JP4584364B2 - 開放型可撓性積層電気化学セルを用いたセル使用装置および開放型可撓性積層電気化学セルの製造方法 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、化学エネルギを電気エネルギに変換することによってバッテリー電源として使用される電気化学セルを電源として用いて電動装置を駆動するセル使用装置に関する。特に、本発明は、湿式（例えば液体）電解質を使用しているが可撓性積層および開放型の構成は維持され、化学エネルギの電気エネルギへの変換を達成する、通常の電池または充電電池として使用される一次電気化学セルまたは充電式電気化学セルを用いたセル使用装置に関する。本発明はさらに、このようなセルの製造方法にも関する。
携帯電話、音声記録再生装置、腕時計、モーションカメラおよびスチールカメラ、液晶ディスプレイ、電卓、ＩＣカード、温度センサ、補聴器、感圧ブザーなどの、コンパクトに設計された様々な小型かつ携帯式の電動装置の開発が進むにつれて、これらを動作させるための小型の積層電池に対する需要も増え続けている。したがって、このような装置の電池として使用される信頼度の高い積層電気化学セルには需要がある。
電池は、大きく分けて２つのカテゴリに分類できる。第１のカテゴリに含まれる電池は、湿式電解質を含み（すなわち、液体電池）、第２のカテゴリに含まれる電池は固体電解質を含む。固体電池には本来、乾燥や液漏れの問題がないという利点があるが、液体電池と比べると大きな欠点がある。固体を介して拡散できるイオンの率には限りがあるため、こうした電池の動作はかなりの部分が温度依存で、高い温度下でしかうまく動作しないものも多い。さらに、上述した拡散率には限度があるため、生成される電気エネルギ対潜在化学エネルギの比率が低いのが固体電池の特徴でもある。
液体積層電池は一般に、正の活性不溶性材料層と負の活性不溶性材料層とが、セパレータを挟んで組み合わされたものである。このセパレータは、液体の電解質溶液で含浸されているため、電解質の液体層として機能する。このような電池は、その一例が例えばＷａｋｉ ｅｔ ａｌ．に付与された米国特許第４，６２３，５９８号および野口文信らによる特開昭６１−５５８６６に開示されており、シース膜内に密閉して液体の蒸発を防止しなければならないため、密閉型の電気化学セルである。
密閉型セルでは、これらの電池は気体の発生が原因で保管時に膨潤することが多い。これは、機械的な支持体を持たない積層電池では致命的な問題である。蓄積された気体によって生じる圧力が原因で層が分離し、電池の動作に支障が出る。この問題を解決するための手段としては、（ｉ）ヒドロキシエチルセルロースなどのポリマー増粘度剤を使用して、これを塗布して電池層を接着（すなわち、貼り付け）することで、このような固体支持体を持たない電池に固有の問題を解決する（ｉｉ）水銀を添加して気体特に水素の生成を防止することが挙げられる。しかしながら、ポリマーは効率に限度があり、水銀は環境に対して有害である。
上述した制約を解決するための１つの方法が、Ｋｉｓ ｅｔ ａｌ．に付与された米国特許第３，９０１，７３２号に開示された。この特許では、電池内で形成された不要な気体の脱気を可能にするが、電解質が電池から失われるのは防止する気体透過性の電解質不透過性ポリマー材料をシース膜として使用して、電池のセルを封入している。
しかしながら、液体積層電池中での望ましくない気体の蓄積を回避するためのさらに直接的かつ有効な方法は、気体の放出を容易にすると同時に、液体の揮発および電池の乾燥を防止するようこれらの電池を開放型セルにすることである。このような構成にすることで、キャスティングが不要なため、薄くて可撓性に富み、単純であり、大量生産向けの安価な積層電池の製造が可能になる。
このため、気体の蓄積と液体の蒸発による制約のない開放型可撓性積層電気化学セルには広く認識された需要があり、このようなセルを得ることには大きな利点がある。
発明の開示
本発明によれば、コンパクトに設計された様々な小型かつ携帯式の電動装置に一次電源または充電式電源として使用可能な開放型可撓性積層液体電気化学セルを組み合わせたセル使用装置が得られる。また、このようなセルの製造方法が得られる。本発明の開放型可撓性積層電気化学セルは、湿式電解質を含むが可撓性は維持され、薄く開放型の構成であるため、保管時に気体が蓄積されることはない。
後述する本発明の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、このセルは、不溶性負極からなる第１の層と、不溶性正極からなる第２の層と、水性電解質からなる第３の層とを含み、第３の層が、第１の層と第２の層との間に配置され、（ａ）開放型セルを常に湿った状態に維持するための潮解性材料と、（ｂ）所望のイオン伝導率を得るための電気的活性可溶性材料すなわち電解質材料と、（ｃ）第１の層および第２の層を第３の層に接着するための所望の粘度を得るための水溶性ポリマーとを含む。
このセルは、本発明による様々な用途において使用され、利用される。この用途は、可撓性および薄い構成を有する安価なセルを必要とする。
したがって、本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、電動装置と、この装置の動作用に装置に電力を供給するための開放型可撓性積層液体電気化学セルとを含んでセル使用装置が構成され、電気化学セルが、不溶性負極からなる第１の層と、不溶性正極からなる第２の層と、水性電解質からなる第３の層とを含み、第３の層が、第１の層と第２の層との間に配置され、（ａ）開放型セルを常に湿った状態に維持するための潮解性材料と、（ｂ）所望のイオン伝導率を得るための電解質材料と、（ｃ）第１の層および第２の層を第３の層に接着するための粘度を得るための水溶性ポリマーとを含む。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、電動装置は、この基板材料に取り付けられた少なくとも１つの電子部品とを含み、この少なくとも１つの電子部品は人間の感覚によって検知可能な信号を発生させる。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、基板は、グリーティングカードと、名刺と、映画または劇場のチケットと、コンパクトディスク（ＣＤ）用のステッカーと、食品および印刷物用のパッケージとからなる群から選択される。