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O superaquecimento de dispositivos eletrônicos vestíveis semelhantes à pele aumenta o risco de queimaduras na pele e resulta em degradação do desempenho. Uma equipe de pesquisa liderada pela City University of Hong Kong (CityU) inventou uma “interface de resfriamento radiativo suave, ultrafina” baseada em material fotônico que aumenta muito a dissipação de calor em dispositivos, com quedas de temperatura superiores a 56°C, oferecendo uma alternativa para gerenciamento térmico eficaz em eletrônicos vestíveis avançados.
“Eletrônicos semelhantes à pele são um desenvolvimento emergente em dispositivos vestíveis”, disse o Dr. Yu Xinge, professor associado do Departamento de Engenharia Biomédica (BME) da CityU, que co-liderou a pesquisa. “A dissipação térmica eficaz é crucial para manter a estabilidade de detecção e uma boa experiência do usuário. Nossa interface ultrafina, macia e de resfriamento radiativo, feita de material fotônico especialmente projetado, fornece uma solução revolucionária para permitir monitoramento de saúde confortável e de longo prazo, e virtual e aplicações de realidade aumentada (VR/AR).”
Em dispositivos eletrônicos, o calor pode ser gerado tanto por componentes eletrônicos internos, quando uma corrente elétrica passa por um condutor, processo conhecido como aquecimento Joule, quanto por fontes externas, como luz solar e ar quente. Para resfriar os dispositivos, tanto radiativos (ou seja, radiação térmica – emitindo energia térmica da superfície do dispositivo) quanto não radiativos (ou seja, convecção e condução – perdendo calor para a camada de ar parado ao redor do dispositivo e por contato direto com um objeto frio) processos de transferência de calor podem desempenhar um papel.
No entanto, as tecnologias atuais dependem principalmente de meios não radiativos para dissipar o calor Joule acumulado. Além disso, os materiais são geralmente volumosos e rígidos e oferecem portabilidade limitada, dificultando a flexibilidade dos dispositivos vestíveis sem fio.
Para superar essas deficiências, a equipe de pesquisa desenvolveu um revestimento de polímero compósito multifuncional com capacidade de resfriamento radiativo e não radiativo sem usar eletricidade e com avanços em usabilidade e elasticidade.
O revestimento da interface de resfriamento é composto de dióxido de silício oco (SiO2) microesferas, para melhorar a radiação infravermelha, e dióxido de titânio (TiO2) nanopartículas e pigmentos fluorescentes, para aumentar a reflexão solar. Tem menos de um milímetro de espessura, é leve (cerca de 1,27g/cm2), e tem flexibilidade mecânica robusta.
Quando o calor é gerado em um dispositivo eletrônico, ele flui para a camada de interface de resfriamento e se dissipa para o ambiente através da radiação térmica e da convecção do ar. O espaço aberto acima da camada de interface fornece um dissipador de calor mais frio e um canal de troca térmica adicional. A interface também exibe excelente capacidade anti-interferência ambiental devido à sua menor condutividade térmica, tornando-a menos suscetível a fontes de calor ambientais que afetariam o efeito de resfriamento e o desempenho dos dispositivos.
Para examinar sua capacidade de resfriamento, a camada de interface de resfriamento foi revestida de acordo com um fio de resistência metálica – um componente típico que causa um aumento de temperatura em eletrônicos. Com uma espessura de revestimento de 75 μm, a temperatura do fio caiu de 140,5°C para 101,3°C, em comparação com o fio não revestido a uma corrente de entrada de 0,5 A, e caiu para 84,2°C com 600 μm de espessura, atingindo uma queda de temperatura superior a 56°C.
“É necessário manter a temperatura do aparelho abaixo de 44°C para evitar queimaduras na pele”, disse o Dr. Yu. “Nossa interface de resfriamento pode resfriar o fio de resistência de 64,1°C a 42,1°C com um revestimento de 150 μm de espessura.”
Com a eficiente capacidade de resfriamento radiativo passivo e o sofisticado design térmico não radiativo, o desempenho de vários dispositivos eletrônicos de pele desenvolvidos pela equipe melhorou significativamente, incluindo a eficiência da transferência de energia sem fio para diodos emissores de luz (LEDs) e a estabilidade do sinal de uma pele. sensor sem fio com interface sob obstruções ambientais (por exemplo, luz solar, vento quente e água).
“A natureza intrinsecamente flexível da interface de resfriamento permite que os dispositivos eletrônicos sofram resfriamento estável mesmo sob deformação extrema, como dobrar, torcer, dobrar e esticar muitas vezes”, disse o Dr. Lei Dangyuan, professor associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) na CityU, outro co-líder do estudo.
Por exemplo, seu sistema de iluminação epidérmica expansível sem fio integrado à interface de resfriamento mostrou maior intensidade de iluminação e manteve um desempenho estável mesmo após o alongamento de 5% a 50% 1.000 vezes.
A equipe apresentou um pedido de patente nos Estados Unidos para a invenção. Eles ganharam uma medalha de ouro, um dos 36 prêmios conquistados pelas equipes da CityU, o maior número de prêmios entre as instituições locais na 48ª Exposição Internacional de Invenções de Genebra, com seu projeto denominado “Tecnologia de resfriamento para eletrônica epidérmica”.
Em seguida, a equipe de pesquisa se concentrará em aplicações práticas das interfaces de resfriamento para gerenciamento térmico avançado de eletrônicos vestíveis nos campos de monitoramento de saúde, comunicações sem fio e VR/AR.
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