A flexible thermoelectric device (f-TED) attachable to heat sources having arbitrary shape can greatly expand the application range of a commercially available non-flexible thermoelectric device. As a f-TED that is structurally flexible has been reported despite the use of inorganic thermoelectric materials having high thermoelectric performance, the possibility of realizing practical applications of the f-TED has been opened. However, the power generation and cooling applications of the f-TED are still limited because the optimization of the f-TED which is in an initial development stage has not been achieved sufficient performance to drive the applications. This Ph. D. dissertation proposes a new application field for wearable electronics utilizing the power generation and temperature control functions of a f-TED whose efficiency is greatly improved by optimizing the structure and by developing novel heatsinks. To achieve these goals, first, a comprehensive model that can predict the performance of the flexible thermoelectric power generator from body heat, and an optimized structure is proposed based on the model. Next, we introduce the results of remarkably improved power generation of the f-TED using flexible polymer heatsinks, and the results of implementing a self-powered wearable electrocardiography sensor with the f-TED. In addition, the scope of application is extended to a new field, which is a variable stiffness system, by using the f-TED as an active temperature controller. Finally, the results of implementing multi-functional electronics with the variable stiffness module including the f-TED is discussed.
유연 열전 소자는 각종 형태에 열원에 부착이 가능하여 상용화된 기존 비 유연 열전 소자의 응용 범위를 크게 확장 시킬 수 있다. 특히, 최근 높은 열전 성능을 가지는 무기 열전 물질을 사용함에도 불구하고 구조적으로 유연하게 제작된 유연 열전소자가 보고되면서, 높은 성능을 바탕으로 유연 열전 소자가 응용된 실제 어플리케이션 구현의 가능성이 열리게 되었다. 하지만, 현재까지도 유연 열전소자의 발전 및 냉각 어플리케이션은 매우 한정되어 있으며, 이는 초기 개발단계인 유연 열전소자의 최적화가 이루어 지지 않아 어플리케이션을 구동하는데 충분한 성능을 구현하지 못하였기 때문이었다. 본 학위 논문에서는 유연 열전 소자의 구조를 최적화하고 새로운 히트싱크를 개발함으로써 유연 열전소자의 효율을 향상시키고, 높은 성능을 가지는 유연 열전소자의 발전 및 온도 조절 기능을 활용할 수 있는 웨어러블 전자기기로의 새로운 응용 분야를 제시한다. 이러한 목적을 달성하기 위해 본 학위 논문에서는 첫 번째로, 유연 열전소자를 통한 체열 발전 시 성능을 예측할 수 있는 통합 모델을 제시하고, 제시된 모델을 토대로 고효율 발전을 위한 최적화된 구조를 제시한다. 다음으로는, 유연한 폴리머 히트싱크를 사용해 유연 열전 소자의 발전 성능을 현저하게 향상시킨 결과와, 이를 통해 자가 발전형 심전도 센서를 구현한 결과를 소개한다. 또한, 발전소자의 응용에 그치지 않고, 유연 열전소자를 능동 온도 조절 소자로 활용하여 가변 강성 시스템이라는 새로운 분야로 응용범위를 확장하고, 이를 통해 강성 변환 시간을 획기적으로 단축한 결과를 소개한다. 마지막으로, 열전 소자가 포함된 가변 강성 모듈을 통해 다중 기능을 가지는 전자기기를 구현한 결과에 대해 다룬다.
