KR20220124954A - Temperature sensitive and color expression smart radiative cooling device - Google Patents

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KR20220124954A
KR20220124954A KR1020210028714A KR20210028714A KR20220124954A KR 20220124954 A KR20220124954 A KR 20220124954A KR 1020210028714 A KR1020210028714 A KR 1020210028714A KR 20210028714 A KR20210028714 A KR 20210028714A KR 20220124954 A KR20220124954 A KR 20220124954A
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신종화
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Abstract

The present invention relates to a temperature sensitive and color type smart radiant cooling device, which uses nanofiber having a function of changing an expression color and a smart radiation cooling function of naturally controlling the cooling and heating according to external temperature, and a method for cooling or warming an object by using the temperature sensitive and color type smart radiant cooling device.

Description

온도 감응 및 색상형 스마트 복사냉각 디바이스{TEMPERATURE SENSITIVE AND COLOR EXPRESSION SMART RADIATIVE COOLING DEVICE}TEMPERATURE SENSITIVE AND COLOR EXPRESSION SMART RADIATIVE COOLING DEVICE

본원은, 외부 기온에 따라 냉난방을 자연적으로 조절하는 스마트 복사냉각 기능과 발현 색상이 변화하는 기능을 갖는 나노섬유를 이용한, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스, 및 상기 온도 감응형 스마트 복사냉각 디바이스를 이용한 물체의 냉각 또는 보온 방법에 관한 것이다.The present application provides a temperature-sensitive and color-type radiation cooling device, and the temperature-sensitive smart radiation cooling device, using a nanofiber having a smart radiation cooling function that naturally controls heating and cooling according to the external temperature and a function of changing the expression color. It relates to a method of cooling or warming an object used.

복사냉각 디바이스란 태양빛 아래에서도 외부 에너지의 유입없이 자가적으로 주변 기온보다 차가워지는 물질로서, 지구 온난화로 인하여 세계적으로 에너지의 수요량이 증가하고 있는 현실에서 에너지 소비없이 건물 또는 물건의 냉각 및 보온에 도움이 되는 상기 냉각 디바이스의 존재는 글로벌 에너지 산업에 큰 영향을 미칠 수 있다.A radiant cooling device is a material that cools itself down to the ambient temperature even under sunlight without external energy inflow. The presence of such cooling devices as helpful could have a major impact on the global energy industry.

복사냉각을 위해서는 높은 태양광 반사율이 중요하기 때문에 종래 기술의 복사냉각 소재는 대부분 100 nm 이상의 은 박막을 포함하도록 설계되었다. 이 경우 옷감으로의 활용이 어려워질 뿐만 아니라 은 거울의 특성상 강한 정반사로 인해 눈부심 등을 유발하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이를 피하기 위해 나노입자 등의 산란체를 활용한 복사냉각 소재가 연구되었지만 대부분 페인트 또는 에어로 젤 형태로 사용되어야 하므로, 상대적으로 내구도 및 유연성 등에서 보완될 점이 존재한다 (국제공개특허공보 WO2019/152952). 또한 외부 온도에 따른 냉난방의 스마트 전환이 가능한 산란형 구조는 드물기 때문에 산란체를 사용한 복사냉각 소재는 스마트 복사냉각 디바이스로 구현되기는 어려운 문제점이 있다.Because high solar reflectance is important for radiative cooling, most of the radiation cooling materials of the prior art are designed to include a silver thin film of 100 nm or more. In this case, not only is it difficult to use it as a fabric, but also a problem of causing glare due to strong specular reflection may occur due to the nature of the silver mirror. Therefore, to avoid this, radiation cooling materials using scatterers such as nanoparticles have been studied, but most of them must be used in the form of paint or airgel, so there are points to be complemented in relative durability and flexibility (International Patent Publication No. WO2019/152952) . In addition, there is a problem in that it is difficult to realize a radiation cooling material using a scattering body as a smart radiation cooling device because there are few scattering-type structures capable of smart switching of heating and cooling according to the external temperature.

본원은, 상기의 문제점을 해결하기 위해, 추가적인 산란체 없이도 외부 기온에 따라 자연적으로 냉난방이 가능하도록 하고, 동시에 발현 색상이 변화하는 나노섬유를 이용한 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스에 관한 것이다.In order to solve the above problems, the present application relates to a temperature-sensitive and color-type radiation cooling device using nanofibers that enable natural heating and cooling according to the external temperature without additional scatterers, and at the same time the expression color changes.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present application are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면은, 복사냉각 기능 및 색상 발현 기능을 갖는, 나노섬유가 함유된 나노섬유 구조체를 포함하는, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스를 제공한다.A first aspect of the present application provides a temperature-sensitive and color-type radiant cooling device, comprising a nanofiber-containing nanofiber structure, having a radiative cooling function and a color expression function.

본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스를 이용한, 물체를 냉각 또는 보온하는 방법을 제공한다.A second aspect of the present application provides a method for cooling or warming an object using the temperature-sensitive and color-type radiant cooling device according to the first aspect.

