KR20230103534A - 냉각 적층체 및 냉각 필름 - Google Patents

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Abstract

구현예들에 따른 냉각 적층체는 열전도율이 0.7 W/mK 이상인 하부층 및 하부층 상에 배치되며 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상인 상부층을 포함하며, 상부층은 무기물로 형성됨으로써, 냉각 특성이 우수하다.

Description

냉각 적층체 및 냉각 필름{COOLING STUCTURE AND COOLING FILM}
본 발명은 냉각 적층체 및 냉각 필름에 관한 것이다. 구체적으로는, 적외선 대기의 창 대역의 파장을 방사하는 냉각 적층체 및 냉각 필름에 관한 것이다.
현존하는 냉각 시스템의 연료 고갈, 환경 문제에 대한 인식이 높아짐에 따라, 이를 해결할 새로운 냉각 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 수동 복사 냉각 구조는 석유와 석탄과 같은 화석연료를 사용하지 않고 외부 전원 공급 없이 발열 제품 또는 빌딩이나 플랜트 등의 온도를 낮추는 특성을 가져, 초절전 및 친환경 기술로서 주목받고 있다. 최근에는 야간뿐만 아니라 주간 및 야간에도 범용적으로 사용할 수 있는 수동형 복사 냉각 구조에 대한 연구가 미국, 유럽 등의 선진국에서 활발히 진행되고 있다.
그러나 기존의 수동 복사 냉각 구조 또는 수동 복사 냉각 구조에 포함된 방출기(emitter)는 태양광 흡수가 높기 때문에, 높은 태양광 반사 및 선택적 방사(radiation)의 특성을 동시에 만족하는 것에 많은 어려움을 겪고 있다. 또한, 상기 두 특성을 동시에 만족하기 위해 패터닝 등의 복잡한 공정이 사용되어, 대면적 공정에 불리한 점이 존재한다.
본 발명의 일 목적은 우수한 냉각 특성을 갖는 냉각 적층체를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은 우수한 냉각 특성을 갖는 냉각 필름을 제공하는 것이다.
구현예들에 따른 냉각 적층체는 열전도율이 0.7 W/mK 이상인 하부층; 및 상기 하부층 상에 배치되며 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상인 상부층을 포함하며, 상기 상부층은 무기물로 형성된다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 냉각 적층체의 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율은 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상일 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 상부층은 적어도 2 개의 무기물층을 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 무기물층은 금속층 또는 세라믹 물질층을 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 하부층은 무기 열전도 물질을 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 하부층은 상기 열전도 물질로 구성된 층 또는 고분자 매트릭스 내에 상기 무기 열전도 물질이 분산된 복합층을 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 하부층의 고분자 매트릭스는 실록산계 수지, 우레탄계 수지, 불화비닐계 수지, 에스테르계 수지, 염화비닐계 수지, 아크릴계 수지, 에테르계 수지, 카보네이트계 수지, 에틸렌계 수지 및 에폭시계 수지로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 하부층은 태양광 반사율이 80% 이상일 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 상부층은 적외선 대기의 창 대역 중 단파장에 대하여 높은 방사율을 갖는 제1 단위 방사층 및 장파장에 대하여 높은 방사율을 갖는 제2 단위 방사층을 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 상부층의 두께는 5 μm 이하일 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 하부층은 피냉각체와 접촉할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 피냉각체는 옥외 구조물 및 운송 수단을 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 하부층 및 상기 상부층 사이에 금속 코팅층을 더 포함할 수 있다.
구현예들에 따른 냉각 필름은 열전도율이 0.7 W/mK 이상인 하부층; 및 상기 하부층 상에 배치되며 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상인 상부층을 포함하며, 상기 상부층은 무기물로 형성된다.
구현예들에 따른 냉각 적층체는 태양광을 반사하고 열전도율이 높은 하부층과 적외선 대기의 창 대역의 파장의 전자기파에 대하여 선택적으로 우수한 방사율을 갖는 무기 상부층이 적층되어 피냉각체의 온도를 추가적인 에너지 투입 없이 효과적으로 저하시킬 수 있다.
