城大獲獎發明：可冷卻皮膚電子器件的超薄、柔軟光子材料

穿戴式的皮膚電子器件一旦過熱，會導致器件的性能下降或增加皮膚灼傷的風險。香港城市大學（城大）研究團隊最近開發了一種基於新型光子材料的「超薄、柔軟、輻射冷卻」界面塗層，可大幅提升電子器件的散熱效能，將器件溫度降低超過攝氏56度。這項研發將為下一代的可穿戴式電子產品，帶來有效熱管理的嶄新方案。

共同帶領今次研究的城大生物醫學工程學系（BME）副教授于欣格博士說：「可穿戴式器件發展至猶如皮膚一樣的電子產品已是大勢所趨。」他續說：「產品能夠有效散熱，對於維持其傳感穩定以至用戶體驗，都至關重要。團隊以特製光子材料設計的『超薄、柔軟、輻射冷卻』界面塗層，為穿戴式的電子器件提供了革命性的解決方案，並將應用於長時間醫療保健監測、虛擬和擴增實境（VR和AR）的相關器件之中。」

電子產品發熱的原因，除了電流通過電導體時，令內部電子元件產生熱量——這過程稱為「焦耳熱」，亦會受環境包括太陽照射、熱空氣等影響所導致。當中，輻射（即熱輻射——從物件表面輻射熱能，亦稱黑體輻射）和非輻射（即對流和傳導——將熱能散失到器件周圍的空氣中和通過器件與冷的物體直接接觸）的傳熱過程，都可以有效散熱，有助電子器件降溫。

然而，現時的散熱技術主要通過非輻射傳熱，來消散器件內積聚的焦耳熱。這些材料一般較為笨重、堅硬，而且不便於攜帶，窒礙了無線可穿戴設備應有的靈活性。

為了克服上述缺點，研究團隊開發了一種兼具輻射和非輻射冷卻性能的多功能複合聚合物塗層，而這材料可拉伸，更適合應用於可穿戴器件，而且冷卻過程無需用電。

新研發的冷卻界面塗層，由二氧化矽（SiO₂）空心微球、二氧化鈦（TiO₂）納米粒子和熒光顏料組成，前者有助改善紅外發射，帶走更多熱量，後兩者則有效反射陽光，降低太陽能量吸收。界面塗層的厚度不足一毫米，每平方厘米只有約1.27克重，並具有較強的柔韌性。

透過新研發的界面塗層，電子儀器內部產生的熱量可流向冷卻界面，並主要通過熱輻射和空氣對流的方式，將熱量消散至周圍環境；界面塗層上方的空間，也提供了更低溫的散熱空間和熱交換通道。而界面塗層的低導熱性，令其具備有效的抗環境干擾能力，使它的冷卻效能和電子儀器的性能，不易於受到環境熱源影響。

為了檢視界面塗層的冷卻能力，團隊將塗層覆蓋在一根金屬造的電阻線上，而金屬電阻線正是導致電子產品發熱的主要元件之一。團隊將輸入的電流設為0.5A，當塗層厚度為75微米時，電阻線的溫度由攝氏140.5度降至101.3度；當塗層進一步增厚至600微米時，電阻線的溫度更大幅下降至攝氏84.2度，溫度大減超過攝氏56度。

于博士補充道：「要避免皮膚灼傷，皮膚電子設備的溫度必須限制在攝氏44度以內。我們共同研發的冷卻界面塗層，只要維持厚度在150微米，已經可將輸入電流為0.3A的電阻線溫度，從攝氏64.1度降溫至42.1度的安全範圍內。」

憑藉高效的被動冷卻能力和精密的非輻射傳熱設計，團隊設計的數款電子皮膚器件的性能均有顯著提升；當中包括無線電傳輸至LED光粒的能量接收效率，和皮膚集成的無線傳感器的訊號穩定性，即使於環境熱源（陽光、熱風或水）影響下都有明顯改善。

共同帶領今次研究的城大材料科學及工程學系（MSE）雷黨願博士說：「冷卻界面塗層的柔韌性，使它在極端變形包括多次彎曲、扭轉、折疊或拉伸等情況下，仍能維持優異製冷性能，令柔性電子設備降溫。」

舉例而言，團隊將冷卻塗層集成到一個可拉伸的無線表皮照明系統，即使在器件經1,000次拉伸、幅度達5%至50%時，仍能保持儀器的高光照強度，具有穩定表現。

研究團隊已為今次發明申請美國專利，相關名為「用於表皮電子的製冷技術」的發明，亦於早前在第48屆日內瓦國際發明展上榮獲金獎；城大團隊在今次發明展上獲得36個獎項，上述發明是其中之一，城大的獲獎數目也是全港大學之冠。

未來，研究團隊將專注於冷卻界面塗層的多功能開發，並應用在醫療保健監測、無線通信、VR和AR領域等穿戴式儀器中更為先進的散熱管理。

上述研究成果已於科學期刊《科學進展》（Science Advances）上發表，題為〈Ultrathin, soft, radiative cooling interfaces for advanced thermal management in skin electronics〉。

研究的共同第一作者為BME博士後李冀豫博士及MSE博士研究生付洋先生，通訊作者為于博士和雷博士。研究得到城大、InnoHK的香港心腦血管健康工程研究中心和香港研究資助局的支持。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2023/06/29/cityu-awarded-invention-soft-ultrathin-photonic-material-cools-down-wearable-electronic-devices