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、検知可能な信号は可聴的または可視的なものであり、例えば電界／電流の影響による色の変化を含むがこれに限定されるものではない。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、上記の電動装置は電源スイッチを含む。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、少なくとも１つの電子部品は、オーディオ装置および発光装置からなる群から選択される。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、前記電動装置はスマートカードまたはタグである。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、前記電動装置はインタラクティブブックである。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、上記の電動装置はタイマーである。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、基板材料とこの基板材料に取り付けられたタイマーチップとを含み、タイマーチップは時間の計時およびこの時間が経過した時点で人間の感覚によって検知可能な信号を発生させるように設定可能なものである。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、タイマーは薬剤を服用する時間が来たことを示すドラッグタイマーである。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、上記の電動装置は化合物の経皮デリバリー用のユーザーの皮膚に接着可能なパッチである。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、化合物の経皮デリバリー用に、前記パッチが、イオン泳動と、超音波と、電気穿孔法とのうちのいずれかの手法を利用している。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、上記の化合物は、薬剤用化合物と、薬剤と、化粧用化合物と、美容用化合物と、からなる群から選択される。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、上記の電動装置は、ユーザーの皮膚に接着可能な面を有したパッチである。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、化合物を経皮的に回収するために、アクティブパッドは、イオン泳動と、超音波と、電気穿孔法とからなる群から選択されるストラテジーを利用している。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、この化合物はグルコースである。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、前記装置は、血圧計と、脈拍計と、ＥＣＧ計とからなる群から選択される。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、この装置は温度計である。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、温度計はサーミスタセンサと電子チップとを含む。このセンサは、熱量を検知してこれを熱に対応する量を示す電気的なパラメータに変換するためのものであり、チップは、このパラメータを定量化して温度値の出力に変換するためのものである。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、温度計はさらに、温度値を表示するためのディスプレイを含む。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、上記の装置はグルコースセンサである。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、前記グルコースセンサは、例えば逆イオン泳動によって患者からグルコースを経皮的に回収する。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、グルコースセンサは、皮膚を破り、血液試料を得るための針と、グルコースオキシダーゼベースのグルコースセンサと、ポテンショスタットと、血液試料中のグルコース濃度を定量化するための電子チップと、を含む。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、上記の装置はゲームである。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、ゲームが分散未解決（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｕｎ−ｒａｖｅｌｅｄ）コンポーネントを含む。この未解決コンポーネントは、セルからの電流が同時または予め定められた順序でコンポーネントに到達すると明らかになり、電流の到達がプレイヤーによって開始される。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、開放型可撓性積層液体電気化学セルの製造方法であって、（ａ）導電体である湿ったインキを第１および第２の基板の内側に塗布するステップと、（ｂ）乾燥前に、第１の基板の湿ったインキ上に正極粉末を塗布し、かつ第２の基板の湿ったインキ上に負極粉末を塗布するステップと、（ｃ）潮解性材料と電解質材料と水溶性ポリマーとを含有する水溶液で多孔性物質を湿らせるステップと、（ｄ）内側が上記の物質の方を向き、３つの層からなるセルが形成されるように第１の基板および第２の基板を多孔性物質に取り付けるステップと、を含む方法が得られる。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、この方法は（ｅ）ステップ（ｄ）の前に、基板の内側または物質の両側に膠を塗布するステップをさらに含む。この膠の塗布を幾何学的形状に応じて行う。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、この方法は、（ｆ）ステップ（ｄ）の後に、幾何学的形状に応じて３つの層からなるセルを切断するステップをさらに含む。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、開放型可撓性積層液体電気化学セルの製造方法であって、（ａ）導電性の湿ったインキからなる第１の層を基板に印刷するステップと、（ｂ）乾燥前に、第１の層上に正極粉末からなる層を塗布するステップと、（ｃ）正極粉末からなる層の上に、ファイバと、潮解性材料と、電解質材料と、水溶性ポリマーとを含有する水溶液の層を印刷するステップと、（ｄ）乾燥前に、水溶液からなる層の上に負極粉末からなる層を塗布するステップと、（ｅ）負極粉末からなる層の上に、インキからなる第２の層を印刷するステップと、を含む印刷方法が得られる。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、この方法は、（ｆ）ステップ（ａ）の前に、基板に導電性層を印刷するステップをさらに含む。