구현예들에 따르면, 무기 상부층의 온도가 적외선 복사에 의해 저하되어 상대적으로 온도가 높은 하부층으로부터 상부층으로 향하는 열에너지 방출 경로가 형성될 수 있다. 이에 따라, 피냉각체의 열이 냉각 적층체를 거쳐 외부로 효과적으로 방출될 수 있다.
도 1은 예시적인 구현예들에 따른 냉각 적층체의 개략적인 단면도이다.
도 2는 예시적인 구현예들에 따른 냉각 적층체의 개략적인 단면도이다.
도 3은 예시적인 구현예들에 따른 냉각 적층체의 개략적인 단면도이다.
도 4는 일부 구현예들에 따른 상부층의 방사율(emissivity)을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 구현예들은 열전도율이 0.7 W/mK 이상인 하부층 및 하부층 상에 배치되며 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상인 상부층을 포함하며, 상부층은 무기물로 형성되어, 우수한 방열 성능 및 냉각 성능을 갖는 냉각 적층체 및 냉각 필름을 제공한다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 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. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
도 1은 예시적인 구현예들에 따른 냉각 적층체의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참고하면, 냉각 적층체(100)는 하부층(110) 및 상부층(120)을 포함한다.
하부층(110)은 냉각 적층체(100)의 최하층으로 제공될 수 있다. 하부층(110)의 저면은 냉각 적층체(100)의 저면으로 제공될 수 있다. 하부층(110)은 피냉각체(200)와 직접 접촉할 수 있으며, 일부 구현예들에 있어서, 하부층(110)은 점접착층을 통해 피냉각체(200)와 접촉할 수도 있다.
하부층(110)은 열전도율이 0.7 W/mK 이상이다. 하부층(110)은 피냉각체(200)와 직·간접적으로 접촉하여 피냉각체(200)의 열 에너지를 높은 효율로 전달받을 수 있다. 하부층(110)은 전달받은 열 에너지를 온도가 상대적으로 낮은 상부층(120)에 전달할 수 있으며, 이를 통해 피냉각체(200)로부터 하부층(110)을 거쳐 상부층(120)으로 향하는 열 에너지 방출 경로를 형성할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 하부층(110)의 열전도율은 0.8 W/mK 이상, 0.9 W/mK 이상, 1.0 W/mK 이상, 1.1 W/mK 이상, 1.2 W/mK 이상, 1.3 W/mK 이상 또는 1.4 W/mK 이상일 수 있다. 이 경우, 냉각 적층체(100)의 방열 및 냉각 특성이 향상될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 하부층(110)은 열전도 물질을 포함할 수 있다. 예들 들면, 하부층(110)은 열전도 물질로 형성되거나, 고분자 매트릭스 내에 상기 열전도 물질이 분산된 것일 수 있다. 상기 열전도 물질은 우수한 열전도성을 갖는 통상의 열전도성 필러를 비제한적으로 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 고분자 매트릭스는 실록산계 수지, 우레탄계 수지, 불화비닐계 수지, 에스테르계 수지, 염화비닐계 수지, 아크릴계 수지, 에테르계 수지, 카보네이트계 수지, 에틸렌계 수지 및 에폭시계 수지로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 고분자 매트릭스는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 디펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트(DPHA), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리부틸 메타크릴레이트(PBMA), 퍼플루오로폴리에테르(PFPE), 폴리카보네이트(PC) 폴리에틸렌(PE) 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 고분자 매트릭스는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함할 수 있으며, 이 경우, 제조 비용이 감소하면서도, 우수한 유연성과 냉각 특성을 갖는 냉각 적층체(100)를 구현할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 열전도 물질은 무기 열전도 물질을 포함할 수 있다. 상기 무기 열전도 물질은 2차원 열전도 물질을 포함할 수 있다. 