CN105280803A - 能伸长的热电材料、热电器件、能穿戴的电子设备、和电子设备 - Google Patents

能伸长的热电材料、热电器件、能穿戴的电子设备、和电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开能伸长的热电材料、热电器件、能穿戴的电子设备、和电子设备。所述能伸长的热电材料包括能伸长的聚合物、以及与所述能伸长的聚合物混合在一起的热电结构体和导电材料。所述热电材料可应用于自发电的能穿戴的电子设备。

Description

能伸长的热电材料、热电器件、能穿戴的电子设备、和电子设备
相关申请
本申请要求2014年5月30日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2014-0066523的优先权，将其公开内容全部引入本文作为参考。
技术领域
本公开内容涉及能伸长的(能拉伸的，stretchable)热电材料和/或包括所述能伸长的热电材料的热电器件。
背景技术
热电转换是热能向电能的转换和反过来的转换。珀耳帖效应指的是其中当电流流经热电材料时在热电材料的两个末端之间产生温差的效应，和塞贝克效应指的是其中当在热电材料的两个末端之间存在温差时产生电的逆效应。
通过珀耳帖效应操作的冷却系统对于在其中可难以使用现有冷却系统例如被动冷却系统或者制冷剂气体压缩型冷却系统的一些应用中的使用可为有效的。热电冷却是生态友好的冷却技术，其不使用制冷剂气体，从而限制和/或防止任何环境问题。如果热电冷却的效率通过高效的热电冷却材料的开发得以改善，则其应用领域可扩展至通用冷却设备例如制冷机(冰箱)和空气调节器(空调)。
此外，可利用塞贝克效应从由电脑、汽车发动机、工业设备等产生的热产生电能。通过塞贝克效应产生的热电电力可变成新的可再生能源。随同在新能源、环境、余能再利用等方面的日益增长的兴趣一起，对热电器件的兴趣已经增加。
存在日益增长的对用于大面积热电器件或者能穿戴的(wearable)热电设备的聚合物热电材料或者柔性热电材料的兴趣。
与热电无机材料相比，聚合物热电材料或者柔性热电材料无毒且便宜，并且使用聚合物热电材料或柔性热电材料制造大面积热电器件是容易的。然而，通常，聚合物热电材料或柔性热电材料的热电转换效率低。
发明内容
提供具有伸长性(拉伸性，stretchability)和高的热电转换效率的热电材料。
提供包括所述热电材料并且可应用于能穿戴的电子设备的热电器件。
另外的方面将在随后的描述中部分地阐明并且部分地将从所述描述明晰，或者可通过实例实施方式的实践获知。
根据实例实施方式，热电材料包括能伸长的聚合物、以及与所述能伸长的聚合物混合在一起的热电结构体和导电材料。
在实例实施方式中，所述能伸长的聚合物可包括如下的至少一种：聚(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯)(SIS)、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SBS)、聚(苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯)(SEBS)、聚偏氟乙烯(PVDF)、丁腈橡胶(NBR)、聚氨酯(PU)、聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、全氟聚醚(PFPE)、聚酯(PE)、聚丁二烯(PB)、和聚异戊二烯。
在实例实施方式中，所述热电结构体可包括如下的至少一种：含Sb-Te的材料、含Bi-Te的材料、含Bi-Sb-Te的材料、含Co-Sb的材料、含Pb-Te的材料、含Ge-Tb的材料、含Si-Ge的材料、含Sm-Co的材料、和含碳的材料。
在实例实施方式中，所述含碳的材料可包括如下的至少一种：碳纳米管、石墨烯、和石墨。
在实例实施方式中，所述导电材料可包括如下的至少一种：碳纳米材料和金属材料。
在实例实施方式中，所述碳纳米材料可包括如下的至少一种：碳纳米管、石墨烯、和石墨烯纳米颗粒。
在实例实施方式中，所述导电材料可包括所述碳纳米管和所述金属材料。所述金属材料可为金属纳米颗粒。所述金属纳米颗粒可吸附在所述碳纳米管的表面上。
在实例实施方式中，所述金属材料可包括金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、钯(Pd)、铑(Rh)、和钌(Ru)。
在实例实施方式中，混合在一起的所述热电结构体和所述导电材料可为碳纳米管和金属纳米颗粒。所述金属纳米颗粒可吸附在所述碳纳米管的表面上。
