JP2013508069A - 薄型電池を備える装置及びイオントフォレーシスパッチ - Google Patents

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Abstract

本発明の一側面による薄型電池を備える装置は、電気的に動作しサブストレート(substrate)を備えるデバイス;及び前記デバイスに電力を供給するための薄型電池を含み、前記薄型電池は、前記サブストレート上に形成された第1電気伝導層;前記第1電気伝導層と分離して前記サブストレート上に形成され前記第1電気伝導層と同一平面に位置する第2電気伝導層;前記第1電気伝導層上に形成され前記第1電気伝導層と電気的に連結した第1電極層;前記第2電気伝導層上に形成され前記第2電気伝導層と電気的に連結し、前記第1電極層から軸方向に離隔して配置され前記第1電極層の極性と反対の極性を有する第2電極層;前記第1電極層と第2電極層を同時に覆うイオン伝導性高分子電解質;及び前記イオン伝導性高分子電解質層を密封する密封フィルムを含む。
【選択図】
なし

Description

本発明は、薄型電池を備えるイオントフォレーシスパッチ等の装置に関し、特に電池とこれに連結したデバイスが一体化して電流密度が向上し、薄型化及び製造生産性の向上に有利な薄型電池を備えたイオントフォレーシスパッチ等の装置に関するものである。
イオントフォレーシス(iontophoresis)は、皮膚に微細電流を流して電荷を持つ関心物質を電気的反発力によって皮膚中に侵透させる技術をいう。イオントフォレーシスパッチは、電気的反発力を用いて薬物や美容物質等の関心物質を皮膚に浸透させるのに使用される。関心物質を搭載したパッチを皮膚に付着すると、回路が形成されて電流が流れ、電気的反発力によって関心物質が皮膚中に侵透する。このような関心物質の浸透速度は、皮膚を通じて流れる電流の量に直接影響を受けるものと知られている。
従来のイオントフォレーシスパッチは、薄型の電池と電気伝導性電極を備えたパッチ又はパッドが互いに独立した状態で製作された後、電気伝導性電極と薄型電池を電気的に連結させて組み立てられる方式であった。このような方式で製造されたイオントフォレーシスパッチは、複雑な電流の経路により電流の抵抗が大きくなり、組み立て手順が複雑で低い生産性と共に製造単価も高いことが問題点として指摘された。
イオントフォレーシスパッチに装着された電池は、電流を発生させるエネルギー源として作用するが、一般的に陽極と陰極の役割をする二つの電極とイオン伝導性電解液を含む。主に、陽電極物質として二酸化マンガン、陰電極物質として亜鉛が活用され、塩化亜鉛や塩化アンモニウムを高分子と共に水に溶かしたゲル状の電解質が電池内に導入される。このような電池は、製造後の流通過程で電極内のバインダーが水性電解液に溶解すると、抵抗増加と共に短絡につながり、電池の性能が急激に低下することがある。特に陽電極と陰電極の間に隔離膜がない状態で近接して置かれた場合、水性電解液に対する電極の耐久性が確保されなければ、電極内の導電物質が脱離することにより相対電極との間に電流の架橋役割をして短絡現象が発生しやすい。これを克服するために電極、特に陰極の場合不可避的に電極物質としてホイルやストリップ形態の亜鉛を使用してきているが、電極活物質として金属ホイルを適用すると粉末状態で製造された電極に比べて反応面積が縮小して高出力特性が脆弱で生産性が落ちやすい。
前記した問題点、特に低い生産性と高い電気抵抗の問題を解決するために本出願人が先出願した大韓民国出願特許2007年第99132号「イオントフォレーシスパッチ及びその製造方法」は、パッチ内の伝導層に電極物質を直接塗布することによりパッチと電池を一つのシステムとして構成することを開示している。これは皮膚との接触抵抗を小さくするように考案したものである。このような形態のパッチは、単純な電流メカニズムと小さな抵抗によって関心物質の皮膚浸透を増大するのに有利な構造である。しかし、電気化学的耐性が弱い関心物質が、電池反応に関与する問題点を持っている。また、パッチ製造工程をさらに単純化させてパッチの柔軟性をさらに確保する必要がある。
以上で見られるように、現在まではイオントフォレーシスパッチでは、低い生産性と高い製造単価、流通期間中の電極構造破壊による性能劣化等がイオントフォレーシスパッチの商用化に障害物として作用している。したがって、これらの問題を効果的に解決するための技術的接近が必要な実情である。
イオントフォレーシスパッチだけでなく、微細電流を消耗する電気電子デバイスの電力供給源として薄型電池を使用することができる。例えば、RFIDタグ、スマートカード、電子ペーパーディスプレイ等のデバイスに薄型電池を活用することができる。このような薄型電池を有する装置でも、製造工数の縮小により製造単価をさらに下げる必要と装置の柔軟性をさらに高める必要があり、薄型電池による安定的な電力供給が要求される。
本発明は、上述したような従来技術の問題点を勘案してなされたもので、本発明の課題中の一つは、製造生産性が高くて耐久性が強く、薄型化に伴う柔軟性の確保に有利な薄型電池を備える装置を提供することである。本発明のまた一つの課題は、製造生産性が高くて耐久性が強く、薄型化に伴う柔軟性の確保に有利な薄型電池を備えるイオントフォレーシスパッチを提供することである。
本発明の一側面による薄型電池を備える装置は、電気的に動作しサブストレート(substrate)を備えるデバイス;及び前記デバイスに電力を供給するための薄型電池を含み、前記薄型電池は、前記サブストレート上に形成された第1電気伝導層;及び前記第1電気伝導層と分離して前記サブストレート上に形成され前記第1電気伝導層と同一平面に位置する第2電気伝導層;前記第1電気伝導層上に形成され前記第1電気伝導層と電気的に連結した第1電極層;前記第2電気伝導層上に形成され前記第2電気伝導層と電気的に連結し、前記第1電極層から軸方向に離隔して配置され前記第1電極層の極性と反対の極性を有する第2電極層;前記第1電極層と第2電極層を同時に覆うイオン伝導性高分子電解質;及び前記イオン伝導性高分子電解質を密封する密封フィルムを含む。前記第1電極層と第2電極層は、同一平面上に配置することができる。
本発明の実施形態によれば、前記薄型電池は閉鎖型の薄型電池で、前記サブストレートと密封フィルムは水分遮断特性を有する。前記サブストレートと密封フィルムのうち少なくとも一つは水分遮断特性が優れたポリエチレンテレフタレート又はポリアクリロニトリルフィルムであることができる。