상기 2차원 열전도 물질은 그래핀(graphene)과 같이 층상의 결정 구조를 갖는 물질이 단일 층 또는 적은 개수(예를 들면, 10개 이하)의 적층으로 형성된 물질으로서, 예를 들면, 두께가 옴스트롱(Å) 스케일 내지 수십 나노미터(nm) 스케일인 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 2차원 열전도 물질은 그래핀, 2차원 질화붕소(Boron nitride; BN) 및 전이금속 디칼코게나이드(MC2, M은 전이금속, C는 S, Se 등의 칼코겐)로 구성된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 열전도 물질의 입자 크기는 0.05 내지 5 μm, 0.05 내지 3 μm, 0.05 내지 2 μm, 0.05 내지 1 μm, 0.1 내지 5 μm, 0.1 내지 3 μm, 0.1 내지 2 μm, 0.1 내지 1 μm, 0.3 내지 5 μm, 0.3 내지 3 μm, 0.3 내지 2 μm, 0.3 내지 1 μm, 0.5 내지 5 μm, 0.5 내지 3 μm, 0.5 내지 2 μm 또는 0.5 내지 1 μm일 수 있다. 이 경우, 하부층(110)의 열전도율이 향상될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 열전도 물질은 2차원 질화붕소를 포함할 수 있으며, 2차원 질화붕소는 후방 산란을 통해 상부층(120)을 통과한 입사광을 효과적으로 냉각 적층체(100)의 외부 방향으로 반사할 수 있으며, 하부층(110) 내에서 상기 2차원 질화붕소 입자들이 서로 직·간접적으로 연결된 3차원 열전달 네트워크 구조를 형성함으로써, 전기 절연성이면서도 열전도도가 높은 하부층(110) 및 냉각 적층체(100)를 형성할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 하부층(110)은 상기 고분자 매트릭스 내에 상기 열전도 물질이 0.1 내지 40 중량% 포함된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 열전도 물질은 하부층(110)의 총 중량에 대하여 0.1 내지 20 중량%, 0.1 내지 15 중량%, 0.1 내지 10 중량%, 0.1 내지 5 중량%, 0.5 내지 40 중량%, 0.5 내지 20 중량%, 0.5 내지 15 중량%, 0.5 내지 10 중량%, 0.5 내지 5 중량%, 1 내지 40 중량%, 1 내지 20 중량%, 1 내지 15 중량%, 1 내지 10 중량% 또는 1 내지 5 중량%으로 포함될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 하부층(110)은 적외광에 대하여 높은 반사율을 가질 수 있다. 예를 들면, 하부층(110)은 적외선 대역의 파장에 대한 반사율이 70% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 97% 이상 또는 98% 이상일 수 있다. 이 경우, 상부층(120)을 통과하거나 상부층(120)에서 방출된 적외광이 하부층(110)에서 반사되어 피냉각체(200)에 흡수되지 않고 외부로 방출될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 하부층(110)의 두께는 50 내지 200 μm일 수 있다. 이 경우, 냉각 특성 및 유연성이 함께 향상된 냉각 적층체(100)가 구현될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 하부층(110)은 가시광에 대하여 높은 투과율을 가지는 투명층으로 제공될 수 있다. 이 경우, 유리 등에 적용될 때, 투명성이 유지되는 냉각 구조체(100)가 제공될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 하부층(110)은 태양광 반사율이 80% 이상일 수 있다. 상기 태양광 반사율은 근자외광, 가시광, 적외광 등을 포함하는 태양광 파장 대역의 전자기파에 대한 평균 반사율 또는 최저 반사율을 의미할 수 있다. 이에 따라, 냉각 적층체(100)의 외부로부터 입사하는 태양광이 하부층(110)에서 반사되어, 하부층(110)의 하부에 배치되는 피냉각체(200)의 온도가 태양광에 의해 증가하는 것이 방지될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 하부층(110)의 태양광 반사율은 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상 또는 98% 이상일 수 있다. 이 경우, 냉각 적층체(100)의 냉각 특성이 향상될 수 있다.
상부층(120)은 하부층(110) 상에 배치된다. 예를 들면, 상부층(120)은 하부층(110)에 직접 접촉하여 형성될 수 있으며, 상부층(120)과 하부층(110) 사이에 추가 층이 개재될 수도 있다.
