실내 기온을 낮게 유지하고 에너지 소비를 막는 새 창문 코팅지가 개발돼
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Cell Reports Physical Science에 출판된 연구에서, 양자 물리학과 기계 학습을 활용하여 연구자들은 가시광선은 통과시키면서 열을 생성하는 자외선(UV)과 적외선을 차단하는 투명 창문 코팅을 개발했습니다. 이 코팅은 방의 온도를 낮추는 것뿐만 아니라, 태양의 위치에 관계없이 냉각과 관련된 에너지 소비도 줄입니다.
창문은 멋집니다. 당신이 살고 있는 공원의 전망이나 사무실 밖에 있는 새가 가득한 나무를 볼 수 있게 해줍니다. 하지만, 창문이 항상 좋은 것만은 아닙니다. 빛(그리고 전망)을 들여오는 것은 한 가지이지만, 빛이 들어오면 특히 더운 달에는 열도 함께 옵니다.
더운 날에는 우리 집의 열 증가량의 최대 87%가 창문을 통해 이루어집니다. 태양광의 자외선은 유리를 쉽게 통과하여 방을 덥게 하고 에어컨을 켜거나 커튼을 치거나 블라인드를 내려 빛(그리고 다시, 그 전망)을 포기해야 할 가능성을 증가시킵니다. 그러나, 노트르담 대학교의 연구자들은 가시광선은 통과시키면서 열을 생성하는 자외선과 적외선을 차단하는 창문 코팅을 개발하여 방의 온도와 냉각 에너지 소비를 모두 줄였습니다.
이 투명 코팅은 전체 시야를 가능하게 하면서 열을 생성하는 자외선과 적외선을 줄입니다. "편광 선글라스처럼 우리의 코팅은 들어오는 빛의 강도를 줄이지만, 선글라스와 달리 우리의 코팅은 다양한 각도로 기울일 때도 투명하고 효과적입니다,"라고 노트르담 대학에서 MÖNSTER Lab(분자/나노 규모 전송 및 에너지 연구 실험실)을 이끄는 Tengfei Luo가 말했습니다.
2022년, Luo와 그의 동료들은 평면 다층 (PML) 광자 구조를 사용하여 유리 코팅을 제작했습니다. 이 쌓인 초박형 층들은 빛이 그 파장에 따라 선택적으로 전송되거나 반사되도록 허용하는 독특한 굴절률을 가지고 있습니다. 유리 기반 위에 실리카, 알루미나, 이산화 티타늄을 쌓고 실리콘 폴리머(PDMS)의 얇은 층으로 마무리하여 열복사를 반사하였는데, 이는 가열된 표면에서 모든 방향으로 방출되는 전자기 복사입니다. 연구자들은 이 투명 코팅이 시장에 나와 있는 다른 열 감소 코팅보다 우수하다고 말했습니다.
연구자들은 이전의 작업을 개선하려고 결심했습니다. 창문은 일반적으로 수직으로 설치되기 때문에, 하루 동안 태양이 움직이면서 직접적으로 창문을 때리는 태양광이 변합니다. 기존 창문 코팅은 90도 각도에서 들어오는 빛에 최적화되어 있기 때문에, 이른바 태양 입사 각도에 따라 빛을 차단하는 능력이 달라집니다. 낮에 가장 더운 시간에, 태양광은 창문을 비스듬한 각도로 때리기 때문에 대부분의 코팅은 그것을 차단하는 데 덜 효과적입니다.
이 문제를 시행착오 접근 방식을 사용하여 해결하는 대신, 연구자들은 양자 컴퓨팅을 지원하는 기계 학습 모델을 사용했습니다. 구체적으로, 그들은 활동적 학습, 즉 학습 알고리즘이 사용자와 상호 작용하여 데이터를 라벨링할 수 있는 기계 학습의 하위 집합과 양자 담금질을 사용했습니다. 양자 담금질은 양자 물리학을 사용하여 요소의 최적 또는 거의 최적의 조합을 찾습니다.
양자 지원 활동 학습 접근 방식을 통해 연구자들은 PML 구조의 구성을 최적화할 수 있었으며, Luo가 New Atlas에 말했듯이, 그들에게 확실한 이점을 제공했습니다.
"이것은 매우 복잡한 최적화 및 설계 문제를 해결하는 데 사용될 수 있습니다," 그가 말했습니다. "이 작업의 복잡한 최적화 문제는 기존 알고리즘을 사용하여 해결하기 어려울 수 있습니다."
이전에 사용한 구성 요소를 사용하여, 연구자들은 다양한 입사 각도에 걸쳐 빛을 선택적으로 전송하고 반사하는 투명 코팅을 제작한 다음 그것을 테스트했습니다. 코팅된 창문과 일반 유리가 있는 창문을 동일한 야외 챔버에 수직으로 배치했습니다. 연구자들은 각 챔버의 낮 시간 온도를 측정했습니다. 그들은 또한 창문을 수평으로, 하늘을 향하게 배치하여 모터 차량의 선루프를 모방하여 유리를 테스트했습니다. 코팅된 유리는 일반 유리에 비해 우수한 성능을 보여주었으며, 다양한 입사 각도에 걸쳐 온도를 5.4°C에서 7.2°C(9.7 - 12.9°F) 사이로 낮췄습니다.
"태양빛과 창문 사이의 각도는 항상 변합니다," Luo가 말했습니다. "우리의 코팅은 태양의 위치에 관계없이 기능성과 효율성을 유지합니다."
연구자들은 그들의 광자 구조를 창문으로 사용하여 냉각을 위한 에너지 절약을 추정하기 위해 EnergyPlus 소프트웨어를 사용하여 다양한 도시의 표준 사무실에서의 소비를 시뮬레이션했습니다. 그들은 미국의 모든 도시가 연간 최대 97.5 MJ/m2를 절약할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 그 에너지 절약은 열대 기후를 포함한 전 세계 도시로 확장되었습니다.
연구자들은 그들의 새로운 창문 코팅에 대해 상업용 및 주거용 건물, 자동차를 포함한 많은 용도를 예상합니다.
"저는 특히 차량 창문에 유용할 수 있다고 생각합니다," Luo가 New Atlas에 말했습니다. "선루프/문루프 창문으로 사용될 수 있습니다. 심지어 많은 공간을 가열하는 자외선과 적외선 태양광이 유입되지만 투명해야 하는 윈드실드에도 사용될 수 있습니다."
연구자들은 아직 창문 코팅의 확장 가능성을 결정해야 합니다.
"아직 알려지지 않았습니다," Luo가 말했습니다. "저렴하다고 말할 수는 없지만, 규모 확대를 향해 작업함에 따라 저렴해질 수 있습니다. 코팅은 산업 규모의 코팅 공정을 사용하여 제조될 수 있습니다. 코팅에 사용된 재료는 매우 일반적인 재료입니다(특이한 재료는 없습니다)."
<<ChatGPT가 요약, 번역한 글입니다>>
neojul님의 댓글