Passive radiative cooling has been actively studied for achieving space cooling without the need for energy-intensive cooling systems. To achieve efficient passive radiative cooling, it is crucial to reflect sunlight, which can serve as a heat source. Additionally, having high thermal emissivity within the mid-IR range ($3-24 \mu m$), especially in the atmospheric window ($8-13 \mu m$), is essential for effectively dissipating heat to the surrounding environment. However, most of the previous structures are not suitable for use in windows due to their low transmittance in the visible range ($400-700 nm$). The radiative cooling window with high transmittance in the visible range has recently drawn attention.
In this work, we theoretically designed the one-dimensional thin-film photonic structure for transparent passive radiative cooling windows. This structure consists of tantalum pentoxide ($Ta_2O_5$), silicon dioxide ($SiO_2$), and silver (Ag) multilayers. In order to improve the mid-IR thermal emission, we added a layer of polydimethylsiloxane (PDMS) to the structure.
We simulated the optical properties of our structure using a transfer matrix method (TMM). Our simulations demonstrated that our structure exhibits high a visible transmittance ($85 %$), a high near-IR reflectance ($88 %$), and a high mid-IR emissivity ($95 %$). To validate our simulations, we fabricated radiative cooling windows using lithography-free processes, including electron-beam evaporation, thermal evaporation, and spin coating. Subsequently, we conducted daytime outdoor temperature experiments to experimentally demonstrate the cooling efficiency of our structure. The results confirmed that our structure can lower indoor temperatures by approximately $3^\circ C$ compared to conventional glass windows.
수동 복사냉각은 전력을 소모하지 않고 내부 공간의 온도를 낮추기 위한 방법으로써 많은 연구가 이루어지고 있다. 효율적인 수동 복사냉각을 달성하기 위해서는 열원으로 작용할 수 있는 태양광이 반사되어야 한다. 또한, 열을 바깥으로 효율적으로 방출하기 위해 중적외선 ($3-25 \mu m$) 영역에서의 높은 열방사율이 필요하다. 특히, 지구 대기가 대기창 ($8-13 \mu m$) 영역의 빛을 투과하기 때문에 우주로 열을 방출하기 위해 해당 영역의 높은 방사율이 필요하다. 2014년 이후로 수동 복사냉각을 위한 다양한 구조가 제시되었지만 대부분의 구조들이 가시광 영역 ($400-700 nm$)에서의 투과율이 낮기 때문에 창문으로 사용하기에 어려움이 있었다. 가시광 영역의 높은 투과율을 갖는 복사냉각창문 구조는 최근에서야 주목을 받기 시작했다.
이 연구에서 우리는 이론적으로 투명한 수동 복사냉각창문을 위한 일차원 박막 구조를 설계하였다. 구조는 오산화 탄탈럼 ($Ta-2O_5$), 이산화 규소 ($SiO_2$), 그리고 은 (Ag) 다층 구조로 구성되어 있다. 중적외선 영역의 열방출을 향상하기 위해 구조 위에 PDMS를 증착하였다.
우리는 트랜스퍼 행렬 방식 (TMM)을 사용하여 구조의 광학적 특성을 시뮬레이션 했다. 우리의 구조는 높은 가시광 투과율 ($85 %$), 높은 근적외선 반사율 ($88 %$) 및 높은 중적외선 방사율 ($95 %$)을 나타낸다. 시뮬레이션 검증을 위해 식각 공정이 없는 전자 빔 증발, 열 증발 및 스핀 코팅 방식을 사용하여 복사냉각창문을 제작하였다. 그 후, 우리는 구조의 냉각 효율을 실험적으로 확인하기 위해 주간 실외 온도 실험을 수행했다. 우리는 우리의 구조가 유리 창문에 비해 내부 온도를 3도 가량 낮출 수 있음을 확인했다.