前記第1電気伝導層及び第2電気伝導層は、カーボン粉末、ニッケル粉末及び銀粉末からなる群から一つ以上選択された伝導性粉末を含むことができる。前記第1電極層は薄型電池の陽極層であり、 ポリエチレンオキサイド(polyethylen oxide)、ポリビニルピロリドン(polyvinyl pyrrolidone)及びポリメチルメタクリレート(polymethyl methacrylate)からなる群から一つ以上選択された成分を含むバインダーと、二酸化マンガン粉末を含むことができる。前記第2電極層は薄型電池の陰極層であり、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン及びポリメチルメタクリレートからなる群から一つ以上選択された成分を含むバインダーと、亜鉛又は亜鉛合金の粉末を含むことができる。
前記第2電極層は、ビスマス(Bi)、インジウム(In)及びアルミニウム(Al)からなる群から一つ以上選択されたガス発生抑制用インヒビター(inhibitor)が添加された亜鉛合金粉末を含むことができる。前記インヒビターとしてビスマス、インジウム及びアルミニウムのうち少なくとも一つがそれぞれ10ないし1000ppmの含量で前記亜鉛合金粉末に含有されることができる。
前記イオン伝導性高分子電解質は、ポリエチレンオキサイド(polyethylene oxide)、ポリビニルアルコール及びカルボニルメチルセルロースからなる群から選択された高分子物質が添加されたゲル状電解液であることができる。前記イオン伝導性高分子電解質は、吸湿紙に含浸した状態で提供されることができる。
前記薄型電池は、前記サブストレートと密封フィルムの間に配置されて前記イオン伝導性高分子電解質の周囲に塗布された両面接着フィルムをさらに含み、前記密封フィルムは前記両面接着フィルム上に接着されて前記イオン伝導性高分子電解質を密封することができる。
本発明の実施形態によれば、前記薄型電池は前記サブストレート上に配置されて互いに直列連結された2以上の単位電池を備えることができる。前記薄型電池は、前記第1及び第2電気伝導層と分離して前記サブストレート上に形成され前記第1電気伝導層と同一平面に位置する第3電気伝導層;前記第2電気伝導層上に前記第2電気伝導層と電気的に連結して形成され前記第2電極層から軸方向に離隔配置され前記第1電極層の極性と同一の極性を有する第3電極層;前記第3電気伝導層上に前記第3電気伝導層と電気的に連結して形成され前記第3電極層から軸方向に離隔配置され前記第2電極層の極性と同一の極性を有する第4電極層;及び前記第3電極層と第4電極層を同時に覆い、前記イオン伝導性電解質から分離した追加的なイオン伝導性電解質をさらに含むことができる。前記密封フィルムは、前記第1及び第2電極層を同時に覆うイオン伝導性電解質と、前記第3及び第4電極層を同時に覆う追加的なイオン伝導性電解質を密封することができる。
本発明の実施形態によれば、前記第2電気伝導層は、前記第1電気伝導層と前記第3電気伝導層の間に配置されることができる。前記第2電極層は、前記第1電極層と近く配置されて、前記第1及び第2電極層は第1単位電池の電極として動作し、前記第4電極層は前記第3電極層と近く配置されて、前記第3及び第4電極層は第2単位電池の電極として動作することができる。
前記第1及び第2電極層とこれを同時に覆うイオン伝導性電解質は、第1単位電池を形成し、前記第3及び第4電極層とこれを覆う追加的なイオン伝導性電解質は、第2単位電池を形成する。また、前記第1単位電池と第2単位電池は、第2電気伝導層を通じて互いに直列に連結する。
前記薄型電池は、前記サブストレートと密封フィルムの間に配置されて前記2以上の単位電池を密封する両面接着フィルムをさらに含むことができる。前記両面接着フィルムは2つ以上の開口を有し、一つの開口には第1及び第2電極層とこれを同時に覆うイオン伝導性電解質が配置され、他の一つの開口には第3及び第4電極層とこれを同時に覆う追加的なイオン伝導性電解質が配置されることができる。前記第1及び第2電極層を同時に覆うイオン伝導性電解質と、前記第3及び第4電極層を同時に覆う追加的なイオン伝導性電解質は、前記両面接着フィルムを境界として分離して配置されることができる。
本発明の実施形態によれば、前記デバイスは、化合物の経皮性伝達のための能動パッドであり、前記薄型電池を備える装置は、イオントフォレーシスパッチであることができる。他の実施形態によれば、前記デバイスはRFIDタグ又はスマートカードであることができる。
本発明の一様態による薄型電池が内蔵されたイオントフォレーシスパッチは、形状が可変なサブストレート;前記サブストレート上に形成された第1電気伝導層;前記電気伝導層と分離して前記サブストレート上に形成され前記第1電気伝導層と同一平面に位置する第2電気伝導層;前記第1電気伝導層上に形成されて前記第1電気伝導層の一部と接触する第1電極層;前記第2電気伝導層上に形成されて前記第2電気伝導層の一部と接触し前記第1電極層から軸方向に離隔して配置され前記第1電極層の極性と反対の極性を有する第2電極層;前記第1電極層と第2電極層を同時に覆うイオン伝導性高分子電解質;及び前記イオン伝導性高分子電解質を密封する密封フィルムを含む。前記第1電極層と第2電極層は同一平面上に配置されることができる。
前記イオントフォレーシスパッチは、前記サブストレートと密封フィルムの間に配置されて前記イオン伝導性高分子電解質の周囲に塗布された両面接着フィルムをさらに含み、前記密封フィルムは前記両面接着フィルム上に接着されて前記イオン伝導性高分子電解質を密封することができる。
前記イオントフォレーシスパッチは、前記サブストレートの背面に付着して前記サブストレートの縁の外に露出したバックキングレイヤ(backing layer)をさらに含み、前記バックキングレイヤは、前記サブストレートに付着した付着面に接着物質が塗布されて前記サブストレートの縁の外に露出した部分で前記イオントフォレーシスパッチが適用される対象物(例えば、皮膚)に対する接着性を提供することができる。
