Bio-Inspired/Integrated Multifunctional Electronics for Energy and Healthcare Applications

Abstract

Next-generation wearable electronics face three critical challenges that hinder their practical commercialization: inefficient thermal management, limited power supply, and contamination control. This study presents novel active and passive operational strategies to overcome these limitations. First (i), an active thermal-management system was realized using an optimized multilayer electrochromic device integrated with radiative cooling (RC) functionality. This device enables simultaneous visual and infrared (emissivity- modulation) camouflage, maintaining continuous passive cooling regardless of color state. Second (ii), for active contamination control, a flexible ultrasonic device integrating lead zirconate titanate with a textile substrate was developed. The device generates surface ultrasound that both prevents bacterial/viral adhesion and physically ruptures contaminants, exhibiting stable operation even under extreme environmental conditions. However, these high-performance active systems still rely on battery-integrated systems. To address this limitation, passive approaches were investigated. Third (iii), a dual-mode passive thermal-management device combining solar heating and RC was fabricated through a 3D mechanically guided buckling process. By integrating broadband absorbers and selective emitters, the device achieves reversible heating/cooling transitions solely through structural deformation, as demonstrated on diverse substrates (e.g., polyimide, copper, skin). Fourth (iv), a passive contamination-control strategy employing polydopamine (PDA) surface modification was developed. The PDA coating forms uniform nanometer-thick films with strong adhesion to various materials, imparting robust antifouling and antibacterial functionality. Moreover, PDA–tobramycin complexes exhibited enhanced antibacterial efficacy. In conclusion, the proposed passive strategies (iii, iv) offer sustainable solutions to thermal and contamination challenges while overcoming the dependency of active systems on external power sources. These platforms pave the way for self-powered, self-protective wearable electronics, accelerating their commercialization and fostering interdisciplinary convergence across materials, device engineering, and biomedical applications.

Keywords: Wearable Electronics, MEMS, 3D Devices, Radiative Cooling, Antifouling|본 논문은 차세대 웨어러블 전자기기는 비효율적인 열 관리, 제한된 전원 공급, 오염 제어라는 세 가지 심각한 문제로 인해 실용적인 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 본 연구는 이러한 한계를 극복하기 위한 새로운 능동적 및 수동적 작동 전략을 제시합니다. 첫째 (i), 복사 냉각(RC) 기능이 통합된 최적화된 다층 전기변색 소자(electrochromic device)를 사용하여 능동형 열 관리 시스템을 구현했습니다. 이 소자는 가시광선 및 적외선(방사율 변조) 위장을 동시에 가능하게 하며, 색상 상태와 관계없이 지속적인 수동 냉각을 유지합니다. 둘째 (ii), 능동형 오염 제어를 위해, PZT(지르콘산 티탄산 납)를 섬유 기판과 통합한 유연한 초음파 소자를 개발했습니다. 이 소자는 표면 초음파를 발생시켜 박테리아/바이러스 부착을 방지하고 오염 물질을 물리적으로 파괴하며, 극한의 환경 조건에서도 안정적인 작동을 보여줍니다. 그러나 이러한 고성능 능동 시스템은 여전히 배터리 통합 시스템에 의존합니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 수동적 접근 방식이 연구되었습니다. 셋째 (iii), 3D 기계적 유도 버클링 공정을 통해 태양열 가열과 복사 냉각을 결합한 이중 모드 수동형 열 관리 소자를 제작했습니다. 광대역 흡수체와 선택적 방사체를 통합함으로써, 이 소자는 폴리이미드, 구리, 피부와 같은 다양한 기판에서 입증된 바와 같이 구조적 변형만으로 가역적인 가열/냉각 전환을 달성합니다. 넷째 (iv), 폴리도파민(PDA) 표면 개질을 이용한 수동형 오염 제어 전략이 개발되었습니다. PDA 코팅은 다양한 재료에 강한 접착력을 가진 균일한 나노미터 두께의 필름을 형성하여, 강력한 방오(antifouling) 및 항균 기능을 부여합니다. 또한, PDA-토브라마이신 복합체는 향상된 항균 효능을 보였습니다. 결론적으로, 제안된 수동형 전략(iii, iv)은 능동 시스템의 외부 전원 의존성을 극복하는 동시에 열 및 오염 문제에 대한 지속 가능한 해결책을 제공합니다. 이러한 플랫폼은 자가 전원 공급 및 자가 보호가 가능한 웨어러블 전자기기를 위한 길을 열어주며, 상용화를 가속하고 재료, 소자 공학 및 의공학 응용 분야 간의 학제 간 융합을 촉진합니다.

핵심어: Wearable Electronics, MEMS, 3D Devices, Radiative Cooling, Antifouling