IT201900009627A1 - Flexible thermoelectric microgenerator and related production method - Google Patents
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Description
Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo: Description of the Industrial Invention entitled:
“MICROGENERATORE TERMOELETTRICO FLESSIBILE E RELATIVO METODO DI PRODUZIONE” "FLEXIBLE THERMOELECTRIC MICROGENERATOR AND RELATIVE PRODUCTION METHOD"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce ad un microgeneratore termoelettrico flessibile e ad un metodo per la sua produzione. The present invention refers to a flexible thermoelectric microgenerator and to a method for its production.
Negli ultimi anni, la riduzione delle riserve di combustibili fossili ha messo in evidenza l'importanza dello sviluppo di fonti energetiche rinnovabili ed ecocompatibili. Tra queste, i generatori termoelettrici (detti anche brevemente TEG) occupano un posto di rilievo grazie alla capacità di convertire il calore in energia elettrica senza la necessità di parti mobili e alcun tipo di combustibile. In recent years, the reduction of fossil fuel reserves has highlighted the importance of developing renewable and environmentally friendly energy sources. Among these, thermoelectric generators (also briefly called TEG) occupy a prominent place thanks to the ability to convert heat into electricity without the need for moving parts and any type of fuel.
Un generatore termoelettrico è costituito da una serie di elementi termolettrici, collegati elettricamente in serie e termicamente in parallelo, e sfrutta l'effetto Seebeck di materiali opportunamente scelti per generare un potenziale elettrico a fronte di un gradiente di temperatura e per trasferire energia elettrica ad un carico esterno opportunamente collegato. A thermoelectric generator consists of a series of thermoelectric elements, electrically connected in series and thermally in parallel, and exploits the Seebeck effect of suitably chosen materials to generate an electric potential against a temperature gradient and to transfer electrical energy to a external load properly connected.
Fino ad ora, a causa dei costi elevati dei materiali termoelettrici ad alta efficienza e dei processi di produzione, le principali applicazioni dei generatori termoelettrici sono state limitate ai campi in cui il costo del generatore può essere giustificato dall’esigenza di una fonte di energia stabile ed in cui non costituisce un fattore limitante; è il caso, ad esempio, delle applicazioni spaziali, in cui il generatore deve garantire prestazioni stabili e non può essere sostituito. Tuttavia, esiste un'ampia gamma di possibili applicazioni per questa tecnologia, soprattutto nell’ambito dell’elettronica; ad esempio, sono applicazioni di particolare interesse quelle legate all'elettronica indossabile e all'”internet delle cose” (più propriamente detto “internet degli oggetti” o IoT, acronimo dell'inglese “internet of things”). Until now, due to the high costs of highly efficient thermoelectric materials and manufacturing processes, the main applications of thermoelectric generators have been limited to fields where the cost of the generator can be justified by the need for a stable energy source. and in which it does not constitute a limiting factor; this is the case, for example, in space applications, where the generator must guarantee stable performance and cannot be replaced. However, there is a wide range of possible applications for this technology, especially in the field of electronics; for example, applications of particular interest are those related to wearable electronics and the "internet of things" (more properly called "internet of things" or IoT, acronym of the English "internet of things").
Nell’ambito dei dispositivi elettronici, l’attenzione si è recentemente spostata verso generatori in cui gli elementi termoelettrici hanno dimensioni dalle decine alle centinaia di micron, i cosiddetti micro-generatori termoelettrici (µ-TEG), che consentono di combinare compattezza e densità di potenza sufficienti per l’alimentazione di dispositivi a bassa potenza. A tale scopo, negli ultimi decenni, si è sviluppato un crescente interesse verso l’utilizzo di semiconduttori organici (polimeri, oligomeri, piccole molecole) che, potendo essere trattati in forma di soluzione, hanno la potenzialità di ridurre drasticamente i costi di fabbricazione dei generatori. In the field of electronic devices, attention has recently shifted towards generators in which the thermoelectric elements have dimensions from tens to hundreds of microns, the so-called thermoelectric micro-generators (µ-TEG), which allow to combine compactness and density of sufficient power for powering low-power devices. To this end, in recent decades, there has been a growing interest in the use of organic semiconductors (polymers, oligomers, small molecules) which, being able to be treated in the form of a solution, have the potential to drastically reduce the manufacturing costs of generators.
Søndergaard et al., nell’articolo "Practical evaluation of organic polymer thermoelectrics by large‐area R2R processing on flexible substrates." (Energy Science & Engineering, 2013), descrivono un esempio di microgeneratore termoelettrico polimerico organico ottenuto mediante processi di stampa. Søndergaard et al., In the article "Practical evaluation of organic polymer thermoelectrics by large ‐ area R2R processing on flexible substrates." (Energy Science & Engineering, 2013), describe an example of an organic polymer thermoelectric microgenerator obtained by printing processes.