本願明細書に記載の好ましい実施態様におけるさらに他の特徴によれば、この方法は、（ｆ）ステップ（ｅ）の後に、導電性層をインキの第２の層上に印刷するステップをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施態様について説明する。
図１は、本発明の教示内容による開放型可撓性積層電気化学セルの基本構成を示す斜視図である。
図２は、開放型可撓性積層電気化学セルのもう１つの考え得る構成を示す斜視図である。
図３ａおよび図３ｂは、図１および図２に示す２つのセルをバイポーラ接続して形成され、このようにして形成される電気的な電源で得られる電気エネルギをさらに増大させる電源の２つの考え得る構成を示す斜視図である。
図４は、本発明による開放型可撓性積層電気化学セルの電圧を室内条件下で電圧計にて測定し、時間の関数として表したグラフである。
図５は、基板材料と感知可能な動作を行うための少なくとも１つの電子部品とを含む本発明による装置の概略図である。
図６は、図５の装置に実装されたスイッチおよびエコーチャンバを示す概略断面図である。
図７は、本発明によるタイマーを示す概略図である。
図８は、本発明による化合物の経皮デリバリー用のアクティブパス（ｐａｓ）を示す概略図である。
図９は、本発明による温度計を示す概略図である。
図１０は、本発明によるグルコースセンサを示す概略図である。
図１１は、本発明によるゲームを示す概略図である。
図１２は、本発明による開放型可撓性積層電気化学セルを円筒形に巻いて形成される円筒型電池を示す斜視図である。
図１３は、本発明による複数の開放型可撓性積層電気化学セルを一綴りのアセンブリに着脱自在に組み立てて形成される電池束を示す斜視図である。
図１４は、本発明による開放型可撓性積層電気化学セルによって動作するオーディオチケット（ａｕｄｉａｌ ｔｉｃｋｅｔ）を示す概略図である。
図１５は、本発明による開放型可撓性積層電気化学セルによって動作するオーディオコンパクトディスク（ＣＤ）ステッカーを示す概略図である。
図１６は、本発明による開放型可撓性積層電気化学セルを電源とする脈拍計／血圧計斜視図である。
図１７は、本発明によるスマートカード／タグを示す概略図である。
図１８は、縦に整列配置され、隣合ったセルの正極延長部および負極延長部が互いに電気的に接触した本発明による複数の開放型セルを概略的に示した図である。
好ましい実施態様の説明
本発明は、コンパクトに設計された様々な小型かつ携帯式の電動装置用の一次電源または充電式電源として使用可能な開放型可撓性積層電気化学セルを用いたセル使用装置である。本発明の開放型可撓性積層電気化学セルは、湿式電解質を含むが可撓性は維持され、薄く開放型の構成であるため、保管時に気体が蓄積されることはない。本発明はさらに、開放型可撓性積層電気化学セルを用いて動作可能な様々な装置についてのものでもある。
本発明による開放型可撓性積層電気化学セルの原理および動作ならびにその用途は、図面および添付の説明から一層明らかになろう。
本発明の少なくとも１つの実施態様を詳細に説明する前に、本発明の用途は、以下の説明において記載または図面に示す厳密な構造および部品配置に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施態様が可能なものであり、あるいは他の様々な方法で実施または実行可能なものである。また、本願明細書にて用いる言い回しおよび用語は説明のためのものであり、本発明を限定するものではないことも理解されたい。
図面を参照すると、図１は、以下においてセル１０と呼ぶ本発明による開放型可撓性積層電気化学セルの基本構成を示している。
セル１０は、不溶性負極１４からなる第１の層と、不溶性正極１６からなる第２の層と、水性電解質１２からなる第３の層の３つの層を含む。本願明細書において、酸化が起こる側が放電される負極、還元が起こる側が正極である。水性電解質層１２は、開放型セル１０を常に湿らせておくための潮解性（すなわち、吸湿性）材料と、必要なイオン伝導率を得るための電気的活性可溶性材料と、極層１４および１６を水性電解質層１２に接着するために必要な粘度を得るための水溶性ポリマーとを含む。１４、１６および１２の各層と、これらの層が開放型セル１０の動作時にどのような役割を果たすのかについて、以下において詳細に説明する。
水性電解質層１２は一般に、濾紙、プラスチック膜、セルロース膜、布、不織材料（例えば綿繊維）などであるがこれに限定されるものではない、多孔性の不溶性物質を含む。この多孔性物質は、潮解性材料と、電気的活性可溶性材料と、水溶性ポリマーの３種類の成分を含む水溶液に含浸されている。
潮解性材料は、吸湿性であることによって、セル１０を常に湿った状態に維持する。開放型セル１０内の含水率は、選択する潮解性材料、その濃度および周囲湿度によって様々である。好適な潮解性材料としては、塩化カルシウム、臭化カルシウム、二リン酸カリウム、ヒアルロン酸、酢酸カリウムおよびこれらの組み合わせが挙げられるが、これに限定されるものではない。
電解質材料（電気的活性可溶性材料）は、負極層および正極層を作製する材料に応じて選択する。頻繁に使用され、本発明に適した電解質材料を列挙すると、例えば、様々な一次セル用の塩化亜鉛、臭化亜鉛、フッ化亜鉛の他、充電式セル用の水酸化カリウムや硫酸などが挙げられる。
水溶性ポリマーは、極層１４および１６を水性電解質層１２に接着（すなわち貼り付け）するための接着剤として使用する。多くのタイプのポリマーが適したものであり、例えば、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、寒天、アガロース、デンプン、ヒドロキシエチルセルロースおよびこれらの組み合わせおよびそのコポリマーが挙げられる。