本発明の実施形態によれば、前記イオントフォレーシスパッチは、前記第1及び第2電気伝導層と分離して前記サブストレート上に形成され、前記第1電気伝導層と同一平面に位置する第3電気伝導層をさらに含むことができる。前記イオントフォレーシスパッチは、前記第2電気伝導層上に前記第2電気伝導層と電気的に連結して形成され、前記第2電極層から軸方向に離隔配置され、前記第1電極層の極性と同一の極性を有する第3電極層;前記第3電気伝導層上に前記第3電気伝導層と電気的に連結して形成され、前記第3電極層から軸方向に離隔配置され、前記第2電極層の極性と同一の極性を有する第4電極層;前記第3電極層と第4電極層を同時に覆い、前記イオン伝導性電解質から分離した追加的なイオン伝導性電解質をさらに含むことができる。前記密封フィルムは、前記第1及び第2電極層を同時に覆うイオン伝導性電解質と、前記第3及び第4電極層を同時に覆う追加的なイオン伝導性電解質を密封することができる。
前記第1及び第2電極層とこれを同時に覆うイオン伝導性電解質は第1単位電池を形成し、前記第3及び第4電極層とこれを覆う追加的なイオン伝導性電解質は第2単位電池を形成し、前記第1単位電池と第2単位電池は第2電気伝導層を通じて互いに直列に連結される。
本発明によれば、イオントフォレーシスパッチ、スマートカード、RFIDタグ等のような薄型電池を備える装置の製造生産性が改善され、電流の経路短縮により電流密度が向上する。非水溶性バインダーの導入によりイオントフォレーシスパッチのような薄型電池を備える装置の経時安定性が向上する。また、装置の厚さの減少によりイオントフォレーシスパッチ等の装置の柔軟性をさらに容易に確保することができるようになる。
図1は、本発明の実施形態によるイオントフォレーシスパッチを示した平面図である。
図2は、図1のイオントフォレーシスパッチのサブストレートを図示した平面図である。
図3は、図2のサブストレート上にコーティングされた第1電気伝導層と第2電気伝導層を示した平面図である。
図4は、図3の第1電気伝導層の一部にコーティングされた第1電極層を示した平面図である。
図5は、図4の第2電気伝導層の一部にコーティングされた第2電極層を示した平面図である。
図6は、図5で前面に電気伝導層と電極層がコーティングされたサブストレートの背面にバックキングレイヤが付着したパッチの平面図である。
図7は、図6で電池システムを密封するための両面接着フィルムが付着したパッチの平面図である。
図8は、図7で電極層の部位にイオン伝導性電解質が塗布されたパッチの平面図である。
図9は、図7でイオン伝導性電解質が含浸した吸湿紙が配置されたパッチの平面図である。
図10は、図8又は9で電池システムを密封するための密封フィルムが付着したパッチの平面図である。
図11は、本発明の実施形態による、二つの単位電池が直列に連結したイオントフォレーシスパッチにおいて、サブストレート上にコーティングされた第1ないし第3電気伝導層を示す平面図である。
図12は、図11の電気伝導層の一部にコーティングされた第1及び第3電極層を示す平面図である。
図13は、図12の電気伝導層の一部にコーティングされた第2及び第4電極層を示す平面図である。
図14は、図13で前面に電気伝導層と電極層がコーティングされたサブストレートの背面にバックキングレイヤが付着したパッチの平面図である。
図15は、図14で電池システムを密封するための両面接着フィルムが付着したパッチの平面図である。
図16は、図15から2つの単位電池それぞれにイオン伝導性電解質が塗布されたパッチの平面図である。
図17は、図15でイオン伝導性電解質が含浸した吸湿紙が配置されたパッチの平面図である。
図18は、図16又は17で電池システムを密封するための密封フィルムが付着したパッチの平面図である。
図19は、本発明の実施形態による薄型電池を備える装置において、RFIDタグのサブストレート上に形成された電気伝導層を示した平面図である。
図20は、図19の電気伝導層の一部にコーティングされた第1ないし第4電極層を示した平面図である。
図21は、図20の電極層を用いた複数の単位電池が結合したRFIDタグを示した平面図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態はさまざまの異なる形態に変形することができ、本発明の範囲が以下説明する実施形態だけに限定されるものではない。図面での要素の形状及び大きさ等は、より明確な説明のために誇張されたものであることがあり、図面上の同一の符号で表示される要素は同一の要素である。
図1は、本発明の実施形態によるイオントフォレーシスパッチの平面図である。図1を参照すると、イオントフォレーシスパッチは、形状が可変であるサブストレート110と、サブストレート110上に形成された第1電気伝導層120及び第2電気伝導層220を含む。第1電気伝導層120と第2電気伝導層220は、パッチ内に一体化した薄型電池システムの陽極及び陰極にそれぞれ連結しており、第1電池伝導層120と第2電気伝導層220中いずれか一つあるいは両方上には人体等に投与する関心物質(例えば、化粧品、薬品等)を搭載することができる。イオントフォレーシスパッチ内に形成された薄型電池の電池反応の結果として出る電子の流れ又は電流を用いた電気的反発力により、極性を有した関心物質を皮膚中に浸透させることができる。
また、第1及び第2電気伝導層120、220が配置されたサブストレート110の前面の反対面、すなわちサブストレート110の背面にはバックキングレイヤ(backing layer)140が付着している。サブストレート110の縁に沿ってバックキングレイヤ140の付着面の接着物質が露出しているが、この露出したバックキングレイヤ140の接着物質により、イオントフォレーシスパッチを皮膚等に容易に付着させることができる。
図1のイオントフォレーシスパッチのより具体的な構成は、図2ないし10に図示されている。図1のイオントフォレーシスパッチは、また図2ないし図10の手順で製造することができる。以下、図2ないし10を参照して本発明の実施形態によるイオントフォレーシスパッチを詳しく説明する。
図2に図示されたような平面形態を有するイオントフォレーシスパッチ用サブストレート(基板)110が利用できる。しかし、本発明がこのような平面形態に限定されるものではなく、イオントフォレーシスパッチ用途のための任意のデザインのサブストレート平面形状が利用できる。サブストレート110は、柔軟性を有し屈曲がある対象物(例えば、人体の皮膚)の形状に沿って曲がることができる(あるいは形状が可変の)ポリマー又は可溶性プラスチック基板等、多様な材質で作ることができる。例えば、数十ないし数百ミクロン厚のサブストレート110として、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate)、ポリイミドフィルム等が使用でき、水分の透過度とフィルムの柔軟性等を考慮して適切な材質が選定できる。