在实例实施方式中，所述热电结构体和所述导电材料可包括碳纳米管。
在实例实施方式中，所述碳纳米管可为多壁碳纳米管(MWCNT)阵列。所述碳纳米管可排列在一个方向上。
在实例实施方式中，所述多壁碳纳米管阵列可嵌入所述能伸长的聚合物中。
在实例实施方式中，所述能伸长的聚合物可具有单轴伸长性。所述多壁碳纳米管阵列中的所述碳纳米管的长度可平行于所述能伸长的聚合物的伸长方向。
在实例实施方式中，所述能伸长的聚合物可具有单轴伸长性。所述多壁碳纳米管阵列中的所述碳纳米管的长度可垂直于所述能伸长的聚合物的伸长方向。根据实例实施方式，热电器件可包括所述热电材料、以及电连接至所述热电材料的各个(respective)末端的第一和第二电极。
在实例实施方式中，所述热电器件可进一步包括电连接至所述第一和第二电极的电子器件。
在实例实施方式中，所述电子器件可为如下之一：电力消耗器件、电力存储器件、和电力供应器件。
根据实例实施方式，能穿戴的电子设备可配置成穿戴在对象身上(置于对象上)用于对所述对象进行检查。所述能穿戴的电子设备可包括所述热电材料、电连接至所述热电材料的各个末端的第一和第二电极、连接至所述第一和第二电极的电力存储器件、和操作单元。所述电力存储器件可配置成存储基于在所述热电材料的两个末端之间的温差在所述热电材料中产生的电能。所述温差可由所述对象提供的热导致。所述操作单元可配置成从所述电力存储器件接收电能并且对所述对象进行检查操作。
在实例实施方式中，所述操作单元可配置成测量所述对象的健康或运动状态。
根据实例实施方式，电子设备包括所述热电材料、电连接至所述热电材料的各个末端的第一和第二电极、和电连接至所述第一和第二电极的电力供应器件。所述电力供应器件配置成向所述热电材料施加电流用于在所述热电材料的各个末端之一处形成热点冷却区域。
根据实例实施方式，热电材料包括能伸长的聚合物、混合在所述能伸长的聚合物中的热电结构体、和混合在所述能伸长的聚合物中的导电材料。所述热电材料包含碳。
在实例实施方式中，所述能伸长的聚合物可包括如下的至少一种：聚(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯)(SIS)、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SBS)、聚(苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯)(SEBS)、聚偏氟乙烯(PVDF)、丁腈橡胶(NBR)、聚氨酯(PU)、聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、全氟聚醚(PFPE)、聚酯(PE)、聚丁二烯(PB)、和聚异戊二烯。
在实例实施方式中，所述导电材料可包括金属纳米颗粒。
在实例实施方式中，所述热电结构体可包括嵌入所述能伸长的聚合物中的碳纳米管。所述金属纳米颗粒可吸附在所述碳纳米管上。
在实例实施方式中，所述碳纳米管可以阵列排列并且所述碳纳米管的长度可彼此平行。
附图说明
由如在附图中所说明的发明构思的非限制性实施方式的更具体的描述，发明构思的前述和其它特征将是明晰的，在不同的图中，相同的标记符号始终是指相同的部件(部分)。附图未必是按比例的，而是将重点放在说明发明构思的原理上。在附图中：
图1为说明根据实例实施方式的热电材料的示意图；
图2为说明根据实例实施方式制备的热电材料样品的伸长状态的图像；
图3为在放大的尺度上的从所述热电材料样品的表面拍摄的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图4为说明根据实例实施方式的热电材料的电导率和拉伸应变(tensilestrain)之间的关系的图；
图5为说明根据实例实施方式的热电材料的塞贝克系数和拉伸应变之间的关系的图；
图6为说明根据实例实施方式的热电材料的功率因数(powerfactor)和拉伸应变之间的关系的图；
图7A为说明根据实例实施方式的热电材料的示意图；
图7B为说明根据实例实施方式的热电材料的示意图；
图8为说明在图7A的热电材料中包括的纳米结构体的详细图；
图9A-9C为说明根据实例实施方式的热电材料的示意图；
图10A-10C为说明根据实例实施方式的热电材料的示意图；
图11为说明根据实例实施方式的热电器件的示意图；
图12为说明根据实例实施方式的热电器件的示意图；
图13为说明根据实例实施方式的热电器件的示意图；和
图14为根据实例实施方式的能穿戴的电子设备的示意性方框图。
具体实施方式
