In this study, we proposed the two types of two-dimensional complex grating. First is the horizontally merged grating and second is the vertically stacked up grating. In order to calculate the spectral reflectance and field distribution, we employed the finite difference time-domain method. At first type grating, differently from 2-D simple grating structures, we observe the diverse magnetic resonance modes associated with each grating elements in a single unit cell. Furthermore if two different grating elements are merged together, magnetic resonance will be branched out into multiple modes. At second type grating, a convex grating is directly added onto the base structure, the resonances in the base structure are branched out due to the geometric asymmetry. If the additional dielectric film is added between the convex grating and the base structure, new resonance modes appear as well as branched resonance modes. Among the complex grating structures, we fabricated the solar thermal absorber using the tandem grating. The fabricated solar thermal absorber has 90% absorptance in solar energy spectrum and 23% emittance in infrared spectrum range at 800 K. Finally, we design the robust solar thermal absorber to changes in design variable using surrogate model.
본 연구에서는 2차원 복합 격자 구조에서 일어나는 공진 현상을 파악하고 이를 활용하여 태양열 흡수체를 설계하는 것이다. 공진 현상 파악을 위해 두 가지 형태의 복합 격자 구조를 제안하였다. 첫 번째 구조는 수평방향으로 격자 구조가 존재하는 경우이고, 두 번째는 수직 방향으로 격자 구조가 적층되어 있는 형태이다. 공진 현상 파악을 위해 FDTD 방법을 이용하여 분광 반사율과 전자기장 분포를 계산하였다. 첫 번째 형태의 격자 구조에서는 격자 구조 각각의 공진 현상 뿐 아니라 격자구조가 합쳐져 있는 형태의 공진현상도 나타나는 것을 확인하였다. 두 번째 형태의 격자 구조는 그물망 구조 형태 위에 추가적인 격자 구조가 적층되어 있거나, 유전체 필름과 함께 적층되어 있는 형태로 추가적인 격자구조의 존재는 그물망 구조에서 존재하는 공진 현상이 구조적인 비대칭성에 의해 분화되는 것을 확인하였다. 또한, 유전체 필름이 추가 될 경우 hybridization에 의해 새로운 형태의 자기 공진이 추가되는 것을 확인하였다. 여러 복합 격자 구조의 형태 중에 다단 격자 구조를 이용해 태양열 흡수체를 최적화 하고 실제 제작하였다. 실제 제작한 태양열 흡수체는 90%이상의 높은 흡수율을 가지고, 800 K에서 23%의 방사율을 가지는 것을 확인하였다. 마지막으로 설계 변수에 둔감한 형태의 태양열 흡수체를 대리 모델을 이용하여 설계 하였다.