負極層１４および正極層１６は各々、上述した溶液と類似の水溶液と共に、好適な（負または正の）活性不溶性粉末材料の混合物を含む。これには、潮解性材料と、電解質材料と、水溶性ポリマーとが含まれる。
電解質材料は変えるべきではないが、潮解性材料および水溶性ポリマーは後で使用する溶液で選択可能であることは、当業者であれば明らかであろう。換言すれば、電解質材料については３つの層１２、１４、１６で同一に維持すべきであるが、潮解性材料および水溶性ポリマーは具体的な用途に応じて層によって異なっていてもよい。
実施例の部分で後述するように、電解質材料に合わせて負極層１４および正極層１６に適した活性不溶性粉末材料を選択することで、電源（すなわち電池）として使用可能な可撓性積層セルが得られる。このセルは開放型であるため、保管時に気体が蓄積されることはないが、開放型であるにもかかわらず潮解性材料の吸湿性によってセルは常に湿った状態に維持される。
負極層１４および正極層１６において使用する材料の好適な組み合わせとしては、二酸化マンガン／亜鉛、酸化銀／亜鉛、カドミウム／酸化ニッケル、鉄／酸化ニッケル（二酸化マンガンおよび酸化銀は、従来技術において周知のように、任意に導電性炭素粉末と混合しておいてもよい）が挙げられるが、これに限定されるものではない。亜鉛は、層を形成するようにプレスした亜鉛粉末の層として形成することも可能である。接着剤または導電性インキを使用して、亜鉛層を強化してもよい。このような層は、以下において詳細に説明するように、炭素または導電性インキと同様にコレクタとしても機能することができる。
単一の材料で潮解性材料および電解質材料の両方として機能し得ることは当業者であれば明らかであろう。しかしながら、このような材料は、好適な電気的活性および吸湿特性を持つものでなければならない。このタイプの好適な材料としては、塩化亜鉛および臭化亜鉛が挙げられるが、これに限定されるものではない。
さらに、単一の材料で潮解性材料および水溶性ポリマーの両方として機能し得ることも当業者であれば明らかであろう。しかしながら、このような材料は、好適な吸湿性および接着特性を持つものでなければならない。このタイプの好適な材料としては、デキストラン、硫酸デキストランおよびこれらの組み合わせならびにそのコポリマーが挙げられるが、これに限定されるものではない。
図１に示し、上記にて説明した３つの層１２、１４および１６は、薄く製造することが可能であり、可撓性を有するものであるため、セル１０は可撓性で厚さ０．３以下から１．５ｍｍと薄い。セル１０を好適な印刷技術によって製造するのが現段階では好ましく、これについては以下において詳細に説明する。好適な印刷技術としては、シルク印刷、オフセット印刷、ジェット印刷、ラミネーション、材料の蒸発および粉末分散が挙げられるが、これに限定されるものではない。
全体として２０を付したセルを示す図２に、もう１つの考え得る構成を示す。セル１０と同様に、セル２０も、基本セルを構成する層１２、１４および１６（斜線部分）を含む。セル２０はさらに、負極層１４および／または正極層１６の導電率を改善するために１つまたは２つの別の導電性層２２および２４を含む。好適な導電性層としては、グラファイト紙、カーボン布の他、金インキ、銀インキ、銅インキをはじめとする金属インキなどであるがこれに限定されるものではない導電性インキが挙げられる。セル２０はまた、負端子２６および正端子２８を含む。これらの端子２６および２８は、それぞれ対応する極層１４および１６と対応する導電性層２２および２４のいずれか一方または両方と電気的に接触している。端子２６および２８は、好適な材料であればどのようなもので作製してもよい。この材料は、例えばグラファイトや、鉄、ニッケル、チタン、銅、ステンレス鋼などの金属およびそれらの混合物などであり、上述したものなどの好適な印刷技術によってセル２０に形成されていると好ましい。
端子２６および２８は、電気装置などの負荷にセル２０を電気的に接続するのに用いられる。端子２６および２８は、セル２０の任意かつ所望の位置に配置可能であり、具体的な用途に応じて、好適であればどのような形状および大きさであってもよい。端子２６および２８は、セル２０の表面および次元から突出していてもよい。このセル２０に、少なくとも１つの外側に配置される接着剤バッキング２９をさらに含み、セル２０を様々な表面および／または少なくとも１つの外側に配置される積層保護層３０に取り付けることができるようにしてすべての層を物理的に保護してもよい。
さらに別の構成を図３ａ〜図３ｂに示す。２つまたはそれ以上の図３ａに示すようなセル１０または図３ｂに示すようなセル２０を、バイポーラ接続によって電気的に接続し、それぞれこのように形成された電気的な電源４０および５０で得られる電気エネルギをさらに増やしてもよい。この目的のため、２つまたはそれ以上のセルを、例えば好適な印刷技術によって形成される導電性両面接着テープまたは導電性膠層４２によって、層２２、１４、１２、１６および２４の配置で図３ａ〜図３ｂに示されるように上から下に互いに接着し、隣接したセル間を電子が移動できるようにしてもよい。
電気的な電源４０および／または５０はさらに、図２に示す表面２９と類似の外側に配置される１枚以上の接着剤バッキングおよび／または図２に示す層３０と類似の外側に配置される１枚以上の積層保護層を含んでもよいことは明らかである。また、電気的電源４０および５０は、それぞれ図２の端子２６および２８に類似の負端子および正端子を含んでも良いことは明らかである。
ここで図１２を参照すると、本発明の一実施態様によれば、本願明細書において説明する構成のいずれかによるセル３００を巻いて円筒形の電池３０１にする。接着剤を使用して円筒を一緒に維持すると好ましい。
ここで図１３を参照すると、本発明の他の実施態様によれば、本願明細書において説明する構成のいずれかによる複数のセル３００を着脱自在に組み立てて一綴りのアセンブリ３０２にし、ここからシングルセルまたはセル３００を取り外して使用するようにしてもよい。セル３００は所望の寸法にすることができる。セル３００の用途の一例として、携帯電話および他の電動装置、特にノートブックコンピュータをはじめとする携帯式の装置用の非常用使い捨て電池として使用するものが挙げられる。