Tuttavia, la geometria proposta non è adatta alla realizzazione di dispositivi ad alta efficienza con un’elevata densità di termocoppie, dal momento che, per aumentare la densità di elementi termoelettrici, è necessario ripiegare più volte il dispositivo su se stesso rendendo il dispositivo finale voluminoso, spesso e non flessibile. However, the proposed geometry is not suitable for the realization of high efficiency devices with a high density of thermocouples, since, to increase the density of thermoelectric elements, it is necessary to fold the device several times on itself making the final device bulky. , thick and inflexible.
In generale, attualmente, esistono gravi problemi nell’integrazione di µ-TEG organici in dispositivi efficienti, sottili, flessibili e realizzabili utilizzando tecniche a basso costo. Le geometrie attuali, infatti, non permettono una crescita controllata di termocoppie efficienti a partire da substrati plastici flessibili a basso costo. In general, currently, there are serious problems in integrating organic µ-TEG into efficient, thin, flexible and achievable devices using low-cost techniques. In fact, current geometries do not allow a controlled growth of efficient thermocouples starting from low-cost flexible plastic substrates.
Alla luce di questa disamina è quindi un problema tecnico alla base dell’invenzione quello di rendere disponibili un microgeneratore termoelettrico flessibile ed un metodo per la sua produzione, che abbiano caratteristiche tali da superare i limiti dello stato della tecnica sopra delineato. In light of this examination, it is therefore a technical problem underlying the invention that of making available a flexible thermoelectric microgenerator and a method for its production, which have characteristics such as to overcome the limits of the state of the art outlined above.
Nell’ambito di detto problema tecnico, uno scopo specifico dell’invenzione è quello di predisporre un microgeneratore termoelettrico flessibile ad alta efficienza e basso costo, che possa essere adattato anche a superfici irregolari. As part of this technical problem, a specific purpose of the invention is to provide a flexible, high-efficiency, low-cost thermoelectric microgenerator, which can also be adapted to uneven surfaces.
Un ulteriore scopo è quello di consentire una semplificazione del processo di produzione del microgeneratore ed una riduzione del costo del processo. In particolare, è tra gli scopi dell’invenzione quello di mettere a disposizione un metodo che consenta di produrre microgeneratori termoelettrici efficienti a partire da substrati plastici a basso costo. A further object is to allow a simplification of the microgenerator production process and a reduction in the cost of the process. In particular, one of the purposes of the invention is to provide a method that allows the production of efficient thermoelectric microgenerators starting from low-cost plastic substrates.
L’idea di soluzione del problema anzidetto, che permette anche di raggiungere gli scopi citati, è quella di realizzare un microgeneratore termoelettrico in cui gli elementi termolettrici vengono integrati all’interno di un substrato di supporto flessibile, tramite la realizzazione di fori passanti ad alta densità. Preferibilmente, i fori hanno caratteristiche tali da permettere il loro riempimento con materiale termoelettrico, ottenuto sfruttando l’effetto capillare e impedendo al tempo stesso perdita di materiale. The solution idea of the aforementioned problem, which also allows to achieve the aforementioned purposes, is that of realizing a thermoelectric microgenerator in which the thermoelectric elements are integrated inside a flexible support substrate, through the realization of high through holes. density. Preferably, the holes have such characteristics as to allow them to be filled with thermoelectric material, obtained by exploiting the capillary effect and at the same time preventing loss of material.
Una possibile applicazione del dispositivo e del metodo secondo l’invenzione è in ambito elettronico, ad esempio per il miglioramento della gestione dell’energia di reti di sensori. Ulteriormente, il dispositivo può essere utilizzato per fornire energia all’elettronica indossabile, essendo in grado di adattarsi alla superficie del corpo e di sfruttare il calore generato. Altre applicazioni possibili riguardano il campo sensoristico, per esempio per quanto riguarda sensori di temperatura integrati, grazie alla possibilità di realizzare dispositivi termoelettrici altamente compatti e conformabili. Ulteriori caratteristiche vantaggiose della presente invenzione sono oggetto delle allegate rivendicazioni. A possible application of the device and method according to the invention is in the electronic field, for example for the improvement of the energy management of sensor networks. Additionally, the device can be used to supply energy to wearable electronics, being able to adapt to the surface of the body and exploit the heat generated. Other possible applications concern the sensor field, for example as regards integrated temperature sensors, thanks to the possibility of creating highly compact and conformable thermoelectric devices. Further advantageous features of the present invention are the subject of the attached claims.