본원의 구현예들에 따른 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스는, 복사냉각 기능 및 색상 발현 기능을 갖는 섬유 구조체를 사용하여 추가적인 산란체를 사용하지 않고도 태양광을 산란시키고, 나노섬유 구조체의 두께 및 나노섬유의 부피율에 따라 중적외선을 투과 또는 흑체복사할 수 있으므로, 복사냉각 소재로 활용될 수 있는 특징이 있다.The temperature-sensitive and color-type radiation cooling device according to the embodiments of the present application scatters sunlight without using an additional scatterer by using a fiber structure having a radiation cooling function and a color expression function, and the thickness of the nanofiber structure and the According to the volume ratio of nanofibers, mid-infrared rays can be transmitted or blackbody radiation can be transmitted, so it can be used as a radiation cooling material.

본원의 구현예들에 따른 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스는 스마트 옷감 및 플렉시블 소재가 필요한 물 탱크, 건물, 자동차, 태양광 패널, 창문 등에 복사냉각 소재로 활용되어 복사냉각 기능을 구현할 수 있는 특징이 있다. 또한, 상기 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스는 나노섬유에 감온 안료를 포함함으로써 상기 스마트 옷감 및 상기 복사냉각 소재가 색상을 구현하도록 하여 심미적으로 보다 우수한 효과를 나타낼 수 있다.The temperature-sensitive and color-type radiation cooling device according to the embodiments of the present application can be used as a radiation cooling material for water tanks, buildings, automobiles, solar panels, windows, etc. that require smart cloth and flexible materials to implement a radiation cooling function. There is this. In addition, the temperature-sensitive and color-type radiation cooling device can exhibit a more aesthetically superior effect by including a thermal pigment in the nanofiber so that the smart cloth and the radiation-cooling material implement a color.

본원의 구현예들에 따른 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스는, 나노섬유에 외부 온도에 따라 색상이 변하는 감온 안료를 포함함으로써 외부 온도에 따라 색상이 변화와 함께 복사냉각 기능이 발휘되도록 하여 온도 감응형 스마트 복사냉각 소재로 활용될 수 있는 특징이 있다.The temperature-sensitive and color-type radiation cooling device according to the embodiments of the present application includes a temperature-sensitive pigment that changes color according to the external temperature in the nanofiber, so that the color changes according to the external temperature and the radiative cooling function is exhibited, so that the temperature-sensitive It has a characteristic that can be used as a type smart radiant cooling material.

도 1은, 복사냉각 디바이스의 구현 원리를 설명하기 위한 그래프로서, a) AM1.5 태양광 강도 스펙트럼; 및 b) 중적외선(MIR)에서의 대기 흡수율 스펙트럼을 나타낸다.
도 2a는, 폴리디메틸실록산(PDMS)의 중적외선 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 2b는, 폴리이미드(PI)의 중적외선 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 2c는, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)의 중적외선 굴절률을 나타내는 그래프이다.
도 3a는, 본원의 일 실시예에 있어서, PDMS 섬유를 포함하는 나노섬유 구조체(직물형)의 두께와 부피율(volume fraction)에 따른 평균 중적외선(8 μm 내지 13 μm) 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 3b는, 본원의 일 실시예에 있어서, PI 섬유를 포함하는 나노섬유 구조체(직물형)의 두께와 부피율(volume fraction)에 따른 평균 중적외선(8 μm 내지 13 μm) 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 3c는, 본원의 일 실시예에 있어서, PMMA 섬유를 포함하는 나노섬유 구조체(직물형)의 두께와 부피율(volume fraction)에 따른 평균 중적외선(8 μm 내지 13 μm) 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, PDMS 나노섬유의 반지름에 따른, a) 태양광 산란 효율 스펙트럼; 및 b) 중적외선 산란 효율 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, PMMA 나노섬유의 반지름에 따른, a) 태양광 산란 효율 스펙트럼; 및 b) 중적외선 산란 효율 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본원의 일 구현예에 있어서, 나노섬유의 부피율이 10% 이하로 형성되어 구현된 투과형 나노섬유 구조체를 나타내는 그림이다.
도 7은, 본원의 일 구현예에 있어서, 나노섬유의 부피율이 10% 초과로 형성되어 구현된 흡수/방사형 나노섬유 구조체를 나타내는 그림이다.
1 is a graph for explaining the principle of implementation of a radiative cooling device, a) AM1.5 solar intensity spectrum; and b) the atmospheric absorption spectrum in the mid-infrared (MIR).
2A is a graph showing the mid-infrared refractive index of polydimethylsiloxane (PDMS).
2B is a graph showing the mid-infrared refractive index of polyimide (PI).
2C is a graph showing the mid-infrared refractive index of polymethyl methacrylate (PMMA).
3a is a graph showing the average mid-infrared (8 μm to 13 μm) transmittance according to the thickness and volume fraction of the nanofiber structure (woven type) including the PDMS fiber in an embodiment of the present application .
3b is a graph showing the average mid-infrared (8 μm to 13 μm) transmittance according to the thickness and volume fraction of the nanofiber structure (woven type) including the PI fiber, in an embodiment of the present application .
3c is a graph showing the average mid-infrared (8 μm to 13 μm) transmittance according to the thickness and volume fraction of the nanofiber structure (woven type) including the PMMA fiber, in an embodiment of the present application .
Figure 4, in one embodiment of the present application, according to the radius of the PDMS nanofibers, a) sunlight scattering efficiency spectrum; and b) a graph showing the mid-infrared scattering efficiency spectrum.
Figure 5, in one embodiment of the present application, according to the radius of the PMMA nanofibers, a) sunlight scattering efficiency spectrum; and b) a graph showing the mid-infrared scattering efficiency spectrum.
6 is a diagram showing a transmissive nanofiber structure implemented by forming the volume ratio of nanofibers to be 10% or less in one embodiment of the present application.
7 is a diagram showing an absorption/radiation type nanofiber structure implemented by forming a volume ratio of nanofibers in excess of 10% in one embodiment of the present application.