ここで図１８を参照すると、本発明の他の実施態様によれば、本願明細書において説明する構成のいずれかによる複数のセル３００を上から下に向かって整列配置し、隣合ったセルの正極延長部および負極延長部３３９が互いに電気的に接触し、直列接続の端子として機能するようにして、電圧を増すことができる。このような折り畳み式電池構造は、印刷技術を用いて容易に達成可能である。得られる折り畳み式電池構造は、最小限のスペースしかとらないようにアコーデオンのように折り畳み可能である。延長部３３９は、隣接するセル３００同士を隔てるカーボン粉末などのコレクタを含むと好ましい。
再び図１を参照すると、本発明の好ましい実施態様によれば、セル１０はさらに、これに取り付けられたｐＨセンサ４００を含む。センサ４００は、セル１０のｐＨを感知し、セル１０のｐＨ値情報の変更（例えば色の変更）がなされる。このように、センサ４００は、セル１０の操作性に関する情報をユーザに提供する。ｐＨセンサは従来技術において周知であり、ここではさらに説明する必要はない。このようなセンサは、印刷技術を用いてセル１０に形成可能である。
本発明はさらに、上述したセルに類似の開放型可撓性積層液体電気化学セルの製造方法を提供する。この方法は、（ａ）浸漬または印刷技術によって潮解性材料と電解質材料と水溶性ポリマーとを含有する水溶液で多孔性物質を湿らせるステップと、（ｂ）多孔性物質の一方の側に負極層を形成するステップと、（ｃ）多孔性物質の第２の側に正極層を形成するステップとを含む。負極層および正極層は、好ましくは（ａ）で示したものと同一タイプで、好ましくは先に列挙したものから選択される好適な印刷技術によって形成される、潮解性材料、電解質材料および水溶性ポリマーと混合される活性不溶性粉末物質を含む。
この方法はさらに、外側に配置される１枚以上の接着剤バッキングおよび／または１枚以上の積層保護層、負端子および正端子などであるがこれに限定されるものではない別の層および部品をセルに加えることを含んでもよい。
また、上記の方法はさらに、例えば好適な印刷技術などによって２つ以上のセルを例えば導電性両面接着剤テープまたは導電性膠層で接合し、電力を高めた（例えば、実質的に２倍、３倍など）電源を形成するバイポーラ接合部を含んでもよい。本発明によれば、このようなバイポーラ接合部は、２つまたはそれ以上の予め製造したセル同士を上から下に接合するか、あるいは、好ましくは上述したような好適な印刷技術を使用して好適な層を順次形成し、２つまたはそれ以上のセルをこのように配置させて直接製造してもよい。
本発明の開放型可撓性積層電気化学セルは、従来技術の積層セルに比べて大きな利点がある。開放型セルであるため、保管時に気体が蓄積されることはないが、それにもかかわらず、これを常に湿った状態に維持するための潮解性材料と極層を水性電解質層に接着するための所望の粘度を得るための水溶性ポリマーとを用いることで、湿った状態が維持され、何ら変化することがない。
本発明の開放型可撓性積層電気化学セルは、以下のような他の品質も有する。第１に、外側に硬質のキャスティングがないため、薄くて軽く可撓性であり、どのような大きさ、形状、色、形成パターンでも製造可能であって、様々な用途に好適である。第２に、その製造に好適な印刷技術を使用することで、コストが削減されるため、使用後にある程度は捨てることもできる。この技術は本来コスト効率のよいものであるため、ある程度は大きなシートを製造し、これを印刷後に所望のサイズに切断することができるからである。第３に、環境および人間に優しい材料（好ましくは水銀または重金属を含有しない）で作製すると好ましい。最後に、接着剤バッキングによって自己接着性に製造することも可能である。
以下、上記の説明とあわせて本発明を示す実施例を参照する。
実施例１
ポリビニルアルコール（水性可溶性ポリマー）１２０ｍｇと塩化亜鉛（潮解性材料および電解質材料）１６８０ｍｇとを水１．２ｍｌ中に溶解した溶液を調製した。この溶液は、見た目が膠のような粘性のものであった。４．５ｃｍ×７ｃｍの濾紙条片を印刷または浸漬技術によって上記の溶液で完全に湿らせた。亜鉛粉末３００ｍｇと上記の溶液との混合物を調製し、負極層として機能する紙条片の片側に印刷した。反対側には、二酸化マンガン２５０ｍｇと導電性カーボン粉末５０ｍｇとを上記の溶液と一緒にした、正極層として作用する混合物を印刷した。両側を電気的に接続し、負荷に接続すると、電流が測定された。電圧１．７〜１．２ボルトで、１ｃｍ²あたり１２μＡの電流が５日間連続して室内条件下で容易に維持された。
実施例２
上記の実施例１において説明したようにして開放型セルを作製し、電圧計に接続した。図４に示されるように、室内条件下にてセルによって生成される電圧の測定値は、連続して９日間保持される、１．７〜１．２と強い電圧であることが分かった。
実施例３
飽和水酸化カリウム溶液を調製し、水溶性ポリマーと混合することによって膠の粘度を得た。多孔性物質（例えば濾紙）をこの溶液で完全に湿らせ、この溶液と酸化ニッケル粉末との混合物を多孔性物質の片側に塗り付けて正極層を形成し、カドミウム粉末との同様の混合物を多孔性物質の反対側に塗り付けて負極層を形成する。両側に電圧計を接続することで１．２Ｖの電圧が測定され、２つの層を負荷に接続したときに高い電流が測定される。このセルは開放状態で乾燥することはなく、必要であれば再充電可能である。
実施例４
実施例３と同一の水酸化カリウム溶液を調製し、多孔性物質をこれで湿らせる。この溶液と亜鉛粉末との混合物を多孔性物質の片側に塗り付けて負極層を形成し、必要に応じてカーボン粉末をいくらか含有する酸化銀粉末との同様の混合物を多孔性物質の反対側に塗り付けて正極層を形成する。両側に電圧計を接続することで１．２Ｖの電圧が測定され、２つの層を負荷に接続したときに容易に感知できる電流が測定される。このセルは開放状態で乾燥することはなく、必要であれば再充電可能である。
実施例５
実施例３と同一の水酸化カリウム溶液を調製し、多孔性物質をこれで湿らせる。この溶液と亜鉛粉末との混合物を多孔性物質の片側に塗り付けて負極層を形成し、必要に応じてカーボン粉末をいくらか含有する二酸化マンガン粉末との同様の混合物を多孔性物質の反対側に塗り付けて正極層を形成する。両側に電圧計を接続することで１．５Ｖの電圧が測定され、２つの層を負荷に接続したときに容易に感知できる電流が測定される。このセルは開放状態で乾燥することはない。このように形成したセルの再充電は困難なことがある。
実施例６
実施例３と同一の水酸化カリウム溶液を調製し、多孔性物質をこれで湿らせる。この溶液と酸化ニッケル粉末との混合物を多孔性物質の片側に塗り付けて正極層を形成し、鉄粉末との同様の混合物を多孔性物質の反対側に塗り付けて負極層を形成する。両側に電圧計を接続することで０．９Ｖの電圧が測定され、２つの層を負荷に接続したときに電流が測定される。このセルは開放状態で乾燥することはなく、必要であればいくらか再充電可能である。
