Radiative cooling is a spontaneous cooling technology at daytime outdoor condition by controlling a spectral emissivity of a cooling surface. Radiative cooling technology can be utilized as an eco-friendly, sustainable, and passive cooling-assistant technology, because a sub-ambient temperature of surface can be achieved with radiative heat transfer between a cold space through an atmospheric transparent window. To improve a performance of radiative cooling system, it is important to design a proper radiative cooling surface for application conditions and to develop a precise examination system of radiative cooling performance. Since the emissivity is physically same as an absorptivity, tailoring a selective emissivity spectrum can enhance a cooling power of the radiative cooling surface by maximizing thermal emissive power and minimizing absorption of solar irradiance and atmospheric emission. The most typical way to tailor selective emission is to utilize electromagnetic resonance effect of an optical structure. The selective emissivity spectrum (i.e., maximization and/or minimization of emissivity at a spectral range in demand) can be implemented via interaction between micro/nanostructure and electromagnetic wave as well as intrinsic emission of materials. Various design objectives can be regarded from simple performance estimation methods, such as an emissive power and an instantaneous cooling power, to more rigorous estimation method for realistic application, such as an accumulated cold energy production and contrast of switchable emissivity. Photonic structures, for example, multilayered and periodic grating structure, are optimized via evolutionary computation method to maximize radiative cooling performance under those objectives. In addition, to experimentally evaluate a radiative cooling performance, spectrometer-based measurement set-up is established for emissivity spectrum measurement as a basis of cooling performance estimation. Furthermore, radiative cooling power indoor measurement facility is developed for a simple and stable evaluation of a radiative cooling performance. The proposed optimization method using evolutionary computation can successfully design highly performing radiative cooling structures for a more applicable radiative cooling. A cooling performance of fabricated radiative cooling structures can also be quantified using a developed measurement scheme. Consequently, results of this study can contribute to developing realistic radiative cooling as well as energy technology.
복사냉각 기술은 표면의 방사율을 제어해 야외 및 주간환경에서 자발적 냉각현상을 일으키는 기술이다. 대기를 넘어 우주로 표면의 자발적 복사열을 방사하여 주변 환경보다 냉각된 표면을 구현할 수 있는 복사냉각 기술은 친환경 냉각 보조 기술로써 활용될 수 있다. 복사냉각을 활용한 시스템의 효율을 높이기 위해선 적용 상황에 걸맞는 복사냉각 표면 설계와 설계된 표면의 복사냉각 성능을 정밀하게 측정할 수 있는 시스템을 개발하는 것이 필수적이다. 표면의 방사율과 흡수율이 물리적으로 동일하다는 점을 이용하여 선택적 방사율 스펙트럼을 설계한다면, 표면에서 발생하는 자발적 복사열 방출량을 극대화하고 태양열 및 대기 방사열 흡수량을 최소화하여 냉각 성능을 극대화할 수 있다. 선택적 방사율 스펙트럼을 설계하는 대표적인 방법으로 광학 구조의 전자기 공진 효과를 이용하는 방법이 있다. 물질 본연의 방사율에 더하여 마이크로/나노구조와 전자기파의 상호작용을 통해 원하는 영역의 방사율은 증대시키고, 다른 영역의 방사율은 감소시키는 선택적 방사율을 구현할 수 있다. 파장선택적 방사율을 설계하기 위해 단순한 방사율 스펙트럼 설계나 순간 복사냉각 출력 등 간단한 목적함수부터 실 적용 환경을 고려한 누적 냉열 생산량과 가변 방사율 대비 등 다양한 성능평가 지표를 고려할 수 있다. 이와 같은 복사냉각 성능평가 지표를 최대화하기 위해 진화 연산 기법을 활용하여 다층 구조, 격자 구조 등 광학 구조를 최적설계 할 것이다. 더하여, 표면의 복사냉각 성능을 실험적으로 평가할 수 있는 기초적인 지표로서 방사율 측정 기법을 다양한 분광계 기반 광학계를 설계해 정립할 것이다. 또한 실내에서 간단하게 복사냉각 출력을 측정할 수 있는 장치를 개발해 더 간단하고 안정적인 복사냉각 성능 평가 기법을 마련할 것이다. 제안된 진화 연산 기반 복사냉각 구조 설계 방법을 통해 보다 실전적인 복사냉각 활용 상황에서 높은 성능을 갖는 복사냉각 구조를 설계할 수 있다. 그리고 개발된 복사냉각 성능 평가장치를 통해 실 제작된 복사냉각 구조의 냉각 성능을 보다 간단하게 평가할 수 있다. 수행된 연구결과는 추후 적용가능한 복사냉각 및 에너지 기술 발전에 널리 응용될 수 있을 것이다.