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. Throughout this specification, when a part is “connected” with another part, it includes not only the case of “directly connected” but also the case of “electrically connected” with another element interposed therebetween. do.

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.Throughout this specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only a case in which a member is in contact with another member but also a case in which another member is present between the two members.

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. Throughout this specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. As used throughout this specification, the terms “about,” “substantially,” and the like are used in a sense at or close to the numerical value when the manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and are intended to enhance the understanding of the present application. To help, precise or absolute figures are used to prevent unfair use by unscrupulous infringers of the stated disclosure.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.As used throughout this specification, the term “step of (to)” or “step of” does not mean “step for”.

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.Throughout this specification, the term “combination(s)” included in the expression of the Markush form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush form, It means to include one or more selected from the group consisting of the above components.

본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.Throughout this specification, reference to “A and/or B” means “A or B, or A and B”.

본원 명세서 전체에서, "태양광"은 태양으로부터 유입되고, 자외선, 가시광 및 근적외선(0.3 μm 내지 4 μm)을 포함하는 전자기파를 의미한다.Throughout this specification, “sunlight” refers to electromagnetic waves that enter from the sun and include ultraviolet light, visible light, and near-infrared light (0.3 μm to 4 μm).

본원 명세서 전체에서, "중적외선(mid-IR; MIR)"은 상온의 물체가 흑체복사하는 적외선 중에서 대기가 흡수하지 못하는 8 μm 내지 13 μm의 파장의 전자기파를 의미한다.Throughout the present specification, "mid-IR (MIR)" refers to electromagnetic waves having a wavelength of 8 μm to 13 μm that the atmosphere does not absorb among infrared rays radiated by a black body by an object at room temperature.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments and examples of the present application will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present application may not be limited to these embodiments and examples and drawings.

본원의 제 1 측면은, 복사냉각 기능 및 색상 발현 기능을 갖는, 나노섬유가 함유된 나노섬유 구조체를 포함하는, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스를 제공한다.A first aspect of the present application provides a temperature-sensitive and color-type radiant cooling device, comprising a nanofiber-containing nanofiber structure, having a radiative cooling function and a color expression function.

도 1을 참고하여 설명하면, 복사냉각 기능은, 외부로부터 입사하는 태양광 사(300 nm 내지 4 μm)를 대부분 반사하고 중적외선 파장(8 μm 내지 13 μm)을 대부분 흡수 및 방사함으로써 자가적으로 냉각 기능을 구현할 수 있는 것을 말한다 (도 1의 a). 또한, 8 μm 내지 13 μm의 파장은 대기의 투과율이 높기 때문에 물체가 방사하는 중적외선 흑체복사파가 우주까지 도달할 수 있기 때문에 (도 1의 b), 온도가 2.73 K인 우주와 직접적으로 열교환을 함으로써 에너지 소모없이 물체를 냉각시킬 수 있다. 따라서, 상기 나노섬유 구조체의 복사냉각 기능은 상기 나노섬유 구조체가 외부로부터 태양광을 반사/산란하고, 중적외선에 투명하도록 설계됨(높은 투과율)으로써 구현될 수 있다. 또는 상기 나노섬유 구조체의 복사냉각 기능은 상기 나노섬유 구조체가 외부로부터 태양광을 반사/산란하고, 중적외선을 흡수 및 흑체복사하도록 설계됨(낮은 투과율)으로써 구현될 수 있다.Referring to FIG. 1, the radiative cooling function is self-reflecting most of the incident solar radiation (300 nm to 4 μm) and absorbing and emitting most of the mid-infrared wavelength (8 μm to 13 μm). It means that a cooling function can be implemented (FIG. 1a). In addition, since the wavelength of 8 μm to 13 μm has high atmospheric transmittance, the mid-infrared black body radiation emitted by the object can reach the universe (FIG. By doing this, the object can be cooled without energy consumption. Therefore, the radiation cooling function of the nanofiber structure can be implemented by designing the nanofiber structure to reflect/scatter sunlight from the outside and be transparent to mid-infrared rays (high transmittance). Alternatively, the radiation cooling function of the nanofiber structure may be implemented as the nanofiber structure is designed to reflect/scatter sunlight from the outside, absorb mid-infrared rays and radiate blackbody (low transmittance).