実施例７
３０％硫酸溶液を調製し、水溶性ポリマーと混合することによって膠の粘度を得た。多孔性物質（例えば濾紙）をこの溶液で完全に湿らせ、この溶液と酸化鉛との混合物を多孔性物質の両側に塗り付ける。両側を電源に接続し、２Ｖを超える電圧を印加して、これによってセルを充電する。開放状態のセルを乾燥させることなく、充電と放電のサイクルを繰り返すことが可能である。
以下の実施例は、上述したような開放型セルを電源として使用する用途に関するものである。
実施例８
上記にて一例を挙げて説明したセルを様々な用途に利用し、薄さや軽さ、可撓性、製造コストの低さなどの利点を享受することができる。このような特質によって、このセルは使い捨て装置や正しく動作させるのに特定の可撓性が必要な装置を動作させるのに極めて好適な電源になる。
概して、本発明による用途はいずれも、電動装置と上述したような開放型可撓性積層液体電気化学セルとを含む。このセルは、装置に動作用の電力を供給する上で役立つ。特定の用途に応じて、本発明の開放型セルから電力を得るための以下に述べる装置は、印刷技術を利用して製造可能である。この場合、開放型セル層と電子部品の両方をこの技術によって形成する。特に、電池の従来技術ではコレクタとしても知られる金属インキ層などの導電性層がセルの構成に含まれる場合、これらの金属層自体を印刷し、これを別に印刷した電子部品と接触させる端子として機能させることができる。
本発明による装置を印刷した後、この装置には特定の輪郭が含まれるが、これは好適な筐体によって保護可能なものである。この筐体は、発泡ポリエチレンまたはポリビニルアルコールなどであるがこれに限定されるものではない、成形可能な材料で形成することができる。金型は、装置自体であってもそのレプリカであってもよい。特定の装置に合う特徴のある輪郭の筐体を形成するための他の手順としては、切断、筐体を装置のレプリカでホットプレスする方法、あるいは既存の予め規定された輪郭に一致する輪郭を形成する上で効率的な他の任意の方法が挙げられる。いずれにしても、セルをさらに外側の基板の層の中に封入してもよい。この外側の層としては、ｍｉｌａｒ、Ｌｅｘａｎポリエチレン箔または紙などが挙げられるが、これに限定されるものではなく、この上に印刷による形成物をさらに追加してもよい。これらの層は、特定の用途に応じてコールドプレスまたはホットプレスによって形成可能である。
ここで図５を参照すると、一用途において、装置は紙、カートンまたはプラスチック板２００などの基板材料と、少なくとも１つの電子部品２０２とを含む。基板材料２００には電子部品２０２が取り付けられるが、その方法は接着または電子部品２０２またはその一部を基板材料２００に直接印刷するものである。
電子部品２０２は、検知可能な動作を行うためのものである。本願明細書では、この動作を人間の感覚のうち１つによって検知可能な動作として定義する。
基板材料２００は、好適な形状であればどのような形状であってもよく、例えば、グリーティングカード、名刺、食品用のパッケージの他、雑誌、ノート、日記などが挙げられるがこれに限定されるものではない任意のタイプの印刷物として利用可能である。本発明の興味深い用途の１つに、子供用のインタラクティブブックでの用途が挙げられる。このようなブックは、電池式の可視および可聴ディスプレイの従来技術において周知である。薄く可撓性があるため、本発明によるセルはインタラクティブブックで使用するのに適している。好ましい実施態様によれば、ブックと電池を別々の形で提供し、ブックを使用する際に電池を取り付けてその動作用の電源として機能させる。電池が切れたら新しい物と交換する。以下、図１４および図１５を参照して、さらに別の用途について説明する。
検知可能な動作をこのように利用して、メッセージまたは任意のタイプの情報をユーザーに伝達したり、あるいは、メロディまたは光のパターンなどの形でユーザーを愉しませるようにすることができる。従来技術において周知の通り、ピクセルおよび／またはグラフィックの電子ディスプレイ２３１を含むようにしてもよい。
このように、本発明の好ましい実施態様では、検知可能な動作は可聴的および／または可視的なものである。可聴的な動作は、どのようなタイプのものであってもよく、よって、メロディ、何らかの言語の単語および／または電話の発信音を含んでもよい。可視的な動作としては、例えば、米国特許第４，７７９，９６２号（その内容全体を本願明細書に引用したものとする）に記載されているものなどの光、移動する物体、あるいは電界／電流の作用による色の変化などのものが挙げられる。
電話の従来技術において周知のように、表示された電話の発信音を電話に取り付けられた２種類の周波数が割り当てられたＤＴＭＦ装置と併用し、このトーンで電話番号をダイアルしてもよい。
電子部品２０２は、基板材料２００ならびに開放型セル２０６、その端子２０８および必要な回路接続２１０上に印刷しておくと好ましい。電子部品の印刷方法は従来技術において周知である。その一例が、米国特許第４，３５３，９５４号および同第４，５６２，１１９号（いずれもその内容全体を本願明細書に引用したものとする）である。本発明による基板への開放型セルの印刷方法を以下において説明する。
本発明の好ましい実施態様では、装置は電源スイッチ２０４を含む。スイッチ２０４は、必要に応じてこの装置を動作させたり、その動作を停止させたりするのに使用される。
図６に示されるように、本発明の好ましい実施態様では、スイッチ２０４は、材料２００で構成される２つの層２１２内に形成されている、ここで、一方の層は、導電性カーボンまたはインキ（例えば金属インキ）などの導電性材料で内側から被覆された突出部２１４で形成され、突出部２１４を押圧することで、電気回路が閉じるように端子２１８の上に位置決めされている。事実、本発明による開放型セルには可撓性があるため、層を貫通して穴を形成し、その片側で穴を導電体で被覆して他方の側で端子と係合させると、導電体を押すだけで端子と接触した状態になるｏｎ／ｏｆｆスイッチとして機能させることができる。このように、セルの可撓性は、スイッチ端を可逆的に分離する機能を果たす。
