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Si bien la gestión térmica ciertamente no es una consideración nueva en el diseño de la electrónica, presenta desafíos únicos en la electrónica portátil. En la electrónica convencional, se espera que las CPU permanezcan por debajo de los 75 ° C. Pero en los wearables, los usuarios experimentarán dolor cuando un dispositivo funciona a 42 ° C e incomodidad a temperaturas aún más bajas.
El calor tampoco es solo un problema de los wearables a los humanos; El calor generado por humanos también puede plantear problemas a los circuitos integrados. El contacto directo con la piel humana reduce las tolerancias térmicas del dispositivo y puede provocar que experimente más calor. Además, los wearables pueden experimentar una exposición más directa y continua a la luz solar que otros dispositivos electrónicos, lo que hace que se comporten de forma errónea.

Los wearables se encuentran entre los pocos grupos electrónicos que tienen exposición directa a la piel humana y la luz solar. Imagen utilizada por cortesía de Advanced Science

¿Qué han hecho los investigadores de ingeniería para abordar estos desafíos térmicos?

Los investigadores se esfuerzan por mantener frescos los wearables

En los últimos años, los diseñadores han abordado el problema del calor portátil de varias formas diferentes, muchas de ellas relacionadas con disipadores y disipadores de calor. Por ejemplo, los investigadores han investigado cómo dos factores (fuentes de calor / resistencias térmicas del disipador y materiales termoeléctricos) podrían afectar el rendimiento de los refrigeradores termoeléctricos. Se dice que estos refrigeradores reducen la temperatura de contacto entre la piel humana y el dispositivo portátil hasta en 8,2 ° C.
Alternativamente, un estudio de Science Advances de 2019 cita un método eficaz para señalar ciertas áreas de un sistema para enfriar en lugar de apuntar a todo el dispositivo. Estos investigadores utilizaron dispositivos termoeléctricos flexibles para enfriar sitios específicos de generación de calor en los circuitos, lo que resultó en una disminución de la temperatura de 10 ° C.

Un módulo de enfriador termoeléctrico en un reloj inteligente localiza el enfriamiento donde el dispositivo entra en contacto con la piel, obviando la necesidad de enfriar el espacio. Imagen utilizada por cortesía de Nature.

Este método ahora común puede beneficiarse del modelado y la simulación térmica, que puede identificar esas ubicaciones propensas al calor y ayudar a los desarrolladores a evaluar cómo las diferentes formas de dispositivos, tamaños de bandas y materiales influyen en las térmicas.
Esta semana, sin embargo, investigadores de Corea y Estados Unidos han recurrido a la ciencia de los materiales para resolver los desafíos térmicos en los dispositivos portátiles de una vez por todas.

El desafío del hundimiento de calor metálico

Como se mencionó, las consideraciones térmicas para los dispositivos portátiles a menudo implican disipación o disipación de calor basada en películas metálicas delgadas. El problema es que estas delgadas capas metálicas tienen el potencial de crear una jaula de faraday improvisada alrededor del dispositivo portátil, que obstruye la comunicación inalámbrica.

Principio de funcionamiento de una jaula de Faraday. Imagen utilizada por cortesía del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético

Si bien este problema se ha evitado en los productos del mercado, continúa bloqueando todas las capacidades de los disipadores térmicos metálicos debido al riesgo persistente de bloquear la conectividad de RF.

Un nuevo material reduce el calor y mantiene la conectividad RF

En un nuevo artículo publicado en Advanced Science, investigadores de GIST en Corea en colaboración con investigadores de EE. UU. Han creado un nuevo material para mantener frescos los wearables. El polímero nano / microhuecos (NMVP) es un material flexible no metálico, que los investigadores crearon a partir de polimetilmetacrilato y estireno-etileno-butileno-estireno.

Gráfico del nuevo material emisivo. Imagen utilizada cortesía de Kang et al.

Al combinar estos dos materiales, el equipo dice que han creado un material que tiene casi el 100% de reflectividad del espectro solar, lo que significa que la luz solar no hará que el material se caliente. El nuevo material también presenta una alta emisividad en la ventana atmosférica, lo que le permite irradiar calor como una forma de enfriamiento.
En particular, el material no es metálico, lo que elimina las preocupaciones sobre la interferencia con las comunicaciones de RF.

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¿Cómo prevé que evolucionará el diseño térmico de los wearables en los próximos años? Comparta sus pensamientos en los comentarios a continuación.