早稻田大學開發「彈出式剪紙結構」熱電裝置,兼具柔軟性與發電效率

 

刊登日期:2025/12/17
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早稻田大學設計出一種在薄膜基板上裁切出特定切線,形成向外突起、立體化之「彈出式剪紙結構(Pop-up Kirigami Structure)」,並成功應用此結構開發出高柔軟性、高發電性能的熱電發電裝置(Thermoelectric Generator)。隨著物聯網(IoT)裝置與穿戴式設備的普及,利用周圍環境中熱能、振動、光能等微小能量轉換為電能的「環境發電技術」備受關注。熱電發電即為其中一例,可將人體或機械設備產生的排熱轉為電能予以利用。
 
目前已有以矽膠等彈性體為基板材料的軟性熱電發電裝置,可貼附於曲面。然而由於橡膠材料的熱阻高,無法獲得理想的發電量。為解決此問題,部分研究者開始透過「摺紙」或「剪紙」等結構設計賦予裝置柔軟性,但這些方法往往促使與熱源的接觸面積減少,因此並不適合用於熱電發電。為兼顧柔軟性與高效率發電性能,早稻田大學提出了新的「彈出式剪紙結構」設計,在不具延展性的薄膜基板上刻劃出特定的切割圖樣,並於平面狀態下裝設熱電元件,再將其立體展開,藉此賦予裝置彎曲與伸縮能力。
 
經性能測試後顯示,即使在彎曲或拉伸變形時,熱電發電裝置的發電性能仍與平面狀態相同。該裝置可承受曲率半徑達0.1 mm的變形,或是1.7倍的拉伸變形,並能貼附於直角曲面的熱源上使用。此外,早稻田大學將試作的熱電發電裝置與無線傳輸電路連接並進行感測實證。將裝置貼附於人體皮膚後,成功利用體溫與周圍空氣的溫差產生電能,並以無線方式傳送感測數據。早稻田大學表示,新開發的「彈出式剪紙結構」不僅適用於細長且硬質的熱電元件,亦可應用於奈米碳管(CNT)薄膜等軟性熱電材料,展現廣泛的擴充性與應用潛力。

資料來源: https://eetimes.itmedia.co.jp/ee/articles/2510/28/news037.html
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