Ultradünnes photonisches Material kühlt tragbare Elektronik

Ultradünnes photonisches Material kühlt tragbare Elektronik: Überhitzung tragbarer, hautähnlicher elektronischer Geräte erhöht das Risiko von Hautverbrennungen und führt zu Leistungseinbußen. Ein Forschungsteam unter der Leitung vonStadtuniversität Hongkong (CityU)hat eine auf photonischem Material basierende „weiche, ultradünne Strahlungskühlungsschnittstelle“ erfunden, die die Wärmeableitung in Geräten mit Temperaturabfällen von mehr als 56 °C erheblich verbessert und eine Alternative für ein effektives Wärmemanagement in fortschrittlicher tragbarer Elektronik bietet.

„Hautähnliche Elektronik ist eine aufstrebende Entwicklung bei tragbaren Geräten“, sagte erDr. Yu Xinge , außerordentlicher Professor am Department of Biomedical Engineering (BME) der CityU, der die Forschung mit leitete. „Eine effektive Wärmeableitung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Sensorstabilität und eines guten Benutzererlebnisses. Unsere ultradünne, weiche Strahlungskühlungsschnittstelle aus speziell entwickeltem photonischem Material bietet eine revolutionäre Lösung für eine komfortable, langfristige Gesundheitsüberwachung sowie Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen (VR/AR).

In elektronischen Geräten kann Wärme sowohl von internen elektronischen Komponenten erzeugt werden, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt (ein Prozess, der als Joulesche Erwärmung bezeichnet wird), als auch von externen Quellen wie Sonnenlicht und heißer Luft. Zum Abkühlen der Geräte, sowohl durch Strahlung (d. h. Wärmestrahlung – Abgabe von Wärmeenergie von der Geräteoberfläche) als auch durch Nichtstrahlung (d. h. Konvektion und Leitung – Wärmeabgabe an die ruhende Luftschicht um das Gerät herum und durch direkten Kontakt mit einem kalten Objekt). ) Wärmeübertragungsprozesse können eine Rolle spielen.

Die aktuellen Technologien basieren jedoch meist auf strahlungsfreien Mitteln, um die angesammelte Joulesche Wärme abzuleiten. Darüber hinaus sind die Materialien in der Regel sperrig und starr und bieten eine eingeschränkte Tragbarkeit, was die Flexibilität drahtloser tragbarer Geräte beeinträchtigt.

Um diese Mängel zu überwinden, entwickelte das Forschungsteam eine multifunktionale Verbundpolymerbeschichtung mit sowohl strahlender als auch nicht strahlender Kühlkapazität, ohne Strom zu verbrauchen und mit Fortschritten in der Tragbarkeit und Dehnbarkeit.

Die Kühlschnittstellenbeschichtung besteht aus hohlen Mikrokügelchen aus Siliziumdioxid (SiO2) zur Verbesserung der Infrarotstrahlung sowie aus Titandioxid (TiO2)-Nanopartikeln und fluoreszierenden Pigmenten zur Verbesserung der Sonnenreflexion. Es ist weniger als einen Millimeter dick, leicht (ca. 1,27 g/cm2) und verfügt über eine robuste mechanische Flexibilität.

Ultradünnes photonisches Material kühlt tragbare Elektronik: Wenn in einem elektronischen Gerät Wärme erzeugt wird, fließt diese zur Kühlschnittstellenschicht und wird durch Wärmestrahlung und Luftkonvektion an die Umgebung abgegeben. Der offene Raum über der Grenzschicht bietet einen kühleren Kühlkörper und einen zusätzlichen Wärmeaustauschkanal. Aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit weist die Schnittstelle außerdem eine hervorragende Fähigkeit zur Vermeidung von Störungen durch die Umgebung auf, wodurch sie weniger anfällig für Umgebungswärmequellen ist, die den Kühleffekt und die Leistung der Geräte beeinträchtigen würden.

Um die Kühlleistung zu untersuchen, wurde die Kühlschnittstellenschicht konform auf einen metallischen Widerstandsdraht aufgetragen – ein typisches Bauteil, das in der Elektronik einen Temperaturanstieg verursacht. Bei einer Beschichtungsdicke von 75 μm sank die Temperatur des Drahtes von 140,5 °C auf 101,3 °C im Vergleich zu unbeschichtetem Draht bei einem Eingangsstrom von 0,5 A und fiel bei 600 μm Dicke auf 84,2 °C, was zu einem Temperaturabfall führte von mehr als 56°C.

„Es ist notwendig, die Gerätetemperatur unter 44 °C zu halten, um Hautverbrennungen zu vermeiden“, sagte Dr. Yu. „Unsere Kühlschnittstelle kann den Widerstandsdraht mit einer 150 μm dicken Beschichtung von 64,1 °C auf 42,1 °C abkühlen.“

Mit der effizienten passiven Strahlungskühlungskapazität und dem ausgeklügelten strahlungsfreien thermischen Design wurde die Leistung mehrerer vom Team entwickelter elektronischer Hautgeräte deutlich verbessert, darunter die Effizienz der drahtlosen Energieübertragung an Leuchtdioden (LEDs) und die Signalstabilität eines haut- angeschlossener Funksensor unter Umgebungseinflüssen (z. B. Sonnenlicht, heißer Wind und Wasser).

„Die intrinsische Flexibilität der Kühlschnittstelle ermöglicht eine stabile Kühlung der elektronischen Geräte auch bei extremer Verformung, wie z. B. mehrmaligem Biegen, Verdrehen, Falten und Strecken“, sagte erDr. Lei Dangyuan, außerordentlicher Professor am Department of Materials Science and Engineering (MSE) der CityU, ein weiterer Co-Leiter der Studie.

Ultradünnes photonisches Material kühlt tragbare Elektronik ab: Beispielsweise zeigte ihr in die Kühlschnittstelle integriertes, dehnbares, drahtloses epidermales Beleuchtungssystem eine höhere Beleuchtungsintensität und behielt eine stabile Leistung bei, selbst wenn es 1.000 Mal von 5 % auf 50 % gedehnt wurde.

Das Team reichte einen US-Patentantrag für die Erfindung ein. Sie gewannen mit ihrem Projekt „Kühltechnologie für epidermale Elektronik“ eine Goldmedaille, eine von 36 Auszeichnungen, die CityU-Teams gewannen, die höchste Anzahl an Auszeichnungen unter lokalen Institutionen auf der 48. Internationalen Erfindungsmesse in Genf.

Als nächstes wird sich das Forschungsteam auf praktische Anwendungen der Kühlschnittstellen für ein fortschrittliches Wärmemanagement tragbarer Elektronik in den Bereichen Gesundheitsüberwachung, drahtlose Kommunikation und VR/AR konzentrieren.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlichtWissenschaftliche Fortschritteunter dem Titel "Ultradünne, weiche Strahlungskühlungsschnittstellen für fortschrittliches Wärmemanagement in der Hautelektronik“.

Die ersten Co-Autoren sindLi Jiyu, ein Postdoc im BME, undHerr Fu Yang , ein Doktorand am MSE der CityU. Die entsprechenden Autoren sind Dr. Yu und Dr. Lei.

Die Forschung wird von CityU, dem Hong Kong Centre for Cerebro-cardiovascular Health Engineering (COCHE) bei InnoHK und dem Research Grants Council of Hong Kong unterstützt.

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