首尔国立大学工程学院近日宣布，由电气与计算机工程系郭正勋教授领衔、朴周炯博士与金善洪博士为共同第一作者的研究团队，成功开发出一种柔性、超薄的“伪横向热电发电机”，能够直接利用人体体温发电。相关成果已发表于《Science Advances》期刊。

热电发电机可以将温差直接转换为电能，被视为可穿戴电子设备的下一代能源方案之一，因为它们有望在无需传统电池的情况下为设备供电。尤其是薄膜型热电发电机，因重量轻、柔性好，可舒适贴合皮肤或衣物，在可穿戴场景中具有明显优势。

但薄膜结构同时也带来了关键限制。热电发电依赖热端与冷端之间的温差，而当设备以薄膜形式紧贴皮肤时，体温会通过薄膜迅速传导并散失到周围空气中，类似热量穿过一张纸。这会导致器件两侧几乎没有可观的温差，从而难以产生足够电能。

此前有研究尝试通过将器件弯曲，或构建三维柱状结构来拉开热端与冷端的距离，以维持温差。但这些方法不可避免地增加了器件的厚度和体积，削弱了薄膜柔性器件“轻薄贴合”的核心优势。

通过双基底结构重定向热流

为突破这一瓶颈，郭正勋教授团队提出了一种从根本上“重定向热流”的新思路。他们设计出一种“热导率双基底”结构：在可拉伸的硅胶（PDMS）基底中，通过在特定区域掺入高导热性的铜纳米颗粒，在同一片基底上同时构建出高热导率区与低热导率区。

当热电半导体材料被布置在这些高、低热导率区域的边界位置时，来自皮肤的热量不再主要沿垂直方向直接散失，而是被引导沿高热导率区域在平面内横向流动。由此，在基底表面会自然形成相对较热和较冷的区域，产生可利用的温差，使得即便在极薄的膜状结构中也能实现有效发电。

研究团队首次证明，通过这种新型基底结构对热流进行重定向，可以在保持薄膜形态的同时维持温差并实现发电。他们将这一新型器件命名为“伪横向热电发电机”，因为其在结构与热流路径上模拟了传统横向热电效应的工作方式。

面向未来可穿戴设备的自供电电源

该团队开发的可穿戴热电发电机，即使在完全平坦、不弯折的状态下，也能将人体体温转化为电能，无需依赖器件弯曲或复杂的立体结构。器件采用基于“墨水”的印刷工艺制备，因而具有高度柔性和良好的机械顺应性。

同时，这一工艺具备良好的可扩展性：器件的尺寸和外形可以根据需求自由设计，并可通过类似“积木拼装”的方式轻松放大和组合，为不同应用场景提供灵活的模块化解决方案。

研究团队预计，这种伪横向可穿戴热电发电机有望广泛应用于智能服装、健康监测传感器以及各类可穿戴电子设备，为其提供稳定的自供电能源支持。

郭正勋教授表示，本研究通过一种全新的结构设计来精确控制热流，克服了传统薄型可穿戴热电发电机在维持温差方面的固有局限。其重要意义在于提出了一种在保持完全平面结构的前提下，仍能产生有效温差的新型热电平台。

他补充指出，这项技术具有很强的应用潜力，可作为大面积贴附于皮肤或衣物的可穿戴传感器和电子设备的电源，为未来无电池、长续航的可穿戴系统奠定基础。