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노섬유 구조체는 상기 나노섬유를 포함하는 제 1 공간; 및 상기 제 1 공간 이외의 제 2 공간을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 공간은 공기 또는 진공을 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the nanofiber structure includes a first space including the nanofiber; and a second space other than the first space. Specifically, the second space may include air or vacuum.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노섬유는 감온 안료를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 감온 안료는 류코 염료(leuco dye)를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the nanofiber may include a thermosensitive pigment. Specifically, the thermal pigment may include a leuco dye.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노섬유 구조체는 직물형 또는 엉켜진 네트워크형인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노섬유 구조체는 수백 나노미터 지름의 나노섬유가 직물처럼 형성된 소재 또는 무작위적으로 엉켜진 형태일 수 있으며, 감온 안료가 첨가된 것일 수 있다. 따라서, 상기 나노섬유 구조체는 복사냉각 기능과 더불어 색상 발현 기능을 갖는 것일 수 있다. 상기 감온 안료의 첨가된 나노섬유는 전기방사 기술을 통해 제조될 수 있다.In one embodiment of the present application, the nanofiber structure may be a woven or tangled network type. Specifically, the nanofiber structure may be in the form of a material in which nanofibers of several hundred nanometers in diameter are formed like a fabric or in a randomly tangled form, and a thermal pigment may be added thereto. Accordingly, the nanofiber structure may have a color expression function as well as a radiative cooling function. The added nanofiber of the thermosensitive pigment may be prepared through electrospinning technology.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노섬유 구조체의 두께는 50 μm 내지 1000 μm인 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the thickness of the nanofiber structure may be 50 μm to 1000 μm.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노섬유의 반지름은 250 nm 내지 750 nm인 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the radius of the nanofiber may be 250 nm to 750 nm.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노섬유 구조체에 대한 상기 제 1 공간의 부피율(volume fraction)은 90% 이하인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노섬유 구조체에 대한 상기 제 1 공간의 부피율(volume fraction)은 90% 이하, 80% 이하, 5% 내지 90%, 5% 내지 80%, 5% 내지 70%, 5% 내지 10%, 30% 내지 90%, 30% 내지 80% 또는 30% 내지 70%인 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the volume fraction of the first space with respect to the nanofiber structure may be 90% or less. Specifically, the volume fraction of the first space for the nanofiber structure is 90% or less, 80% or less, 5% to 90%, 5% to 80%, 5% to 70%, 5% to It may be 10%, 30% to 90%, 30% to 80%, or 30% to 70%.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노섬유 구조체에 대한 상기 제 1 공간의 부피율이 10% 이하인 경우, 상기 나노섬유 구조체가 태양광을 반사 또는 산란하고, 중적외선을 투과하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노섬유 구조체에서 나노섬유의 부피율을 낮추거나, 상기 나노섬유 구조체의 두께를 얇게 하는 경우, 또는 둘 모두를 행하는 경우, 상기 나노섬유 구조체는 도 6의 투과형 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스로 구현될 수 있다. 1) 상기 나노섬유 구조체의 하부에 흑체가 없는 경우에 있어서, 1-1) 외부 기온이 고온인 경우, 상기 나노섬유 구조체는 태양광을 반사 또는 산란할 수 있으며 중적외선을 투과시켜 인체에 흡수 및 인체가 중적외선을 흑체복사하도록 할 수 있다. 이로써 상기 인체의 흑체복사를 통해 열을 우주로 전달하여 인체의 복사냉각이 구현될 수 있다. 1-2) 외부 기온이 저온인 경우, 상기 나노섬유 구조체의 감온 안료가 태양광을 일부 흡수하고, 상기 나노섬유 구조체가 중적외선을 투과될 수 있다. 이때, 일부 흡수된 태양광의 에너지가 인체의 흑체복사 에너지에 비해 현저히 크므로 상기 나노섬유 구조체의 온도가 올라갈 수 있어 열전도를 통해 인체를 보온할 수 있다. 2) 상기 나노섬유 구조체의 하부에 흑체가 존재하는 경우에 있어서, 2-1) 외부 기온이 고온인 경우, 상기 나노섬유 구조체는 태양광을 반사 또는 산란할 수 있으며 중적외선을 투과시켜 하부의 흑체에 흡수 및 흑체가 중적외선을 흑체복사하도록 할 수 있다. 이로써 상기 흑체가 흑체복사를 통해 냉각될 수 있으며, 인체와의 열전도를 통해 인체가 냉각되도록 할 수 있다. 2-2) 외부 기온이 저온인 경우, 상기 나노섬유 구조체의 감온 안료가 태양광을 일부 흡수하고, 나노섬유 구조체가 중적외선을 투과시킬 수 있다. 이때, 일부 흡수된 태양광의 에너지가 흑체의 흑체복사 에너지에 비해 현저히 크므로 상기 나노섬유 구조체의 온도가 올라갈 수 있어 열전도를 통해 인체를 보온할 수 있다.In one embodiment of the present application, when the volume ratio of the first space with respect to the nanofiber structure is 10% or less, the nanofiber structure may reflect or scatter sunlight and transmit mid-infrared rays. Specifically, when lowering the volume ratio of the nanofibers in the nanofiber structure, or thinning the thickness of the nanofiber structure, or both, the nanofiber structure is the transmission type temperature response and color radiation of FIG. It can be implemented as a cooling device. 1) In the case where there is no black body under the nanofiber structure, 1-1) when the external temperature is high, the nanofiber structure can reflect or scatter sunlight and transmit mid-infrared rays to absorb and The human body can cause mid-infrared radiation to blackbody. As a result, radiative cooling of the human body can be realized by transferring heat to space through the blackbody radiation of the human body. 1-2) When the external temperature is low, the thermal pigment of the nanofiber structure may partially absorb sunlight, and the nanofiber structure may transmit mid-infrared rays. At this time, since the energy of the partially absorbed sunlight is significantly larger than that of the black body radiation energy of the human body, the temperature of the nanofiber structure may rise, so that the human body can be kept warm through heat conduction. 2) In the case where a black body exists under the nanofiber structure, 2-1) when the external temperature is high, the nanofiber structure can reflect or scatter sunlight and transmit mid-infrared light to the lower black body It can absorb mid-infrared radiation from the black body and cause the black body to radiate it. Accordingly, the black body can be cooled through black body radiation, and the body can be cooled through heat conduction with the body. 2-2) When the external temperature is low, the thermal pigment of the nanofiber structure may partially absorb sunlight, and the nanofiber structure may transmit mid-infrared rays. At this time, since the energy of the partially absorbed sunlight is significantly larger than the black body radiation energy of the black body, the temperature of the nanofiber structure may rise, so that the human body can be kept warm through heat conduction.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노섬유 구조체에 대한 상기 제 1 공간의 부피율이 30% 내지 90%인 경우, 상기 나노섬유 구조체가 태양광을 반사 또는 산란하고, 중적외선을 흑체복사하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노섬유 구조체에서 나노섬유의 부피율을 높이거나, 상기 나노섬유 구조체의 두께를 두껍게 하는 경우, 또는 둘 모두를 행하는 경우, 상기 나노섬유 구조체는 도 7의 흡수/방사형 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스로 구현될 수 있다. 3) 상기 나노섬유 구조체의 하부에 흑체가 없는 경우에 있어서, 3-1) 외부 기온이 고온인 경우, 상기 나노섬유 구조체는 태양광을 반사 또는 산란할 수 있으며 중적외선을 흡수 및 흑체복사할 수 있다. 이로써 상기 나노섬유 구조체의 흑체복사를 통해 열을 우주로 전달하여 상기 나노섬유 구조체의 복사냉각이 구현되고, 이로써 상기 나노섬유 구조체의 온도가 내려갈 수 있으며, 인체와의 열전도를 통해 인체가 냉각되도록 할 수 있다. 3-2) 외부 기온이 저온인 경우, 상기 나노섬유 구조체의 감온 안료가 태양광을 일부 흡수하고, 나노섬유 구조체가 중적외선을 흡수 및 흑체복사할 수 있다. 