现在将参照其中示出了一些实例实施方式的附图更充分地描述实例实施方式。然而，实例实施方式可以许多不同的形式体现并且不应被解释为限于本文中阐述的实施方式；相反，提供这些实例实施方式使得本公开内容将是彻底和完整的，并且将发明构思的实例实施方式的范围充分地传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，放大层和区域的厚度。附图中的相同的标记符号和/或数字表示相同的元件，并且因此可省略它们的描述。
将理解，当一个元件被称作“连接”或者“结合”至另一元件时，其可直接连接或者结合至所述另一元件或者可存在中间元件。相反，当一个元件被称作“直接连接”或者“直接结合”至另一元件时，则不存在中间元件。用于描述元件或层之间的关系的其它词应以类似方式解释(例如，“在......之间”对“直接在......之间”，“相邻”对“直接相邻”，“在......上”对“直接在......上”)。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关列举项目的一个或多个的任意和全部组合。
将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件、部件(组分)、区域、层和/或部分，但这些元件、部件(组分)、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件(组分)、区域、层或部分与另外的元件、部件(组分)、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离实例实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件(组分)、区域、层或部分可被称作第二元件、部件(组分)、区域、层或部分。
为了便于描述，在本文中可使用空间相对术语例如“在……之下”、“在……下方”、“下部”、“在……上方”、“上部”等来描述如图中所示的一个元件或特征与另外的元件或特征的关系。将理解，除图中所示的方位以外，空间相对术语还意图包含在使用或操作中的器件的不同方位。例如，如果将图中的器件翻转，描述为“在”其它元件或特征“下方”或“之下”的元件则将定向“在”所述其它元件或特征“上方”。因此，术语“在……下方”可涵盖在……上方和在……下方两种方位。器件可以其它方式定向(旋转90度或在其它方位上)，并且在本文中使用的空间相对描述词相应地进行解释。
本文中所使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而不意图为对实例实施方式的限制。如本文中使用的，单数形式“一个(种)(a，an)”和“该(所述)(the)”也意图包括复数形式，除非上下文清楚地另外指明。将进一步理解，如果在本文中使用，则术语“包括”、“包含”、“含有”和/或“含”表明存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件(组分)，但是不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件(组分)、和/或其集合。例如“...的至少一个(种)”的表述当位于要素列表之前或之后时修饰整个要素列表，而不是修饰该列表的单独要素。
本文中参照作为实例实施方式的理想化实施方式(和中间结构)的示意图的横截面图描述实例实施方式。因而，将预计到作为例如制造技术和/或公差的结果的与图示的形状的偏差。因此，实例实施方式不应解释为限于本文中图示的区域的特定形状，而是将包括由例如制造导致的形状上的偏差。因而，图中所示的区域在本质上是示意性的并且它们的形状不意图说明器件的区域的实际形状并且不意图限制实例实施方式的范围。
除非另外定义，在本文中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与实例实施方式所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。将进一步理解，术语，例如在常用词典中定义的那些，应被解释具有与它们在相关领域的范围中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于形式的意义进行解释，除非在本文中清楚地如此定义。
图1为说明根据实例实施方式的热电材料100的示意图。
在实例实施方式中，热电材料100可具有高的热电转换效率和伸长性。
通常，热电材料的热电品质因数(zT)通过以下方程1定义：
zT＝(α2σT)/κ(1)
其中α表示塞贝克系数，σ表示电导率，T表示绝对温度，和κ表示热导率。
