Er3+激活的BaLa2WO7多功能绿色荧光体，用于光学温度传感、指纹识别以及白光LED（WLED）的应用

可穿戴冷却设备通过热电能量收集与相变材料散热协同优化实现柔性应用，结构参数调控显著提升性能。

　　

李俊赫（Junheon Lee）|朴智勋（Jihoon Park）|金泰京（Taekyeong Kim）

韩国大邱庆北国立大学工程学院纺织系统工程系

摘要

本研究设计并制造了一种轻便、灵活且可穿戴的冷却装置，该装置结合了主动接触冷却和热电能量收集技术。与传统的刚性热电模块不同，后者需要笨重的散热器或风扇，本研究展示了一种完全灵活的TPU嵌入式模块，通过集成相变材料来实现散热，从而实现了紧凑且真正可穿戴的设计。本研究的一个关键创新之处在于，通过独立控制颗粒间距、导体-半导体结面积、冷热侧之间的距离以及施加的电流，系统地建立了热电颗粒的结构-性能关系，为高性能可穿戴热电系统提供了实用的设计指南。采用优化后的参数，将3×3的颗粒阵列组装在热塑性聚氨酯薄膜中，并作为可穿戴模块使用。该装置重量为11.66克，厚度为2.35毫米，非常适合用于可穿戴应用。在皮肤温度（33°C）下，其冷却能力约为4-5°C，并能产生高达0.7毫伏的电压，持续100秒后仍能保持约0.3毫伏的电压。这些结果表明，单个灵活的模块可以同时实现佩尔帖（Peltier）冷却和塞贝克（Seebeck）能量收集功能，凸显了其在下一代可穿戴热管理系统中的潜力。

引言

可穿戴设备将信息技术（IT）集成到纺织品或配件中，使得人们可以随时随地使用[1]、[2]、[3]。它们在学术界和工业界都引起了极大的兴趣。在开发的众多功能和技术中，通过电阻产生热量以提高佩戴者体温的可穿戴加热设备已经实现商业化[4]、[5]、[6]。相比之下，主动降低佩戴者体温的可穿戴冷却设备的研究仍然有限。在需要温度调节的情况下，可穿戴冷却设备的应用范围预计非常广泛。冷却系统大致可以分为两种方法：气体压缩和热电。气体压缩冷却方法依赖于压力变化引起的制冷剂相变所产生的吸热反应[7]、[8]、[9]。尽管效率很高，但它需要制冷剂和冷凝器，导致系统体积较大。相比之下，热电冷却方法效率较低，但设计紧凑轻便，适合用于可穿戴设备[10]、[11]、[12]。这种方法基于佩尔帖效应，即在不同的金属或半导体上施加电流时，在结的一侧产生吸热反应，在另一侧产生放热反应[13]、[14]、[15]、[16]。热电现象主要由佩尔帖效应和塞贝克效应组成，这两种效应描述了电流与温度梯度之间的转换[15]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。热电性能不仅受到载流子浓度和材料内在特性的影响，还受到颗粒大小及其在热电材料中分布的影响。无量纲热电优值（ZT）由塞贝克系数、电导率和热导率之间的相互作用决定。将颗粒尺寸减小到微米或纳米级别可以增加晶界密度，从而增强声子散射并有效降低晶格热导率，从而提高ZT。此外，可控的颗粒尺寸分布可以诱导能量过滤效应并改变电子态密度，从而提高塞贝克系数。然而，过度的颗粒尺寸减小可能会增加载流子散射，导致载流子迁移率和电导率下降。因此，优化颗粒尺寸及其分布对于最大化ZT以及提高整体设备性能至关重要，特别是在需要低热导率和机械柔性的灵活可穿戴热电系统中[22]、[23]、[24]。需要注意的是，本研究的目的不是开发新的热电材料，而是优化基于Bi-Te的热电颗粒的器件结构和热管理策略。此处使用的Bi₂Te₃（n型半导体）和Bi_0.5Sb_1.4Te_3.0Se_0.1（p型半导体）的固有材料特性处于文献中报道的合理范围内，塞贝克系数为（±180至±220 μV/K，电导率约为10⁴ S/m，热导率为1-2 W/m·K）。因此，本研究中报道的性能提升主要归因于器件级别的几何优化和散热设计，而非热电材料参数的变化[25]、[26]、[27]。

本研究开发了一种轻便、灵活且贴合身体的可穿戴冷却装置，该装置通过佩尔帖效应提供主动冷却，并通过塞贝克效应从人体热量中生成电能，为传统的脆性和刚性热电设备提供了有前景的替代方案。此外，为了减轻重量和体积，我们使用有机相变材料（PCM）作为风扇或绝缘装置的替代品来散热。

材料

在室温至250°C范围内，使用Bi₂Te₃（n型半导体）和Bi_2.1Te_2.7Se_0.2（n型半导体）以及Bi_0.5Sb_1.4Te_3.0Se_0.1（p型半导体）制造了具有高热电优值（ZT）的热电材料。使用了铜线，并将0.127毫米厚的锡板连接到热电材料上。为了保护可穿戴冷却装置免受湿气和其他污染物的影响，其两端包裹了热塑性聚氨酯（TPU）薄膜（NASA-T 100 μm）。

热电半导体颗粒的性能评估标准确定

采用上述方法，在3750 kgf/cm²的压力下制造了1克的n型和p型热电半导体颗粒，并施加0.5 A的电流来测量锡板接合处的温度。对于n型颗粒，冷却和加热部分分别出现在连接负极和正极的接合处。对于具有相反载流子的p型颗粒，这些部分出现在相反的电极上。

结论

通过调整颗粒间距、导体-半导体结面积、冷热侧之间的距离、施加的电流以及散热策略，优化了基于Bi-Te的热电半导体颗粒的性能。最佳条件包括3750 kgf/cm²的压实压力、冷却侧和加热侧各12.56 mm²的结面积、较大的冷热区域间距、0.6 A的施加电流以及基于十八烷的PCM。

CRediT作者贡献声明

李俊赫（Junheon Lee）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，正式分析。 朴智勋（Jihoon Park）：可视化，方法论，研究，数据整理。 金泰京（Taekyeong Kim）：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（RS-2025-24803276）的资助。