화로 인하여 세계적으로 에너지의 수요량이 증가하고 있는 현실에서 에너지 소비 없이 건물 또는 물건의 냉각 및 보온에 도움이 되는 상기 복사냉각 디바이스의 존재는 글로벌 에너지 산업에 큰 영향을 미칠 수 있다.

종래 기술에서는 대기 온도 이하의 냉각을 구현하기 위해 디바이스가 8 μm 내지 13 μm 파장 대역에서 100% 흡수(또는 방사)하도록 설계되었으며 이 경우, 평면형 복사냉각 디바이스의 수직한 방향뿐만 아니라 모든 방향으로 동일한 작동이 공통적으로 나타나도록 설계되었다. 하지만 상기 설계 방법은 세가지 측면에서 복사열을 효과적으로 방출시킬 수 없으며 이로 인해 디바이스의 온도도 충분히 낮아지지 못하는 문제점이 있다: (1) 천정각(zenith angle)이 큰 방향에서는 대기의 두께가 두껍기 때문에, 빛의 산란/흡수가 강해져 8 μm 내지 13 μm 파장 영역에서도 대기의 복사열 흡수/방출이 매우 강함. 따라서 전 방향으로 흡수율을 높게 설계하는 종래의 방법은 큰 천정각 영역에서의 복사열 흡수를 강하게 하여 디바이스의 냉각 성능을 저해시킴. (2) 유효 냉각 파워를 최대화시키기 위해서는 대기가 투명한 8 μm 내지 13 μm 파장에서 작은 천정각 영역으로 복사열을 방출시켜야 함. 이때 종래 기술에서 단순히 각도 범위에 따른 흡수율/방사율을 제어하는 방법(큰 천정각 영역에서 방사율은 0%, 작은 천정각 영역에서 방사율은 100%인 형태)을 적용할 경우, 방출되는 복사 에너지량 자체를 줄이기 때문에, 냉각 속도가 느려지고 충분히 낮은 온도까지 냉각될 수 없다는 문제가 있음. (3) 복사냉각 디바이스는 큰 천정각 방향으로 주변 환경(건물, 차량, 나무 등)과 복사열 교환이 일어남. 따라서 기존의 복사냉각 디바이스는 주변 환경 변화에 따라 복사냉각의 성능이 크게 변하며, 안정적인 냉각 성능을 구현하기 어려운 문제가 있음. 일부 종래 기술에서 주변 환경(건물, 숲, 땅 등)에 의한 복사열 흡수를 차단하기 위해 큰 천정각 영역에 평면형 거울을 놓은 형태를 구현한 적은 있으나, 복사열의 각도를 제어를 고려하지 않아 거울이 단순 차단막 역할만 수행함으로써 효율적인 냉각을 구현할 수 없음.

이에, 주변 환경 및 태양의 영향을 차단하기 위해 디바이스 주변에 차폐막을 놓아 흡수/방출되는 복사열을 제어하는 연구가 진행되었으나, 상기 차폐막으로 인해 방출되는 복사열이 감소하여 냉각 성능이 오히려 나빠지는 문제가 발생하였다 (Zhou, L., Song, H., Liang, J. et al. A polydimethylsiloxane-coated metal structure for all-day radiative cooling. Nat Sustain 2, 718-724 (2019)). 따라서, 본 기술분야에서는 전기 및 화학 에너지를 전혀 소비하지 않고도 한여름 대낮에도 안정적으로 영하 온도의 냉각을 구현할 수 있는 새로운 구조의 복사냉각 디바이스가 요구되고 있는 실정이다.

본원은, 각도 제어기를 사용함으로써 입사하는 복사열을 각도에 따라 제어하여 복사열 흡수를 최소화시키고 방사체로부터 방사되는 복사열은 최대한으로 확보한 입사 및 방사 각도 제어 기반의 복사냉각 디바이스에 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, 각도 제어기 및 방사체를 포함하는, 복사냉각 디바이스로서, 상기 각도 제어기는 외부에서 입사하는 복사열이 입사 각도 영역에 따라 선택적으로 상기 방사체에 흡수되도록 하며, 상기 방사체가 방사하는 복사열이 방사 각도에 관계없이 방사되도록 하는, 복사냉각 디바이스를 제공한다.

본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 복사냉각 디바이스를 이용한, 물체의 냉각 방법을 제공한다.