이때, 일부 흡수된 태양광의 에너지가 상기 나노섬유 구조체의 흑체복사 에너지에 비해 현저히 크므로 상기 나노섬유 구조체의 온도가 올라갈 수 있어 열전도를 통해 인체를 보온할 수 있다. In one embodiment of the present application, when the volume ratio of the first space with respect to the nanofiber structure is 30% to 90%, the nanofiber structure reflects or scatters sunlight, and blackbody radiation of mid-infrared rays can Specifically, in the case of increasing the volume ratio of the nanofibers in the nanofiber structure, or thickening the thickness of the nanofiber structure, or both, the nanofiber structure is the absorption / radiation type temperature response and color of FIG. It can be implemented as a type radiative cooling device. 3) In the case where there is no blackbody under the nanofiber structure, 3-1) when the external temperature is high, the nanofiber structure can reflect or scatter sunlight and absorb mid-infrared rays and radiate the blackbody have. Thereby, radiative cooling of the nanofiber structure is realized by transferring heat to space through the blackbody radiation of the nanofiber structure, and thus the temperature of the nanofiber structure can be lowered, and the human body is cooled through heat conduction with the human body. can 3-2) When the external temperature is low, the thermal pigment of the nanofiber structure may partially absorb sunlight, and the nanofiber structure may absorb mid-infrared rays and blackbody radiation. At this time, since the energy of the partially absorbed sunlight is significantly greater than the black body radiation energy of the nanofiber structure, the temperature of the nanofiber structure may rise, so that the human body can be kept warm through heat conduction.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노섬유는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리이미드(Polyimide; PI), 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly methyl methacrylate; PMMA), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile; PAN), 폴리에스터, 나일론, 폴리에틸렌(Polyethylene; PE), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사 플루오로 프로필렌)(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene); PVdF-HFP) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노섬유는 기계적 강도가 크고 중적외선 파장에서 비교적 낮은 투과율을 갖는 것일 수 있다. 즉, 상기 나노섬유는 상기 부피율 10% 이하의 나노섬유 구조체에 비해 낮은 중적외선 투과율을 갖는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the nanofiber is polydimethylsiloxane (PDMS), polyimide (PI), poly methyl methacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN) ), polyester, nylon, polyethylene (PE), poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene); PVdF-HFP) may include. Specifically, the nanofiber may have high mechanical strength and relatively low transmittance in the mid-infrared wavelength. That is, the nanofiber may have a low mid-infrared transmittance compared to the nanofiber structure having a volume ratio of 10% or less.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드(PI) 및 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)의 세 종류 고분자의 굴절률 스펙트럼을 통해 중적외선 투과율을 확인할 수 있다. 세 고분자 모두의 굴절률의 허수부가 중적외선에서 큰 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 높은 중적외선 흡수율(낮은 투과율)을 갖는 것임을 확인할 수 있다. 다만, 상기 나노섬유 구조체는 나노섬유를 포함하는 제 1 공간 이외의 제 2 공간(공기 등)을 포함함으로써 중적외선에 대해 높은 투과율을 달성할 수 있다. 구체적으로, 상기 높은 투과율은 상기 나노섬유의 상기 나노섬유 구조체에 대해 부피율 10% 이하인 경우 달성될 수 있다. 특히, 상기 나노섬유 구조체가 성기게 얽힌 직물 구조인 경우, 나노섬유 구조체 전체 부피에 대해 제 2 공간이 차지하는 부피율이 크므로 같은 두께의 단순 박막과 비교할 때, 중적외선 투과율이 높아질 수 있다.Referring to FIGS. 2A to 2C , mid-infrared transmittance can be confirmed through refractive index spectra of three types of polymers: polydimethylsiloxane (PDMS), polyimide (PI), and polymethyl methacrylate (PMMA). It can be confirmed that the imaginary part of the refractive index of all three polymers is large in the mid-infrared rays, and through this, it can be confirmed that they have high mid-infrared absorption (low transmittance). However, the nanofiber structure can achieve high transmittance for mid-infrared rays by including a second space (air, etc.) other than the first space containing the nanofibers. Specifically, the high transmittance can be achieved when the volume ratio of the nanofiber to the nanofiber structure is 10% or less. In particular, when the nanofiber structure is a loosely entangled fabric structure, the volume ratio of the second space to the total volume of the nanofiber structure is large, so that the mid-infrared transmittance can be increased when compared to a simple thin film of the same thickness.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 나노섬유 구조체(직물형)의 두께와 나노섬유 구조체에 대한 제 1 공간(나노섬유)의 부피율(volume fraction)에 따른 중적외선 투과율을 확인할 수 있다 (밝은색으로 갈수록 투과율이 높음). 구체적으로, 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이미드(PI) 및 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)의 세 종류 고분자를 사용한 직물형 나노구조체에 있어서, a) 제 1 공간(나노섬유)의 부피율이 10% 이하인 경우에는 대부분의 직물 두께에서 투과율 50% 이상의 높은 투과율이 나타남을 확인할 수 있다. 또한, 일반적인 직물의 두께의 하한이 200 μm 정도인 것을 감안하면, 해당 두께에서 부피율 약 10% 이하인 경우에는 매우 높은 중적외선 투과율이 나타남을 확인할 수 있다. 상기의 높은 투과율은 나노섬유 주위 모든 방향으로 지름의 약 2.6 배만큼의 공간만 있어도 충족되는 것이므로 전기방사를 통해 나노섬유의 지름을 감소시킬 경우 복사냉각 소재로서 활용되기에 충분한 가능성이 확보될 수 있음을 의미한다. 한편, b) 제 1 공간(나노섬유)의 부피율이 30% 내지 90%인 경우에는, 나노섬유 구조체의 두께 200 μm 이상의 대부분의 직물 두께에서 투과율 30% 이하의 낮은 투과율이 나타남을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 3A to 3C , the mid-infrared transmittance according to the thickness of the nanofiber structure (fabric type) and the volume fraction of the first space (nanofiber) for the nanofiber structure can be confirmed (bright color) the higher the transmittance). Specifically, in a fabric-type nanostructure using three types of polymers: polydimethylsiloxane (PDMS), polyimide (PI) and polymethyl methacrylate (PMMA), a) the volume ratio of the first space (nanofiber) is In the case of 10% or less, it can be seen that a high transmittance of 50% or more appears in most fabric thicknesses. In addition, considering that the lower limit of the thickness of a typical fabric is about 200 μm, it can be confirmed that a very high mid-infrared transmittance appears when the volume ratio is about 10% or less at the thickness. The above high transmittance is satisfied even if there is only about 2.6 times the diameter in all directions around the nanofiber, so if the diameter of the nanofiber is reduced through electrospinning, sufficient possibility to be used as a radiation cooling material can be secured. means On the other hand, b) when the volume ratio of the first space (nanofibers) is 30% to 90%, it can be confirmed that the low transmittance of 30% or less of transmittance is shown in most fabric thicknesses of 200 μm or more in the thickness of the nanofiber structure. .

