환경 노화에 대비한 내구성 있는 복사 냉각

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4805(2022) 이 기사 인용

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지구 온난화에 맞서기 위해 대기온도 이하의 주간 복사 냉각 기술은 지속 가능한 개발 목표를 달성할 수 있는 유망한 길을 제공합니다. 대기 온도 이하의 주간 복사 냉각을 달성하려면 대부분의 햇빛을 반사하는 것이 필수 전제 조건입니다. 그러나 원하는 높은 태양 반사율은 환경 노화, 주로 자연 오염 및 햇빛의 자외선 조사로 인해 쉽게 약화되어 대부분의 폴리머가 황색을 띠게 되어 냉각이 효과적이지 않게 됩니다. 우리는 자외선 저항성을 갖춘 이산화티타늄 나노입자를 사용하여 증발 구동 조립을 통해 계층적 다공성 형태를 형성하여 균형 잡힌 오염 방지 및 높은 태양 반사율을 보장하고 노화 방지 냉각 페인트 기반 코팅을 렌더링하는 간단한 전략을 보여줍니다. 우리는 시뮬레이션된 3년간의 자연 오염과 시뮬레이션된 1년간의 자연 햇빛에 대한 가속 내후성 테스트에서 냉각 코팅에 도전했으며, 태양 반사율은 노화되지 않은 코팅에 비해 0.4%와 0.5%만 감소한 것으로 나타났습니다. 또한 냉각 성능이 거의 저하되지 않은 채 실제 조건에서 6개월 이상의 노화를 보여줍니다. 당사의 노화 방지 냉각 페인트는 확장 가능하며 원하는 실외 건축물 및 컨테이너에 스프레이 코팅할 수 있어 내구성이 뛰어난 복사 냉각 기능을 제공하여 실제 응용 분야에 유망합니다.

전 세계 온실가스(GHG) 배출량이 여전히 급증하고 있기 때문에 우리 세계는 파리 협약의 1.5°C 목표 달성에 어려움을 겪고 있습니다1. 온실가스 배출을 완화하기 위한 긴급 조치가 취해지지 않는다면, 금세기 말까지 세계의 일부 지역은 인간이 거의 살 수 없는 곳이 될 것입니다2. 현재 온실가스 배출량의 10% 이상이 기존 공간 냉각 및 냉동에서 발생하고 있습니다3. 세상이 따뜻해짐에 따라 전 세계적으로 매초마다 13개가 넘는 새로운 냉각 장치가 설치되고 있으며, 이로 인해 더 많은 온실가스 배출과 오존층 파괴 물질이 생성되어 지구 온난화를 악화시키고 있습니다4. 이러한 파괴적인 피드백 루프에 맞서기 위해 SDRC(Subambient Daytime Radiative Cooling) 기술이 유망한 경로를 제공합니다. 이는 대부분의 햇빛(0.3~2.5μm 파장 내)을 반사하고 대기 투명창(8~13μm 파장 내)을 통해 차가운 우주에 장파 적외선(LWIR) 복사를 강하게 방출하는 하늘을 향한 물체에 의해 구현됩니다. 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. 이러한 방식으로 물체는 에너지 입력과 온실가스 배출 없이 주변 온도 이하로 수동적으로 냉각될 수 있습니다.

SDRC의 핵심은 높은 태양광 반사율(R̅solar ≥ 0.9)에 있습니다. 완벽한 LWIR 방사율을 갖고 있어도 몇 퍼센트의 태양광 흡수율만으로도 표면을 효과적으로 가열할 수 있기 때문입니다. 즉 \({\bar{\varepsilon }}_{ {{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) = 1(그림 1a). 그러나 이 필수 불가결한 높은 R̅solar는 자연 환경 노화로 인해 본질적으로 발생하는 SDRC 재료가 단 몇 달 동안 실외 자연 환경에 노출된 후에 감소할 가능성이 매우 높으며 이 기술을 비효율적으로 만듭니다. 이상적인 시나리오의 SDRC 능력은 나노포토닉 박막5, 금속 거울로 뒷받침되는 고분자-유전체 복합체7, 고분자 나노섬유19,23,24, 나노셀룰로오스11 및 다공성 고분자 코팅9,17,18과 같은 다양한 재료에 의해 입증되었지만 이러한 재료는 환경 노화, 주로 자연 오염 및 햇빛에 의한 UV 조사에 대해 거의 평가되지 않습니다. 그 중 대부분의 SDRC용 고분자는 자연 오염으로 인한 암색화 효과를 고려하지 않더라도 장기간 UV 노출에 대한 저항력이 없어 R̅solar25를 낮추는 황색 외관을 나타냅니다. SDRC용 다공성 불소중합체 기반 코팅은 UV9,26에 대한 내성이 있지만, 적당한 소수성 특성으로 인해 오염 방지 성능이 제한됩니다. 따라서 SDRC를 장기적인 내구성을 갖춘 실제 응용 분야로 추진하려면 뛰어난 광학 특성 외에도 탁월한 오염/UV 저항성이 매우 요구되며, 페인트 기반 코팅 형태의 제조 용이성 및 확장성과 함께 선호됩니다.