図3に図示されたように、互いに異なる極性を示す第1電気伝導層120と第2電気伝導層220がサブストレート110の前面に配置される。第1電気伝導層120と第2電気伝導層220は、サブストレート110上の同一平面上に配置され互いに分離している。後述するように、第1及び第2電気伝導層120、220が互いに隣接する部分で電池電極と電解質が配置されて薄型電池が形成される。本実施例では、第1電気伝導層120はT字形になっており、第2電気伝導層220はT字形の第1電気伝導層120の中の枝分かれした部分を丸く囲む形になっている。しかし、本発明がこのような電気伝導層形状に限定されるものではない。
電気伝導層120、220は、例えばカーボン粉末とバインダーで構成されたカーボンインクをサブストレート110上に約15μmの厚さにコーティングした後、約60℃で2時間の間乾燥して製造することができる。カーボンインクは、適当なバインダーと溶媒そして微細なカーボン粉末を混合して直接製造することもでき、完製品の形で購入して使用することもできる。カーボン粉末の代りに銀粉末や銅粉末、ニッケル粉末等の伝導性粉末を使用することもでき、これらを混合した形で使用することもできる。カーボンインクの場合、粘度は約36,000ないし50,000cpsの値を示すが、コーティングの工程性を勘案して粘度を調節することができる。
図4を参照すると、第1電気伝導層120の一部であって第2電気伝導層220に隣接した部分に第1電極層130がコーティングされている。第1電極層130は、第1電気伝導層120の一部と接触し(したがって、第1電気伝導層120に電気的に連結する)、後述するように薄型電池の一電極(陽極又は陰極中の一つ)の役割をする。
図5を参照すると、第2電気伝導層220の一部であって第1電気伝導層120に隣接した部分に第2電極層230がコーティングされている。第2電極層230は、第2電気伝導層220の一部と接触し(したがって、第2電気伝導層220と電気的に連結する)、後述するように薄型電池の他の電極(陰極又は陽極のうち一つであって第1電極層130とは反対極性の電極)の役割をする。特に、図5に図示されたように、第1電極層130と第2電極層230は、軸方向に互いに離隔して配置されている。また第1電極層130と第2電極層230は実質的に同一平面に配置することができる。
第1電極層130は、薄型電池の陽極として使用することができる。この場合、陽極である第1電極層130は、二酸化マンガン粉末と導電剤、そしてバインダー溶液を混合してスラリー状態を作った後、第1電気伝導層120上にコーティングした後乾燥して製造することができる。スラリー製造工程は、約40μm以下の粒径を有した粉末状態の二酸化マンガンとカーボンブラックを乾混合し、これにバインダー溶液を添加して撹拌する手順からなる。電気を発生する陽極物質は多様な物質が検討できるが、電気用量と電圧、そして電気化学的特性及び製品の流通環境等を考慮するとき、二酸化マンガンが望ましい。電極製造は、水溶性バインダーと非水溶性バインダーを混合した多成分バインダーが適用できる。水溶性バインダーは主にポリエチレンオキサイド(polyethylene oxide)、ポリビニルピロリドン(polyvinyl pyrrolidone)が適し、非水溶性バインダーはポリメチルメタクリレート(Polymethyl methacrylate)等が適する。電極の製造時、水溶性バインダーと非水溶性バインダーを共に混合すると、電極の耐久性を強化するのに効果的である。
第2電極層230は、薄型電池の陰極として使用することができる。この場合、陰極である第2電極層230を製造するために、粒度約45μm以下の亜鉛粉末と導電剤であるカーボンブラックを乾混合した後、あらかじめ製造したバインダー溶液を添加して第2電極層製造用スラリーを準備する。陰極活物質として使用される亜鉛粉末は、純粋な亜鉛粉末又は合金形態の亜鉛粉末が使用できる。合金形態の亜鉛粉末(亜鉛合金粉末)は、電池の貯蔵あるいは放電中に発生するガス放出を抑制するための目的で、主にアルミニウム(Al)、ビスマス(Bi)、インジウム(In)等が亜鉛に添加された形態を使用することができる。陰極もまた陽極と同じくポリエチレンオキサイド(polyethylene oxide)、ポリビニルピロリドン(polyvinyl pyrrolidone)、ポリメチルメタクリレート(Polymethyl methacrylate)等、多成分バインダーシステムが適用できる。電極の製造時、単一バインダーよりは二種類以上のバインダーを共に混合する多成分バインダーシステムが電気的効率、機械的強度、電気伝導層との接着力の側面で有利である。特にポリエチレンオキサイド(polyethylene oxide)、ポルリビニルピロリドン(polyvinyl pyrrolidone)等のような水溶性バインダーに、ポリメチルメタクリレートの導入は、電極の耐久性と製造工程性を改善させる効果がある。第2電極層230は、第2電気伝導層220上にコーティング機を用いて電極スラリーをコーティングし2時間以上の間60℃に設定された乾燥炉で乾燥させて製造する。
一般的に電極層が電解液に溶解すると、電極構造が破壊されて抵抗が増加すると共に、電極内の伝導性粒子が脱離し隣合う電極と電気的に連結する短絡現象が現われるようになる。特に、バインダーとして水溶性バインダーのみを使用した電極でこのような現象が加速されて現われ得る。これを防止するために、従前は陰極として金属ホイルやストリップを使用してきたが、これは粉末を適用した電極に比べて反応面積の減少により瞬間的なピーク電流を得るのに脆弱な面をみせる。したがって、電池の反応性能を充分に発揮するためには、電極を構成するバインダーの選定が重要な意味を持つことになるが、水溶性バインダーに非水溶性バインダーを混合した多成分バインダーシステムを導入すれば、電極の耐久性が維持され電極抵抗の安定化が可能である。