본원의 일 구현예에 따른 복사냉각 디바이스는, 각도 제어기가 주변 환경(태양, 대기 등)에서 입사하는 복사열이 입사 각도 영역에 따라 선택적으로 상기 방사체에 흡수되도록 하고, 동시에 상기 방사체가 방사하는 복사열이 방사 각도에 관계없이 주변 환경으로 방사되도록 함으로써 종래의 복사냉각 디바이스보다 빠른 냉각 속도 및 낮은 냉각 온도를 구현할 수 있는 특징이 있다.

본원의 구현예들에 따른 복사냉각 디바이스는, 에너지를 사용하지 않고도 반영구적인 냉각 기능을 수행할 수 있으므로, 열전도/순환을 위해 에너지를 소모하여 냉각을 구현하는 기존의 냉각·냉방 시스템의 대부분을 대체할 수 있는 이점이 있다. 특히, 상기 복사냉각 디바이스는 중적외선 방사체에 간단한 접시형 구조와 알루미늄 호일, 스티로폼 등의 부자재만 더하여 쉽고 저렴하게 복사냉각 시스템을 구현할 수 있으므로 개발도상국에서 무전력 냉동고 또는 무전력 냉방시스템으로 활용될 가능성이 있다.

도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 복사냉각 디바이스의 기능 및 원리를 나타내는 모식도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, 각도 제어기로서 3차원 반구형 포물면 거울(a) 및 2차원 반원통형 포물면 거울(b)을 사용한 복사냉각 디바이스를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 있어서, 각도 제어기로서 반사형 메타 렌즈(a) 및 투과형 메타 렌즈(b)를 사용한 복사냉각 디바이스를 나타내는 모식도이다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 따른 복사냉각 디바이스를 이용한 휴대용 냉동 보관기를 나타내는 모식도이다.
도 5a는, 본원의 일 비교예에 있어서, 콘 형태의 반사형 거울을 사용하였을 때의 방사체에 흡수되는 복사열의 입사 및 방사 프로파일을 확인한 그림이다.
도 5b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 포물면 거울 형태의 각도 제어기를 사용하였을 때의 방사체에 흡수되는 복사열의 입사 및 방사 프로파일을 확인한 그림이다.
도 5c는, 본원의 일 실시예에 있어서, 도 5a 및 5b를 토대로 동일한 r/H 값일 때, 천정각에 따라 방사체에 흡수되는 복사열의 수를 분류한 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)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 μm의 파장의 전자기파를 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "천정각(zenith angle)"은 지표면과 수직한 선과 복사열선 사이의 각을 의미하며, 작은 천정각은 천정각이 작은 범위로서, 상기 수직한 선을 기준으로 상하/좌우 45° 이내의 영역을 의미하며, 큰 천정각은 상기 작은 천정각을 제외한 천정각의 범위를 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, 각도 제어기 및 방사체를 포함하는, 복사냉각 디바이스로서, 상기 각도 제어기는 외부에서 입사하는 복사열이 입사 각도 영역에 따라 선택적으로 상기 방사체에 흡수되도록 하며, 상기 방사체가 방사하는 복사열이 방사 각도에 관계없이 방사되도록 하는, 복사냉각 디바이스를 제공한다. 상기 복사냉각 디바이스는 각도 제어기가 주변 환경(태양, 대기 등)에서 입사하는 복사열이 입사 각도 영역에 따라 선택적으로 상기 방사체에 흡수되도록 하고, 동시에 상기 방사체가 방사하는 복사열이 방사 각도에 관계없이 주변 환경으로 방사되도록 함으로써 종래의 복사냉각 디바이스보다 빠른 냉각 속도 및 낮은 냉각 온도를 구현할 수 있는 특징이 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기는 입사하는 복사열을 입사 각도 영역에 선택적으로, 투과, 반사 및 흡수 중 하나 이상을 수행하고, 상기 방사체가 방사하는 복사열은 방사 각도에 관계없이 투과 또는 반사하여 외부로 전달하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기는 작은 천정각으로 입사하는 복사열을 상기 방사체로 투과 또는 반사하고, 큰 천정각으로 입사하는 복사열을 흡수 또는 상기 방사체가 위치하지 않는 방향으로 반사 또는 투과하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기는 상기 방사체가 방사하는 복사열을 작은 천정각으로 투과 또는 반사하는 것일 수 있다.

