Unlike conventional thermoelectric generators (TEGs), flexible TEGs can be firmly attached to objects having any type of surface because of lightweight and high flexibility. It is advantageous to be applied to various wearable applications. Therefore, many studies have been conducted to improve the performance of the thermoelectric generation on the human body in order to use a thermoelectric generator as an energy source of a wearable device.
The performance of a TEG is influenced by various factors. The major factors are the performance of the thermoelectric material, the structure of the TEG, and the change of the external thermal environment. While the structural design of TEG is optimized by thermal model, the other two factors have room for improvement. Up to date, it has been considered that the improvement of the ZT value is directly related to the performance of the thermoelectric material. For the external thermal environment, the condition is limited to the convection environment with general heat dissipation structure.
In this study, the optimum point of material properties of thermoelectric materials was calculated based on the thermal resistance model in a wearable application. As a result, it was confirmed that evaluation factors other than material ZT exist in the thermoelectric material optimization for high output power in the wearable application. In addition, to solve the problem of the large volume and inflexibility of the conventional heatsink, the heat dissipating part for wearable applications based on Phase Change Material (PCM) was designed and manufactured. In this study, sufficient temperature difference compared to the conventional heatsink can be maintained for a certain period using the latent heat of the PCM. At the same time, the heatsink based on PCM can be applied to the flexible TEG because of its flexibility.
유연 열전 소자는 기존의 상용 열전소자와 달리 가볍고, 유연한 장점을 가지고 있어, 어떠한 형태의 표면을 가지는 물체에도 단단히 밀착될 수 있다. 이러한 장점은 인체 부착 시 더욱 큰 이점이 되어 다양한 웨어러블 어플리케이션에 활용을 기대할 수 있다. 이에 따라 실제 활용 가능 수준의 출력을 확보하기 위하여 인체 환경에서 열전소자의 성능 향상을 위한 다양한 연구가 이루어져 왔다.
열전 소자의 성능은 다양한 요인에 영향을 받는데 크게 열전 소재의 성능, 열전 소자의 구조, 그리고 외부 환경의 변화를 그 주된 요인으로 볼 수 있다. 이 중 열전 소자의 구조에 관한 연구는 다양하게 이루어져 온 반면, 열전 소재의 경우 성능지수(ZT)값 향상이 소자 성능과 직결된다고 여겨지며, 외부 환경의 경우 일반적인 방열부 구조와 대류환경으로 그 조건이 한정되어 연구가 이루어져 왔다.
본 연구에서는 열저항 모델을 기반으로 열전 소자를 제작함에 있어 열전 재료가 가져야할 소재 특성의 최적점을 계산하였다. 이에 따라 체온 발전 환경에서는 열전 소재 최적화에 있어 소재 성능지수 외의 평가 요소가 있음을 확인하였다. 또한 일반적인 대류환경의 방열부가 가지는 한계인 작은 온도 차와 유연 열전소자에 일반적인 냉각핀이 적용 불가함을 개선하고자 상변화물질 (PCM, Phase Change Material)을 기반으로 유연한 방열부를 설계 및 제작하였다. 해당 연구에서는 상변화물질의 잠열을 이용하여 일정 시간 동안 체온 환경에서도 충분한 온도 차를 확보할 수 있도록 함과 동시에 유연성을 확보하여 유연 열전소자에 적용가능하도록 하였다.