陽極として動作する第1電極層130と陰極として動作する第2電極層230を製造する過程で、それぞれ粉末状態の二酸化マンガンと亜鉛を使用するのは、高い電流密度と電極製造工程性を改善するのに効果的である。電極層130、230の形状は、図4及び5に図示されたように、第2電極層230が第1電極層130の縁沿って囲む形態で第1電極層130に隣接する形を有することにより、電流生成時の抵抗を最小化することができるようにする。
次に、図6を参照すると、サブストレート110の前面(電気伝導層120、220がコーティングされた面)の反対面、すなわちサブストレート110の背面に、バックキングレイヤ(backing layer:140)が付着している。バックキングレイヤ140は、付着面に接着物質が塗布された不織布であることができる。バックキングレイヤ140の主要材質として、ポリウレタンや人工繊維であるレーヨン等が適して使用することができる。バックキングレイヤ140の付着面の反対面の色は、視覚的好みに従って決定することができ、便宜に応じて必要な文句が印刷又は図案できる。
図6に図示されたように、サブストレート110よりバックキングレイヤ140をさらに大きくして、サブストレート110の縁に沿ってバックキングレイヤ140の接着物質が露出するようにする(垂直に線を引いた部分参照)。このようにサブストレート110の縁の外に露出したバックキングレイヤ140の接着物質は、イオントフォレーシスパッチを人体の皮膚等に付着する時、接着性を提供したり付着力を高めてくれる。
次に、図7を参照すると、第1及び第2電極層130、140を外側で取り囲む両面接着フィルム260がサブストレート110と電気伝導層の一部上に塗布(両面接着フィルムを接着することを含む)されている。この両面接着フィルム260は、後述するように、これに接着される密封フィルム(図10の図面符号500参照)と共に薄型電池の電解質の損失を防ぐように電池システムを密封するために提供されることができる。しかし、電池システムを密封するために必ずしも両面接着フィルムを必要とするものではなく、例えば密封フィルムをサブストレートに熱で溶着する方法で電池を密封することもできる。
次に、図8を参照すると、第1電極層130と第2電極層230を同時に覆うイオン伝導性高分子電解質層300がサブストレート110上に提供される。この電解質層300は、両面接着フィルム260の内側に配置されて、両面接着フィルム260が電解質層300の縁に沿って取り囲むようにする。他の代案として、図9に図示されたように、イオン伝導性高分子電解質が含浸した吸湿紙400が第1及び第2電極層130、230を同時に覆うように配置することができる。この場合にも、電解質を含んだ吸湿紙400を両面接着フィルム260の内側に配置させて、両面接着フィルム260が吸湿紙の縁に沿って取り囲むようにする。第1及び2電気伝導層120、220と第1及び第2電極層130、230そしてこれらの間に配置された電解質300は、一実施形態による薄型電池の基本的な構成部分に該当する。
イオン伝導性高分子電解質の製造のために、浄水に塩化亜鉛(ZnCl)や塩化アンモニウム(NHCl)を混合した形態の水溶性電解液が使用される。塩化亜鉛と塩化アンモニウムが混合した形態の電解液を導入すると、高電流性能と間歇放電性能を同時に追求することができる長所がある。電解液の蒸発は、電池の急激な性能低下を招き得るため、これを抑制するために電解液に高分子を溶かして電解液の蒸気圧降下を誘導する。高分子はポリエチレンオキサイド(polyethylene oxide)、ポリビニルアルコール、カルボニルメチルセルロース等が使用できる。
イオン伝導性電解質を含浸する吸湿紙400は、電解液を吸収して電池反応時に電極で必要とする電解成分を均等に供給する役割をすることができる。しかし、前述した通り吸湿紙400を使用せずに直接電解質層を用いることもできる(図8参照)。吸湿紙400としては、吸湿性が強い紙類や不織布等を使用することができ、その厚さは30ないし200μm程度が適する。
次に、図10を参照すると、電極層130、230及び電解質領域300又は400を含む電池システムを密封して電解液が外部に蒸発することを遮断するために密封フィルム500が配置される。密封フィルム500は、前述の両面接着フィルム(図8又は9の図面符号260参照)上に接着されてイオン伝導性高分子電解質層(又は電解質が含浸した湿紙)を密封することができる。密封フィルムは、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド等の材質が使用でき、サブストレート110の材質と同一の材質のフィルムが使用できる。前述の通り、両面接着フィルム260に密封フィルム500を接着する代りに、両面接着フィルム260なしにサブストレート110に熱を加えて密封フィルム500をサブストレート110上に溶着して電池システムを密封することもできる。
サブストレート110及び両面接着フィルム260そして密封フィルム500を用いて電池システムを密封するが、特にこの部材110、260、500として水分遮断特性を有する材質を使用して電池システム内の電解液の水分枯渇を効果的に抑制することができる。これによって、イオントフォレーシスパッチに一体化した薄型電池は閉鎖型電池になることができる。このような閉鎖型電池において、ガス放出問題(例えば、陰極から放出される水素等のガス放出によって密封された電池内部の膨潤、層分離、性能低下等の問題)は、前述の通りAl、Bi、Inのようなインヒビターが添加された合金亜鉛粉末を陰極(例えば、第2電極層)物質として使用してガス放出を抑制することにより解決することができる。陰極活物質に添加されるインヒビターとして、ビスマス、インジウム及びアルミニウムのうち少なくとも一つがそれぞれ10ないし1000ppmの含量で亜鉛合金粉末に含有されることができる。
図10で、外部に露出した電気伝導層120又は220の一部に関心物質(皮膚等に投与する化粧品又は薬品等)が搭載される。人体の皮膚等に投与する関心物質が陰電荷を帯びる場合、電池の陰極(例えば、第2電極層)と連結した電気伝導層(例えば、第2電気伝導層)に関心物質を搭載し、関心物質が陽電荷を帯びる場合、電池の陽極(例えば、第1電極層)と連結した電気伝導層(例えば、第1電気伝導層)に関心物質を搭載する。こうして、イオントフォレーシスパッチを用いて電気的反発力を起こし関心物質を皮膚等に浸透させる。
