首尔大学(SNU)工学院研究团队近期在《Science Advances》发表一项「拟横向热电产生器」(pseudo-transverse thermoelectric generator)的超薄柔性装置。该技术由电气与电脑工程系Kwak Jeonghun教授领导,利用创新的热流导向设计,让装置能直接将人体皮肤散发的热能转化为电能。
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传统的薄膜热电产生器虽然轻便,却面临物理上的发电限制。热电技术依赖冷热两端的「温差」来产生电力,但当装置厚度如纸张般轻薄并平贴於皮肤时,体温会直接穿透薄膜散发到空气中,导致装置正反两面几??没有温差,发电效率随之趋近於零。
过去的研究多尝试透过增加装置厚度或建立立体支柱结构来制造温差,但这却牺牲了薄膜装置应有的轻盈与佩戴舒适感。
为了克服这项挑战,研究团队提出了一种全新的「双热导率基板」设计。他们在可拉伸的矽胶(PDMS)基板中,精确地在特定区域嵌入具备高导热性能的铜奈米颗粒,从而在单一基板上创造出导热率截然不同的区域。这种结构设计能从根本上改变热量的传递路径,让原本会直接垂直散失的热能转向。
当热电半导体放置於这些高低导热区的交界处时,体温不再只是穿过薄膜,而是会沿着高导热区域水平移动。这种「热流重定向」的机制,成功在极薄的平面结构上人为制造出冷热分明的区域,进而产生足够的温差来驱动电力。这是全球首次证明,即便在完全平面的薄膜结构中,也能透过基板结构的创新来维持温差并实现高效发电。
在应用层面上,这款穿戴式产生器展现了极高的商用潜力。该装置采用墨水印刷制程(ink-based printing process)制造,不仅确保了优异的柔韧性以贴合人体曲线,更具备如同积木般的模组化扩展性。研发人员可以根据不同需求,自由设计装置的形状与尺寸,使其能轻易整合至智慧衣物或各类皮肤贴附型设备中。
Kwak教授强调,此研究的重大意义在於克服了传统薄膜热电元件的结构限制,展示了一个能在维持全平面结构下产生温差的新型平台。随着这项技术的成熟,未来「拟横向热电产生器」预计将广泛应用於个人健康监控感测器、智慧服饰及各类穿戴式电子产品,为实现穿戴设备的电力自给自足迈出关键一步。