스마트 윈도우 전기변색(Electrochromic) 소자 & 1,000Hz 0-Alloc C# WO3 박막 리튬 이온 삽입 광학 흡수 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Electrochromic;

/// 

/// 전기변색 소자 전기화학-광학 상태 구조체 (100% Stack Allocation)
/// 
public readonly ref struct EcDeviceState
{
    public readonly double AppliedVoltageVolt;    // 인가 전압 (V)
    public readonly double CurrentDensityMaCm2;   // 전류 밀도 (mA/cm^2)
    public readonly double InjectedChargeMCm2;    // 누적 전하량 (mC/cm^2)
    public readonly double TransmittancePercent;  // 실시간 가시광 투과율 (%)
    public readonly double OpticalDensityDelta;   // 광학 밀도 변화량 (ΔOD)
    public readonly double PowerConsumptionW;     // 변색 구동 소비 전력 (W)

    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public EcDeviceState(
        double appliedVoltageVolt,
        double currentDensityMaCm2,
        double injectedChargeMCm2,
        double transmittancePercent,
        double opticalDensityDelta,
        double powerConsumptionW)
    {
        AppliedVoltageVolt = appliedVoltageVolt;
        CurrentDensityMaCm2 = currentDensityMaCm2;
        InjectedChargeMCm2 = injectedChargeMCm2;
        TransmittancePercent = transmittancePercent;
        OpticalDensityDelta = opticalDensityDelta;
        PowerConsumptionW = powerConsumptionW;
    }
}

/// 

/// 1,000Hz 0-Alloc C# WO3 박막 스마트 윈도우 전기변색 시뮬레이터
/// 
public static class SmartWindowEcEngine
{
    private const double BleachedTransmittance = 0.82; // 탈색 상태 최대 투과율 (82%)
    private const double MinTransmittance = 0.05;      // 완전 착색 상태 최소 투과율 (5%)
    private const double ColorationEfficiency = 48.0;  // 착색 효율 CE (cm^2/C)
    private const double WindowAreaM2 = 1.5;           // 창호 면적 (1.5 m^2)
    private const double FilmThicknessNm = 350.0;      // WO3 박막 두께 (350nm)

    /// 

    /// 1ms 타임스텝 전하 삽입 및 광학 투과율 전진 계산 (0-Alloc)
    /// 
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public static EcDeviceState StepTransition(
        double appliedVoltageVolt,
        double currentChargeMCm2,
        double dtSec = 0.001)
    {
        // 1. 인가 전압에 따른 이온 전류 밀도 근사 (착색 전압 -1.5V ~ 탈색 전압 +1.5V)
        double overpotential = appliedVoltageVolt - (-0.2); // 평형 전위 -0.2V 기준
        double currentDensity = Math.Clamp(overpotential * 2.4, -15.0, 15.0); // mA/cm^2

        // 2. 누적 전하량 갱신 (mC/cm^2): Q = ∫ J dt
        double maxCharge = 35.0; // 완전 착색 포화 전하량
        double nextCharge = Math.Clamp(currentChargeMCm2 + currentDensity * dtSec * 1000.0 * 1e-3, 0.0, maxCharge);

        // 3. 광학 밀도 변화량: ΔOD = CE * Q (Q in C/cm^2 -> Q_mC * 1e-3)
        double chargeCoulombs = nextCharge * 1e-3;
        double deltaOd = ColorationEfficiency * chargeCoulombs;

        // 4. 착색 투과율 연산: T = T_bleached * 10^(-ΔOD)
        double transmittance = Math.Max(BleachedTransmittance * Math.Pow(10.0, -deltaOd), MinTransmittance);

        // 5. 소비 전력 (W): P = |V| * |I|
        double currentTotalAmps = Math.Abs(currentDensity) * 1e-3 * (WindowAreaM2 * 1e4);
        double powerWatts = Math.Abs(appliedVoltageVolt) * currentTotalAmps;

        return new EcDeviceState(
            appliedVoltageVolt,
            currentDensity,
            nextCharge,
            transmittance * 100.0,
            deltaOd,
            powerWatts);
    }
}