구체적으로, 천정각이 큰 영역일수록 두꺼워진 대기층이 방출하는 복사열이 강해지므로 큰 천정각으로 입사하는 복사열의 흡수를 차단해야 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 하지만 각도 제어기 없이 단순하게 각도에 따라 흡수율을 조절하는 방법은 필연적으로 방사체에서 방사하는 전체 복사열의 양이 줄어들 수밖에 없으므로 모든 방향에서 흡수율이 강할 때보다 오히려 냉각 성능이 나빠지는 문제가 발생한다. 또한, 건물이나 산과 같이 높이가 있는 주변 환경은 큰 천정각 영역을 통한 복사 열원으로 작용하므로 주변 환경에 상관없이 안정적인 냉각 성능을 확보하기 위해서는 각도에 따른 흡수(방사) 제어가 필수적이다. 본원에 따른 복사냉각 디바이스의 핵심 기능은 각도 제어기를 사용함으로써 태양, 대기 등의 주변 환경으로부터 복사냉각 디바이스로 흡수되는 복사열(큰 천정각)을 최소화하고, 작은 천정각으로 입사하는 복사열만을 선택적으로 방사체로 흡수되도록 하는 것이며, 상기 방사체에서 주변 환경으로 방출되는 복사열은 그 양을 유지함으로써 유효 냉각 파워를 극대화함으로써 주변 환경에 관계없이 안정적인 냉각 성능을 구현할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기를 통해 복사열이 제어되는 방식은 천정각에 따라 구분될 수 있다. 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 각도 제어기는 (1) 천정각이 큰 영역에 대해서(붉은색 영역), 주변 환경 요소(대기, 건물 등)에 의한 복사열은 반사 또는 흡수시켜 유입을 차단하고 상기 방사체가 방출하는 복사열은 유지시키고(파란색 영역), (2) 천정각이 작은 영역에 대해서는(파란색 영역), 주변 환경과 복사냉각 디바이스의 복사열 교환이 가능토록 하여 복사냉각 디바이스로부터 복사열이 배출될 수 있도록 한다. 이때 핵심은 복사냉각 디바이스에서 방사되는 복사열은 전 방향으로 방출될 수 있으며, 흡수하는 복사열은 작은 천정각 영역으로 제한하는 것이다. 한편, 상기 각도 제어기는 중적외선 영역의 복사열뿐만 아니라 태양광 영역(UV, 가시광, 근적외선)에도 적용될 수 있다. 이를 통해 본원에 따른 복사냉각 디바이스는 유효 냉각 파워(유효하게 방출되는 복사 파워)가 극대화되기 때문에, 냉각 속도가 빠르고 저온에서도 많은 복사열을 방출하여 종래 기술에 비해 더 낮은 온도까지 냉각시킬 수 있는 특징이 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기는 작은 천정각 영역에서 입사한 복사열을 상기 각도 제어기의 위치에 관계없이 한 점으로 모이게 하며, 상기 한 점에 상기 방사체가 위치하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 복사냉각 디바이스는 천정각 0˚에서 90˚로 입사되는 복사열 중에서 상기 각도 제어기에 의해 상기 방사체로 흡수되는 복사열의 비율이 20˚ 이내에서 50% 이상, 35˚ 이내에서 75% 이상 또는 45˚ 이내에서 90% 이상인 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 방사체에서 방출되는 복사열 중 상기 각도 제어기에 반사 또는 투과 전의 입체각 영역을 A, 반사 또는 투과 후의 입체각 영역을 B라고 할 때, 상기 각도 제어기는 입체각 비율 B/A < 1로 외부로 방출되는 복사열의 입체각 영역을 줄이는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기는 천정과 상기 방사체 사이, 상기 방사체와 지표면 사이 또는 이들 모두에 위치하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 방사체는 상기 각도 제어기의 초점에 위치하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 방사체는 상기 각도 제어기의 초점에 위치하여 상기 각도 제어기에 의해 선택적으로 외부에서 입사하는 복사열을 흡수할 수 있다. 상기 각도 제어기가 천정과 상기 방사체 사이에 위치하는 경우, 작은 천정각으로 입사한 복사열이 상기 각도 제어기를 통과하여 초점에 위치한 상기 방사체로 흡수될 수 있으며, 큰 천정각으로 입사한 복사열은 상기 각도 제어기에 의해 흡수되거나 반사되어 상기 방사체로 흡수되지 않을 수 있다. 또한, 상기 각도 제어기가 상기 방사체와 지표면 사이에 위치하는 경우, 작은 천정각으로 입사한 복사열이 상기 각도 제어기에 반사되어 초점에 위치한 상기 방사체로 흡수될 수 있으며, 큰 천정각으로 입사한 복사열은 상기 각도 제어기에 의해 흡수되거나; 반사, 혹은 투과되어도 초점이 아닌 다른 위치로 향하여 상기 방사체로 흡수되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 방사체가 초점에 위치하여 선택적으로 제어된 복사열을 흡수할 수 있다. 한편, 상기 각도 제어기가 천정과 상기 방사체 사이에 위치하는 경우, 상기 방사체로부터 방사된 복사열이 상기 각도 제어기로 향하더라도 상기 각도 제어기는 복사열을 작은 천정각으로 투과시킬 수 있다. 또한, 상기 각도 제어기가 상기 방사체와 지표면 사이에 위치하는 경우, 상기 방사체로부터 방사된 복사열이 상기 각도 제어기로 향하더라도 상기 각도 제어기는 복사열을 작은 천정각으로 반사시킬 수 있다. 따라서, 상기 방사체가 초점에 위치하여 상기 방사체가 방사하는 복사열을 모두 외부로 방출시킬 수 있다. 즉, 상기 각도 제어기가 초점을 갖지 않는 평면 형태의 렌즈 및 거울 등의 형태인 경우 입사 및 방사 각도 제어 기반의 복사냉각 디바이스가 구현될 수 없다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기는 볼록 렌즈, 오목 거울, 프레넬 렌즈, 메타 표면, 메타 거울 및 메타 렌즈 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 각도 제어기는 거울을 통한 반사, 격자 및 주기적 패턴 구조를 통한 회절 등을 통해 각도를 제어할 수 있으며, 이를 구현하기 위해 상기 각도 제어기로서 볼록 렌즈, 오목 거울을 포함하는 포물면 거울, 프레넬 렌즈, 메타 표면, 메타 거울 또는 메타 렌즈 등을 활용할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기가 상기 포물면 거울인 경우, 상기 각도 제어기는 상기 방사체와 지표면 사이에 위치할 수 있다. 