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 나노섬유의 산란 효율 스펙트럼을 통해 태양광 반사율을 확인할 수 있다. 구체적으로, 나노섬유의 반지름이 약 5 nm 내지 1 μm인 경우 태양광 영역의 파장에 대해 산란 효율이 높으며 중적외선에 대해서는 낮은 산란 효율을 나타낼 수 있다. 특히, 나노섬유의 반지름이 약 250 nm 내지 750 nm인 경우에는 산란 효율 스펙트럼의 최고점이 약 400 nm 내지 1 μm의 파장에 들어올 수 있다. 태양광 복사가 상기 400 nm 내지 1 μm 파장대역에서 가장 강하기 때문에 상기의 반지름을 가진 상기 나노섬유는 태양광 산란에 아주 효과적임을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 4 and 5 , the reflectance of sunlight can be confirmed through the scattering efficiency spectrum of the nanofiber. Specifically, when the radius of the nanofiber is about 5 nm to 1 μm, the scattering efficiency is high for the wavelength of the solar region and the scattering efficiency is low for the mid-infrared rays. In particular, when the radius of the nanofiber is about 250 nm to 750 nm, the highest point of the scattering efficiency spectrum may enter a wavelength of about 400 nm to 1 μm. Since solar radiation is strongest in the wavelength band of 400 nm to 1 μm, it can be confirmed that the nanofiber having the above radius is very effective in scattering sunlight.

