黃朝偉 副教授^1、王鐸諭¹、林鐸軒¹、陳明瑋¹、鄭英碩¹、高立衡²

¹國立成功大學工程科學系、²國立高雄科技大學化學工程與材料工程科系

 

在全球暖化和能源消耗日益增加的背景下，尋找高效率、環境友善的降溫技術變得至關重要。其中，「被動式日間輻射冷卻」（Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC）技術因其無需額外施加電力即可實現降溫的潛力，近年來引起廣泛興趣。這項技術的核心在於設計特殊的材料或結構，使其能夠最大程度地向寒冷的宇宙空間輻射熱量，同時盡可能減少從太陽或周圍環境吸收熱量，即使是在白天陽光直射的條件下，也能夠在戶外對宇宙進行散熱[1, 2]。輻射冷卻原理簡單來說就是利用物體表面向外太空輻射熱輻射來降溫。物體會以熱輻射的形式散發能量，其輻射光譜和強度取決於物體的溫度和材料屬性（輻射率）。當地球大氣層在特定的波長範圍內是相對透明的，允許熱輻射穿透大氣直接進入寒冷的宇宙空間（溫度約 3 K），這個波長範圍被稱為「大氣透明窗口」（Atmospheric Transparent Window, ATW），通常座落在 8 到 13 微米（µm）之間。因此，理想的輻射冷卻材料應該在這個大氣窗口內必須具有極高的熱輻射率（越接近100% 越好）[3]。

 

圖1、左邊房屋塗裝上輻射冷卻塗層；右邊房屋為無塗裝

 

對於日間輻射冷卻，除了要能夠有效輻射熱量外，另一個關鍵挑戰是如何降低太陽輻射的熱吸收。太陽光光譜主要集中在 0.3 到 2.5 微米（µm）的波長範圍內。為了在白天實現顯著的降溫效果，材料必須對太陽光具有極高的反射率（接近 100%），以最大限度地減少對於太陽能吸收所引起的升溫。因此，理想的 PDRC 材料需要具備兩個關鍵光學特性：在太陽光譜範圍（0.3-2.5 µm）內高反射，以及在大氣透明窗口（8-13 µm）內高輻射[4]。根據材料的光譜特性，輻射冷卻材料可以大致分為兩類：寬頻輻射體（broadband emitter）和選擇性輻射體（selective emitter）。寬頻輻射體在較寬的紅外光譜範圍內（例如 2.5-25 µm）具有高輻射率，當物體溫度高於或接近環境溫度時，這種設計能提供較大的淨冷卻功率。而選擇性輻射體主要在大氣窗口內具有高輻射率，這種設計更有利於實現低於環境溫度的冷卻。在一般環境的測試條件下，具有理想選擇性輻射特性的材料能達到比理想寬頻輻射體更低的最低溫度[5]。

 

為了實現這種特殊的光學特性，研究人員針對多種材料和結構設計進行研究與開發。主要的設計方法可以歸類以下幾類：(1) 材料本質光學特性：即代表某些材料在特定的波長範圍內具有天然本質上的高反射或高輻射特性。例如，聚合物的功能基團振動在紅外範圍內會產生吸收和輻射、無機材料的帶隙影響其對太陽光的吸收等。例如PDMS[6]、P(VdF-HFP)[7] 和PMMA[8]等聚合物，因為這些材料能夠最大限度地減少從太陽輻射中吸收熱量，且在大氣透明窗口內具有極高的熱輻射率，因此被認為是良好的輻射冷卻材料[9]。(2) 特殊光學結構：透過設計材料的微結構或奈米結構，可以調控光線的反射、透射和吸收行為[10]。常見的結構包括：(A)多層結構 (Multilayer Structure)：透過堆疊多層不同折射率的材料，可以利用薄膜干涉效應實現對特定波長光線的高反射[11]。例如，由HfO₂ 和 SiO₂ 交替層沉積在銀鏡上的結構，可以實現對太陽光的近 97% 反射，多層膜的層數和厚度則是調控光譜的關鍵參數[4]。(B) 隨機分佈顆粒結構 (Randomly Distributed Particle Structure)：將具有高反射或高輻射特性的微米/奈米顆粒分散在聚合物基質中，可以透過顆粒與聚合物基質的折射率差異，達到高的光學散射率，同時透過選用適當材料達到紅外線高輻射率。例如，二氧化鈦 (TiO₂) [12]和硫酸鋇 (BaSO₄) [13]是常用的顆粒材料。例如，具有BaSO₄ 顆粒的壓克力塗料，可以實現高達 98% 的太陽光反射率和 95% 的紅外輻射率[14]。(C)多孔結構 (Porous Structure)：在材料內部或表面引入微米/奈米尺度的孔洞，可以透過孔洞的散射和材料本身的吸收來增強太陽光反射和熱輻射[15]。例如，透過模板法可以製造出具有可控孔結構的多孔塗層或薄膜，使用單層 SiO₂ 作為模板設計的多孔 PMMA 薄膜，太陽光反射率高達 95%，紅外熱輻射率達到 98%[16]。(D) 超材料 (Metamaterial)：透過設計亞波長尺度的週期性結構，可以實現原材料不具備的光學性質，然而超材料通常需要複雜的微製程技術，這成為商業化的主要障礙[17]。從商業化的角度來看，聚合物基的多孔結構和隨機分佈顆粒結構材料因其製造成本低、易於製造、高可應用性和良好的相容性，通常被認為更具前景。特別是製成塗料（paint）形式的材料，因其使用方便、成本低、易於大規模實施，被視為解決全球能源挑戰的潛力方案。例如，已有研究展示將 PDRC 塗料應用於模型房屋和雨傘的降溫效果。