상부층(120)은 하부층(110)의 상면을 적어도 부분적으로 덮을 수 있다. 일부 구현예들에 있어서, 상부층(120)은 하부층(110)의 상면을 전체적으로 덮을 수 있으며, 하부층(110)과 동일한 면적으로 중첩될 수 있다.
상부층(120)은 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상이다. 상기 적외선 대기의 창 대역은 대기를 구성하는 물, 이산화탄소 등에 의한 적외선 흡수가 적은 파장 대역으로서, 예를 들면, 6 내지 15 μm, 6 내지 14 μm, 6 내지 13 μm, 7 내지 15 μm, 7 내지 14 μm, 7 내지 13 μm, 8 내지 15 μm, 8 내지 14 μm 또는 8 내지 13 μm의 적외선 파장 대역을 포함할 수 있다.
상기 주변 대역은 상기 적외선 대기의 창 대역보다 파장이 짧은 단파장 대역과 파장이 긴 장파장 대역을 포함한다. 상기 단파장 대역은 예를 들면, 6 μm 미만, 7 μm 미만 또는 8 μm 미만의 파장 대역을 포함할 수 있으며, 상기 장파장 대역은 13 μm 초과, 14 μm 초과 또는 15 μm 초과의 파장 대역을 포함할 수 있다. 상기 주변 대역에서는 대기 구성 성분에 의한 복사 에너지의 흡수 및 재복사·재방사가 일어날 수 있다.
비교예에 있어서, 상부층이 대기의 창 주변 대역의 파장에 대하여도 높은 방사율을 가질 경우, 방사된 전자기파(예를 들면, 적외선)가 냉각 적층체 주변을 둘러싼 대기에 흡수될 수 있으며, 주변 대기의 온도가 상승함에 따라 냉각 적층체의 열 방출이 억제되어 수동 냉각의 효율이 저하될 수 있다. 또한, 대기에 흡수된 전자기파가 다시 외부로 방출되면서 냉각 적층체 및 피냉각체로 재입사할 수 있으며, 이에 따라 냉각 적층체의 냉각 성능이 저하될 수 있다.
구현예들에 따른 상부층(120)은 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상으로서, 피냉각체(200) 및 하부층(110)으로부터 전달된 열 에너지를 대기의 창 대역의 파장의 적외선으로 선택적으로 방사하여 주변 대기에서의 흡수 및 재방사 없이 방출할 수 있으며, 이에 따라 우수한 방열 및 냉각 성능을 가질 수 있다. 일부 구현예들에 있어서, 상부층(120)은 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4.5 배 이상 또는 5 배 이상일 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상부층(120)은 상기 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 95% 이상, 97% 이상 또는 98% 이상일 수 있다. 또한, 상부층(120)은 상기 주변 대역의 파장에 대한 방사율이 30% 이하, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하 또는 5% 이하일 수 있다. 이 경우, 냉각 적층체(100)의 냉각 특성이 향상될 수 있다. 상기 방사율은 해당 파장 대역에서의 평균 방사율 또는 최저 방사율을 의미할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상부층(120)은 가시광을 투과시킬 수 있다. 예를 들면, 상부층(120)은 가시광 대역의 파장에 대하여 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상의 투과율을 가질 수 있다.
상부층(120)은 무기물로 형성된다. 예를 들면, 상부층(120)은 무기물로 형성된 단일 층 또는 서로 다른 무기물로 형성된 단위 층들의 적층 구조를 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 무기물층은 금속, 준금속(metalloid), 이들의 산화물, 질화물 또는 산질화물(oxynitride)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 무기물층은 금속, 준금속, 이들의 산화물 또는 질화물로 형성될 수 있다. 상기 금속 및 준금속은 예를 들면, Ag, Mg, Al, Au 및 Ge 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
비교예에 있어서, 고분자 수지 등의 유기 물질로 형성된 적외선 방사층은 적외선 대기의 창 대역 주변 대역에 대하여도 예를 들면, 50% 이상의 높은 방사율을 가질 수 있다.