구체적으로, 상기 방사체로부터 아래로 방사된 복사열은 상기 각도 제어기에 의해 반사되어 지표에 수직한 방향(작은 천정각)으로 방출되며, 외부에서 복사냉각 디바이스로 입사하는 복사열은 각도 제어기에 작은 천정각으로 입사할 때만 상기 방사체로 복사열을 전달될 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기는 상기 포물면 거울일 수 있으며, 활용 형태에 따라 3차원 포물면 형태 또는 2차원 포물면 형태일 수 있다. 도 2를 참조하면, 상기 포물면 거울이 상기 3차원 포물면 형태인 경우 상기 복사냉각 디바이스는 휴대용 약품 저온보관기, 아이스크림 캐리어 등으로 활용될 수 있으며(도 2의 a), 상기 2차원 포물면 형태인 경우 상기 복사냉각 디바이스는 물관 파이프, 전선 냉각 등으로 활용될 수 있다 (도 2의 b). 상기 포물면 거울의 물질은 금속류 물질(Ag, Al 등) 또는 전도성이 높은 물질(ITO 등)을 포함할 수 있다. 구체적인 계산 결과, 상온/상압 조건에서 8 μm 내지 13 μm의 방사체와 포물면 거울을 복사냉각 디바이스로 활용했을 때, 20℃만큼 냉각시킬 수 있으며, 이는 같은 2차원 평면 형태의 복사냉각 디바이스보다 약 8℃ 더 냉각되며 더 빠르게 냉각시킬 수 있음을 확인하였다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기는 상기 볼록 렌즈 및 상기 오목 거울을 모두 포함할 수 있으며, 이때 상기 볼록 렌즈는 천정과 상기 방사체 사이에 위치하고, 상기 오목 거울은 상기 방사체와 지표면 사이에 위치할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기는 반사형 메타 거울 또는 투과형 메타 렌즈일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기가 상기 반사형 메타 거울인 경우, 상기 각도 제어기는 상기 방사체와 지표면 사이에 위치할 수 있다. 도 3의 a를 참조하면, 상기 각도 제어기가 중적외선 영역에서 반사형 메타 거울인 경우 상기 포물면 거울처럼 동작하여 초점에 놓인 상기 방사체가 작은 천정각 영역에서만 외부와 복사열 교환을 일으키도록 할 수 있다. 태양광 영역에서는 상기 반사형 메타 거울이 태양광을 흡수하거나 초점에서 벗어나게 하여 상기 방사체의 태양광 흡수를 차단하도록 할 수 있다. 상기 반사형 미터 거울은 주기적인 패턴 또는 격자 구조를 가질 수 있으며, 상기 반사형 메타 거울 표면에서의 위상은 파장에 따라 적절히 조절하며 중적외선 영역에서의 반사를 최대화시킬 수 있다. 또한, 상기 반사형 메타 렌즈는 금속(Ag, Al 등), 반도체(Si, Ge 등) 또는 유전체(SiO₂, TiO₂ 등)를 포함하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기가 상기 투과형 메타 렌즈인 경우, 상기 각도 제어기는 천정과 상기 방사체 사이에 위치할 수 있다. 도 3의 b를 참조하면, 상기 투과형 메타 렌즈는 중적외선 영역에서는 렌즈 역할을 하여 외부에서 작은 천정각으로 입사하는 중적외선을 초점에 위치한 상기 방사체로 모아줄 수 있다. 이때 상기 투과형 메타 렌즈는 일반적인 굴절률 기반 렌즈와 다르게 다중 초점을 갖도록 설계되어 하단의 상기 방사체가 넓은 면적을 가지더라도 효과적으로 복사열을 방출시킬 수 있도록 할 수 있다. 또한, 큰 천정각으로 입사하는 복사열은 상기 투과형 메타 렌즈에 흡수되거나; 반사, 혹은 투과되어도 방사체가 위치한 초점이 아닌 다른 위치로 복사열이 향하여 하단의 방사체에 도달하지 못하게 할 수 있다. 아울러, 상기 각도 제어기는 상기 반사형 메타 거울 및 상기 투과형 메타 렌즈를 모두 포함할 수 있으며, 이때 상기 투과형 메타 렌즈는 천정과 상기 방사체 사이에 위치하고, 상기 반사형 메타 거울은 상기 방사체와 지표면 사이에 위치할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 방사체는 다층 박막, 주기적 패턴 구조물을 포함하는 고분자층, 분산된 나노입자를 포함하는 고분자층, 메타물질 또는 메타 표면을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 방사체는 상기 복사냉각 디바이스에서 복사열을 방출하는 기능을 하며, 8 μm 내지 13 μm 파장 영역의 방사체 또는 중적외선 전체 영역의 방사체를 포함할 수 있다. 상기 나노입자는 나노입자, 마이크로 입자 또는 코어쉘 구조의 입자를 포함하는 것일 수 있다. 상기 방사체가 중적외선(복사열)을 반사하여 각도 제어 기능을 하는 경우에는 상기 방사체는 금속 또는 ITO를 포함하는 전도성 물질일 수 있으며, 상기 중적외선(복사열)을 투과하여 각도 제어 기능을 하는 경우에 상기 방사체는 고분자 물질; 유전체; 또는 도핑된 반도체일 수 있다. 구체적으로, 상기 유전체는 ZnS, ZnSe, BaF₂, CaF₂, MgF₂, NaCl, KBr, KCl, Ge, GaAs, Si 및 CdTe 중에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 방사체에서의 상기 고분자는 폴리디메틸실록산(Poly(dimethylsiloxane); PDMS), 폴리에틸렌(Polyethylene; PE), 폴리스티렌(Polystyrene, PS) 및 폴리프로필렌(Polypropylene; PP)으로 구성된 군에서 선택되는 1 종 이상일수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 각도 제어기는 상기 방사체의 면적이 커질수록 큰 면적을 갖는 것일 수 있다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 상기 각도 제어기의 형태 및 초점의 존재와 상기 초점에 상기 방사체가 위치하는 것의 중요성을 확인할 수 있다. 도 5a는 비교예를 나타내는 것으로서 하단부가 구형, 좌우측면부가 평면으로 구성된 콘 형태의 반사형 거울에서의 방사체에 흡수되는 복사열의 입사 및 방사 프로파일을 나타낸 것이다. 도 5b는 본원의 실시예에 따른 포물면 거울 형태의 각도 제어기에서의 방사체에 흡수되는 복사열의 입사 및 방사 프로파일을 나타낸 것이다. 또한, 방사체의 형태는 아래 반구 형태이다. 붉은색 선은 입사/방사되는 복사열의 루트로서 방사체의 표면에서 방사되는 복사열의 입체각을 달리하여 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 방사체에서 여러 입체각도에 따라 복사열 선의 루트를 시뮬레이션 하였을 때, 방사체로 흡수되는 복사열의 천정각 중 작은 천정각의 복사열의 비중은 방사체의 반지름 r과 방사체와 각도 제어기 사이의 거리(높이) H와 관계가 있다. r/H 비율이 낮을수록 작은 천정각의 복사열이 흡수되는 비중은 커지며, r이 커지더라도 H도 크게 해주어 r/H 비율을 일정하게 유지시켜준다면 작은 천정각의 복사열이 흡수되는 비중은 일정하다.