Queste caratteristiche ed ulteriori vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente chiari dalla descrizione di una sua forma preferita e non esclusiva di attuazione, mostrata nei disegni annessi, forniti a puro titolo esemplificativo e non limitativo, in cui: These characteristics and further advantages of the present invention will become clearer from the description of a preferred and non-exclusive embodiment thereof, shown in the attached drawings, provided purely by way of non-limiting example, in which:
− Fig.1a e Fig.1b illustrano dei microgeneratori termoelettrici secondo l’invenzione realizzati su substrati di supporto di materiale plastico flessibile; - Fig.1a and Fig.1b illustrate thermoelectric microgenerators according to the invention made on support substrates of flexible plastic material;
− Fig.2a illustra una rappresentazione schematica esplosa di - Fig.2a illustrates an exploded schematic representation of
un substrato di supporto forato secondo l’invenzione; a perforated support substrate according to the invention;
− Fig. 2b mostra un’immagine SEM del substrato di supporto - Fig. 2b shows a SEM image of the support substrate
forato; perforated;
− Fig.3 illustra una fase del metodo secondo l’invenzione e - Fig. 3 illustrates a phase of the method according to the invention and
una rappresentazione schematica di una sezione del a schematic representation of a section of the
microgeneratore termoelettrico; thermoelectric microgenerator;
− Fig.4 mostra un’immagine al microscopio elettronico a - Fig. 4 shows an electron microscope image a
scansione (SEM) della sezione di un foro passante; scanning (SEM) of the section of a through hole;
− Fig.5 illustra una rappresentazione schematica delle - Fig. 5 illustrates a schematic representation of the
connessioni elettriche sui due lati del substrato di electrical connections on both sides of the substrate of
supporto; support;
− Fig. 6 illustra una rappresentazione schematica del - Fig. 6 shows a schematic representation of the
microgeneratore termoelettrico completo; complete thermoelectric microgenerator;
− Fig. 7a illustra lo schema elettrico di collegamento degli - Fig. 7a illustrates the wiring diagram for the connection of the
elementi termolettrici in un microgeneratore termoelettrico thermoelectric elements in a thermoelectric microgenerator
di tipo p-n; p-n type;
− Fig. 7b illustra lo schema elettrico di collegamento degli - Fig. 7b illustrates the wiring diagram for the connection of the
elementi termolettrici in un microgeneratore termoelettrico thermoelectric elements in a thermoelectric microgenerator
di tipo p; p-type;
− Fig.8 illustra la variazione della densità di potenza - Fig. 8 illustrates the variation of the power density
estratta da due diversi generatori termoelettrici secondo extracted from two different second thermoelectric generators
l’invenzione; the invention;
− Fig. 9 illustra, tramite un diagramma di flusso, le fasi - Fig. 9 illustrates, through a flow chart, the phases
attuative del metodo secondo l’invenzione. implementing the method according to the invention.
Prima di entrare nel merito delle spiegazioni, è opportuno Before going into the merits of the explanations, it is appropriate
premettere che nel prosieguo il riferimento ad "una forma di premise that hereinafter the reference to "a form of
attuazione" o ad “una forma di realizzazione” all'interno di implementation "or" an embodiment "within
questa descrizione sta ad indicare che una particolare this description indicates that a particular
configurazione, struttura o caratteristica è compresa in configuration, structure or feature is included in
almeno una forma di attuazione dell'invenzione. Quindi, i at least one embodiment of the invention. So the
termini "in una forma di attuazione" e simili, presenti in terms "in one embodiment" and the like, present in
diverse parti all'interno di questa descrizione, non sono necessariamente tutti riferiti alla stessa forma di attuazione. Inoltre, le persone esperte del ramo sanno riconoscere le particolari configurazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in ogni modo adeguato in una o più forme di attuazione. I riferimenti utilizzati nel seguito sono soltanto per comodità e non limitano l'ambito di tutela o la portata delle forme di attuazione. different parts within this description are not necessarily all referred to the same embodiment. Furthermore, those skilled in the art know how to recognize the particular configurations, structures or features can be combined in any suitable way in one or more embodiments. The references used below are for convenience only and do not limit the scope of protection or the scope of the forms of implementation.
