香港城市大学于欣格/雷党愿Science Advances：超薄、柔软、辐射式冷却界面，用于电子皮肤的热管理

热管理在电子产品中发挥着显著作用，尤其是对于新兴的可穿戴和皮肤电子产品，因为这些电子产品的集成、多功能和小型化水平由热管理性能决定。

基于此，香港城市大学于欣格/雷党愿团队开发了一种通用的热管理策略，通过使用超薄、柔软的辐射冷却界面（USRI），该界面允许通过辐射和非辐射传热来冷却皮肤电子设备中的温度，从而实现大于56°C的温度降低。USRI的轻质和固有的柔性使其能够用作适形密封层，因此可以很容易地与皮肤电子设备集成。从而可以演示包括柔性电路的焦耳热被动冷却，提高表皮电子器件的工作效率，以及稳定皮肤界面无线光电体积描记传感器的性能输出。这些结果为在先进的皮肤界面电子设备中实现有效的热管理提供了一条替代途径，用于多功能和无线操作的医疗保健监测。该论文以“Ultrathin, soft, radiative cooling interfaces for advanced thermal management in skin electronics”为题发表在Science Advances期刊上。

图1 USRI 的设计

USRI的设计与制备

为了促进可穿戴电子兼容的热管理技术，考虑到灵活性、多功能性和成本效益，采用了具有辐射冷却能力的复合聚合物来设计USRI。设计的USRI的横截面图如图1所示。它由聚合物基质（聚苯乙烯-丙烯酸）和三种功能填料（中空SiO2微球、TiO2纳米颗粒和荧光颜料）组成。此外，较厚的USRI具有更好的光谱性能，因为它提供了更多散射界面以及更多发射物质。200μm厚的USRI的总红外发射率为97%，优于先前报道的辐射冷却材料和传统封装层例如聚酰亚胺（PI）。

皮肤电子设备中导电互连的被动冷却

电子器件的示意图如图2所示。USRI集成柔性电阻线由于USRI固有的柔软特性和金属迹线精心设计的机械结构而表现出极大的灵活性。USRI的采用可以显著减少流向下层皮肤的热流，从而提高热舒适性并降低皮肤烧伤的风险。如图2（D和E）所示，当柔性电阻线在较低的输入电流（0.1A）下工作时，由于可忽略的焦耳热产生，涂覆USRI的组和对照组之间没有明显的温差（即H=0）。随着输入电流的增加，温度变化显著，其中USRI涂层组显示出更低的温度（图D和E）。这些结果与计算模拟结果高度一致（彩色阴影区域）。对于那些具有固定涂层区域的器件，较厚的USRI层提高了整体发射率，以获得更好的冷却效果，而对于特定的涂层厚度，包裹在USRI中的导电电阻线的热量水平传播。具有USRI的柔性电阻丝可以在0.3A的输入电流下将温度从64.1°C（对照组）冷却到42.12°C，涂层厚度为150μm。因此，USRI为可穿戴电子产品提供了一种出色的热管理策略。

图2 用于皮肤电子设备中导电互连的被动冷却

可拉伸射频无线皮肤电子设备的被动冷却

在各种应用中，尤其是在长期生物信号监测和无线通信中，对变形下的皮肤电子设备进行稳定的热管理至关重要。在射频下长期工作会导致电子产品中的严重热问题，这也是基于射频的无线皮肤电子产品的障碍。在这里，作者开发了带有照明系统的无线可拉伸皮肤电子设备，以进一步证明USRI在潜在应用中的热管理能力。该无线电子设备由作为无线电力传输RF天线的蛇形线圈、LED（带电容器）、PI支撑层和作为密封层和基底的底部聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成（图3）。图案化的USRI（在考虑了与USRI集成的蛇形图案的冷却能力和纵横比后，厚度为H=225μm）用作器件顶部的封装层和热管理盖。图3显示了USRI涂层无线电子设备的光学图像，其中该设备表现出极大的灵活性.

图3c显示了这种柔性无线电子设备的热交换过程的示意图。与柔性电阻线中的热管理行为类似，在这里，USRI还提供了比没有USRI的设备优越得多的散热通道，从而能够有效地冷却USRI集成系统。辐射冷却效应实现了USRI涂层电子设备的热管理，这有利于皮肤电子设备的工作性能。图3F显示了两组LED在20至160 mW的不同输入功率下的发射强度差异。可以观察到USRI组在抑制包络的情况下显著提高了照明强度。USRI在提高发射效率方面的优越性。因此，USRI为该无线照明系统提供了更高的LED照明强度和更高的能量转换效率。值得一提的是，USRI涂层器件不仅表现出良好的热管理能力，而且保持了优异的拉伸性。USRI集成照明系统的照明强度和设备温度在不同的拉伸下都没有表现出明显的变化，表明其具有稳定的热管理策略。

图3 可拉伸射频无线皮肤电子产品的被动冷却

被动冷却用于连续监测皮肤电子设备中的生理信号

为了通过作者的热管理策略充分利用皮肤电子的实际应用，作者开发了一个最先进的皮肤界面光电体积描记术（PPG）无线传感平台，用于实时脉冲监测和评估USRI对设备性能的影响（图4）。PPG传感器的顶表面涂有0.5毫米厚的USRI，该设备可以应用于指尖进行PPG无线监测。在室外或恶劣的环境中，阳光和热风都会很快将设备加热。因此，除了促进热辐射散热外，还应限制太阳能吸收和热传导，以防止热量产生。如图C所示，USRI的低导热特性可以减缓外部热源与设备之间的热交换，防止系统温度快速变化，从而提高系统的性能稳定性。此外在外部热源下记录的PPG信号结果表明射热调节与非辐射热设计相结合可以有效减少外部环境的阻碍。在USRI存在的情况下，风直接加热USRI的外表面，并因此通过USRI层内的热传导将热量输入到设备。在存在外部热源的情况下，作者的USRI的低导热率将阻碍后一个热过程，从而降低设备的温度波动。

图4 被动冷却增强皮肤电子设备中的连续生理信号监测

总结：使用自冷界面的概念为医疗、通信和娱乐应用中高度集成、多功能和无线可穿戴电子产品的进一步发展提供了一种有效的热管理策略。

封面来源于图虫创意