Инженерный факультет Сеульского национального университета объявил, что исследовательская группа под руководством профессора Чонхуна Квака с кафедры электротехники и вычислительной техники, а также соавторы доктор Джухён Пак и доктор Сун Хон Ким, разработала гибкий и тонкий «псевдопоперечный термоэлектрический генератор», способный вырабатывать электричество из тепла тела. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Термоэлектрические генераторы, преобразующие разницу температур в электричество, привлекают внимание как энергетическая технология нового поколения для носимой электроники, поскольку они могут обеспечивать питание без батарей. В частности, тонкопленочные термоэлектрические генераторы легкие и гибкие, что позволяет удобно прикреплять их к коже или одежде.

Однако такая тонкая структура также имеет свои ограничения. Термоэлектрическим генераторам для выработки электроэнергии необходима разница температур между горячей и холодной сторонами. Когда такое устройство прикрепляется к коже, тепло тела проходит непосредственно через тонкую пленку и рассеивается в окружающий воздух — подобно тому, как тепло проходит через лист бумаги. В результате на устройстве образуется незначительная или вовсе отсутствующая разница температур, что затрудняет выработку электроэнергии.

В предыдущих исследованиях предпринимались попытки решить эту проблему путем изгибания устройства или создания трехмерных столбчатых структур. Однако эти методы увеличивают толщину и объем, сводя на нет преимущества тонких, гибких пленочных устройств.

Перенаправление тепла с помощью двух субстратов

Для решения этой проблемы команда профессора Квака предложила новый подход, который принципиально перенаправляет поток тепла. Им удалось успешно разработать « подложку с двойной теплопроводностью », внедрив теплопроводящие наночастицы меди только в выбранные области эластичной силиконовой (PDMS) подложки, создав таким образом области с высокой и низкой теплопроводностью в пределах одной подложки.

Когда термоэлектрические полупроводники размещаются на границе между этими областями, тепло от кожи не уходит вертикально, а вместо этого течет вбок вдоль области с высокой теплопроводностью. В результате на поверхности подложки образуются относительно теплые и холодные участки, создавая разницу температур, которая позволяет генерировать электричество даже в тонкопленочной структуре.

Благодаря такому подходу, данное исследование впервые демонстрирует возможность генерации электроэнергии даже в тонких пленках путем поддержания разницы температур с помощью новой структуры подложки, которая перенаправляет тепловой поток. Исследовательская группа назвала эту технологию « псевдопоперечным термоэлектрическим генератором », поскольку она структурно имитирует традиционный поперечный термоэлектрический эффект.

Носимые источники питания для будущих устройств

Разработанный носимый термоэлектрический генератор способен преобразовывать тепло тела в электричество даже в совершенно плоском состоянии, без необходимости изгиба или структурной деформации. Он изготовлен с использованием процесса печати на основе чернил , что обеспечивает высокую гибкость. Кроме того, устройство обладает масштабируемостью, позволяя свободно проектировать и масштабировать его размер и форму, подобно сборке модульных блоков.

Ожидается, что эти особенности позволят широко использовать псевдопоперечный носимый термоэлектрический генератор в качестве автономной энергетической технологии для различных устройств, включая «умную» одежду, датчики мониторинга здоровья и носимую электронику.

Профессор Квак заявил: «В этом исследовании устраняются ограничения традиционных тонких носимых термоэлектрических генераторов за счет нового структурного подхода, контролирующего тепловой поток. Его значимость заключается, в частности, в представлении новой термоэлектрической платформы, способной генерировать разницу температур, сохраняя при этом полностью плоскую структуру».

«Эта технология обладает большим потенциалом для использования в качестве источника питания для широкого спектра носимых датчиков и электронных устройств, которые можно прикреплять к коже или одежде».