柔软超薄光子材料可冷却可穿戴电子设备

可穿戴类皮肤电子设备过热会增加皮肤灼伤的风险并导致性能下降。香港城市大学(城大)领导的研究团队发明了一种基于光子材料的“柔软、超薄、辐射冷却界面”，大大增强了设备的散热能力，温度下降超过56°C，为先进可穿戴电子产品中的有效热管理。

“类皮肤电子产品是可穿戴设备的新兴发展，”该研究的共同领导者、城大生物医学工程系 (BME) 副教授Yu Xinge 博士说。“有效的散热对于保持传感稳定性和良好的用户体验至关重要。我们的超薄、柔软、辐射冷却界面由专门设计的光子材料制成，提供了革命性的解决方案，可实现舒适、长期的医疗保健监控以及虚拟和增强现实 (VR/AR) 应用。”

在电子设备中，当电流通过导体时，内部电子元件(这一过程称为焦耳热)和外部来源(例如阳光和热空气)都会产生热量。为了冷却设备，辐射(即热辐射 - 从设备表面散发热能)和非辐射(即对流和传导 - 通过与冷物体直接接触将热量散失到设备周围的静止空气层中)传热过程可以发挥作用。

然而，目前的技术主要依靠非辐射手段来消散积累的焦耳热。此外，这些材料通常体积大且坚硬，便携性有限，阻碍了无线可穿戴设备的灵活性。

为了克服这些缺点，研究团队开发了一种多功能复合聚合物涂层，具有辐射和非辐射冷却能力，无需使用电力，并且在耐磨性和拉伸性方面具有进步。

冷却界面涂层由用于改善红外辐射的中空二氧化硅(SiO 2)微球和用于增强太阳光反射的二氧化钛(TiO 2)纳米颗粒和荧光颜料组成。它的厚度不到一毫米，重量轻(约1.27g/cm 2)，并且具有强大的机械灵活性。

当电子设备产生热量时，热量流向冷却界面层并通过热辐射和空气对流消散到周围环境。界面层上方的开放空间提供了冷却器散热器和额外的热交换通道。由于其较低的导热率，该接口还具有出色的抗环境干扰能力，使其不易受到环境热源的影响，从而影响设备的冷却效果和性能。

为了检查其冷却能力，将冷却界面层保形地涂覆在金属电阻丝上——金属电阻丝是导致电子产品温度升高的典型元件。涂层厚度为75μm时，在输入电流为0.5A时，与无涂层线材相比，线材温度从140.5℃下降至101.3℃;600μm厚度时，线材温度下降至84.2℃，实现了温降。超过56°C。

“有必要将设备温度保持在44°C以下，以避免皮肤灼伤，”于博士说。“我们的冷却接口可以通过 150 μm 厚的涂层将电阻丝从 64.1°C 冷却到 42.1°C。”

凭借高效的被动辐射冷却能力和复杂的非辐射热设计，该团队开发的多款皮肤电子设备的性能显着提高，包括无线功率传输到发光二极管(LED)的效率以及皮肤的信号稳定性。在环境障碍(例如阳光、热风和水)下连接无线传感器。

材料科学与工程系副教授雷党元博士表示：“冷却界面本质上的柔性特性使得电子设备即使在多次弯曲、扭曲、折叠和拉伸等极端变形下也能稳定冷却。”该研究的另一位联合领导者是城大的MSE。

例如，他们的集成冷却接口的可拉伸无线表皮照明系统即使拉伸 5% 至 50% 1,000 次，也能表现出更高的照明强度并保持稳定的性能。

该团队为该发明提交了专利申请。他们凭借名为“表皮电子冷却技术”的项目，在第48届日内瓦国际发明展上荣获金奖，这是城大团队获得的36个奖项之一，也是本地院校中获奖数量最多的。

接下来，研究团队将重点研究可穿戴电子产品先进热管理冷却接口在医疗保健监控、无线通信和VR/AR领域的实际应用。

该研究结果发表在科学杂志《科学进展》上，标题为“用于皮肤电子设备先进热管理的超薄、柔软、辐射冷却界面”。

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