在方程1中，α2σ被称作功率因数。
参照方程1，通过提高热电材料的塞贝克系数及电导率和降低热电材料的热导率，可提高热电材料的热电品质因数(zT)。
作为基于上述关系获得具有高的热电转换效率和伸长性的热电材料的努力的结果，可通过将热电结构体140和导电材料160与能伸长的聚合物120混合在一起而形成根据实例实施方式的热电材料100。
能伸长的聚合物120可为任何种类的能伸长的聚合物。例如，能伸长的聚合物120可为如下的至少一种：聚(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯)(SIS)、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SBS)、聚(苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯)(SEBS)、聚偏氟乙烯(PVDF)、丁腈橡胶(NBR)、聚氨酯(PU)、聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、全氟聚醚(PFPE)、聚酯(PE)、聚丁二烯(PB)、聚异戊二烯、以及其组合。
热电结构体140可为含Sb-Te的热电无机材料、含Bi-Te的热电无机材料、含Bi-Sb-Te的热电无机材料、含Co-Sb的热电无机材料、含Pb-Te的热电无机材料、含Ge-Tb的热电无机材料、含Si-Ge的热电无机材料、含Sm-Co的热电无机材料、或者含碳的热电材料。
所述含Sb-Te的热电无机材料的实例可包括Sb2Te3、AgSbTe2、和CuSbTe2，和所述含Bi-Te的热电无机材料的实例可包括Bi2Te3、以及包含(Bi,Sb)2(Te,Se)3的热电无机材料。所述含Co-Sb的热电无机材料的实例可包括CoSb3，和所述含Pb-Te的热电无机材料的实例可包括PbTe和(PbTe)mAgSbTe2。此外，可使用热电领域中使用的任何其它无机材料作为热电结构体140。
所述含碳的热电材料的实例可包括碳纳米管、石墨烯、石墨烯氧化物、炭黑、和石墨。详细地，所述含碳的热电材料的实例可包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管(CNT)、多壁碳纳米管(MWCNT)、绳状(rope)碳纳米管、石墨烯纳米带、和碳纳米纤维。然而，所述含碳的热电材料不限于此。
导电材料160可为金属材料或碳纳米材料。所述金属材料的实例可包括金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、钯(Pd)、铑(Rh)、和钌(Ru)，和所述碳纳米材料的实例可包括碳纳米管、石墨烯、和石墨烯纳米颗粒。
热电材料100可通过各种混合方法制造。
例如，热电结构体140和导电材料160可以粉末或薄片形式制备并且可分散到能伸长的聚合物120的溶液中。之后，可从该溶液蒸发溶剂以形成热电材料100。所述溶剂可为水或者选自各种有机溶剂的任一种。可将所述溶剂自然地或者通过热而蒸发。
替代地，可通过如下制造热电材料100：制备能伸长的聚合物120、热电结构体140、和导电材料160的粉末，将所述粉末与溶剂混合，和使所述溶剂蒸发。
替代地，可使用干混方法。即，可通过使用通常的混合器将能伸长的聚合物120、热电结构体140、和导电材料160的颗粒混合在一起，和可对混合物进行压缩以形成热电材料100。
图2为说明热电材料100的样品的伸长状态的图像，和图3为在放大的尺度上的从所述样品的表面拍摄的扫描电子显微镜(SEM)图像。
所述样品是通过将银(Ag)薄片、碳纳米管、和聚(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯)(SIS)混合而制造的，并且在拉伸试验中伸长约70％，如图2中所示。
现在将给出如何制造所述样品的简要描述。然而，以下描述的方法为非限制性实例。
首先，将2g聚(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯)(SIS)聚合物置于50ml甲苯中，并且在将混合物在60℃加热的同时搅拌约1小时，以制备分散体溶液。
接着，将0.8g银(Ag)薄片和0.1g碳纳米管作为导电材料和热电结构体添加至该分散体溶液，并且通过使用尖端超声波发生器(tipsonicator)以700W的功率混合10分钟。
之后，将分散体溶液在室温下自然干燥。以此方式，以膜的形式制造所述样品。
图4-6为说明根据实例实施方式的热电材料100的样品的电导率、塞贝克系数、和功率因数相对于热电材料100的样品的拉伸应变的图。