본원의 일 구현예에 있어서, 본원의 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스는 흑체복사체를 추가 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 본원의 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스는 흑체복사체 없이 사용될 수 있거나 흑체복사체를 추가 포함할 수 있다. 상기 흑체복사체를 포함하지 않는 경우에는 상기 나노섬유의 부피율 10% 이하의 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스는 스마트 옷감으로 활용될 수 있으며, 이때 인체가 중적외선 흡수 및 방사체 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 흑체복사체를 포함하지 않는 경우에 있어서, 상기 나노섬유의 부피율 30% 내지 90%의 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스는, 그 자체가 중적외선 흡수 및 방사체 역할을 할 수 있으므로, 스마트 옷감으로 활용될 수 있다. 그리고, 상기 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스는 그 자체로서 색상을 발현할 수 있으므로 스마트 옷감으로 사용될 경우 디자인 측면에서 활용도가 높다. 아울러, 상기 흑체복사체를 포함하는 경우에는 상기 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스는 플렉시블한 소재가 필요한 곳에서 복사냉각 소재로 활용될 수 있다. 구체적으로, 플렉시블 소재가 필요한 물 탱크, 건물, 자동차, 태양광 패널, 창문 등에 상기 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스가 사용되어 복사냉각 성능과 함께 색상을 발현할 수 있다.In one embodiment of the present application, the temperature-sensitive and color-type radiation cooling device of the present application may further include a blackbody radiator. Specifically, the temperature sensitive and chromatic radiative cooling device of the present disclosure may be used without a blackbody radiator or may further include a blackbody radiator. When the blackbody radiator is not included, the temperature-sensitive and color-type radiation cooling device having a volume ratio of 10% or less of the nanofiber can be used as a smart cloth, and in this case, the human body can act as a mid-infrared absorber and emitter. In addition, in the case of not including the blackbody radiator, the temperature-sensitive and color-type radiation cooling device having a volume ratio of 30% to 90% of the nanofiber itself can act as a mid-infrared absorber and emitter, so that the smart It can be used as a fabric. In addition, since the temperature-sensitive and color-type radiation cooling device can express color by itself, when used as a smart cloth, it has high utility in terms of design. In addition, when the blackbody radiator is included, the temperature-sensitive and color-type radiation cooling device can be utilized as a radiation cooling material where a flexible material is required. Specifically, the temperature-sensitive and color-type radiant cooling device is used in water tanks, buildings, automobiles, solar panels, windows, etc. that require flexible materials to express colors along with radiative cooling performance.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 나노섬유는 외부 온도에 따라 색상이 변하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 나노섬유는 감온 안료를 포함하는 것일 수 있으며, 이때 상기 감온 안료는 류코 염료(leuco dye)를 포함하는 것일 수 있다. 상기 감온 안료는 외부 온도에 따라 가역적으로 색상 발현과 투명화 상태를 오갈 수 있는 것으로서, 외부 온도에 따라 감온 안료의 고분자 복합체가 생성과 분해를 반복하여 색상을 발현이 조절될 수 있다. 또한, 본원에 따른 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스는 저온에서 색상이 나타나고 고온에서는 투명한 감온 안료를 사용하여 온도 감응 스마트 구동이 구현화 될 수 있다. 구체적으로, 상기 감온 안료가 가시광(태양광) 일부를 흡수하여 색상을 발현하는 경우(저온), 상기 나노섬유의 온도가 상승하여 인체의 보온 기능을 구현될 수 있으며, 고온에서는 가시광(태양광)의 반사 또는 산란으로 인해 상기 감온 안료가 다시 투명하게 되어 상기 나노섬유로 인해 흰색을 발현하게 되므로, 상기 감온 안료가 첨가된 나노섬유는 복사냉각 기능을 발현할 수 있다. In one embodiment of the present application, the nanofiber may change color depending on the external temperature. Specifically, the nanofiber may include a thermal pigment, and in this case, the thermal pigment may include a leuco dye. The thermal pigment can reversibly switch between color expression and transparent state depending on the external temperature, and the color expression can be controlled by repeating generation and decomposition of the polymer complex of the thermal pigment according to the external temperature. In addition, the temperature-sensitive and color-type radiation cooling device according to the present application can be implemented with temperature-sensitive smart driving by using a temperature-sensitive pigment that shows color at low temperatures and is transparent at high temperatures. Specifically, when the thermal pigment absorbs a portion of visible light (sunlight) to express color (at low temperature), the temperature of the nanofiber increases to realize a thermal insulation function of the human body, and at high temperature, visible light (sunlight) Since the thermal pigment becomes transparent again due to reflection or scattering of the nanofibers to express white color, the nanofibers to which the thermal pigment is added may exhibit a radiative cooling function.