Pertanto, alla luce di questa premessa, con riferimento alle figure, un microgeneratore termoelettrico 1 secondo l’invenzione, comprende: Therefore, in light of this premise, with reference to the figures, a thermoelectric microgenerator 1 according to the invention includes:
− un substrato di supporto 10 forato in modo da definire una pluralità di matrici di fori 12 passanti, in cui i fori 12 sono riempiti di materiale termoelettrico 21 e in cui ciascuna di dette matrici di fori 12 riempiti di materiale termoelettrico 21 definisce un elemento termoelettrico 20 del microgeneratore termoelettrico 1; − connettori elettrici 40 che connettono elettricamente tra loro gli elementi termoelettrici 20, in modo tale da formare delle giunzioni termoelettriche; - a support substrate 10 perforated so as to define a plurality of arrays of through holes 12, in which the holes 12 are filled with thermoelectric material 21 and in which each of said arrays of holes 12 filled with thermoelectric material 21 defines a thermoelectric element 20 of the thermoelectric microgenerator 1; - electrical connectors 40 which electrically connect the thermoelectric elements 20 to each other, so as to form thermoelectric junctions;
− una o più pellicole di materiale elettricamente isolante 60, che racchiudono il microgenatore termoelettrico 1. Il substrato di supporto 10 è preferibilmente una lamina o un foglio di materiale plastico flessibile (ad es. polietilene tereftalato (PET), polietilene naftalato (PEN) ed altri poliesteri, poliimmide (PI), polidimetilsilossano (PDMS), polivinilcloruro (PVC), polipropilene (PP), policarbonato (PC)), con spessore compreso tra 10 e 250 µm e area superficiale tra 0.1 e 100 cm<2>, nel quale è realizzata una pluralità di fori 12 passanti distribuiti in modo da formare delle matrici a righe e colonne di fori 12, in cui i centri di detti fori 12 sono distribuiti preferibilmente lungo le righe e le colonne della matrice alla minima distanza che consente la separazione fisica tra i fori 12. In una soluzione preferita, la distanza tra i fori 12 è compresa tra circa 20 e 100 µm. - one or more films of electrically insulating material 60, which enclose the thermoelectric microgenator 1. The supporting substrate 10 is preferably a foil or a sheet of flexible plastic material (e.g. polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN) and other polyesters, polyimide (PI), polydimethylsiloxane (PDMS), polyvinyl chloride (PVC), polypropylene (PP), polycarbonate (PC)), with thickness between 10 and 250 µm and surface area between 0.1 and 100 cm <2>, in the which is realized a plurality of through holes 12 distributed so as to form arrays with rows and columns of holes 12, in which the centers of said holes 12 are preferably distributed along the rows and columns of the matrix at the minimum distance that allows separation physics between the holes 12. In a preferred solution, the distance between the holes 12 is comprised between about 20 and 100 µm.
Le matrici di fori 12 sono delimitate all’interno di zone del substrato di supporto 10, chiamate tracce 110, che individuano l’area di base degli elementi termoelettrici 20. Con riferimento alla Fig. 2a, le tracce 110 per gli elementi termoelettrici 20 hanno forma quadrata e dimensione dei lati compresa tra 50 e 200 µm. In generale, le tracce 110 possono essere di forma qualsiasi, ad esempio circolare. Nel caso di forme differenti da quella quadrata, si considerano dimensioni equivalenti dell’area delle tracce 110. The arrays of holes 12 are delimited within areas of the support substrate 10, called traces 110, which identify the base area of the thermoelectric elements 20. With reference to Fig. 2a, the traces 110 for the thermoelectric elements 20 have square shape and size of the sides between 50 and 200 µm. In general, the tracks 110 can be of any shape, for example circular. In the case of shapes other than the square one, equivalent dimensions of the area of traces 110 are considered.
Preferibilmente, i fori 12 hanno un’area di ingresso, con riferimento alla direzione con cui il materiale termoelettrico 21 viene depositato nei fori 12, maggiore dell’area a valle; ancor più preferibilmente, detti fori 12 sono di forma sostanzialmente troncoconica. Preferably, the holes 12 have an inlet area, with reference to the direction in which the thermoelectric material 21 is deposited in the holes 12, greater than the downstream area; even more preferably, said holes 12 are substantially frusto-conical in shape.
In una forma di realizzazione preferita, i fori 12 sono di forma troncoconica, come mostrato nelle Fig. 3 e 4, con dimensioni nei seguenti intervalli: In a preferred embodiment, the holes 12 are frusto-conical in shape, as shown in Figs. 3 and 4, with dimensions in the following ranges:
- raggio dell’area di ingresso tra 10 e 50 µm; - radius of the entrance area between 10 and 50 µm;
- raggio dell’area a valle tra 1 e 5 µm; - radius of the downstream area between 1 and 5 µm;
- angolo di inclinazione della superficie laterale α1 (indicato in Fig. 3), calcolato sulla sezione di un foro 12 come angolo esterno tra il prolungamento della base minore 121 e la direzione della superficie laterale, compreso tra 22° e 88°; - angle of inclination of the lateral surface α1 (indicated in Fig. 3), calculated on the section of a hole 12 as the external angle between the extension of the minor base 121 and the direction of the lateral surface, between 22 ° and 88 °;
- angolo di inclinazione della superficie laterale α2 (indicato in Fig. 3), calcolato sulla sezione di un foro 12 come angolo esterno tra un prolungamento della base maggiore 122 e la direzione della superficie laterale, compreso tra 92° e 158°. - angle of inclination of the lateral surface α2 (indicated in Fig. 3), calculated on the section of a hole 12 as the external angle between an extension of the major base 122 and the direction of the lateral surface, between 92 ° and 158 °.
Per la realizzazione degli elementi termoelettrici 20, i fori troncoconici 12 sono riempiti di materiale 21 avente proprietà termoelettriche. For the realization of the thermoelectric elements 20, the frusto-conical holes 12 are filled with material 21 having thermoelectric properties.