먼저, 도 5a 및 5b의 시뮬레이션 결과를 살펴보면 붉은색 선들의 분포를 통해, 콘 형태의 반사형 거울은 천정각이 작은 영역에서 입사하는 복사열과 큰 천정각에서 입사하는 복사열이 방사체에 흡수되는 비중이 골고루 분포된 것으로 확인되었다. 반면, 포물면 거울 각도 제어기도 천정각이 작은 영역에서 입사한 복사열과 천정각이 큰 영역에서 입사한 일부 복사열이 방사체로 흡수되는 것을 볼 수 있으나, 천정각이 큰 영역에서 입사한 일부 복사열은 각도제어기를 거치지 않고 흡수된 복사열이며 각도 제어기를 거쳐 방사체에 흡수된 복사열은 모두 천정각이 작은 영역으로 입사한 복사열인 것으로 확인되었다. 반대로, 방사체에서 방사되는 복사열에 대해서 살펴보더라도, 콘 형태의 반사형 거울에서는 방사체에서 방사된 복사열이 반사형 거울에 반사되어 다시 방사체로 향하는 선이 상당히 많은 것을 볼 수 있으므로, 방사 효율이 상당히 떨어질 것이라는 예측이 되는 반면, 포물면 거울 각도 제어기는 방사 각도에 관계없이 방사되는 거의 모든 복사열을 외부로 향하도록 할 수 있는 것임을 확인할 수 있었다.