参照图4，热电材料100的电导率随着热电材料100的拉伸应变增加而降低，并且当拉伸应变为约50％或更大时，电导率开始急剧降低。
参照图5，热电材料100的塞贝克系数相对于热电材料100的拉伸应变是几乎恒定的。
参照图6,热电材料100的功率因数随着热电材料100的拉伸应变增加而降低。然而，当拉伸应变为约20％或更大时，功率因数降低得非常少并且保持几乎恒定。
功率因数为上述方程1中的α2σ以反映热电品质因数(zT)。
上述实验结果可证明，通过适当地组合热电材料100的组分，热电材料100可制造成具有期望的伸长性和热电转换效率。
下文中，将描述根据实例实施方式的热电材料。
图7A为说明根据实例实施方式的热电材料200的示意图。图7B为说明根据实例实施方式的热电材料200’的示意图。图8为说明图7A中所示的热电材料200中包括的纳米结构体250的详细图。
在实例实施方式中，如图7A中所示，热电材料200可通过将能伸长的聚合物120与具有导电性和热电特性的纳米结构体250混合而制造。
参照图8，纳米结构体250各自包括碳纳米管CNT和吸附在所述碳纳米管的表面上的金属纳米颗粒MNP。
碳纳米管CNT具有热电特性和导电性，并且由于金属纳米颗粒MNP吸附在碳纳米管CNT的表面上，纳米结构体250可具有热电特性和高的导电性。由于热电材料200是通过将纳米结构体250分散到能伸长的聚合物120中而制造的，热电材料200具有伸长性。
纳米结构体250可用作图1中所示的热电材料100的热电结构体140。即，热电材料100可通过将纳米结构体250和导电材料160与能伸长的聚合物120混合而制造。此外，如图7B中所示，根据实例实施方式的热电材料200’可进一步包括与纳米结构体250间隔开的导电材料260。导电材料260可为颗粒。导电材料260可为金属材料或碳纳米材料。所述金属材料的实例可包括金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、钯(Pd)、铑(Rh)、和钌(Ru)，并且所述碳纳米材料的实例可包括碳纳米管、石墨烯、和石墨烯纳米颗粒。导电材料260可为与包括在纳米结构体250中的金属纳米颗粒MNP不同的材料。
下文中，将给出在改变样品的构成组分以及组分的含量时制造的热电材料样品的电导率值、塞贝克系数、和功率因数的说明。
下表1显示具有不同含量的热电结构体和导电材料的样品的热电性质。
[表1]
所述样品是通过使用SIS聚合物作为能伸长的聚合物，使用CNT和/或Sb2Te3作为热电结构体，且使用银(Ag)和/或CNT作为导电材料而制造的。即，使用CNT作为具有导电性和热电特性的材料。在将能伸长的聚合物的含量保持在恒定值的同时，改变热电结构体和导电材料的含量。结果，所述样品的电导率值根据银(Ag)的使用或者含量显著地改变，并且分析，所述样品的功率因数主要受银(Ag)的使用或含量影响。
下表2显示具有不同含量的热电结构体和导电材料以及相同含量的银(Ag)薄片和SIS聚合物的样品的热电性质。
[表2]
所述样品是通过使用SIS聚合物作为能伸长的聚合物，使用CNT作为热电结构体，且使用银(Ag)和CNT作为导电材料而制造的。样品7的Ag/CNT指的是像参照图7A说明的根据实例实施方式的热电材料200的纳米结构体250一样的其中银(Ag)纳米颗粒吸附在CNT的表面上的纳米结构体。参照表2，在样品4和5的情况中，如果CNT的含量低，则塞贝克系数低，但是由于相对高的银(Ag)含量，电导率高。结果，功率因数高。
图9A-9C为说明根据实例实施方式的热电材料300a-300c的示意图。
参照图9A，热电材料300a包括具有热电特性和导电性的碳纳米管。详细地，热电材料300a包括能伸长的聚合物120和多壁碳纳米管阵列350a。
在多壁碳纳米管阵列350a中，碳纳米管可排列在一个方向上。即，构成多壁碳纳米管阵列350a的多个碳纳米管的长度可彼此平行。多壁碳纳米管阵列350a可嵌入能伸长的聚合物120中。能伸长的聚合物120可具有如由箭头A1所指示的单轴伸长性。换而言之，能伸长的聚合物120的伸长方向可由箭头A1指示。多壁碳纳米管阵列350a的碳纳米管的长度方向A2与能伸长的聚合物120的能伸长的方向A1可彼此垂直。
参照图9B，热电材料300b包括具有热电特性和导电性的纳米结构体。详细地，热电材料300b包括能伸长的聚合物120和纳米结构体阵列350b。纳米结构体阵列350b中的纳米结构体可包括多壁碳纳米管以及吸附在所述多壁碳纳米管的表面上的金属纳米颗粒，例如，之前参照图8描述的多个纳米结构体250。