구현예들에 따른 상부층(120)은 무기물로 형성됨에 따라 적외광 중 대기의 창 대역의 파장에 대하여만 선택적으로 방사 특성을 가질 수 있다. 구체적으로, 상부층은 무기물로 구성될 수 있으며, 유기 물질을 포함하지 않을 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상부층(120)은 가시광에 대한 투과율이 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상일 수 있다. 이 경우, 투명한 냉각 적층체(100)가 제공될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상부층(120)의 두께는 5 μm 이하일 수 있다. 이 경우, 냉각 적층체(100)의 투명성 및 유연성이 향상될 수 있다. 바람직하게는, 상부층(120)의 두께는 4 μm 이하, 3 μm 이하 또는 2 μm 이하일 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 냉각 적층체(100)는 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율은 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상, 4.5 배 이상 또는 5 배 이상일 수 있다. 예를 들면, 냉각 적층체(100)는 상부층(120)과 하부층(110)이 적층된 상태에서도 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상일 수 있다. 이 경우, 대기의 창 대역의 선택적 적외선 복사에 의해 냉각 적층체(100)의 냉각 특성이 향상될 수 있다.
도 2는 예시적인 구현예들에 따른 냉각 적층체의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참고로 설명한 구성과 실질적으로 동일한 구성에 대한 설명은 생략될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상부층(121)은 적어도 2개의 서로 다른 무기물층(1211, 1213, 1215)을 포함할 수 있다. 무기물층(1211, 1213, 1215)은 금속층 또는 세라믹 물질층을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 물질층은 적외선 대기의 창 대역 중 단파장에 대하여 높은 방사율을 갖는 제1 단위 방사층 및 장파장에 대하여 높은 방사율을 갖는 제2 단위 방사층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 단위 방사층은 파장이 10 μm 이하인 단파장 적외선에 대하여 높은 방사율(예를 들면, 80% 이상)을 가질 수 있으며, 제2 단위 방사층은 파장이 10 μm 초과인 장파장 적외선에 대하여 높은 방사율을 가질 수 있다. 이 경우, 좁은 대역의 고방사율 대역을 갖는 상부층(120)을 구현할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 세라믹 물질층은 산화 규소(SiO2) 또는 질화 규소(Si3N4)를 포함할 수 있다. 상금 금속 박막층은 은, 게르마늄, 아연, 금, 티타늄 등의 금속을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상부층(121)은 임의의 순서로 적층된 2개 이상의 세라믹 물질층 및 1개 이상의 금속 박막층을 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상부층(121)은 순서대로 적층된 제1 단위 방사층(1211), 제2 단위 방사층(1213) 및 금속 박막층(1215)을 포함할 수 있다. 제1 단위 방사층(1211)은 산화 규소 및 질화 규소 중 하나를 포함할 수 있으며, 제2 단위 방사층(1213)은 산화 규소 및 질화 규소 중 나머지 하나를 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 금속 박막층(1215)은 제1 단위 방사층(1211)의 하부에 배치될 수 있으며, 제2 단위 방사층(1213)의 상부에 배치될 수도 있다. 또는 금속 박막층(1215)은 제1 단위 방사층(1211)의 하부 및 제2 단위 방사층(1213)의 상부에 각각 배치될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 제1 단위 방사층(1211)은 산화 규소로 형성될 수 있으며, 100 내지 500 nm, 100 내지 400 nm, 100 내지 350 nm, 100 내지 300 nm, 150 내지 500 nm, 150 내지 400 nm, 150 내지 350 nm, 150 내지 300 nm, 200 내지 500 nm, 200 내지 400 nm, 200 내지 350 nm, 200 내지 300 nm, 250 내지 500 nm, 250 내지 400 nm, 250 내지 350 nm 또는 250 내지 300 nm의 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 