그리고, r/H 비율에 따라 방사체에 흡수되는 복사열의 천정각과 그 비중을 확인할 수 있다. 구체적으로, 동일한 r/H 값에서 방사체에 흡수되는 복사열 선의 개수(빈도)를 계산하면, 천정각 영역 중에서 작은 천정각에서 입사한 복사열이 차지되는 비중을 나타낼 수 있다. 도 5c를 참조하면, 상기 도 5a 및 도 5b에서 수행한 시뮬레이션에서 동일한 r/H의 값에서의 방사체에 흡수되는 복사열에 대해, 천정각에 따라 그 복사열의 수를 분류함으로써 그것의 분포를 확인할 수 있다. r/H의 값을 0.1115로 하였을 때, 콘 형태의 반사형 거울에서는 천정각 각도에 관계없이 복사열 선의 빈도가 골고루 분포된 것으로 나타나, 작은 천정각에서 입사되어 반사형 거울을 통해 방사체에 흡수된 복사열의 비중이 큰 천정각에서 입사되어 반사형 거울을 통해 방사체에 흡수된 복사열의 비중과 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다. 반면, 포물면 거울 각도 제어기에서는 오로지 작은 천정각에서 복사열 선의 비중이 매우 크게 나타나, 작은 천정각에서 입사되어 각도 제어기에 의해 방사체에 흡수되는 복사열이 매우 큰 것을 확인할 수 있었다.

