Stretchable, Biodegradable Temperature Modulator for Sustainable Energy Generation,

published in Science Advances by Prof. Suk-Won Hwang’s research team

Wonbae Han, Prof. Sukwon Hwang
 

KU-KIST School of Convergence (Prof. Suk-Won Hwang) in Korea University (Pres. Jin Taek Chung) and Gwangju Institute of Science and Technology (Prof. Young Min Song) research team 
have developed a biodegradable power generation system that controls temperature using zebra-inspired patterns and converts it into electricity through thermoelectric phenomenon. 
This research is expected to play an important role as an eco-friendly renewable energy source in various environments that require flexibility and elasticity without being limited by space and time.

This research was published online on February 3rd in a high-impact journal 'Science Advances (IF=14.957).'

Title: Zebra-inspired Stretchable, Biodegradable Radiation Modulator for All-day Sustainable Energy Harvesters

Journal: Science Advances (Sci. Adv. 2023, doi/10.1126/sciadv.adf5883)

Passive radiative cooling technology is gaining attention as an ultra-low-power/eco-friendly solution that can reduce the temperature of an object without external power by reflecting sunlight  strongly and emitting heat into space in the form of electromagnetic waves. This technology can regulate personal body temperature and reduce cooling energy in residential and industrial areas.  When combined with thermoelectric components, it can produce electricity using the temperature lowered by radiative cooling, making it a sustainable renewable energy source.

In this research, the team designed theoretically the optimal cooling structure that can reflect sunlight and emit internal heat into electromagnetic waves through optical calculations,  and produced a biodegradable materials-based porous nanofiber cooling film with this structure using an electrospinning technique.  This film can lower the temperature by up to ~8 ℃ compared to the ambient temperature under various weather conditions and stretching.



 

Furthermore, the team also engineered a deformable heating material that can absorb sunlight and reflect infrared light, and patterned it on a cooling film by mimicking zebra stripes, creating a temperature  difference of up to 22 ℃ between the cooling and heating areas. This innovative structure can form an in-plane temperature difference under various deformations, unlike previous rigid and complex systems  that formed a vertical temperature difference.

Finally, the team successfully combined the zebra stripes-patterned radiation modulating film with a silicon-based thermoelectric device, converting the horizontally formed temperature difference into  electrical energy of up to about 0.006 mW/m2. They proved that the energy generation performance is maintained even when stretched for ~30 %.

Prof. Suk-Won Hwang said, "This research result has created a biodegradable/elastic radiative cooling technology and in-plane temperature control-based flexible power generation system through  incorporation of materials science, engineering, and optics. 
We expect that this system will be applied to eco-friendly textiles as well as next-generation renewable energy sources when combined with energy and smart grid technologies.”

This work was supported by National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (the Ministry of Science, ICT, MSIT), the Korea Medical Device Development Fund Grant funded  by the Korea government (the Ministry of Science and ICT, the Ministry of Trade, Industry and Energy, the Ministry of Health & Welfare, and the Ministry of Food and Drug Safety), and the ICT Creative Consilience  program supervised by the IITP (Institute for Information & communications Technology Planning & Evaluation).