0.931. However, we note that the energy proportion within UV region (wavelength of 0.28 to 0.4 µm) only accounts for 4.5% of the whole solar spectrum (Supplementary Fig. 1). Therefore, we can compensate the UV absorptance via suppressing the NIR absorptance by replacing polymer with air forming porous morphology. And we note that the refractive index of air (\({n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}\) = 1) is lower than the one of common polymer binder (\({n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}}\) ≈ 1.5)32. According to the Snell's law, large refractive index difference between two different mediums leads to high magnitude of light refraction. Thus, TiO2 NPs in air should scatter light more strongly than they do in polymers. To further evaluate this optical property theoretically, we numerically calculated the scattering efficiency (Qsca) of a single spherical TiO2 particle as a function of particle diameter across the solar spectrum based on Mie theory (details in Methods). We compared the Qsca of TiO2 particle in surrounding medium of either air or polymer with preset refractive indices (\({n}_{{{{{{\rm{air}}}}}}}\) = 1 and \({n}_{{{{{{\rm{polym}}}}}}}\) = 1.5). We found that, within the solar spectrum, a single TiO2 particle could scatter sunlight more strongly in air than in polymer (Fig. 1b). Empirically, the magnitude of R̅solar is equivalent to the total magnitude of TiO2 NPs scattering, which is determined by the number of air/particle interfaces the light passes through. Therefore, for coatings with equal thickness composed of TiO2 NPs with the same size, high packing density (ϕ) of NPs, which means large number of air/particle interfaces, should be able to satisfy the second requirement (R̅solar ≥ 0.9). However, we note that the crowding of TiO2 NPs gives rise to the dependent scattering leading to a reduction of scattering efficiency, in contrast to independent scattering wherein the distance among the scattering particles large enough to ignore the scattering effect brought by the presence of neighboring particles33. This phenomenon is evident for a thin coating composed of NPs with high packing density, corroborated by finite-difference time-domain (FDTD) simulations (Fig. 1c). In practice, to compensate this adverse dependent scattering effect, we can fabricate thick coating composed of particles with broad size distribution to increase the total scattering power (Supplementary Fig. 5). Nevertheless, continual increasing the ϕ of TiO2 NPs might not render higher R̅solar as expected intuitively. In another word, we should be able to obtain high R̅solar with ϕ lying in the medium region, neither very low nor high./p> 150°, indicating good non-wettability. In regime III, the scenario is just the opposite. The high ϕ leads to strong light scattering, a short path length, thus shallow penetration, which turns the light around relatively quickly. The high f leads to θapp < 150° indicating modest hydrophobicity, not beneficial to anti-soiling purpose. Therefore, regime II is preferred to be the design target to balance the desired high R̅solar and θapp./p>300 µm9 (Supplementary Fig. 9). By using the step-wise heating method, we obtained the cooling power of 84.9 ± 14.8 W m−2 under strong solar irradiance (Isolar) of 920 W m−2 (Supplementary Fig. 13). And by using the close-tracking heating method, we obtained the cooling power of about 95 W m−2 under strong sunshine from 11 AM to 4 PM (Supplementary Fig. 14)./p> 1000 W m−2, Supplementary Figs. 17 and 18). To mimic real-world operating condition, all field tests were performed without wind shield cover. We recorded the temperature difference (ΔT) between the coating sample (Tsamp) and ambient air (Tair), where ΔT = Tsamp − Tair. The ΔT of white paint coating increased from 0.3 to 4.7 °C after soiling. Even the porous fluoropolymer coating, as the state-of-the-art SDRC material, cannot retain its cooling ability against this soiling test, due to the modest hydrophobicity (Supplementary Figs. 19 and 20). Meanwhile, the \(\triangle T\) of our AACP coating increased just from −3.8 to −3.5 °C, barely affecting the cooling performance. Additionally, we dripped viscous mud, as ultra-heavy soiling agent, onto the AACP coating to show its excellent ability to reduce the accretion of soiling substances (Fig. 3c, Supplementary Fig. 21, Supplementary Movie 1). The accelerated weathering test was performed by 1000 h of UV exposure at 60 °C (Fig. 3d), equivalent to 1 year of Florida natural sunshine39. Owing to the UV resistance of TiO2 NPs and strong C − F bonds in PFOTS, the R̅solar of AACP coating only declined by 0.5% of the original one (from 0.925 to 0.920). The \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\), θapp and θroll were almost unchanged. As a comparison, the R̅solar of white paint coating declined by 5.4% (from 0.856 to 0.810), the \({\bar{\varepsilon }}_{{{{{{\rm{LWIR}}}}}}}\) declined by 2.3% (from 0.944 to 0.922) (Supplementary Fig. 23)./p> 1000 W m−2). Insets show the temperature measurement setup and visual appearance of the tin boxes. For AACP coated tin box, ΔT ≈ −5.2 °C (May 25th, 2021, Chengdu)./p>