隨著物聯網的興起與穿戴式生物監測的能源需求，如何於發展再生能源的架構下為穿戴式元件持續供電為目前重要的研究課題。相對於太陽能、摩擦發電與壓電發電元件受先天環境(照光、運動)的限制，熱電發電元件透過元件兩端之溫差即可發電，若善用人體體溫與環境之溫差即可達成持續供電之目標。本研究團隊於有機熱電材料與元件已有多項研究結果，而為實現穿戴式之應用，本研究使用生物相容性材料明膠甲基丙烯醯(Gelatin methacryloyl, GelMA)並使用UV光膠聯法製備膠態熱電化學電池(Quasi-solid-state thermogalvanic cells, TGCs)(圖1a-c)，且透過添加劑鹽酸胍(Guanidinium chloride, GdmCl)與氧化還原對”選擇性結晶”以及調控水凝膠內部之離子傳輸通道尺寸的雙重特性達到高Seebeck係數與高電壓輸出的效果。
本研究首先透過FT−IR分析水凝膠內部之GelMA高分子鏈與GdmCl之作用情形（圖1d），可觀察到GelMA−based水凝膠隨著內部GdmCl濃度增加，N−H的特徵峰位移就越明顯，證實GelMA高分子和Gdm+之間有很強的分子間氫鍵作用力。之後將GelMA−based水凝膠浸泡於氧化還原對Fe(CN)63−/Fe(CN)64−後即形成TGC元件(圖2a)，其中添加GdmCl之TGC元件之Seebeck係數皆高於未含GdmCl之元件(圖2b)，同時透過冷熱端位置交換造成Seebeck係數之差異證實GdmCl與 Fe(CN)64−之結晶將導致元件內部產生濃度梯度，進而提升整體Seebeck係數(圖2c)。此外本研究亦透過小角度X光散射技術分析水凝膠的奈米結構(圖3)，結果顯示離子傳輸通道(Rg2)隨著GdmCl濃度增加而減少並同時增加結晶傳輸的困難度，進而增加氧化還原對在元件冷熱兩端濃度的差異，此為Seebeck係數顯著提升之另一項因素。最後將最佳Seebeck係數(21.6 mV K−1)之三個GelMA_5G TGC元件串聯成熱電發電裝置(Thermoelectric generator, TEG)並貼附於手臂上(圖4a-b)，在溫差3.5 ℃時輸出約0.22 V電壓；此外另透過串聯9個TGC單元之TEG元件於溫差9 ℃時可產生約1.62 V的電壓，並可直接驅動LED燈，證實GelMA水凝膠TGC穿戴式發電元件之應用潛力，未來研究亦可利用GelMA光膠聯之特性開發高產量輸出與高度客製彈性之3D列印技術製備TEG元件。（材料系劉振良教授提供）
圖1 (a)GelMA、GdmCl以及光起始劑LAP之化學結構。(b) GelMA_5G水凝膠。(c) GelMA−based水凝膠網路示意圖。(d) 凍乾後的GelMA−based水凝膠之FT−IR光譜。
圖2 (a) 垂直式TGCs示意圖。(b) GelMA−based TGCs之Seebeck係數。(c) GelMA_0G、GelMA_5G及Redox+G之TGCs於正向與反向測得的Seebeck係數。
圖3 GelMA−based水凝膠的兩級結構。
圖4 (a) 3個元件單元的TEG元件貼附於皮膚之示意圖，當中(b)透過熱影像儀偵測TEG頂端與人體皮膚的溫度，其溫差約為3.5 ℃。(c) 9個元件單元的TEG元件點亮LED之示意圖，其中(d)透過熱影像儀偵測TEG頂端與底部的溫度，其溫差約為9 ℃。