과학 발명: 스마트 코팅층은'낮에는 열을 모으고 밤에는 냉각'을 실현한다.

 

중국과학기술대학 공학과학대학 배강 교수, 국가동기방사실험실 연구원 추숭문 공동연구팀은 새로운 에너지 이용 방법을 제시했다.그들은 스펙트럼 자체 적응 스마트 코팅층을 개발하여 광열 전환과 복사 냉각 과정 중의'스펙트럼 충돌'을 해결하고 24시간 전천후 태양 열원과 우주 냉원에서 에너지를 포획하는 것을 실현했다.

관련 연구 성과가 일전에 미국 국립과학원 원지에 발표되었다.

스펙트럼 충돌을 직접 시작

냉화열은 에너지의 가장 중요한 단말기 형식 중 하나로 전 세계에서 매년 약 51%의 에너지가 냉량 또는 열량의 형식으로 소모된다.그러나 현재 이 두 가지 에너지의 공급은 주로 전통 화석 에너지에 의존하기 때문에 환경 문제를 더욱 심화시킬 것이다.

따라서 재생에너지에 의한 냉각과 열 공급은 전 세계 에너지 절약과 온실가스 배출 감소에 큰 의미를 가진다.

지구 환경에 비해 온도가 약 6000K인 태양과 3K의 우주는 지구의 궁극적인 열원과 냉원이다.논문 공동 제1저자인 중국과학기술대학 공학과학대학 박사후 조빈은 《중국과학보》에 소개했다.

광열 전환은 태양 복사를 직접 이용하여 고온의 열량을 얻는다.하늘 복사 냉각은 지표 에너지를 적외선 복사 형식으로 대기 창문을 통해 저온 우주로 직접 발사하여 저온 냉각량을 얻을 수 있다.

실제로 이 두 가지 기술은 원리가 같고 장치가 비슷하다. 만약에 두 가지 물리 과정을 같은 장치에 집적하면 야간 냉각과 낮 집열의 이중 기능 특징을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라 장치의 시간 이용률과 에너지 수익도 크게 높일 수 있다.

이어 "그러나 광열 전환과 하늘 복사 냉각은 코팅층의 스펙트럼 선택성에 대한 고유의'충돌'이 있다"며 "전자는 코팅층이 전체 중적외선 구역에서 낮은 발사율을 요구하고, 후자는 코팅층이 대기 창 구역에서 높은 발사율을 요구한다"고 덧붙였다.조빈은

현재 자주 사용하는 광열 전환과 하늘 복사 냉각 기술은 서로 다른 스펙트럼 선택성 코팅을 통해 열과 냉각을 수집하지만 대부분의 방법은 정태와 단기능이기 때문에 각각 다른 고정 코팅을 이용하여 낮에 가열하고 밤에 냉각을 제공할 수 밖에 없다.

다만 보도된 극소수의 광열 전환-하늘 복사 냉각 종합 이용도 정적 비선택적 코팅을 바탕으로 이중 기능 결합을 실현할 수 있으나 집열과 냉각 성능은 단일한 광열 전환과 하늘 복사 냉각 기술보다 훨씬 낮다.

어떻게'충돌'을 해결하고 두 가지 장치 기능의 중첩 결합을 실현하는 동시에 각자의 성능에 영향을 주지 않는지 배강팀이 줄곧 해 온 작업이다.

'변신'하는 이산화바나듐

이번 연구에서 배강팀은 스펙트럼 자체 적응 조절 메커니즘을 혁신적으로 제시했다. 즉, 코팅층 스펙트럼 선택 성능은 에너지 포획 모델에 따라'동적 조정'을 할 수 있다.

그 팀은 목표를 이산화바나듐 박막에 겨누었다.추숭문은 "이산화바나듐은 전형적인 강력한 연관 과도금속 산화물로 특수한 금속인 절연체 상변 특성을 지니고 있으며 상변 온도는 약 68℃"라고 소개했다.

온도가 68℃보다 낮을 때 이산화바나듐은 전기를 전도하지 않는 절연체로 가시광선과 적외선을 동시에 통과할 수 있다.온도가 68℃를 넘으면 이산화바나듐은 순간적으로 저저항도체로 변신해 적외선 투과를 막을 수 있다.

추숭문은 이산화바나듐과 같은 온도 변화 과정 중의 동적 적외선 스펙트럼 특성을 이용하여 다층막의 코팅 디자인을 결합하면 스스로 적응하는 스펙트럼 스마트 코팅을 실현하고 광열 전환과 하늘 복사 냉각 과정에서의'스펙트럼 충돌'을 해결할 수 있을 것이라고 말했다.

기자는 이산화바나듐 박막의 상변 특성은 그 품질과 밀접한 관계가 있기 때문에 고품질의 이산화바나듐 박막 제조가 스마트 코팅층의 관건이라는 것을 알게 되었다.

이어 "바나듐 원자는 다화학적 가격대를 갖고 있는데 완벽한 화학적 계량비를 갖춘 +4가 이산화바나듐이 필요하다"며 "제비 과정에서 성장 과정의 원자 비율을 먼저 조절해야 한다"고 덧붙였다.추숭문은 "원자 비율이 조금 많거나 적으면 박막의 상변 특성에 큰 영향을 미친다"고 말했다.

그 밖에 +4가의 이산화바나듐은 각종 상구조가 있는데 그 중에서 특정한 단사상 구조만이 이런 상변 특성을 가지고 있다.추숭문은 순수한 구조의 이산화바나듐 박막을 제조하는 것은 여전히 도전이라고 솔직하게 말했다.

꾸준한 노력을 통해 추숭문팀은 분자 빔 외연과 자기 제어 사출 등 수단을 이용하여 이산화바나듐 상변 재료를 바탕으로 하는 스펙트럼 자체 적응 스마트 코팅층을 성공적으로 연구 개발했다.

다양한 분야에 적용 가능

연구에 의하면 이런 스마트 코팅층은 낮에 태양의 투사 아래 금속 상태에 있고 태양의 흡수율은 0.89이고 적외선 발사율은 0.25에 불과하며 광열 흡수 특성으로 나타난다.야간에 투사가 없는 조건하에서 절연 상태에 있고 코팅층은 대기 창문 파단에서 높은 발사율을 가지며 나머지 중적외선 파단에서는 낮은 발사율을 가지며 복사 냉각 특성으로 나타난다.

스펙트럼이 스마트 코팅층의 현실 날씨 조건에 적응하는 성능을 탐색하기 위해 우루무치의 맑은 가을날 야외 실험을 실시했다.

실험 결과에 따르면 이런 코팅층의 표면 온도는 낮에는 환경 온도보다 170℃, 밤에는 환경 온도보다 20℃ 낮을 수 있으며 낮에는 광열 전환, 야간에는 복사 냉각의 자체 적응 기능을 가지며 24시간 전천후 운행을 실현하여 냉열 에너지 포획의 종합 효율을 크게 향상시켰다.

"이 연구는 태양과 우주에서 재생에너지를 포획하는 매우 새로운 방법을 제시하여 사람들의 새로운 연구 흥미를 불러일으킬 것이다."원고 심사자가 평론하다.

이어 "관련 기술은 건축 에너지 절약, 자동차 온도 제어, 태양광 냉각, 심공 탐사 등에 활용할 수 있다"고 덧붙였다.배강은 다음 단계에 재료 규모화 제조, 냉열량의 효율적인 수집과 전송, 역방향 냉열 조절 등 방향에서 연구를 전개할 것이라고 말했다.