上述した実施形態によれば、単一サブストレート上に別途の集電体なしに電気伝導層に直接電池電極を形成し、電解質を塗布することによりイオントフォレーシスパッチの製造生産性が改善され、電流の経路短縮により電流密度が向上する。非水溶性バインダーの導入によりイオントフォレーシスパッチのような薄型電池を備える装置の経時安定性が向上する。また、陽極と陰極が電解質を間に置いて上下に積層される構造ではなく、陽極と陰極(第1及び第2電極層)が軸方向に互いに離隔配置され、その上に電解質が覆う構造であるため、装置の厚さの減少により装置の柔軟性をさらに容易に確保することができるようになる。
また他の実施形態として、前述の実施形態を基本的に用い、二つ以上の電池が直列連結したイオントフォレーシスパッチが提供されることもできる。このようなパッチの場合、一つのパッチ内に多数の電気伝導層と電極層を構成することができる。2つ以上の単位電池が直列に連結したイオントフォレーシスパッチの構成の一例が図11ないし18に図示されている。図18に図示されたイオントフォレーシスパッチは、図11ないし図18の手順で製造できる。以下、図11ないし18を参照して、直列に連結した複数の単位電池を備えたイオントフォレーシスパッチを詳しく説明する。
図11を参照すると、サブストレート110上に、第1電気伝導層120、第2電気伝導層220及び第3電気伝導層320が配置されている。第1ないし第3電気伝導層120、220、320は、同一平面上に配置され、互いに分離している。本実施形態では第2電気伝導層220が第1及び第3電気伝導層120、320の間に配置されているが、このような配置構造や形状に限定されるものではない。
図12を参照すると、第1電気伝導層120の一部上に第1電気伝導層120と接触する第1電極層131がコーティングされており、第2電気伝導層220の一部上に第2電気伝導層220と接触する第3電極層132がコーティングされている。また、図13を参照すると、第2電気伝導層220の一部上に第2電気伝導層220と接触する第2電極層231がコーティングされており、第3電気伝導層320の一部上に第3電気伝導層320と接触する第4電極層232がコーティングされている。第1ないし第4電極層131、231、132、232は、軸方向に互いに離隔して配置されている。特に、第2電極層231と第3電極層132は、同一の第2電気伝導層220上に配置されているが、互いに異なる部位に位置して軸方向に離隔している。第1電極層131と第2電極層231は、互いに隣接して配置され、第3電極層132と第4電極層232は、互いに隣接して配置されている。
第1電極層131と第2電極層231は、互いに異なる極性を有する(例えば、第1電極層131が陽極なら第2電極層231は陰極)。また、第3電極層132と第4電極層232は、互いに異なる極性を有する(例えば、第3電極層132が陽極なら第4電極層232は陰極)。また、第1電極層131と第3電極層132は互いに同一の極性(例えば、陽極)を有し、第2電極層231と第4電極層232は互いに同一の極性(例えば、陰極)を有する。各極性による電極層の材質と製造工程は、前述の実施形態での材質と製造工程を用いることができる。
後述する互いに隣接して配置された第1電極層131と第2電極層231は、一つの単位電池(第1単位電池)の陽極と陰極になり、互いに隣接して配置された第3電極層132と第4電極層232は他の一つの単位電池(第2単位電池)の陽極と陰極になる。また、第1単位電池と第2単位電池は、第2電気伝導層220を通じて互いに直列に連結されるが、これは第1単位電池の第2電極層231(例えば、陰極)と第2単位電池の第3電極層132(例えば、陽極)が全て第2電気伝導層220に接触して配置されているためである。
次に図14を参照すると、サブストレート110の背面にバックキングレイヤ140が付着している。前述の実施形態でと同じく、バックキングレイヤ140の露出した部位の接着層により皮膚等にパッチを容易に付着することができる。
次に図15を参照すると、第1及び第2電極層131、231を取り囲み、同時に第3及び第4電極層132、232を取り囲む両面接着フィルム260がサブストレート110上に付着している。
次に図16を参照すると、第1及び第2電極層131、231を同時に覆う第1イオン伝導性高分子電解質層300aと、第3及び第4電極層132、232を同時に覆う追加的な第2イオン伝導性高分子電解質層300bが配置される。二つの電解質層300a、300bは、両面接着フィルム260によって分離されており、二つの電解質層300a、300bの間のイオンの流れを防ぐ構造がなされる。すなわち、図15又は16に図示されたように、両面接着フィルム260は2つの開口を有し、一つの開口には第1及び第2電極層131、231とこれを覆う第1イオン伝導性高分子電解質層300aが配置され、他の一つの開口には第3及び第4電極層132、232とこれを覆う第2イオン伝導性高分子電解質層300bが配置され、2つの開口は両面接着フィルム260部分によって分離している。他の代案として、図17に図示されたように、2つのイオン伝導性高分子電解質層300a、300bの代りに、イオン伝導性高分子電解質が含浸された分離した2つの吸湿紙400a、400bが使用できる。
第1及び第2電極層131、231とこれを覆うイオン伝導性高分子電解質300a又は400aは、薄型電池の陽極及び陰極とこれらの間に配置される電解質となって第1単位電池をなす。また、第3及び第4電極層132、232とこれを覆うイオン伝導性高分子電解質300b、400bは、もう一つの薄型電池の陽極及び陰極とこれらの間に配置される電解質となって第2単位電池をなす。この二つの単位電池は、第2及び第3電極層231、132と同時に電気的に連結した第2電気伝導層220を通じて互いに直列に連結される。第1イオン伝導性高分子電解質層300aと第2イオン伝導性高分子電解質層300bは、互いに分離していてこれらの間のイオン流れは防止される。しかし、第2電極層231と第3電極層132は二つとも第2電気伝導層220上に第2電気伝導層220と接して配置されるため、で第2電極層231と第3電極層132の間には電子が流れることができる。
次に、図18に図示されたように、2つの単位電池を密封フィルム500を使用して密封することにより、全体の電池システムを外部から遮断する。密封フィルム500は、両面接着層260上に接着することにより配置することができる。本実施形態での各部材(サブストレート、電気伝導層、電極層、電解質、バックキングレイヤ、吸湿紙、両面接着フィルム、密封フィルム等)の材料と各部材の形成工程は、前述の実施形態を用いることができるためこれについての詳細な説明は省略する。前記で言及したように、イオントフォレーシスパッチは、内部に多数の電極層を同時に配置して2以上の互いに直列に連結された単位電池を備えることができることを知ることができる。
