Functionalized thermal emitters for ferroelectric polymer-based solid-state cooling

Abstract

전 지구적인 이상기후와 생활 수준의 향상으로 냉방에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 건물 내에서 냉방기기에 의한 소비 전력은 전체 소비 전력의 약 20%를 차지하며, 이 수요는 2050년까지 세 배 이상 증가할 것으로 예상한다. 전기열량 효과(electrocaloric effect)에 기반을 둔 고체 냉각 기술(solid-state refrigeration)은 기존의 증기 압축 냉방을 대체할 수 있는 유망한 대안으로, 높은 에너지 효율, 소형화 가능성, 냉매 가스를 사용하지 않는다는 장점이 있다. 그러나 열량 효과를 이용한 냉방 장치의 최대 성능은 열량 재료의 단열 온도 변화(adiabatic temperature change)로 제한되며, 특히 태양 복사 강도가 높은 야외 환경에서는 그 성능이 더욱 저하된다. 본 논문에서는 복사 방열판(radiative heat sink)을 통합하여 열역학 순환(thermodynamic cycle)이 확장된 고체 냉각 시스템을 제안한다. 먼저, 열 전도성이 향상된 복사 냉각기를 도입하여 고체 냉각 장치의 열 방출 효율을 높였으며, 광학적/열적 계산과 야외 실험을 통해 검증하였다. 이어서, 냉각과 난방이 모두 가능한 이중 동작을 구현하기 위해 각도 민감도가 낮은 유색 복사 냉각기(colored radiative cooler)를 개발하였다. 마지막으로, 가역적인 전기열량 순환과 복사열 관리의 결합을 통해 극한 환경에서도 안정적이고 효율적인 열 조절이 가능한 냉난방기에 대한 가능성을 제시하고, 앞으로 해결해야 할 기술적 과제에 대해 논의하였다.|The global demand for cooling is rapidly increasing due to intense heat waves and rising living standards. In buildings, cooling accounts for nearly 20% of electricity consumption, and this demand is projected to triple by 2050. Solid-state refrigeration based on the electrocaloric effect offers a promising alternative to conventional vapor-compression refrigeration, with advantages such as high energy efficiency, compactness, and elimination of gaseous refrigerants. However, its practical performance is limited by the adiabatic temperature change of caloric materials, particularly under outdoor conditions with high solar irradiation. This dissertation presents an enhanced solid-state cooling system incorporating a radiative heat sink. First, a thermally conductive radiative cooler is introduced to improve heat dissipation, validated through optical–thermal simulations and outdoor experiments. Next, a colored radiative cooler is developed to enable dual-mode operation for both cooling and heating with angular robustness. Finally, the integration of radiative thermal management with a reversible electrocaloric cycle is explored as a pathway toward robust and efficient thermoregulation.