用于電子皮膚熱管理的超薄、柔性、自冷卻降溫界面

隨著柔性材料和加工技術(shù)的發(fā)展，柔性電子皮膚被視為下一代可穿戴電子設(shè)備的“新載體”。運(yùn)用柔性電子設(shè)備結(jié)合無線通信技術(shù)可以提高信號采集的準(zhǔn)確性和多樣性，在臨床檢測和精準(zhǔn)醫(yī)療中有巨大應(yīng)用潛力。

然而，柔性電路工作時會產(chǎn)生并積累焦耳熱，導(dǎo)致人體佩戴不舒適甚至面臨皮膚燒傷的風(fēng)險。此外，戶外溫度、光線以及對流效應(yīng)同樣會對柔性傳感系統(tǒng)的信號采集造成干擾。因此，開發(fā)可以與柔性電子設(shè)備良好結(jié)合的柔性材料，實(shí)現(xiàn)器件散熱、抗環(huán)境干擾等功能成為目前國際學(xué)界及工業(yè)界關(guān)注的前沿課題。現(xiàn)有的熱管理技術(shù)主要以基于熱傳導(dǎo)和熱對流的方式進(jìn)行散熱，但是這些散熱模塊因?yàn)樽陨眢w積、重量以及剛性等限制而不適用于可穿戴柔性電子設(shè)備中。

為了解決以上難題，研究人員提出了一種基于超薄、柔性、自冷卻降溫界面（簡稱降溫界面）的通用熱管理技術(shù)。降溫界面由具有高紅外發(fā)射的高分子聚合物（聚苯乙烯丙烯酸）和三種功能填充劑（二氧化鈦納米顆粒，二氧化硅微球，熒光顏料顆粒）構(gòu)成，可通過簡單的加工方式（比如旋涂、噴涂）與柔性皮膚電子設(shè)備集成以實(shí)現(xiàn)輻射降溫及非輻射散熱。

圖1.（A）超薄、柔性、自冷卻降溫界面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及集成方式，（B）降溫界面貼合手腕、手掌的光學(xué)圖片，（C）集成降溫界面的柔性電子設(shè)備中的熱交換方式。

實(shí)驗(yàn)表明集成該降溫界面的柔性電子設(shè)備在熱管理方面表現(xiàn)出明顯改善：0.6毫米厚度的降溫界面可使器件的工作溫度降低高達(dá)56攝氏度。降溫界面固有的柔性特征允許其作為電子設(shè)備封裝層，即使在彎曲、拉伸等形變狀態(tài)下也能進(jìn)行冷卻；同時，穩(wěn)定、快速的被動降溫方式不需要額外功耗，進(jìn)一步提升了柔性器件的工作效率（比如柔性顯示系統(tǒng)的工作效率提升了27%）。

圖2.（A）集成不同封裝厚度和面積的降溫界面對柔性器件基底溫度的變化影響，（B）柔性器件在彎折、扭轉(zhuǎn)、折疊情況下工作時的紅外圖片。

除了電子器件內(nèi)部散熱，該降溫界面對于環(huán)境中的熱源具有優(yōu)秀的抗干擾效果。高反射率的界面可以使柔性器件在戶外人體信號監(jiān)測過程中減少太陽光照射的影響，同時相對低的熱導(dǎo)率可以減少器件在環(huán)境變化過程中的溫度波動，從而提高信號檢測的穩(wěn)定性。

圖3.（A）集成降溫界面的柔性器件在室內(nèi)/外的溫度變化，（B）柔性生理信號（PPG）監(jiān)測器件在戶外時的光學(xué)、紅外圖像，（C）在不同檢測環(huán)境下的PPG（光電容積脈搏波描記法）信號的波形圖像。

因此，運(yùn)用超薄、柔性、自冷卻降溫界面為柔性電子設(shè)備提供了有效的熱管理策略，在高集成、多功能、微型化柔性電子器件的制備中具有巨大的應(yīng)用潛力。

審核編輯 ：李倩