A tal fine, il materiale termoelettrico 21 è un conduttore organico, o un semiconduttore organico drogato, preferibilmente con viscosità nell’intervallo 1÷20 mPa*s e tensione superficiale nell’intervallo 30÷40 dynes/cm a temperatura ambiente; ad esempio, il materiale termoelettrico 21 è un polimero organico coniugato drogato, preferibilmente un omopolimero (ad es. polistirene sulfonato (anche indicato come PEDOT:PSS), polianilina, polipirrolo, policarbazolo, politiofene) o un polimero donore-accettore. Alternativamente, il materiale termoelettrico 21 è una piccola molecola organica coniugata drogata oppure una miscela di polimeri e piccole molecole organiche drogate. In generale, il materiale termoelettrico 21, utilizzato all’interno dei fori 12 per la realizzazione degli elementi termoelettrici 20, può essere un semiconduttore con drogaggio di tipo p 21a o di tipo n 21b. ;Si riportano di seguito alcuni esempi di realizzazione di generatori termoelettrici secondo l’invenzione. ;Esempio 1: ;In un primo esempio di realizzazione, con riferimento alla Fig. 5, il generatore termoelettrico 1 è stato fabbricato utilizzando un substrato di supporto 10 commerciale di PEN con spessore di 25 μm ed area superficiale 0,36 cm<2>, ed è composto da duecentocinquantasei elementi termolettrici 20 a base quadrata, con dimensione dei lati pari a 200 µm. ;Gli elementi termoelettrici 20 del generatore termoelettrico 1 contengono alternatamente materiale termoelettrico 21 semiconduttore con drogaggio di tipo p 21a e n 21b; nello specifico, sono stati scelti come materiali termoelettrici 21 una formulazione commerciale di PEDOT:PSS (semiconduttore con drogaggio di tipo p 21a) e una formulazione di un derivato solubile di un fullerene, il [60]fulleropirrolidina, con catena laterale polare di trietilene glicolo dietere drogato con N-DMBI (semiconduttore drogato di tipo n 21b). ;Gli elementi termoelettrici 20 con drogaggio di tipo p e di tipo n, passanti attraverso il substrato di supporto 10, sono connessi tra loro termicamente in parallelo ed elettricamente in serie (come mostrato nello schema elettrico di Fig. 7a). ;Esempio 2: ;In un secondo esempio di realizzazione, il microgeneratore termoelettrico 1 è stato realizzato come nell’esempio 1, ma lo stesso materiale termoelettrico 21, una formulazione commerciale di PEDOT:PSS (semiconduttore con drogaggio di tipo p 21a), è stato utilizzato per tutti gli elementi termoelettrici 20. ;Gli elementi termoelettrici 20, passanti attraverso il substrato di supporto 10, sono connessi termicamente in parallelo ed elettricamente in serie. Un elemento d’argento è stato utilizzato, al posto dell’elemento termolettrico 20 con drogaggio di tipo n dell’esempio 1, per consentire la chiusura del circuito elettrico (come mostrato nello schema elettrico di Fig. 7b). ;La Fig.8 illustra la massima densità di potenza raggiunta dai generatori termoelettrici appena descritti negli esempi. Nello specifico, le prove effettuate sui due generatori termolettrici 1 hanno mostrato che è possibile raggiungere una densità di potenza di 3 nW / cm<2 >con una differenza di temperatura di 25 K tra le facce del microgeneratore termoelettrico 1, nel caso di elementi termolettrici 20 solo di tipo p (esempio 2), e una densità di potenza di 30 nW / cm<2 >con differenza di temperatura di 25 K, nel caso di elementi termoelettrici 20 di tipo p e di tipo n alternati (esempio 1). Inoltre, le due prove combinate dimostrano che, attraverso l’ottimizzazione geometrica del microgeneratore termoelettrico 1, cioè aumentando lo spessore degli elementi termoelettrici 20 e la loro densità, è possibile raggiungere livelli di densità di potenza superiori a 1 μW / cm<2 >con una differenza di temperatura di 25 K. Questo rende i generatori termoelettrici utilizzabili come “raccoglitori di energia”, in inglese “harvesters”, per alimentare elettronica a bassa potenza distribuita e/o per applicazioni sensoristiche (anche in campo biologico). ;Con riferimento alla Fig.7, un procedimento per la produzione di un microgeneratore termoelettrico 1 secondo l’invenzione comprende le seguenti fasi: ;− una fase di foratura (P1), in cui un substrato di supporto 10 viene forato in modo da definire una pluralità di matrici di fori 12 passanti, in cui i centri di detti fori 12 sono distribuiti lungo righe e colonne alla minima distanza che consente la separazione fisica tra i fori 12. ;Preferibilmente, i fori 12 sono realizzati in modo da avere un’area di ingresso maggiore dell’area a valle, con riferimento alla direzione del loro riempimento con il materiale termoelettrico. ;In una soluzione preferita, i fori 12 hanno forma sostanzialmente troncoconica e dimensioni nei seguenti intervalli: ;− raggio dell’area di ingresso tra 10 e 50 µm; ;− raggio dell’area a valle tra 1 e 5 µm; ;− angolo di inclinazione della superficie laterale α1 (indicato in Fig. 3), calcolato sulla sezione di un foro 12 come angolo esterno tra il prolungamento della base minore 121 e la direzione della superficie laterale, compreso tra 22° e 88°; ;− angolo di inclinazione della superficie laterale α2 (indicato in Fig. 3), calcolato sulla sezione di un foro 12 come angolo esterno tra un prolungamento della base maggiore 122 e la direzione della superficie laterale, compreso tra 92° e 158°. ;I fori 12 vengono realizzati, indipendentemente dal materiale scelto per il substrato di supporto 10 e dallo spessore di tale materiale, utilizzando tecniche di incisione tramite laser, dette tecniche di “laser writing”, che consentono una risoluzione dell’ordine delle decine di micrometri (µm). Preferibilmente, per la realizzazione dei fori 12, viene utilizzato un laser a femtosecondi (fs), con durata dell’impulso variabile da decine a centinaia di fs; più preferibilmente, con durata dell’impulso compresa tra 10 e 300 fs. Alternativamente, è possibile utilizzare laser a picosecondi o a nanosecondi. La lunghezza d’onda del fascio laser viene scelta in base alle proprietà ottiche del materiale plastico da forare; per esempio, per un substrato di PEN, è preferibile l’uso di un fascio, nel campo del visibile, intorno ai 500 nm. ;Il materiale per il substrato di supporto 10 è preferibilmente un materiale plastico flessibile (ad es. PET, PEN ed altri poliesteri, PI, PDMS, PVC, PP, PC). ;Le matrici di fori 12 sono realizzate all’interno di zone del substrato di supporto 10, chiamate tracce 110, che individuano l’area di base di elementi termoelettrici 20. Preferibilmente, dette tracce 110 hanno forma quadrata e dimensione dei lati compresa tra 50 e 200 µm. In generale, le tracce 110 possono essere di forma qualsiasi, ad esempio qualora si voglia massimizzare il numero di elementi termoelettrici 20 nel substrato di supporto 10. ;In un esempio specifico di realizzazione, il substrato di supporto 10 è un foglio di materiale plastico flessibile di spessore compreso tra 10 µm e 250 µm e area superficiale tra 0.1 e 100 cm2. ;− una fase di iniezione del materiale termoelettrico (P2), in cui il materiale termoelettrico 21 viene iniettato all’interno dei fori 12. L’iniezione del materiale termoelettrico 21 avviene tramite una qualsiasi tecnica di erogazione di volume noto (ad esempio: stampa elettroidrodinamica (anche nota come “e-jet printing”), stampa ad aerosol (“aerosol jet printing”), sistema a getto ad alta viscoità (“High-Viscosity Jetting System”), stampa a getto di inchiostro con tecnologia piezoelettrica (“Piezoelectric Inkjet Printing”), stampa a getto di inchiostro con tecnologia termica, sistemi di dispensazione a siringa) e comporta la penetrazione del materiale termoelettrico 21 all’interno del foro 12 per capillarità. ;Con riferimento alla Fig. 3, qualora il foro 12 sia sostanzialmente troncoconico e abbia le dimensioni precedentemente descritte ed indicate in figura, il materiale termoelettrico 21 iniettato viene trattenuto all’interno del foro 12. ;Il materiale termoelettrico 21 che viene iniettato all’interno dei fori 12 è un conduttore organico, o un semiconduttore organico drogato di tipo p 21a o di tipo n 21b, preferibilmente con viscosità nell’intervallo 1÷20 mPa*s e tensione superficiale nell’intervallo 30÷40 dynes/cm, a temperatura ambiente; ad esempio, il materiale termoelettrico 21 è un polimero organico coniugato drogato, preferibilmente un omopolimero (ad es. polistirene sulfonato (anche indicato come PEDOT:PSS), polianilina, polipirrolo, policarbazolo, politiofene) o un polimero donore-accettore. Alternativamente, il materiale termoelettrico 21 comprende, o è, una piccola molecola organica coniugata drogata oppure una miscela di polimeri e piccole molecole organiche drogate. To this end, the thermoelectric material 21 is an organic conductor, or a doped organic semiconductor, preferably with viscosity in the range of 1 ÷ 20 mPa * s and surface tension in the range of 30 ÷ 40 dynes / cm at room temperature; for example, the thermoelectric material 21 is a doped conjugated organic polymer, preferably a homopolymer (e.g. polystyrene sulfonate (also referred to as PEDOT: PSS), polyaniline, polypyrrole, polycarbazole, polythiophene) or a donor-acceptor polymer. Alternatively, the thermoelectric material 21 is a doped conjugated small organic molecule or a mixture of polymers and doped small organic molecules. In general, the thermoelectric material 21, used inside the holes 12 for the realization of the thermoelectric elements 20, can be a semiconductor with doping of the p type 21a or of the n type 21b. ; Below are some examples of the realization of thermoelectric generators according to the invention. ; Example 1:; In a first embodiment example, with reference to Fig. 5, the thermoelectric generator 1 was manufactured using a commercial support substrate 10 of PEN with a thickness of 25 μm and a surface area of 0.36 cm <2> , and is composed of two hundred and fifty-six thermoelectric elements 20 with a square base, with side dimensions equal to 200 µm. The thermoelectric elements 20 of the thermoelectric generator 1 alternately contain semiconductor thermoelectric material 21 with doping of the p type 21a and n 21b; specifically, a commercial formulation of PEDOT: PSS (semiconductor with p-type doping 21a) and a formulation of a soluble derivative of a fullerene, [60] fulleropyrrolidine, with a polar side chain of triethylene glycol, were chosen as thermoelectric materials 21 diether doped with N-DMBI (n-type doped semiconductor 21b). The thermoelectric elements 20 with p-type and n-type doping, passing through the support substrate 10, are thermally connected to each other in parallel and electrically in series (as shown in the electrical diagram of Fig. 7a). ; Example 2:; In a second embodiment example, the thermoelectric microgenerator 1 was made as in example 1, but the same thermoelectric material 21, a commercial formulation of PEDOT: PSS (p-doped semiconductor 21a), is been used for all the thermoelectric elements 20. The thermoelectric elements 20, passing through the support substrate 10, are thermally connected in parallel and electrically in series. A silver element was used, instead of the thermoelectric element 20 with n-type doping of example 1, to