城大获奖发明：可冷却皮肤电子器件的超薄、柔软光子材料
穿戴式的皮肤电子器件一旦过热，会导致器件的性能下降或增加皮肤灼伤的风险。香港城市大学（城大）研究团队最近开发了一种基于新型光子材料的“超薄、柔软、辐射冷却”界面涂层，可大幅提升电子器件的散热效能，将器件温度降低超过摄氏56度。这项研发将为下一代的可穿戴式电子产品，带来有效热管理的崭新方案。
共同带领这次研究的城大生物医学工程学系（BME）副教授于欣格博士说：“可穿戴式器件发展至犹如皮肤一样的电子产品已是大势所趋。”他续说：“产品能够有效散热，对于维持其传感稳定以至用户体验，都至关重要。团队以特制光子材料设计的‘超薄、柔软、辐射冷却’界面涂层，为穿戴式的电子器件提供了革命性的解决方案，将应用于长时间医疗保健监测、虚拟和扩增实境（VR和AR）的相关器件之中。”
电子产品发热的原因，除了电流通过电导体时，令内部电子元件产生热量——这过程称为“焦耳热”，亦会受环境包括太阳照射、热空气等影响所导致。当中，辐射（即热辐射——从物件表面辐射热能，亦称黑体辐射）和非辐射（即对流和传导——将热能散失到器件周围的空气中和通过器件与冷的物体直接接触）的传热过程，都可以有效散热，有助电子器件降温。
然而，现时的散热技术主要通过非辐射传热，来消散器件内积聚的焦耳热。这些材料一般较为笨重、坚硬，而且不便于携带，窒碍了无线可穿戴设备应有的灵活性。
为了克服上述缺点，研究团队开发了一种兼具辐射和非辐射冷却性能的多功能复合聚合物涂层，而这材料可拉伸，更适合应用于穿戴器件，而且冷却过程无需用电。
新研发的冷却界面涂层，由二氧化矽（SiO2）空心微球、二氧化钛（TiO2）纳米粒子和荧光颜料组成，前者有助改善红外线发射，带走更多热量，后两者则有效反射阳光，降低太阳能量吸收。界面涂层的厚度不足一毫米，每平方厘米只有约1.27克重，并具有较强的柔韧性。
透过新研发的界面涂层，电子仪器内部产生的热量可流向冷却界面，并主要通过热辐射和空气对流的方式，将热量消散至周围环境；界面涂层上方的空间，也提供了更低温的散热空间和热交换通道。而界面涂层的低导热性，令其具备有效的抗环境干扰能力，使它的冷却效能和电子仪器的性能，不易于受到环境热源影响。
为了检视界面涂层的冷却能力，团队将涂层覆盖在一根金属造的电阻线上，而金属电阻线正是导致电子产品发热的主要元件之一。团队将输入的电流设为0.5安，当涂层厚度为75微米时，电阻线的温度由摄氏140.5度降至101.3度；当涂层进一步增厚至600微米时，电阻线的温度更大幅下降至摄氏84.2度，温度大减超过摄氏56度。
于博士补充道：“要避免皮肤灼伤，皮肤电子设备的温度必须限制在摄氏44度以内。我们共同研发的冷却界面涂层，只要维持厚度在150微米，已经可将输入电流为0.3安的电阻线温度，从摄氏64.1度降温至42.1度的安全范围内。”
凭借高效的被动冷却能力和精密的非辐射传热设计，团队设计的数款电子皮肤器件的性能均有显著提升；当中包括无线电传输至LED光粒能量接收效率，和皮肤集成的无线传感器的讯号稳定性，即使于环境热源（阳光、热风或水）影响下都有明显改善。
共同带领今次研究的城大材料科学及工程学系（MSE）雷党愿博士说：“冷却界面涂层的柔韧性，使它在极端变形包括多次弯曲、扭动、折叠或拉伸等情况下，仍能维持优异制冷性能，令柔性电子设备降温。”
举例而言，团队将冷却涂层集成到一个可拉伸的无线表皮照明系统，即使在器件经1,000次拉伸、幅度达5%至50%时，仍能保持仪器的高光照强度，具有稳定表现。
研究团队已为本次发明申请美国专利，相关名为“用于表皮电子的制冷技术的发明”，亦于早前在第48届日内瓦国际发明展上荣获金奖；香港城大团队在本次发明展上获得36个奖项，上述发明是其中之一，香港城大的获奖数目也是全港大学之冠。
未来，研究团队将专注于冷却界面涂层的多功能开发，并应用在医疗保健监测、无线通信、VR和AR领域等穿戴式仪器中更为先进的散热管理。
上述研究成果已于科学期刊《科学进展》（Science Advances）上发表，题为〈Ultrathin, soft, radiative cooling interfaces for advanced thermal management in skin electronics〉。
研究的共同第一作者为BME博士后李冀豫博士及MSE博士研究生付洋先生，通讯作者为于博士和雷博士。研究得到香港城大、InnoHK的香港心脑血管健康工程研究中心和香港研究资助局的支持。