 

儘管輻射冷卻技術目前已有許多新的進展，但要實際應用的話仍有一些問題需要解決，包括(1) 季節性過度冷卻 (Over-cooling)效應：在冬季或夜間，當環境溫度較低時，持續的高輻射散熱可能會導致過度冷卻，反而需要額外的供暖能源。這限制輻射冷卻材料在全年熱量調節中的應用[18]。(2) 美觀與色彩限制 (Aesthetics and Color)：大多數高效輻射冷卻材料是為了最大程度地反射太陽光，通常呈現白色或金屬色，這在建築美學和實際應用場景中存在限制，可能導致光污染或與環境不協調[19]。(3)大規模製造與成本 (Scalability and Cost)：許多高性能的輻射冷卻材料需要精密的微/奈米製造技術，這導致製造成本高昂，限制其大規模生產和廣泛應用[20]。 儘管如此，面對這些挑戰，許多研究人員仍積極開發多種創新解決方案，包括(1) 動態可切換智能輻射冷卻器 (Dynamic Switchable Smart Radiative Coolers)：這類材料的光學特性可以根據環境條件（如溫度、濕度、光照或電訊號）進行調節，從而在需要時提供冷卻，不需要時減少散熱甚至能夠促進吸熱。實現動態調節的策略包括使用熱致變色材料（如 VO₂）、電致變色材料、或機械可調結構等。這種智能材料有望實現建築物的全年被動式熱調節技術[21]。例如，基於 VO₂ 的熱致變色智能窗戶，可以根據溫度自動調節其對太陽光和紅外輻射的響應，在夏天降溫，在冬天減少散熱並允許太陽能進入。(2) 彩色輻射冷卻器 (Colored Radiative Coolers)：為了滿足美學需求並擴大應用範圍，研究人員開發具有顏色的輻射冷卻材料。這需要巧妙地設計材料，使其在可見光範圍內選擇性吸收以呈現顏色，同時保持在近紅外範圍的高反射和紅外範圍的高輻射，例如雙層塗層是一種實現彩色輻射冷卻、簡單且可實際應用的方法[19]。(3) 提高可應用性與降低成本：採用模板法、塗料形式、以及卷對卷（roll-to-roll）製造等簡單、低成本且可大規模生產技術，這些技術的發展是最直接能夠推動輻射冷卻技術走向實用化的重要開發[14]。

 

整體來說，被動式輻射冷卻技術利用地球大氣透明窗口向宇宙空間散發熱量，提供一種無需耗電的降溫途徑。透過精密的材料設計和結構控制，可以實現對太陽光的高反射率和對紅外輻射的高輻射率是其關鍵。儘管面臨過度冷卻和美觀等挑戰，但動態可調材料、彩色輻射冷卻器以及更具成本效益和可應用性的製造方法正在不斷被開發。隨著研究的深入和技術的成熟，輻射冷卻材料有望在建築節能、電子設備散熱、個人熱管理等領域發揮重要作用，同時也為地球節能減碳貢獻一份心力。

 

後記：成大工程科學系黃朝偉老師實驗室嘗試開發塗料形式之輻射冷卻塗料，將具輻射冷卻功能的塗料塗裝到模型屋上，相較於塗裝前有明顯降溫效果，相關成果曾於科工館臺灣能永續能源創意展進行展出，如圖所示。期待透過本文章的刊登達到拋磚引玉的效果，歡迎對於開發輻射冷卻技術有興趣的夥伴共同參與研究。

 

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