allow the electrical circuit to be closed (as shown in the wiring diagram of Fig. 7b). ; Fig.8 illustrates the maximum power density reached by the thermoelectric generators just described in the examples. Specifically, the tests carried out on the two thermoelectric generators 1 showed that it is possible to reach a power density of 3 nW / cm <2> with a temperature difference of 25 K between the faces of the thermoelectric microgenerator 1, in the case of thermoelectric elements 20 p-type only (example 2), and a power density of 30 nW / cm <2> with a temperature difference of 25 K, in the case of alternating p-type and n-type thermoelectric elements 20 (example 1). Furthermore, the two combined tests show that, through the geometric optimization of the thermoelectric microgenerator 1, i.e. by increasing the thickness of the thermoelectric elements 20 and their density, it is possible to reach power density levels higher than 1 μW / cm <2> with a temperature difference of 25 K. This makes thermoelectric generators usable as “energy collectors”, in English for “harvesters”, to power electronic low-power distributed and / or for sensor applications (also in the biological field). ; With reference to Fig. 7, a process for the production of a thermoelectric microgenerator 1 according to the invention comprises the following steps:; - a drilling step (P1), in which a support substrate 10 is drilled so as to define a plurality of arrays of through holes 12, in which the centers of said holes 12 are distributed along rows and columns at the minimum distance that allows the physical separation between the holes 12.; Preferably, the holes 12 are made so as to have a inlet area greater than the downstream area, with reference to the direction of their filling with the thermoelectric material. ; In a preferred solution, the holes 12 have a substantially truncated cone shape and dimensions in the following ranges:; - radius of the inlet area between 10 and 50 µm; ; - radius of the downstream area between 1 and 5 µm; - angle of inclination of the lateral surface α1 (indicated in Fig. 3), calculated on the section of a hole 12 as the external angle between the extension of the minor base 121 and the direction of the lateral surface, between 22 ° and 88 °; ; - angle of inclination of the lateral surface α2 (indicated in Fig. 3), calculated on the section of a hole 12 as the external angle between an extension of the major base 122 and the direction of the lateral surface, between 92 ° and 158 °. ; The holes 12 are made, regardless of the material chosen for the support substrate 10 and the thickness of this material, using laser engraving techniques, called "laser writing" techniques, which allow a resolution of the order of tens of micrometers (µm). Preferably, for the realization of the holes 12, a femtosecond laser (fs) is used, with pulse duration varying from tens to hundreds of fs; more preferably, with a pulse duration between 10 and 300 fs. Alternatively, picosecond or nanosecond lasers can be used. The wavelength of the laser beam is chosen based on the optical properties of the plastic material to be drilled; for example, for a PEN substrate, it is preferable to use a beam, in the visible range, around 500 nm. The material for the support substrate 10 is preferably a flexible plastic material (e.g. PET, PEN and other polyesters, PI, PDMS, PVC, PP, PC). The arrays of holes 12 are made inside areas of the support substrate 10, called traces 110, which identify the base area of thermoelectric elements 20. Preferably, said traces 110 have a square shape and side dimension between 50 and 200 µm. In general, the traces 110 can be of any shape, for example if it is desired to maximize the number of thermoelectric elements 20 in the supporting substrate 10.; In a specific embodiment, the supporting substrate 10 is a sheet of flexible plastic material with a thickness between 10 µm and 250 µm and a surface area between 0.1 and 100 cm2. ; - an injection phase of the thermoelectric material (P2), in which the thermoelectric material 21 is injected into the holes 12. The injection of the thermoelectric material 21 takes place by means of any known volume dispensing technique (for example: printing electrohydrodynamic (also known as "e-jet printing"), aerosol printing ("aerosol jet printing"), "High-Viscosity Jetting System", inkjet printing with piezoelectric technology (" Piezoelectric Inkjet Printing "), inkjet printing with thermal technology, syringe dispensing systems) and involves the penetration of the thermoelectric material 21 inside the hole 12 by capillarity. With reference to Fig. 3, if the hole 12 is substantially frusto-conical and has the dimensions previously described and indicated in the figure, the thermoelectric material 21 injected is retained inside the hole 12.; The thermoelectric material 21 which is injected into the inside of the holes 12 is an organic conductor, or a doped organic semiconductor of the p type 21a or of the n type 21b, preferably with viscosity in the range 1 ÷ 20 mPa * s and surface tension in the range 30 ÷ 40 dynes / cm, at temperature environment; for example, the thermoelectric material 21 is a doped conjugated organic polymer, preferably a homopolymer (e.g. polystyrene sulfonate (also referred to as PEDOT: PSS), polyaniline, polypyrrole, polycarbazole, polythiophene) or a donor-acceptor polymer. Alternatively, the thermoelectric material 21 comprises, or is, a doped conjugated small organic molecule or a mixture of polymers and small doped organic molecules.