대기의 창 대역 중 단파장 적외선에 대하여 높은 방사율을 가질 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 제2 단위 방사층(1213)은 질화 규소로 형성될 수 있으며, 300 내지 1,000 nm, 300 내지 900 nm, 300 내지 800 nm, 300 내지 700 nm, 400 내지 1,000 nm, 400 내지 900 nm, 400 내지 800 nm, 400 내지 700 nm, 500 내지 1,000 nm, 500 내지 900 nm, 500 내지 800 nm, 500 내지 700 nm, 600 내지 1,000 nm, 600 내지 900 nm, 600 내지 800 nm 또는 600 내지 700 nm의 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 대기의 창 대역 중 장파장 적외선에 대하여 높은 방사율을 가질 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 금속 박막층(1215)의 두께는 50 내지 300 nm, 50 내지 250 nm, 50 내지 200 nm, 50 내지 180 nm, 50 내지 150 nm, 80 내지 300 nm, 80 내지 250 nm, 80 내지 200 nm, 80 내지 180 nm, 80 내지 150 nm, 100 내지 300 nm, 100 내지 250 nm, 100 내지 200 nm, 100 내지 180 nm 또는 100 내지 150 nm일 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 제1 단위 방사층(1211)의 두께는 금속 박막층(1215)의 두께의 1배 내지 4배, 1배 내지 3배, 2배 내지 4배 또는 2배 내지 3배일 수 있다. 일부 구현예들에 있어서, 제2 단위 방사층(1213)의 두께는 제1 단위 방사층(1211)의 두께의 1배 내지 4배, 1배 내지 3배, 2배 내지 4배 또는 2배 내지 3배일 수 있다.
금속 박막층(1215), 제1 단위 방사층(1211) 및 제2 단위 방사층(1213)이 상술한 두께를 가질 경우, 냉각 적층체(100)의 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 선택적 방사율이 증가할 수 있으며, 상부층(121)의 두께 감소에 따라 냉각 적층체(100)의 유연성이 향상될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 무기물층들은 가시광을 투과시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 각각의 무기물층은 가시광 대역의 파장에 대하여 70% 이상, 75% 이상, 80% 이상, 90% 이상 또는 95% 이상의 투과율을 가질 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 다층 구조 상부층(121)은 상부로부터 하부 방향으로 저굴절률층 및 고굴절률층이 반복된 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 3층 구조의 상부층(121)은 제1 저굴절률층, 제1 고굴절률층 및 제2 고굴절률층을 포함할 수 있으며, 4층 구조의 상부층(121)은 제1 저굴절률층, 제1 고굴절률층, 제2 고굴절률층 및 제2 저굴절률층을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 저굴절률층의 굴절률은 0.7 내지 2일 수 있다. 상기 제1 고굴절률층의 굴절률은 상기 제1 저굴절률층 및 상기 제2 저굴절률층의 굴절률보다 클 수 있다. 상기 제1 고굴절률층의 굴절률은 3 이상, 4 이상 또는 5 이상일 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 고굴절률층의 굴절률은 3 내지 7, 4 내지 7, 5 내지 7, 4 내지 6 또는 5 내지 6일 수 있다. 상기 제2 저굴절률층의 굴절률은 1.1 내지 2, 1.1 내지 1.8, 1.1 내지 1.6, 1.2 내지 2, 1.2 내지 1.8, 1.2 내지 1.6, 1.3 내지 2, 1.3 내지 1.8 또는 1.3 내지 1.6일 수 있다. 일부 구현예들에 있어서, 제2 저굴절률층의 굴절률은 제1 저굴절률층의 굴절률보다 클 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 고굴절률층의 굴절률은 제2 저굴절률층의 굴절률보다 클 수 있으며, 1.7 내지 3, 1.7 내지 2.5, 1.7 내지 2.2, 1.8 내지 3, 1.8 내지 2.5 또는 1.8 내지 2.2일 수 있다. 일부 구현예들에 있어서, 상기 제2 고굴절률층의 굴절률은 상기 제1 저굴절률층의 굴절률보다 클 수 있으며, 상기 제1 고굴절률층의 굴절률보다 작을 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 제1 고굴절률층의 굴절률을 제1 저굴절률층 및 제2 저굴절률층에 비하여 2 이상, 3 이상 또는 4 이상으로 설계할 수 있다.
