Development of self-healing, stretchable and wearable thermoelectric generators

Abstract

Sağlık, spor ve kişisel izleme uygulamalarında giyilebilir elektroniklerin hızla yaygınlaşması, kompakt, esnek ve kendi kendine çalışan enerji üretim sistemlerine olan ihtiyacı artırmıştır. Mevcut teknolojiler arasında, termoelektrik jeneratörler (TEG'ler), dış bir uyarana veya hareketli parçalara ihtiyaç duymadan vücut ısısını sürekli olarak elektriğe dönüştürebilme yetenekleri sayesinde öne çıkmaktadır. Ancak geleneksel inorganik termoelektrik malzemeler sert, kırılgan ve çoğu zaman toksiktir; bu da onların esnek ve cilde uyumlu sistemlerle entegrasyonunu zorlaştırmaktadır. Bu tezde, organik malzemelerin avantajlarını sıvı metal ara bağlantıların kendini onarma yetenekleriyle birleştiren, esnek ve kendini onarabilen yeni bir giyilebilir TEG sistemi geliştirilmiştir. Çalışmanın temel yeniliği, lazerle indüklenmiş grafen (LIG) kullanımına dayanmaktadır. Ticari polimid filmler, ortam koşullarında CO2 lazerle işlenerek LIG elde edilmiş ve ardından toz formunda toplanmıştır. İlk kez bu LIG tozu, baskıya uygun termoelektrik mürekkepler haline getirilmiştir. p-tipi mürekkep, LIG'in D-sorbitol ile fonksiyonelleştirilmiş PEDOT:PSS ile karıştırılmasıyla, n-tipi mürekkep ise LIG'in polietilenimin (PEI) ile katkılanmasıyla elde edilmiştir. Bu, PEI ile katkılanmış LIG'in TEG sistemlerinde ilk kullanımını temsil etmektedir. Hazırlanan mürekkepler, gözenekli Ecoflex iskeletindeki boşluklara doldurularak 12 p-tipi ve 12 n-tipi bacak oluşturulmuştur. Elektriksel bağlantılar ve aynı zamanda kendini onarma özelliği ötektik galyum-indiyum (EGaIn) sıvı metali kullanılarak gerçekleştirilmiştir. EGaIn'in akışkan yapısı, mekanik hasar sonrasında iletken yolların kendiliğinden yeniden oluşmasına imkân tanımaktadır. Tüm yapı, iç bileşenleri korumak ve mekanik dayanıklılığı artırmak amacıyla yumuşak bir Ecoflex tabakasıyla kaplanmıştır. Malzeme ve cihaz karakterizasyonu SEM, EDS, XPS, Raman, FTIR, XRD ve dört uçlu prob ölçümleri gibi çeşitli tekniklerle gerçekleştirilmiştir. Seebeck katsayıları özel olarak tasarlanmış bir düzenekte ölçülmüştür. Cihaz, 10 °C sıcaklık farkı altında 5.6 mV açık devre voltajı ve 1.568 nW maksimum güç çıkışı üretmiştir. Mekanik testler, cihazın tekrarlanan bükme ve germe işlemleri sırasında stabil performans sergilediğini doğrulamıştır. Bu özelliklere ek olarak, cihaz hasar sonrasında işlevselliğini geri kazanmasını sağlayan bir kendini onarma yeteneği de göstermiştir. Bu tez, tamamen organik termoelektrik mürekkepler ile sıvı metal ara bağlantılarını birleştirerek termoelektrik jeneratörlerin esnek ve giyilebilir sistemlere entegrasyonu konusundaki zorlukları etkili bir şekilde ele almaktadır. Genel olarak, bu yaklaşım; yeni nesil, kendinden enerji sağlayan sağlık izleme sistemleri ve IoT tabanlı giyilebilir elektronikler için dayanıklı ve esnek enerji toplayıcılarının geliştirilmesinde umut verici bir çözüm sunmaktadır.The rapid growth of wearable electronics in healthcare, sports, and personal monitoring has increased the need for compact, flexible, and self-powered energy harvesting devices. Among available technologies, thermoelectric generators (TEGs) stand out due to their ability to continuously convert body heat into electricity without external stimuli or moving parts. However, conventional inorganic thermoelectric materials are rigid, brittle, often toxic, and unsuitable for flexible, skin-conformable systems. This thesis aims to develop a novel, wearable TEG that is both stretchable and self-healing, combining the advantages of organic materials with liquid metal interconnects. The core innovation lies in the use of laser-induced graphene (LIG), synthesized from commercial polyimide via CO2 laser irradiation under ambient conditions, and then collected as powder. For the first time, LIG powder was formulated into printable thermoelectric inks. A p-type ink was created by blending LIG with PEDOT:PSS treated with D-sorbitol, while an n-type ink was developed through PEI doping, marking the first use of PEI doped LIG in a TEG. These inks were filled into the cavities of a porous Ecoflex scaffold, forming 12 p-type and 12 n-type legs. To ensure electrical connectivity and enable self-healing, eutectic gallium-indium (EGaIn) liquid metal was used as both top and bottom interconnects. Thanks to its fluidic nature, EGaIn re-establishes electrical pathways after mechanical damage. The entire structure was encapsulated in soft Ecoflex for improved flexibility and durability. Material and device characterization was performed using SEM, EDS, XPS, Raman, FTIR, XRD, and four-point probe measurements. Seebeck coefficients were measured using a custom setup. The device produced an open-circuit voltage of 5.6 mV under a 10 °C temperature gradient, with a maximum power output of 1.568 nW, demonstrating proof-of-concept performance. Mechanical tests confirmed stable performance under repeated bending and stretching. In addition to these properties, the device demonstrated a self-healing capability, allowing it to recover functionality after damage. This thesis effectively addresses the challenges of integrating TEGs into flexible and wearable systems by introducing fully organic thermoelectric inks combined with liquid metal interconnects. Overall, this approach offers a promising pathway toward durable and flexible energy harvesters for next-generation self-powered health monitoring and IoT-based wearable electronics.