In generale, un generatore termoelettrico 1 secondo l’invenzione è composto da elementi termoelettrici 20 solo di tipo p, solo di tipo n o entrambi; preferibilmente, il generatore termoelettrico 1 contiene sia elementi termoelettrici 20 con drogaggio di tipo p sia elementi termoelettrici 20 con drogaggio di tipo n. In aggiunta alle fasi descritte fino ad ora, un metodo di produzione di un microgeneratore termoelettrico 1 secondo l’invenzione può ulteriormente comprendere: In general, a thermoelectric generator 1 according to the invention is composed of thermoelectric elements 20 only of type p, only of type n or both; preferably, the thermoelectric generator 1 contains both thermoelectric elements 20 with p-type doping and thermoelectric elements 20 with n-type doping. In addition to the steps described up to now, a production method of a thermoelectric microgenerator 1 according to the invention can further comprise:
− una fase di realizzazione delle connessioni elettriche (P3), in cui le connessioni elettriche tra gli elementi delle termocoppie vengono realizzate in modo da chiudere il circuito elettrico che costituisce il generatore termoelettrico 1 (Fig. 9). I contatti sono realizzati utilizzando tecniche note per la deposizione di elettrodi metallici, preferibilmente tecniche di stampa di metalli conduttivi (ad es. getto di inchiostro, serigrafia, flessografia, rotocalco, etc...) o, alternativamente, tecniche di deposizione da vuoto (ad es. polverizzazione catodica, evaporazione termica, deposizione a fascio di elettroni, etc...). - a phase of making the electrical connections (P3), in which the electrical connections between the elements of the thermocouples are made in such a way as to close the electrical circuit that constitutes the thermoelectric generator 1 (Fig. 9). The contacts are made using known techniques for the deposition of metal electrodes, preferably printing techniques of conductive metals (e.g. ink jet, screen printing, flexography, rotogravure, etc ...) or, alternatively, vacuum deposition techniques ( e.g. cathodic pulverization, thermal evaporation, electron beam deposition, etc ...).
− una fase di confezionamento (P4), in cui il microgeneratore termoelettrico 1 viene racchiuso all’interno di due elementi protettivi 60, composti ciascuno da uno o più strati di materiale elettricamente isolante, con spessore compreso tra 100 nm e 3 µm, così da essere abbastanza spesso da isolare le termocoppie ma sufficientemente sottile da minimizzare le perdite termiche. - a packaging phase (P4), in which the thermoelectric microgenerator 1 is enclosed within two protective elements 60, each composed of one or more layers of electrically insulating material, with a thickness between 100 nm and 3 µm, so as to be thick enough to isolate the thermocouples but thin enough to minimize thermal losses.
La possibilità di realizzare i dispositivi su qualsiasi tipo di substrato flessibile, consente di utilizzare pellicole plastiche di varia natura che possono essere adattate a qualsiasi tipo di superficie e che possono eventualmente essere messe a contatto con la pelle umana. La presente invenzione non è limitata ai soli esempi illustrativi descritti, ma è suscettibile di varie modifiche, perfezionamenti, sostituzioni di parti e di elementi equivalenti senza comportare scostamenti dall’idea inventiva di base, come specificato nelle rivendicazioni. The possibility of making the devices on any type of flexible substrate allows the use of various types of plastic films which can be adapted to any type of surface and which can possibly be put in contact with human skin. The present invention is not limited to the illustrative examples described only, but is susceptible of various modifications, improvements, replacements of parts and equivalent elements without involving deviations from the basic inventive idea, as specified in the claims.
Claims (20)
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