In this dissertation, radiative cooling(RC) film development and performance analysis are conducted. Radiative cooling is one of the next-generation cooling technologies that has the advantage of creating a cold surface without power consumption and can effectively respond to the increasing cooling demand. In order to realize radiative cooling technology, it is necessary to implement wavelength-selective optical properties. That is, it is essential to maximize the reflection in the solar spectrum (i.e., 0.3-2.5 um) and the emissivity in the atmospheric transmission window (i.e., 8-13 um). The existing inorganic multilayer structures use a silver(Ag) reflective layer to reflect sunlight, which is not only an expensive but also has low scalability issue. In the case of the previous radiative cooling materials based on particle dispersion showed advantageous in scalability, however, detachment or cracks are frequently occurred due to the hardness or stiffness of the base material, leading to performance degradation. In order to overcome these weaknesses, it is intended to derive a structure with polymer-based base material with high concentration of micro-nano size particles, having flexible and high durability features. We developed a process using a low-viscosity intermediate solvent in order to create a high-performance flexible radiative cooling material. Using the method, we fabricated several RC film and measure its optical properties. We showed that deriving the optimal structure of a particle-dispersed polymer by changing the particle type, particle size, and film thickness is important. In addition, the RC film structure was optimized using a genetic algorithm based on Mie scattering. The ideal configuration of multi-particles, such as particle size and volume fraction, is determined by optimization. In addition, an outdoor test apparatus, which simulates buildings, was developed, and the energy-saving benefit of radiative cooling was experimentally demonstrated. Last but not least, the application systems of radiative cooling film were proposed and studied. Through system-level analysis, the amount of energy savings in the building and the increase in the efficiency of photovoltaic power generation were determined.
본 학위 논문에서는 복사냉각 필름 개발 및 성능 분석 연구를 수행한다. 복사냉각은 전력 소비 없이 냉열을 생산하는 장점을 갖는 차세대 냉방 기술 중 하나로 증가하는 냉방수요에 효과적으로 대응할 수 있다. 복사냉각 기술 구현을 위해서는 파장 선택적 광학 특성 구현이 필요하다. 즉, 태양광 파장 영역(i.e., 0.3-2.5 um)에서의 반사를 최대화하고, 대기창 영역(i.e., 8-13 um)에서의 방사율을 극대화해야 한다. 이를 위해 기존 무기물 다층구조 기술은 태양광의 반사를 유도하기 위해 은(Ag) 반사층을 사용하고, 이 경우에는 필연적으로 대면적화가 어려우며 경제성이 낮은 단점이 있다. 또한 기존 입자 분산 기반 복사냉각 소재의 경우 대면적화에는 유리하나 분산 모재의 높은 경도로 인해 잦은 탈락 및 성능 저하가 발생한다. 이러한 단점들을 극복하기 위해 폴리머 기반 모재에 입자 분산을 통해 빛의 산란(scattering)을 유도함으로써 저비용, 고내구성의 특징을 갖는 구조를 제안하고 최적 구조를 도출하였다. 저점도 중간 용매를 활용하는 공정을 개발하고 입자 종류, 입자 크기, 농도, 필름 두께를 변경하여 입자 분산 폴리머의 최적 구조를 도출함으로써 고성능 유연 복사냉각 소재를 개발하였다. 또한 Mie scattering 기반 몬테카를로 시뮬레이션 방법을 이용해 개발 복사냉각 소재에 대한 최적화를 수행하였다. 다중 파티클의 구조 최적화 및 다층 복사냉각 필름 구조 제안을 통해 개발 복사냉각 필름의 성능을 극대화를 도모하였다. 또한 건물을 모사할 수 있는 실외 성능평가 장치를 개발하여 복사 냉각을 이용한 에너지 절감 효과를 실험적으로 검증하였다. 마지막으로 복사냉각 필름이 적용될 수 있는 다양한 응용처에 대한 적용 방법을 제안하고 이에 대한 타당성을 분석하였다. 복사냉각이 적용된 응용처에 대한 시스템 레벨 분석을 통해 건물 에너지 절감량 및 태양광 패널 발전 효율 증가를 도출하였다. 본 소재는 저비용으로 고내구성, 유연한 대면적 필름 제작이 가능하므로 건물, 데이터센터, 스마트팜 등 다양한 분야의 급증하는 냉방수요에 효과적으로 대응할 수 있으며, 특히 유연한 특성으로 상기 적용처 외 곡면을 포함하는 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 판단된다. 본 학위 논문의 결과를 바탕으로 유연 복사냉각 필름 원천 기술 개발 및 이의 응용 연구가 진행될 수 있을 것으로 기대된다.