이 경우, 굴절률 정합에 따라 상부층(120)이 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대하여 우수한 방사율을 가지면서, 상기 적외선 대기의 창 대역 이외의 대역의 파장에 대하여 우수한 반사율을 가질 수 있으며, 냉각 구조체(100)의 방열 및 냉각 특성이 향상될 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 저굴절률층 및 상기 제2 고굴절률층은 상기 금속 박막층으로 구성되고, 상기 제1 고굴절률층은 산화 규소로 형성되고, 상기 제2 저굴절률층은 질화 규소로 형성될 수 있다.
도 3은 예시적인 구현예들에 따른 냉각 적층체의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참고로 설명한 구성과 실질적으로 동일한 구성에 대한 설명은 생략될 수 있다.
도 3을 참고하면, 하부층(110)과 상부층(120) 사이에 금속 코팅층(130)이 개재될 수 있다. 금속 코팅층(130)은 하부층(110) 상에 직접 코팅될 수 있으며, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크로뮴(Cr), 아연(Zn) 등의 금속으로 형성될 수 있다. 금속 코팅층(130)에 의해 냉각 적층체(102)의 가시광 반사율이 증가할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 금속 코팅층(130)의 두께는 10 내지 200 nm, 10 내지 180 nm, 10 내지 150 nm, 10 내지 120 nm, 10 내지 100 nm, 30 내지 200 nm, 30 내지 180 nm, 30 내지 150 nm, 30 내지 120 nm, 30 내지 100 nm, 50 내지 200 nm, 50 내지 180 nm, 50 내지 150 nm, 50 내지 120 nm 또는 50 내지 100 nm일 수 있다. 이 경우, 가시광 반사율 및 냉각 특성과 함께 유연성이 향상된 냉각 적층체(102)가 제공될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상부층(120)의 상면 상에는 보호층이 배치될 수 있다. 상기 보호층은 상부층(120)을 마찰, 응력 등의 물리·기계적 외력으로부터 보호할 수 있다. 일부 구현예들에 있어서, 상기 보호층은 에폭시계 수지, 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실록산계 수지 등의 열가소성 수지를 포함할 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 상기 보호층은 하드코팅층, 방오층, 대전방지층, 반사방지층 등의 기능층을 더 포함할 수 있다.
구현예들에 따른 냉각 필름은 열전도율이 0.7 W/mK 이상인 하부층 및 상기 하부층 상에 배치되며 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상인 상부층을 포함하며, 상기 상부층은 무기물로 형성된다. 예를 들면, 상술한 냉각 적층체(100)는 냉각 필름으로 제공될 수 있으며, 유연성을 가지고 비평면 형상의 표면에 적용될 수 있다.
일부 구현예들에 있어서, 피냉각체(200)는 냉각이 필요한 물체로서, 옥외 구조물 및 운송 수단을 포함할 수 있다. 냉각 적층체(100)는 피냉각체(200) 자체 또는 피냉각체(200)의 내부 공간에 존재하는 열을 냉각 적층체(100)를 통해 외부 공간으로 방출시킬 수 있으며, 구체적으로, 열 에너지를 상부층(120)을 통해 적외선 대기의 창 파장 대역의 적외선으로 방출함으로써, 우주 공간까지 방출시킬 수 있다.
상기 옥외 구조물은 태양광에 직접 노출되는 건물, 시설물, 구조물, 설치물 및 이들의 각종 부재를 포함할 수 있으며, 운송 수단은 자동차, 선박, 항공기, 헬리콥터, 우주선 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 옥외 구조물은 태양광 발전기의 태양광 패널, 에너지 저장 시스템(ESS)의 냉각 장치를 포함하는 각종 부재, 옥외 전광판 등의 대형 디스플레이 장치 등을 포함할 수 있으며, 열 제어가 필요한 장치에 적용되어 추가적인 에너지를 사용하지 않고서도 상기 장치들의 온도를 효율적으로 저하시킬 수 있다.
냉각 적층체(100)는 플라스틱, 금속, 세라믹, 유리 등의 다양한 소재 상에 부착될 수 있다. 일부 구현예들에 있어서, 냉각 적층체(100)의 부착 시 점접착제가 사용될 수도 있다.