図５においてさらに示すように、本発明の好ましい実施態様では、電子部品２０２は、オーディオ（音声）チップ２２１（例えば、香港のＣｏＭｅｄｉａ Ｌｔｄ．がカタログ番号Ａ５３９１５として流通させているボイスチップ「ＣＨＩＰ ＯＮ ＢＯＡＲＤ」）と、好ましくはエコーチャンバ２２４（例えば、Ｈｏｌｂｅｉｎｓｔｒａｓｓｅ ２１−２３Ｄ ８５００ Ｎｕｒｅｎｂｅｒｇ ７０，ＧｅｒｍａｎｙのｍｕＲａｔａが流通させているエコーチャンバ「ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｏｕｎｄｅｒ／ｓｐｅａｋｅｒ」）および／または発光装置２２２を含むオーディオ装置２２０である。好ましい実施態様では、発光装置２２２は低電流ＬＥＤ２２３である。ボイスチップ２２１は、コマンドに応じて音声を録音したり、録音した音声を表示したりできるものであってもよい。
図６においてさらに示すように、本発明の好ましい実施態様では、チャンバ２２４は、スイッチ２０４と同様に、層２１２内に形成されている。この場合、一方の層には突出部２２６が形成され、この突出部に開口２２８が形成されていると好ましい。このように形成された空隙２２９内に、振動膜２３０が位置決めされている。これは、オーディオチップ２２１（図５に示す）からの指示に応じて振動する圧電素子２３２に接続されている。膜２３０と素子２３２との組み合わせは、ピアゾセラミック（ｐｉａｚｏｃｅｒａｍｉｃ）板として従来技術において周知である。
上述した構成のいずれかによる用途は、動作させる（例えば開いた時など）と音による挨拶が再生されるオーディオグリーティングカードにおいて使用したり、例えばそれぞれのショー／映画のメロディやテキストなど良く知られた部分を演奏するオーディオ劇場／映画チケットとして、あるいはＣＤのオーディオコンテンツの一部を演奏するＣＤ用オーディオステッカーとして利用可能である。このようなチケット３０４を図１４に示す。一方、このようなステッカー３０６をＣＤケース３０８に取り付けた状態を図１５に示す。事実、小さな／薄い電池はどのようなものであっても、オーディオステッカーを動作させるのに好適である。
図７を参照すると、本発明のもう１つの実施態様によれば、上記の装置はタイマー２４０である。好ましくは、タイマー２４０は、本発明による開放型セル２０６が接着剤または印刷によって取り付けられた基板２４２を含む。タイマー２４０はさらに、時間を計時し、この時間が経過した時に検知可能な動作を指示するためにリセット可能なタイマーチップ２４４を含む。好適なタイマーチップは、カリフォルニア州のＮａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｒｐ．からカタログ番号ＣＯＰ８８８として流通されている。
上記と同様に、検知可能な動作は、検知可能な動作が可聴（例えば、メロディ、何らかの言語の単語またはアラームなど）および／または可視的になるように、好ましくはオーディオおよび／または発光装置２４６によって行うことがである。
本発明の好ましい実施態様では、タイマーチップ２４４をプログラムすることが可能である。すなわち、リセットから検知可能な動作の指示までの計時時間をプログラムすることができる。
プログラミングは、好ましくは、タイマー２４０内に形成された好適な接続部２４８を介してチップ２４４に接続可能な外部のプログラミング装置２４９（例えばコンピュータ）によって行う。当業者であれば、上述したようなプログラミングを行うためにプログラミング装置とタイマー２４０との間の所望の接続部をどのように選択するのかについて知識があろう。
一実施態様では、タイマーは駐車場の電子料金所の用途において役立つ。
別の実施態様では、タイマーはドラッグタイマーとして機能する。すなわち、薬剤を服用する時間が来たことを示す。この場合、基板２４２は、薬剤ケースに貼り付け可能なステッカーとして形成されていると好ましい。この場合、プログラミング装置２４９を介して特定の薬剤ごとに必要な条件で薬剤師がチップ２４４をプログラミングし、タイマー２４０をドラッグケースに貼り付ける。
この場合、プログラミング装置は、薬剤名、日時、患者名、薬剤服用計画などを印刷するためのプリンタをさらに含むと好ましい。
好ましくは、ドラッグタイマー２４０は、２個のリセットスイッチ２０４を含む。これらのリセットスイッチは、同時に押された場合にのみタイマー２４０をリセットするもので、何らかの偶然でタイマーがリセットされてしまうのを回避する。
本発明による開放型セルのもう１つの用途は、製剤用化合物、化粧用化合物および美容用化合物などの化合物の能動的経皮デリバリーにおけるものである。
図８は、化合物の経皮デリバリー用のアクティブパッドまたはパッチ２５０を示している。パッド２５０は、ユーザーの皮膚に接着可能な一方の面２５２を有する。パッド２５０は、経皮的にデリバリーされる化合物を含む。
化合物の体内への能動的経皮デリバリーは、従来技術において周知である。薬剤を能動的に経皮デリバリーするには、いくつかのストラテジーが用いられる。
小さな荷電分子を皮膚経由でデリバリーするにはイオン泳動が用いられる。この場合、化合物分子は、自らの電荷と電源によってパッドに印加される電荷とによって示される軌道に沿う。
電気穿孔法では、短く強い電気パルスを利用して、大きな分子が通過できる一過性の穴を皮膚に形成する。
超音波では、高いピッチの音を利用して皮膚の構造を一時的に破壊し、大きな分子が通過できる顕微鏡レベルの穴を形成する。
使用するストラテジーに応じて、パッド２５０に所望の電子部品および／または超音波発生器２５４を設ける。
アクティブパッドの機能および厳密な構造に関する詳細については、従来技術において周知であり、ここでは説明を割愛する。このような詳細は、例えば、「Ｂｒｅａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｓｋｉｎ ｂａｒｒｉｅｒ」、Ｉｎｇｒｉｄ Ｗｉｃｋｅｌｇｒｅｎ著、Ｐｏｐｕｌａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １９９６、第８６〜８９ページ、「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｄｒｕｇ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、第２版、Ｊ．Ｒ．ＲｏｂｉｎｓｏｎおよびＶ．Ｈ．Ｌ．Ｌｅｅ編、Ｍａｒｃｅｌｄｅｋｋｅｒ Ｉｎｃ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９８７、米国特許第５，１６９，３８４号、同第４，７６３，６６０号、同第５，４４３，４４１号および同第３，４４７，５３７号（いずれも本願明細書にその内容全体を引用したものとする）に記載されている。