상기의 결과의 차이는 콘 형태의 반사형 거울은 면 전체에 대한 일률적인 초점이 형성되지 않는 결과로 인한 것으로, 각도 제어기 전체에 대한 초점의 형성이 중요함을 나타낸다. 이를 통해, 초점이 존재하는 각도 제어기를 포함하는 본원의 복사냉각 디바이스는 작은 천정각에서 입사하는 복사열을 선택적으로 방사체에 흡수되도록 하고, 동시에 방사체가 방사하는 복사열을 방사 각도에 관계없이 외부로 방사되도록 할 수 있는 것임을 확인하였으며, 종래의 복사냉각 디바이스보다 빠른 냉각 속도 및 낮은 냉각 온도를 구현할 수 있음을 확인하였다.

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.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 물체를 상기 방사체와 접하도록 하고, 상기 방사체가 방사하는 복사열에 의해 상기 물체가 냉각되도록 하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 복사냉각 디바이스는 상기 물체를 상기 방사체와 접하게 함으로써 에너지를 사용하지 않고도 반영구적인 냉각 기능을 구현할 수 있다. 특히, 도 4와 같이 상기 복사냉각 디바이스는 중적외선 방사체에 간단한 접시형 구조와 알루미늄 호일, 스티로폼 등의 부자재만 더하여 쉽고 저렴하게 복사냉각 시스템을 구현할 수 있으므로 개발도상국에서 무전력 냉동고 또는 무전력 냉방시스템으로 활용될 가능성이 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

각도 제어기 및 방사체를 포함하는, 복사냉각 디바이스로서,
상기 각도 제어기는 외부에서 입사하는 복사열이 입사 각도 영역에 따라 선택적으로 상기 방사체에 흡수되도록 하며, 상기 방사체가 방사하는 복사열이 방사 각도에 관계없이 방사되도록 하는,
복사냉각 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 각도 제어기는 입사하는 복사열을 입사 각도 영역에 선택적으로, 투과, 반사 및 흡수 중 하나 이상을 수행하고, 상기 방사체가 방사하는 복사열은 방사 각도에 관계없이 투과 또는 반사하여 외부로 전달하는 것인, 복사냉각 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 각도 제어기는 작은 천정각으로 입사하는 복사열을 상기 방사체로 투과 또는 반사하고, 큰 천정각으로 입사하는 복사열을 흡수 또는 상기 방사체가 위치하지 않는 방향으로 반사 또는 투과하는 것인, 복사냉각 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 각도 제어기는 상기 방사체가 방사하는 복사열을 작은 천정각으로 투과 또는 반사하는 것인, 복사냉각 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 각도 제어기는 작은 천정각 영역에서 입사한 복사열을 상기 각도 제어기의 위치에 관계없이 한 점으로 모이게 하며, 상기 한 점에 상기 방사체가 위치하는 것인, 복사냉각 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 복사냉각 디바이스는 천정각 0˚에서 90˚로 입사되는 복사열 중에서 상기 각도 제어기에 의해 상기 방사체로 흡수되는 복사열의 비율이 20˚ 이내에서 50% 이상, 35˚ 이내에서 75% 이상 또는 45˚ 이내에서 90% 이상인 것인, 복사냉각 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 방사체에서 방출되는 복사열 중 상기 각도 제어기에 반사 또는 투과 전의 입체각 영역을 A, 반사 또는 투과 후의 입체각 영역을 B라고 할 때, 상기 각도 제어기는 입체각 비율 B/A < 1로 외부로 방출되는 복사열의 입체각 영역을 줄이는 것인, 복사냉각 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 각도 제어기는 천정과 상기 방사체 사이, 상기 방사체와 지표면 사이 또는 이들 모두에 위치하는 것인, 복사냉각 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 각도 제어기는 볼록 렌즈, 오목 거울, 프레넬 렌즈, 메타 표면, 메타 거울 및 메타 렌즈 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 복사냉각 디바이스.
제 9 항에 있어서,
상기 방사체는 상기 각도 제어기의 초점에 위치하는 것인, 복사냉각 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 방사체는 다층 박막, 주기적 패턴 구조물을 포함하는 고분자층, 분산된 나노입자를 포함하는 고분자층, 메타물질 또는 메타 표면을 포함하는 것인, 복사냉각 디바이스.
제 1 항에 따른 복사냉각 디바이스를 이용한, 물체의 냉각 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 물체를 상기 방사체와 접하도록 하고, 상기 방사체가 방사하는 복사열에 의해 상기 물체가 냉각되도록 하는 것인, 물체의 냉각 방법.