図19ないし21は、本発明のまた他の実施形態による薄型電池を備えた装置、特に薄型電池が結合したRFIDタグを示す。図19に図示されたように、RFIDタグのサブストレート110上に第1ないし第3電気伝導層120、220、320を配置する。次に、図20に図示されたように、第1電気伝導層120上に第1電極層131、第2電気伝導層220上に第2電極層231と第3電極層132、第3電気伝導層330上に第4電極層232を塗布する。次に、図21に図示されたように、二つの単位電池領域を分割する両面接着フィルム260を塗布し、分割した各単位電池領域に第1及び第2電極層131、231を覆う第1電解質300a又は400aと、第3及び第4電極層132、232を覆う第2電解質300b又は400bを配置した後、密封フィルム500で全体の電池システムを密封する。第1及び第2電極層131、231とこれを覆う第1電解質300a又は400aは、第1単位電池を構成し、第3及び第4電極層132、232とこれを覆う第2電解質300b又は400bは、第2単位電池を構成する。2つの単位電池(単位電池1、単位電池2)は、上述した実施形態と同じく第2電気伝導層220を通じて互いに直列連結される。
このように、本発明はイオントフォレーシスパッチだけでなく、薄型電池システムが内蔵された基板上の任意の小型装置に適用することができる。例えば、スマートカード等の小型電池又は電力を必要とする電子デバイスに適用することができる。
本発明は、上述した実施形態及び添付された図面によって限定されない。添付された請求の範囲によって権利範囲を限定しようとするものであり、請求範囲に記載され本発明の技術的思想を脱しない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有した者に自明なことである。
110:サブストレート 120:第1電気伝導層
130、131:第1電極層 132:第3電極層
140:バックキングレイヤ 220:第2電気伝導層
230、231:第2電極層 232:第4電極層
260:両面接着フィルム 400、400a、400b:吸湿紙
300、300a、300b:イオン伝導性高分子電解質層
500:密封フィルム

Claims (26)

  1. 電気的に動作しサブストレート(substrate)を備えるデバイス;及び前記デバイスに電力を供給するための薄型電池を含み、前記薄型電池は、前記サブストレート上に形成された第1電気伝導層;
    前記第1電気伝導層と分離して前記サブストレート上に形成され前記第1電気伝導層と同一平面に位置する第2電気伝導層;前記第1電気伝導層上に形成され前記第1電気伝導層と電気的に連結した第1電極層;前記第2電気伝導層上に形成され前記第2電気伝導層と電気的に連結し、前記第1電極層から軸方向に離隔して配置され前記第1電極層の極性と反対の極性を有する第2電極層;前記第1電極層と第2電極層を同時に覆うイオン伝導性高分子電解質;及び前記イオン伝導性高分子電解質を密封する密封フィルムを含むことを特徴とする薄型電池を備える装置。
  2. 前記第1電極層と第2電極層は、同一平面上に配置したことを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  3. 前記薄型電池は閉鎖型の薄型電池であり、前記サブストレートと密封フィルムは水分遮断特性を有することを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  4. 前記サブストレートと密封フィルムのうち少なくとも一つはポリエチレンテレフタレート又はポリアクリロニトリルフィルムであることを特徴とする第3項に記載の薄型電池を備える装置。
  5. 前記第1電気伝導層及び第2電気伝導層は、カーボン粉末、ニッケル粉末及び銀粉末からなる群から一つ以上選択された伝導性粉末を含むことを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  6. 前記第1電極層は前記薄型電池の陽極層であり、ポリエチレンオキサイド(polyethylen oxide)、ポリビニルピロリドン(polyvinyl pyrrolidone)及びポリメチルメタクリレート(polymethyl methacrylate)からなる群から一つ以上選択された成分を含むバインダーと、二酸化マンガン粉末を含むことを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  7. 前記第2電極層は薄型電池の陰極層であり、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン及びポリメチルメタクリレートからなる群から一つ以上選択された成分を含むバインダーと、亜鉛又は亜鉛合金の粉末を含むことを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  8. 前記第2電極層は、ビスマス(Bi)、インジウム(In)及びアルミニウム(Al)からなる群から一つ以上選択されたガス発生抑制用インヒビター(inhibitor)が添加された亜鉛合金粉末を含むことを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  9. 前記インヒビターとして、ビスマス、インジウム及びアルミニウムのうち少なくとも一つがそれぞれ10ないし1000ppmの含量で前記亜鉛合金粉末に含有されたことを特徴とする第8項に記載の薄型電池を備える装置。
  10. 前記イオン伝導性高分子電解質は、ポリエチレンオキサイド(polyethylene oxide)、ポリビニルアルコール及びカルボニルメチルセルロースからなる群から選択された高分子物質が添加されたゲル状電解液であることを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  11. 前記イオン伝導性高分子電解質は、吸湿紙に含浸した状態で提供されることを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  12. 前記薄型電池は、前記サブストレートと密封フィルムの間に配置されて前記イオン伝導性高分子電解質の周囲に塗布された両面接着フィルムをさらに含み、前記密封フィルムは前記両面接着フィルム上に接着されて前記イオン伝導性高分子電解質を密封することを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  13. 前記薄型電池は前記サブストレート上に配置されて互いに直列連結された2以上の単位電池を備え、