실시예
입경 약 0.9 μm의 2차원 질화붕소 약 20 wt%가 분산된 PET 수지로 형성되어 열전도도가 약 0.7 W/mK이고 두께가 100 μm인 하부층을 준비하였다. 하부층 상에 Ag, Si3N4, SiO2, Ge을 각각 100 nm, 650 nm, 280 nm, 125 nm으로 적층시켜 상부층을 형성함으로써 냉각 적층체를 제조하였다.
도 4는 일부 구현예들에 따른 상부층(120)의 방사율(emissivity)을 나타내는 그래프이다.
도 4는, Ag, Si3N4, SiO2, Ge이 각각 100 nm, 650 nm, 280 nm, 125 nm으로 적층된 상부층(120)(도 1의 상부층(120))의 방사율의 계산 값 및 측정 값을 나타낸다.
도 4를 참고하면, 상부층(120)은, 적외선 대기의 창에 상응하는 대역에서 선택적으로 높은 방사율을 가진다. 즉, 상부층(120)은 적외선 대기의 창에 상응하는 대역에서, 주변 대역에 비하여 높은 방사율을 갖는다.
광대역으로 4 μm 이상의 대역에서 방사율이 높은 특성을 가지는 광대역 방출기(broadband emitter, BE)와, 본 발명의 일부 구현예들에 따른 상부층(120)을 비교한 결과, 광대역 방출기(BE)에 비해 본 발명의 일부 구현예들에 따른 상부층(120)이 건조한 기후와 습한 기후에서 모두 더 높은 냉각 효율을 보였다. 즉, 본 발명의 일부 구현예들에 따른 상부층(120)이 광대역 방출기(BE)에 비해 어떤 기후에서도 냉각 성능이 더욱 좋음을 확인할 수 있었다.
본 발명은 도면에 도시된 일부 구현예들을 참고로 하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100, 101, 102: 냉각 적층체
110: 하부층 120, 121: 상부층
130: 금속 코팅층

Claims (14)

  1. 열전도율이 0.7 W/mK 이상인 하부층; 및
    상기 하부층 상에 배치되며 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상인 상부층을 포함하며,
    상기 상부층은 무기물로 형성되는, 냉각 적층체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각 적층체의 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율은 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상인, 냉각 적층체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 상부층은 적어도 2 개의 무기물층을 포함하는, 냉각 적층체.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 무기물층은 금속층 또는 세라믹 물질층을 포함하는, 냉각 적층체.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 하부층은 무기 열전도 물질을 포함하는, 냉각 적층체.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 하부층은 상기 열전도 물질로 구성된 층 또는 고분자 매트릭스 내에 상기 무기 열전도 물질이 분산된 복합층을 포함하는, 냉각 적층체.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 하부층의 고분자 매트릭스는 실록산계 수지, 우레탄계 수지, 불화비닐계 수지, 에스테르계 수지, 염화비닐계 수지, 아크릴계 수지, 에테르계 수지, 카보네이트계 수지, 에틸렌계 수지 및 에폭시계 수지로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 냉각 적층체.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 하부층은 태양광 반사율이 80% 이상인, 냉각 적층체.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 상부층은 적외선 대기의 창 대역 중 단파장에 대하여 높은 방사율을 갖는 제1 단위 방사층 및 장파장에 대하여 높은 방사율을 갖는 제2 단위 방사층을 포함하는, 냉각 적층체.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 상부층의 두께는 5 μm 이하인, 냉각 적층체.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 하부층은 피냉각체와 접촉하는, 냉각 적층체.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 피냉각체는 옥외 구조물 및 운송 수단을 포함하는, 냉각 적층체.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 하부층 및 상기 상부층 사이에 금속 코팅층을 더 포함하는, 냉각 적층체.
  14. 열전도율이 0.7 W/mK 이상인 하부층; 및
    상기 하부층 상에 배치되며 적외선 대기의 창 대역의 파장에 대한 방사율이 주변 대역의 파장에 대한 방사율에 비하여 4 배 이상인 상부층을 포함하며,
    상기 상부층은 무기물로 형성되는, 냉각 필름.
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