在纳米结构体阵列350b中，纳米结构体阵列350b中的纳米结构体的碳纳米管可排列在一个方向上。即，构成纳米结构体阵列350b的纳米结构体中的碳纳米管的长度可彼此平行。纳米结构体阵列350b可嵌入能伸长的聚合物120中。能伸长的聚合物120可具有如由箭头A1所指示的单轴伸长性。纳米结构体阵列350b的纳米结构体中的碳纳米管的长度方向A2与能伸长的聚合物120的能伸长的方向A1可彼此垂直。
参照图9C，热电材料300c可与图9B中描述的热电材料300b相同，除了如下之外：热电材料300c进一步包括分散在能伸长的聚合物120中并且与纳米结构体阵列350c分开的另外的导电材料，类似于图7B中描述的导电材料260。
虽然参照其中碳纳米管阵列350a-350c可包括多壁碳纳米管的图9A-9C描述了实例，但是实例实施方式不限于此。例如，可使用单壁碳纳米管或不同的含碳结构体(例如，绳状碳纳米管)代替多壁碳纳米管。
图10A-10C为说明根据实例实施方式的热电材料400a、400b、和400c的示意图。
参照图10A，热电材料400a可具有与图9A的热电材料300a类似的结构，除了与多壁碳纳米管阵列350a中的碳纳米管相比多壁碳纳米管阵列450a中的碳纳米管的排列之外。即，在热电材料400a中，其中碳纳米管排列在一个方向上的多壁碳纳米管阵列450a嵌入具有单轴伸长性(A1)的能伸长的聚合物120中。在热电材料400a中，多壁碳纳米管阵列450a的长度方向A3可平行于能伸长的方向A1。换而言之，多壁碳纳米管阵列450a中的碳纳米管的长度方向A3可平行于能伸长的聚合物120的伸长方向。
参照图10B，热电材料400b可具有与图9B的热电材料300b类似的结构，除了与纳米结构体阵列350b中的碳纳米管相比纳米结构体阵列450b中的碳纳米管的排列之外。即，在热电材料400b中，其中碳纳米管排列在一个方向上的纳米结构体阵列450b嵌入具有单轴伸长性(A1)的能伸长的聚合物120中。在热电材料400b中，纳米结构体阵列450b中的碳纳米管的长度方向A3可平行于能伸长的方向A1。换而言之，纳米结构体阵列450b中的碳纳米管的长度方向A3可平行于能伸长的聚合物120的伸长方向。
参照图10C，热电材料400c可具有与图10B中的热电材料400b相同的结构，除了如下之外：纳米结构体阵列450c进一步包括分散在所述能伸长的聚合物中并且与纳米结构体阵列450c分开的另外的导电材料，类似于图7B中描述的导电材料260。
电极结构体可设置于上述热电材料100、200、200’、300a、300b、300c、400a、400b、和400c上以提供电流用于在其中引起热电转换，或者使用或收集由其中的热电转换所产生的电力。所述电极结构体各自可包括设置在热电材料100、200、200’、300a、300b、300c、400a、400b、和400c各自的两个末端上并且电连接至所述两个末端的两个电极。包括热电材料100、200、200’、300a、300b、300c、400a、400b或400c、所述电极、以及电连接至所述电极的电子器件例如电力消耗器件、电力存储器件、或者电力供应器件可作为具有各种功能的热电器件使用。
图11为说明根据实例实施方式的热电器件1000的示意图。
热电器件1000包括热电材料TM、形成于热电材料TM的相应的两个末端处的第一和第二电极EL1和EL2、以及设置于所述第一和第二电极EL1和EL2之间的电力消耗器件ED1。
热电材料TM的末端(例如，其中形成第一电极EL1的末端)可与相对高温区域H1接触，和热电材料TM的另一端(例如，其中形成第二电极EL2的末端)可与相对低温区域L1接触。在此情况下，可通过热电效应在热电材料TM中产生电力。例如，电子e-(或空穴)可从热电材料TM的与高温区域H1进行接触的末端向热电材料TM的与低温区域L1进行接触的另一末端移动。所述电子e-(或空穴)可流经电力消耗器件ED1。以此方式，由热电材料TM产生的电力可被电力消耗器件ED1消耗。
灯泡被显示作为电力消耗器件ED1。然而，灯泡是非限制性的实例。即，可使用各种各样的消耗由热电材料TM产生的电力的负载。
热电材料TM可为上述热电材料100、200、200’、300a、300b、300c、400a、400b、和400c的任一种或者可为其组合。由于热电材料TM具有伸长性和改善的热电特性，热电器件1000可具有高的热电转换效率。
图12为说明根据实例实施方式的热电器件2000的示意图。
热电器件2000与图11的热电器件1000不同之处在于，连接至热电器件2000的两个末端的电子器件为电力存储器件ED2。例如，电力存储器件ED2可为配置成存储由热电器件2000的热电材料TM产生的电力的蓄电池。
