新型電路設計：進一步提升可穿戴熱電發電機性能！

導讀

美國喬治亞理工學院研究人員採用柔性導電聚合物和紙張上印刷的新型導電圖案，展示了一種概念驗證階段的可穿戴熱電發電機。該熱電發電機能採集人體熱量，為簡單的生物感測器供電，這些生物感測器可用於測量心率、呼吸和其他生理指標。

關鍵字

柔性、溫差電、自供電、可穿戴技術

背景

熱電發電機，能將熱量轉化為電力，已經存在有幾十年了。為此，筆者也做過一些相關科研案例的介紹。例如，美國北卡羅萊納州立大學發明的熱電發電機，它可以持續地利用身體與周圍環境之間的溫度差異發電。

（圖片來源：北卡羅萊納州立大學）

另外，例如韓國蔚山國立科技大學（UNIST）材料科學和工程學院開發的一種基於溫差的新型能量採集系統，它能夠簡單地通過與衣物、窗戶和建築物牆壁接觸而產生能量。這種新型設備可以將溫差提高到20.9 °C，這是迄今為止所報道的所有的可穿戴熱電發電機的溫差最高值。

（圖片來源：UNIST）

但是，標準的熱電發電機設計使用的是非柔性的無機材料，這些材料應用於可穿戴設備，毒性太大。另外，功率輸出取決於發電機兩側產生的溫差，這些溫差由人體熱量的改變決定。可是，由人體熱量驅動的可穿戴熱電發電機技術存在一個重要缺陷：溫度差異只有 1℃ ~ 4 ℃，這一點阻礙了這項技術的進一步商業化。從皮膚上一小塊接觸區域獲取足夠多的熱量，無疑將增加技術的挑戰性。另外，設備的內部電阻也限制了功率輸出。

創新

為了以上克服挑戰，美國喬治亞理工學院的 Menon 與助理教授 Shannon Yee 實驗室的合作人員採用柔性導電聚合物以及印刷於紙張上的新型導電圖案，演示了一種概念驗證型的可穿戴熱電發電機。

（圖片來源：Candler Hobbs，喬治亞理工學院）

喬治亞理工學院伍德拉夫機械工程學院的博士生 Akanksha Menon 表示：

「熱電發電機吸引人的地方就是在我們周圍到處都是熱量。如果我們可以利用一點點熱量，廉價地將它轉化為電力，就會產生很大的價值。我們正致力於研究如何通過身體熱量發電。」

這項研究得到了百事可樂公司和美國空軍科學研究處的支持，在線發表於9月28日的《應用物理雜誌》（Journal of Applied Physics）。

技術

這種設備具有成千上萬個點，這些點分布於緊密堆積的布局上，由p型和n型聚合物交替組成。

（圖片來源：參考資料【2】）

由於噴墨印表機帶來的封裝密度大，這些圖案可以在單位面積上產生出更多的熱量。通過將聚合物點更加緊密地放置在一起，這些互連線的長度變短，從而降低了總電阻，提高了設備的功率輸出。

這些設備具有對稱的分形布線圖案，因此可以裁剪到一定的尺寸，從而可以滿足特殊應用的電壓和功率需求。這種模塊化的發電機可噴墨印刷在柔性襯底例如織物上，並且可使用廉價的卷對卷技術製造。

價值

論文的合著者之一、喬治亞理工學院曾經的博士生（工作於該項目時）Kiarash Gordiz 表示：

「我們使用一種基於空間填充曲線的布線圖，例如希爾伯特圖案（一種連續的空間填充曲線），取代傳統的蛇形布線圖，連接這些聚合物點。這裡的優勢在於希爾伯特圖案考慮到表面構造和自定位，為設備提供了更加統一的溫度。」

（圖片來源：參考資料【2】）

這種新型電路設計也有另外一項優勢：這種分形的對稱設計讓模塊可以沿著對稱區域的邊界進行裁剪，為特殊應用提供更加精準的電壓和功率。這樣就無需功率轉換器，因為它會增加複雜性並從系統中帶走能量。

Menon 表示：

「對於可穿戴設備來說，你需要的組件越少越好，所以這樣很有價值。我們認為這將是一種非常令人感興趣的方式，它可以拓展熱電元件在可穿戴設備中應用。」

目前為止，設備都是印刷在普通的紙張上，但是研究人員已經開始探索使用織物。紙張和織物都是柔性的，但織物更容易集成到衣服中。Menon 表示：

「我們想要將我們的設備集成到人們日常穿戴的商用紡織品中。人們穿著這些面料會感到非常舒適，而且它們也能夠通過身體熱量為某些東西供電。」

通過新型設計，研究人員期望採集足夠的電力為小型感測器供電，範圍為微瓦到毫瓦。這將足夠為小型心率感測器供電，但無法為更複雜的設備例如健康追蹤器或者智能手機供電。這些發電機也可以用於電池充電，讓設備運行更長時間。這些熱電發電機還可以為生物感測器供電，這些感測器可用於測量心率、呼吸和其他生理指標。

這些新開發出的材料還有其他的用途，例如作為反轉該過程的局部冷卻設備，用電力將熱量從設備的一端移動到另外一端。冷卻身體部位，不僅為人類帶來了舒適感，同時也無需大空間空調那樣的成本。

未來

（圖片來源：Candler Hobbs，喬治亞理工學院）

未來的挑戰包括：發電機的防潮和決定發電機應該離皮膚多遠（用於傳遞熱量，同時保持穿戴者的舒適性）。

研究人員使用商用的P型材料，與喬治亞理工學院的化學家們一道致力於開發更好的n型聚合物，並應用於未來的新一代設備。這些設備能夠在室溫條件下以微小的溫度差異運行。相比於作為管道系統和蒸汽管道的發電機的100度溫差相比，身體熱量產生的溫差低至5攝氏度。伍德拉夫機械工程學院的實驗室主任 Yee 表示：

「這種類型的聚合物材料未來的優勢之一就是作為豐富的、低成本、具有天生的低導熱率的熱電材料。有機電子社區在理解基於聚合物材料的電子和光學特性方面已經取得了巨大的進展。我們正在掌握這些聚合物中熱和熱電傳輸的知識基礎上，啟用新設備功能。」

參考資料

【1】http://www.newswise.com/articles/novel-circuit-design-boosts-wearable-thermoelectric-generators

【2】Kiarash Gordiz, Akanksha K. Menon, Shannon K. Yee.Interconnect patterns for printed organic thermoelectric devices with large fill factors. Journal of Applied Physics, 2017; 122 (12): 124507 DOI: 10.1063/1.4989589

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