본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스를 이용한, 물체를 냉각 또는 보온하는 방법을 제공한다. A second aspect of the present application provides a method for cooling or warming an object using the temperature-sensitive and color-type radiant cooling device according to the first aspect.

제 1 측면 및 제 2 측면에 있어서, 서로 공통될 수 있는 내용은 그 기재가 생략되었더라도 모두 적용될 수 있다.In the first aspect and the second aspect, content that may be common to each other may be applied even if the description thereof is omitted.

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.The foregoing description of the present application is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present application pertains will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may also be implemented in a combined form.

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.The scope of the present application is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present application.

Claims (15)

복사냉각 기능 및 색상 발현 기능을 갖는, 나노섬유가 함유된 나노섬유 구조체
를 포함하는, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
Nanofiber structure containing nanofibers with radiation cooling function and color expression function
A temperature-sensitive and color-type radiant cooling device comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유 구조체는 상기 나노섬유를 포함하는 제 1 공간; 및
상기 제 1 공간 이외의 제 2 공간을 포함하는 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
The method of claim 1,
The nanofiber structure may include: a first space including the nanofiber; and
and a second space other than the first space.
제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유는 감온 안료를 포함하는 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
The method of claim 1,
Wherein the nanofiber comprises a thermosensitive pigment, a temperature-sensitive and color-type radiation cooling device.
제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유 구조체의 두께는 50 μm 내지 1000 μm인 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
The method of claim 1,
The nanofiber structure has a thickness of 50 μm to 1000 μm, a temperature-sensitive and color-type radiation cooling device.
제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유의 반지름은 250 nm 내지 750 nm인 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
The method of claim 1,
The nanofiber has a radius of 250 nm to 750 nm, a temperature-sensitive and color-type radiation cooling device.
제 2 항에 있어서,
상기 나노섬유 구조체에 대한 상기 제 1 공간의 부피율(volume fraction)은 90% 이하인 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
3. The method of claim 2,
wherein the volume fraction of the first space for the nanofiber structure is less than or equal to 90%.
제 6 항에 있어서,
상기 나노섬유 구조체에 대한 상기 제 1 공간의 부피율이 10% 이하인 경우, 상기 나노섬유 구조체가 태양광을 반사 또는 산란하고, 중적외선을 투과하는 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
7. The method of claim 6,
When the volume ratio of the first space with respect to the nanofiber structure is 10% or less, the nanofiber structure reflects or scatters sunlight and transmits mid-infrared rays, a temperature-sensitive and color-type radiation cooling device.
제 6 항에 있어서,
상기 나노섬유 구조체에 대한 상기 제 1 공간의 부피율이 30% 내지 90%인 경우, 상기 나노섬유 구조체가 태양광을 반사 또는 산란하고, 중적외선을 흑체복사하는 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
7. The method of claim 6,
When the volume ratio of the first space with respect to the nanofiber structure is 30% to 90%, the nanofiber structure reflects or scatters sunlight, and black body radiation of mid-infrared radiation, temperature-sensitive and color-type radiation cooling device.
제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유 구조체는 직물형 또는 엉켜진 네트워크형인 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
The method of claim 1,
The nanofiber structure is a fabric-type or tangled network type, temperature-sensitive and color-type radiation cooling device.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 공간은 공기 또는 진공을 포함하는 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
3. The method of claim 2,
wherein the second space comprises air or vacuum.
제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리이미드(Polyimide; PI), 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly methyl methacrylate; PMMA), 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile; PAN), 폴리에스터, 나일론, 폴리에틸렌(Polyethylene; PE), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사 플루오로 프로필렌)(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene); PVdF-HFP) 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
The method of claim 1,
The nanofiber is polydimethylsiloxane (PDMS), polyimide (PI), poly methyl methacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), polyester, nylon, polyethylene Temperature-sensitive and Color radiant cooling device.
제 3 항에 있어서,
상기 감온 안료는 류코 염료(leuco dye)를 포함하는 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
4. The method of claim 3,
wherein the thermal pigment comprises a leuco dye.
제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유 구조체의 하부에 흑체복사체를 추가 포함하는, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
The method of claim 1,
A temperature-sensitive and color-type radiation cooling device further comprising a black body radiator under the nanofiber structure.
제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유는 외부 온도에 따라 색상이 변하는 것인, 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스.
The method of claim 1,
The nanofiber will change color depending on the external temperature, temperature-sensitive and color-type radiation cooling device.
제 1 항에 따른 온도 감응 및 색상형 복사냉각 디바이스를 이용한, 물체를 냉각 또는 보온하는 방법. A method of cooling or warming an object using the temperature-sensitive and color-type radiant cooling device according to claim 1 .
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