图13为说明根据实例实施方式的热电器件3000的示意图。
热电器件3000可为热电冷却器件。
参照图13，第一和第二电极EL1和EL2可设置在热电材料TM的两个末端上，并且电力供应器件ED3可连接在第一和第二电极EL1和EL2之间。如果由电力供应器件ED3向热电材料TM供应电流，则热电材料TM的一个末端可通过珀耳帖效应从周围对象吸收热。即，在热电材料TM的一个末端处可吸收热。因此，热电材料TM的所述末端的周围区域可被冷却。电力供应器件ED3的结构可以多样地改变。
热电器件3000可用于需要热点冷却的各种电子设备。例如，热电器件3000可应用于便携式电子设备例如智能手机、平板个人电脑(PC)、或者微型封装件(micropackage)，或者可应用于能穿戴的小型电子设备。
参照图11-13描述的热电器件1000、2000、和3000的热电材料TM各自可为选自根据实例实施方式的上述热电材料100、200、200’、300a、300b、300c、400a、400b、和400c、以及其组合的一种。
在图11-13中，热电器件1000、2000、和3000的电极结构体为板状的。然而，所述电极结构体可具有其它形状例如线形状。如果使用图9和10的其中多壁碳纳米管阵列350和450嵌入能伸长的聚合物120中的热电材料300和400作为热电器件1000、2000、和3000的热电材料TM，则可进一步使用线结构体以将多壁碳纳米管阵列350和450电暴露于能伸长的聚合物120的外部和因此将第一和第二电极EL1和EL2电连接至多壁碳纳米管阵列350和450。例如，热电材料300和400可通过如下制造：使用材料例如金属薄片在多壁碳纳米管阵列350和450上形成线以暴露于外部，然后将多壁碳纳米管阵列350和450嵌入能伸长的聚合物120中。
由于根据实例实施方式的热电器件1000、2000、和3000包括具有伸长性的热电材料TM，热电器件1000、2000、和3000可容易地应用于能穿戴的设备例如自发电的能穿戴的设备。
图14为根据实例实施方式的能穿戴的电子设备7000的示意性方框图。
能穿戴的电子设备7000可穿戴在对象OBJ身上用于检测对象OBJ的状态。能穿戴的电子设备7000包括热电器件7200和操作单元7400。
热电器件7200包括上述根据实例实施方式的热电材料之一、和用于存储由所述热电材料产生的电力的电力存储器件例如图12中所示的电力存储器件ED2。
热电器件7200可起到能够将对象OBJ的热能TE转换成电力的自发电器件的作用。即，由于由对象OBJ所提供的热能，在热电器件7200相对于对象OBJ的邻近和较远区域之间产生温差，并且因此在具有温度梯度的热电器件7200中产生电力。然后，电能被存储在热电器件7200中。
操作单元7400可通过使用从热电器件7200接收的电能而对该对象OBJ进行检查。例如，操作单元7400可将输入信号S1发送至对象OBJ和可收到作为与对象OBJ的相互作用的结果的由输入信号S1产生的输出信号S2。例如，输入信号S1可为光或超声波，并且输出信号S2可为通过与对象OBJ的相互作用而改变、并且因此具有与输入信号S1的性质不同的性质的光或超声波。
操作单元7400可用于检查对象OBJ的健康状态或运动。例如，操作单元7400可包括用于产生输入信号S1的光源或超声器件。此外，操作单元7400可包括用于接收输出信号S2的各种传感器的一种或多种。例如，操作单元7400可包括光学传感器、超声传感器、压力传感器、或者应变传感器。
可以有线或者无线方式对操作单元7400进行控制。例如，操作单元7400可为能够测量对象OBJ的健康状态的远程医学检验系统的元件。
上述能穿戴的电子设备7000为非限制性实例。即，可进行各种修改或者改变。例如，可提供包括热电器件作为自发电器件的任何种类的能穿戴的设备。例如，实例实施方式可提供能够由人体和环境之间的温差产生电力并且利用该电力作为操作能量的电子护目镜、手表、或者衣服。此外，实例实施方式可提供装备有这样的能穿戴的电子设备的军装。
如上所述，根据实例实施方式，热电材料可具有伸长性和高的热电转换效率。
因此，所述热电材料可与电力消耗器件、电力存储器件或者电力供应器件一起用于具有高的热电转换效率的热电器件的制造。
所述热电器件可应用于自发电的能穿戴的电子设备或者其它各种需要热点冷却的电子设备。
应理解，本文中所描述的实例实施方式应仅在描述的意义上考虑，而不用于限制目的。在根据实例实施方式的各热电材料和/或器件内的特征或方面的描述应典型地被认为可用于在根据实例实施方式的其它热电材料和/或器件中的其它类似特征或方面。