    前記薄型電池は、前記第1及び第2電気伝導層と分離して前記サブストレート上に形成され前記第1電気伝導層と同一平面に位置する第3電気伝導層;前記第2電気伝導層上に前記第2電気伝導層と電気的に連結して形成され前記第2電極層から軸方向に離隔配置され前記第1電極層の極性と同一の極性を有する第3電極層;前記第3電気伝導層上に前記第3電気伝導層と電気的に連結して形成され前記第3電極層から軸方向に離隔配置され前記第2電極層の極性と同一の極性を有する第4電極層;及び前記第3電極層と第4電極層を同時に覆い、前記イオン伝導性電解質から分離した追加的なイオン伝導性電解質をさらに含むことを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  14. 前記密封フィルムは、前記第1及び第2電極層を同時に覆うイオン伝導性電解質と、前記第3及び第4電極層を同時に覆う追加的なイオン伝導性電解質を密封することを特徴とする第13項に記載の薄型電池を備える装置。
  15. 前記第2電気伝導層は、前記第1電気伝導層と前記第3電気伝導層の間に配置され、
    前記第2電極層は、前記第1電極層と近く配置されて、前記第1及び第2電極層は第1単位電池の電極として動作し、前記第4電極層は前記第3電極層と近く配置されて、前記第3及び第4電極層は第2単位電池の電極として動作することを特徴とする第13項に記載の薄型電池を備える装置。
  16. 前記第1及び第2電極層とこれを同時に覆うイオン伝導性電解質は、第1単位電池を形成し、前記第3及び第4電極層とこれを覆う追加的なイオン伝導性電解質は第2単位電池を形成し、
    前記第1単位電池と第2単位電池は、第2電気伝導層を通じて互いに直列に連結することを特徴とする第13項に記載の薄型電池を備える装置。
  17. 前記薄型電池は、前記サブストレートと密封フィルムの間に配置されて前記2以上の単位電池を密封する両面接着フィルムをさらに含み、
    前記両面接着フィルムは2つ以上の開口を有し、一つの開口には第1及び第2電極層とこれを同時に覆うイオン伝導性電解質が配置され、他の一つの開口には第3及び第4電極層とこれを同時に覆う追加的なイオン伝導性電解質が配置されることを特徴とする第13項に記載の薄型電池を備える装置。
  18. 前記第1及び第2電極層を同時に覆うイオン伝導性電解質と、前記第3及び第4電極層を同時に覆う追加的なイオン伝導性電解質は、前記両面接着フィルムを境界として分離して配置されることを特徴とする第17項に記載の薄型電池を備える装置。
  19. 前記デバイスは、化合物の経皮性伝達のための能動パッドであり、前記薄型電池を備える装置は、イオントフォレーシスパッチであることを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  20. 前記デバイスはRFIDタグ又はスマートカードであることを特徴とする第1項に記載の薄型電池を備える装置。
  21. 薄型電池が内蔵されたイオントフォレーシスパッチであって、形状が可変なサブストレート;前記サブストレート上に形成された第1電気伝導層;前記電気伝導層と分離して前記サブストレート上に形成され前記第1電気伝導層と同一平面に位置する第2電気伝導層;前記第1電気伝導層上に形成されて前記第1電気伝導層の一部と接触する第1電極層;前記第2電気伝導層上に形成されて前記第2電気伝導層の一部と接触し前記第1電極層から軸方向に離隔して配置され前記第1電極層の極性と反対の極性を有する第2電極層;前記第1電極層と第2電極層を同時に覆うイオン伝導性高分子電解質;及び前記イオン伝導性高分子電解質を密封する密封フィルムを含むことを特徴とするイオントフォレーシスパッチ。
  22. 前記第1電極層と第2電極層は同一平面上に配置されたことを特徴とする第21項に記載のイオントフォレーシスパッチ。
  23. 前記サブストレートと密封フィルムの間に配置されて前記イオン伝導性高分子電解質の周囲に塗布された両面接着フィルムをさらに含み、前記密封フィルムは前記両面接着フィルム上に接着されて前記イオン伝導性高分子電解質を密封することを特徴とする第21項に記載のイオントフォレーシスパッチ。
  24. 前記サブストレートの背面に付着して前記サブストレートの縁の外に露出したバックキングレイヤ(backing layer)をさらに含み、前記バックキングレイヤは、前記サブストレートに付着した付着面に接着物質が塗布されて前記サブストレートの縁の外に露出した部分で前記イオントフォレーシスパッチが適用される対象物に対する接着性を提供することを特徴とする第21項に記載のイオントフォレーシスパッチ。
  25. 前記第1及び第2電気伝導層と分離して前記サブストレート上に形成され、前記第1電気伝導層と同一平面に位置する第3電気伝導層;
    前記第2電気伝導層上に前記第2電気伝導層と電気的に連結して形成され、前記第2電極層から軸方向に離隔配置され、前記第1電極層の極性と同一の極性を有する第3電極層;前記第3電気伝導層上に前記第3電気伝導層と電気的に連結して形成され、前記第3電極層から軸方向に離隔配置され、前記第2電極層の極性と同一の極性を有する第4電極層;及び前記第3電極層と第4電極層を同時に覆い、前記イオン伝導性電解質から分離した追加的なイオン伝導性電解質をさらに含むことを特徴とする第21項に記載のイオントフォレーシスパッチ。
  26. 前記第1及び第2電極層とこれを同時に覆うイオン伝導性電解質は第1単位電池を形成し、前記第3及び第4電極層とこれを覆う追加的なイオン伝導性電解質は第2単位電池を形成し、前記第1単位電池と第2単位電池は第2電気伝導層を通じて互いに直列に連結されることを特徴とする第25項に記載のイオントフォレーシスパッチ。
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