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2018-02-01穿戴裝置的未來新能源—可撓式熱電晶片
578 期
Author 作者
游皓任／任職於中央研究院原子與分子科學 研究所尖端材料實驗室，專長領域為新穎熱電材料、熱電系統設計與量測、可撓式裝置。
當世界各國積極開發再生能源時，其中有一種再生能源熱 電晶片（Thermoelectric Module, TEM），除了體積小、 使用壽命長、無噪音外，還能將熱能與電能相互轉換，並回收廢熱轉換為生活用電。然而傳統熱電晶片目前遭遇相當大的瓶頸，例如：單價高、晶片易碎，所以一直難以在生活中的室溫環境下商業化。近年來可撓裝置與穿戴式裝置的興起，將熱電晶片改良為可撓式晶片應用在裝置中，為熱電晶片的應用帶來新的發展。
熱電材料原理
熱電晶片是利用具有可逆反應的熱電材料，當通過一電流時晶片內部熱電接腳的一端即產生熱，另一端則產生冷， 此現象為「帕爾帖效應（Peltier effect）」，其產物則為市面上通稱的制冷晶片（Thermoelectric Cooler, TEC）。相反的，若給晶片兩端溫差，晶片將產生電能，此現象即為「席貝克效應（Seebeck effect）」， 即市面上通稱的熱電發電晶片（Thermoelectric Generator, TEG）。
若想了解一個熱電晶片或材料性能的優劣，判讀熱電優值 （ZT）是最快的方法，熱電優值越高表示熱電效應越好。 熱電優值的定義為：ZT=（S2×σ×T）∕κ，其中S 為席貝克係數、σ 為導電率、T 為絕對溫度、κ 為熱導率，熱導率κ 又可以表示為κ=κp+κe，κp 為聲子熱傳導，κe 為電子熱傳導。由於熱電效應與溫度高度相關，在不同溫度區段裡，不同溫差下有不同代表性的幾種熱電材料，如常見的低溫高性能材料鉍化銻合金（Bi2Te3）， 溫度區段為凱氏溫度0~300 度；中溫高性能材料鉛化銻合金 （PbTe），溫度區段為凱氏溫度300~600 度；高溫高性能材料半休氏勒合金（Half-Heusler），溫度區段為凱氏溫度600度以上。
儘管上述半導體材料已具有不錯的熱電優質，但由於電導率和熱導率高度相關的比例常數羅倫茲常數（Lorentz number），因此還是有不少研究以摻雜原子（doping）的技術改變電子能帶結構（electron band structure）， 進而改良電導率或是熱導率，亦能開發具有相變（phase change）的材料，如二氧化釩（VO2）， 以達成科學家們對熱電材料的理想。
傳統熱電晶片的致命傷
一般傳統熱電晶片的構造類似「三明治」，由上到下依序為：陶瓷 片→上銅電極→熱電材料→下銅電 極→陶瓷片，內部結構以串聯方式組成，因此有著體積小、使用壽命長、無噪音等優點。即便有著良好優勢，然因其單價高，且在凹凸不平的表片無法完整吸收熱能導致輸出過低，甚至因基板材料為陶瓷基板，所以很容易摔破。上述原因成了熱電晶片的致命傷，這也是為何熱電除了應用到工廠的鍋爐廢熱回收系統外，很難應用到室溫環境的主因之一。當然，科學家們也試圖以晶片微小化，薄型化為目標，但使用昂貴的製程如濺鍍（sputter）、熱蒸鍍（thermal deposition），甚至得使用高價的基板材料如薄型氧化鋁藍寶石（Aluminum Oxide, Sapphire），相對更不符合成本，且也做不到100%在不平的表面上貼附，反而降低熱電晶片應用的可能性。……【更多內容請閱讀科學月刊第578期】