虽然已经参照附图描述了一些实例实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下可在其中进行形式和细节方面的各种变化。

Claims (20)

1.能伸长的热电材料，包括：
能伸长的聚合物；和
与所述能伸长的聚合物混合在一起的热电结构体和导电材料。
2.权利要求1的能伸长的热电材料，其中所述能伸长的聚合物包括如下的至少一种：聚(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯)(SIS)、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SBS)、聚(苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯)(SEBS)、聚偏氟乙烯(PVDF)、丁腈橡胶(NBR)、聚氨酯(PU)、聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、全氟聚醚(PFPE)、聚酯(PE)、聚丁二烯(PB)、和聚异戊二烯。
3.权利要求1的能伸长的热电材料，其中所述热电结构体包括如下的至少一种：含Sb-Te的材料、含Bi-Te的材料、含Bi-Sb-Te的材料、含Co-Sb的材料、含Pb-Te的材料、含Ge-Tb的材料、含Si-Ge的材料、含Sm-Co的材料、和含碳的材料。
4.权利要求3的能伸长的热电材料，其中所述含碳的材料包括如下的至少一种：碳纳米管、石墨烯、和石墨。
5.权利要求1的能伸长的热电材料，其中所述导电材料包括如下的至少一种：碳纳米材料和金属材料。
6.权利要求5的能伸长的热电材料，其中所述碳纳米材料包括如下的至少一种：碳纳米管、石墨烯、和石墨烯纳米颗粒。
7.权利要求5的能伸长的热电材料，其中
所述导电材料包括碳纳米管和金属材料，
所述金属材料为金属纳米颗粒，和
所述金属纳米颗粒吸附在所述碳纳米管的表面上。
8.权利要求5的能伸长的热电材料，其中所述金属材料包括如下的至少一种：金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、钯(Pd)、铑(Rh)、和钌(Ru)。
9.权利要求1的能伸长的热电材料，其中
混合在一起的所述热电结构体和所述导电材料为碳纳米管和金属纳米颗粒，和
所述金属纳米颗粒吸附在所述碳纳米管的表面上。
10.权利要求1的能伸长的热电材料，其中所述热电结构体和所述导电材料包括碳纳米管。
11.权利要求10的能伸长的热电材料，其中
所述碳纳米管为多壁碳纳米管(MWCNT)阵列，和
所述碳纳米管排列在一个方向上。
12.权利要求11的能伸长的热电材料，其中所述多壁碳纳米管阵列嵌入所述能伸长的聚合物中。
13.权利要求12的能伸长的热电材料，其中
所述能伸长的聚合物具有单轴伸长性，和
所述多壁碳纳米管阵列中的碳纳米管的长度平行于所述能伸长的聚合物的伸长方向。
14.权利要求12的能伸长的热电材料，其中
所述能伸长的聚合物具有单轴伸长性，和
所述多壁碳纳米管阵列中的碳纳米管的长度垂直于所述能伸长的聚合物的伸长方向。
15.热电器件，包括：
权利要求1-14中任一项的能伸长的热电材料；和
电连接至所述热电材料的各个末端的第一电极和第二电极。
16.权利要求15的热电器件，进一步包括：
电连接至所述第一和第二电极的电子器件。
17.权利要求16的热电器件，其中所述电子器件为如下之一：电力消耗器件、电力存储器件、和电力供应器件。
18.能穿戴的电子设备，其配置成穿戴在对象身上用于对所述对象进行检查，所述能穿戴的电子设备包括：
权利要求1-14中任一项的能伸长的热电材料；
电连接至所述热电材料的各个末端的第一电极和第二电极；
连接至所述第一和第二电极的电力存储器件，
所述电力存储器件配置成存储基于所述热电材料的两个末端之间的温差在所述热电材料中产生的电能，所述温差基于由所述对象提供的热；和
配置成从所述电力存储器件接收电能并且对所述对象进行检查操作的操作单元。
19.权利要求18的能穿戴的电子设备，其中所述操作单元配置成测量所述对象的健康状态或运动。
20.电子设备，包括：
权利要求1-14中任一项的能伸长的热电材料；
电连接至所述热电材料的各个末端的第一电极和第二电极；和
电连接至所述第一和第二电极的电力供应器件，
所述电力供应器件配置成向所述热电材料供应电流以在所述热电材料的各个末端之一上形成热点冷却区域。
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