穿戴式的皮膚電子器件一旦過(guò)熱，會(huì)導(dǎo)致器件的性能下降或增加皮膚灼傷的風(fēng)險(xiǎn)。香港城市大學(xué)（城大）研究團(tuán)隊(duì)最近開(kāi)發(fā)了一種基于新型光子材料的“超薄、柔軟、輻射冷卻”界面涂層，可大幅提升電子器件的散熱效能，將器件溫度降低超過(guò)攝氏56度。這項(xiàng)研發(fā)將為下一代的可穿戴式電子產(chǎn)品，帶來(lái)有效熱管理的嶄新方案。

共同帶領(lǐng)這次研究的城大生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系（BME）副教授于欣格博士說(shuō)：“可穿戴式器件發(fā)展至猶如皮膚一樣的電子產(chǎn)品已是大勢(shì)所趨。”他續(xù)說(shuō)：“產(chǎn)品能夠有效散熱，對(duì)于維持其傳感穩(wěn)定以至用戶體驗(yàn)，都至關(guān)重要。團(tuán)隊(duì)以特制光子材料設(shè)計(jì)的‘超薄、柔軟、輻射冷卻’界面涂層，為穿戴式的電子器件提供了革命性的解決方案，將應(yīng)用于長(zhǎng)時(shí)間醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)、虛擬和擴(kuò)增實(shí)境（VR和AR）的相關(guān)器件之中。”

電子產(chǎn)品發(fā)熱的原因，除了電流通過(guò)電導(dǎo)體時(shí)，令內(nèi)部電子元件產(chǎn)生熱量——這過(guò)程稱為“焦耳熱”，亦會(huì)受環(huán)境包括太陽(yáng)照射、熱空氣等影響所導(dǎo)致。當(dāng)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(duì)流和傳導(dǎo)——將熱能散失到器件周圍的空氣中和通過(guò)器件與冷的物體直接接觸）的傳熱過(guò)程，都可以有效散熱，有助電子器件降溫。

然而，現(xiàn)時(shí)的散熱技術(shù)主要通過(guò)非輻射傳熱，來(lái)消散器件內(nèi)積聚的焦耳熱。這些材料一般較為笨重、堅(jiān)硬，而且不便于攜帶，窒礙了無(wú)線可穿戴設(shè)備應(yīng)有的靈活性。

為了克服上述缺點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種兼具輻射和非輻射冷卻性能的多功能復(fù)合聚合物涂層，而這材料可拉伸，更適合應(yīng)用于穿戴器件，而且冷卻過(guò)程無(wú)需用電。

新研發(fā)的冷卻界面涂層，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，前者有助改善紅外線發(fā)射，帶走更多熱量，后兩者則有效反射陽(yáng)光，降低太陽(yáng)能量吸收。界面涂層的厚度不足一毫米，每平方厘米只有約1.27克重，并具有較強(qiáng)的柔韌性。

透過(guò)新研發(fā)的界面涂層，電子儀器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量可流向冷卻界面，并主要通過(guò)熱輻射和空氣對(duì)流的方式，將熱量消散至周圍環(huán)境；界面涂層上方的空間，也提供了更低溫的散熱空間和熱交換通道。而界面涂層的低導(dǎo)熱性，令其具備有效的抗環(huán)境干擾能力，使它的冷卻效能和電子儀器的性能，不易于受到環(huán)境熱源影響。

為了檢視界面涂層的冷卻能力，團(tuán)隊(duì)將涂層覆蓋在一根金屬造的電阻線上，而金屬電阻線正是導(dǎo)致電子產(chǎn)品發(fā)熱的主要元件之一。團(tuán)隊(duì)將輸入的電流設(shè)為0.5安，當(dāng)涂層厚度為75微米時(shí)，電阻線的溫度由攝氏140.5度降至101.3度；當(dāng)涂層進(jìn)一步增厚至600微米時(shí)，電阻線的溫度更大幅下降至攝氏84.2度，溫度大減超過(guò)攝氏56度。

于博士補(bǔ)充道：“要避免皮膚灼傷，皮膚電子設(shè)備的溫度必須限制在攝氏44度以內(nèi)。我們共同研發(fā)的冷卻界面涂層，只要維持厚度在150微米，已經(jīng)可將輸入電流為0.3安的電阻線溫度，從攝氏64.1度降溫至42.1度的安全范圍內(nèi)。”

憑借高效的被動(dòng)冷卻能力和精密的非輻射傳熱設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的數(shù)款電子皮膚器件的性能均有顯著提升；當(dāng)中包括無(wú)線電傳輸至LED光粒能量接收效率，和皮膚集成的無(wú)線傳感器的訊號(hào)穩(wěn)定性，即使于環(huán)境熱源（陽(yáng)光、熱風(fēng)或水）影響下都有明顯改善。

共同帶領(lǐng)今次研究的城大材料科學(xué)及工程學(xué)系（MSE）雷黨愿博士說(shuō)：“冷卻界面涂層的柔韌性，使它在極端變形包括多次彎曲、扭動(dòng)、折疊或拉伸等情況下，仍能維持優(yōu)異制冷性能，令柔性電子設(shè)備降溫。”

舉例而言，團(tuán)隊(duì)將冷卻涂層集成到一個(gè)可拉伸的無(wú)線表皮照明系統(tǒng)，即使在器件經(jīng)1,000次拉伸、幅度達(dá)5%至50%時(shí)，仍能保持儀器的高光照強(qiáng)度，具有穩(wěn)定表現(xiàn)。

研究團(tuán)隊(duì)已為本次發(fā)明申請(qǐng)美國(guó)專利，相關(guān)名為“用于表皮電子的制冷技術(shù)的發(fā)明”，亦于早前在第48屆日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展上榮獲金獎(jiǎng)；香港城大團(tuán)隊(duì)在本次發(fā)明展上獲得36個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，上述發(fā)明是其中之一，香港城大的獲獎(jiǎng)數(shù)目也是全港大學(xué)之冠。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將專注于冷卻界面涂層的多功能開(kāi)發(fā)，并應(yīng)用在醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)、無(wú)線通信、VR和AR領(lǐng)域等穿戴式儀器中更為先進(jìn)的散熱管理。

上述研究成果已于科學(xué)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上發(fā)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博士后李冀豫博士及MSE博士研究生付洋先生，通訊作者為于博士和雷博士。研究得到香港城大、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。