上述した開放型セルは、薄く可撓性があり、軽量であるため、薬剤の経皮デリバリー用として使用するのに利点がある。
したがって、本発明によるパッド２５０にこのようなセル２０６を追加し、薬剤の能動的な経皮デリバリーに必要なイオン泳動、超音波または電気穿孔法効果を得るための電源として利用することができる。
薬剤を経皮デリバリーするための現在流通している製品としては、「ＬＥＣＴＲＰ ＰＡＲＣＨ」および「Ｅ−ＴＲＡＮＳ−ＥＬＥＣＴＲＯＴＲＡＮＳＰＯＲＴ」が挙げられる。
以下、図８を使用して、化合物を体内から経皮的に回収するためのアクティブパッドまたはパッチ２５０’について示す。パッド２５０と同様に、パッド２５０’もユーザーの皮膚に接着可能な一方の面２５２’を有する。パッド２５０’は、体内から化合物を吸収するためのものである。
体内からの化合物の能動的経皮回収は、従来技術において周知であり、逆イオン泳動、逆電気穿孔法および逆超音波を利用できる。例えば、グルコースの経皮回収に逆イオン泳動を利用し、例えば糖尿病患者の血中グルコース濃度をモニタリングする。逆イオン泳動血中グルコースモニタリング装置は、Ａｂｂｏｔｔ／Ｍｅｄｉ Ｓｅｎｓｅとの共同でＳｐｅｃｔＲｘによって製造されている。もう１つの装置は、Ｃｙｇｎｕｓ Ｉｎｃ．によって製造されているもので、ＧＬＵＣＯＷＡＴＣＨとして周知である。「Ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｌｕｃｏｓｅ」について論じた評論が、「Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｆ ｔｒａｎｓｄｅｒｍａｌ ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，ａ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ ｉｏｎｔｏｐｈｏｒｅｓｉｓ」、ｈｅｌｄ ｉｎ Ｐａｒｉｓ、Ｍａｒｃｈ ２−４、１９９７．において、４００ Ｐｅｎｏｂｓｃｏｔ Ｄｒｉｖｅ，Ｒｅｄｗｏｏｄ Ｃｉｔｙ，ＣＡ ９４０６３，ＵＳＡのＣｙｇｎｕｓ Ｉｎｃ．のＪ．Ａ．Ｔａｍａｄａ、Ｋ．ＣｏｍｙｎｓおよびＲ．０．Ｐｏｔｔｓによって検討された。
使用するストラテジーに応じて、パッド２５０’に所望の電子部品および／または超音波生成器２５４’を設ける。
アクティブ回収パッドの機能および厳密な構造に関する詳細については、従来技術において周知であり、ここでは説明を割愛する。従来技術のアクティブ回収パッドは、米国カリフォルニア州のＣｙｇｎｕｓ Ｉｎｃ．によって製造されている。
上述した開放型セルは、薄く可撓性があり、軽量であるため、薬剤の経皮デリバリー用として使用するのに利点がある。また、このようなパッドの電子部品はいずれも、その動作用の電池も含めてパッド自体への印刷技術によって形成可能である。このため、薬剤またはデリバリー物質の保管専用のリザーバーに電子部品が統合される。
したがって、本発明によるパッド２５０にこのようなセル２０６を追加し、能動的な経皮回収に必要なイオン泳動、超音波または電気穿孔法効果を得るための電源として利用することができる。
本発明による開放型セルのもう１つの用途は、温度の測定におけるものである。図９に示すのは、本発明による開放型セルを、熱量を検知し、これを熱に対応する大きさの電気的なパラメータ（例えば、抵抗、電圧など）に変換するよう機能するサーミスタセンサ２６２用の電源２０６として用いた電気温度計２６０である。好適なサーミスタは、Ｂｅｔａ Ｔｈｅｒｍからカタログ番号ＩＫ７Ａ１で流通されている。温度計２６０はさらに、電気的なパラメータを定量化し、これを温度値の出力に変換する電子チップ２６４を含む。
温度計２６０はさらに、温度値を表示するためのディスプレイ２６６を含む。ディスプレイ２６０は、特定のＬＥＤが動作すると、ユーザーがその目盛りから温度を読み取ることができるように、温度目盛りに沿って配置された一組のＬＥＤを含んでもよい。
本発明による開放型セルのもう１つの用途は、グルコース濃度測定におけるものである。
糖尿病は生命を脅かす慢性疾患であり、世界中で１億人以上の人が羅患している。この疾患は、人体がグルコース代謝を正常に制御することができなくなることが特徴で、多くの場合は膵臓からのホルモンインシュリンの分泌が不十分になることが原因である。健常な個体では、血中グルコース濃度が上昇しはじめると、連続的な生理学的フィードバック機序によって膵臓に適当な量のインシュリンを分泌するよう指令がいき、グルコース濃度が下げられる。糖尿病患者にはこの機能が欠けているため、治療を施さないと、血糖値が調節されなくなるため、代謝および循環系に致命傷ともなりかねない問題が生じる。
インシュリン依存性糖尿病では、人体での自然なインシュリン分泌の不足を注射によって補っている。この注射は、通常は１日数回行われる。しかしながら、インシュリン用量については慎重に調節しなければならない。インシュリン過剰になると、低血糖、血中グルコース濃度減少などが生じ、これによって発作や脳障害、死に至ることもあるためである。したがって、インシュリン療法を受けている患者の大半は、血中グルコース濃度もモニタリングし、糖分摂取量とインシュリン用量とのバランスが正しく調節されるようにしている。
今日行われている移動式血中グルコースモニタリングの好ましくかつ最も一般的な方法は血液検査である。携帯式の血液検査装置には、針、酵素バイオセンサー材料、電子目盛り（光学装置または抵抗）の３つの要素が含まれている。患者は自分の指に針を刺し、試験片上に血液の滴を取る。試験片に含浸されたバイオセンサー材料の色が変わるか、あるいは試料のグルコース濃度に比例する電気化学流が生成される。これらのキットは広く利用されており、デジタル読み出し装置を含んでいる。
図１０には、グルコースセンサ２７０が示されている。センサ２７０は、ユーザーの皮膚（例えば、指の皮膚）を破り、その血液試料を得るための針２７２を含む。針２７２はプラチナ製の針であるのが好ましい。センサ２７０はさらに、グルコースオキシダーゼベースのグルコースセンサ２７４と、ポテンショスタット２７６と、血液試料中のグルコース濃度を定量化するための電子チップ２７７とを含む。センサ２７０はさらに、血液試料中にて測定されたグルコース濃度を従来の濃度単位（例えばｍｇ／ｄｌ）で表示するためのディスプレイ２７８を含む。
グルコース濃度測定において説明した各コンポーネントの動作については従来技術において周知である。従来技術のグルコースセンサは、例えば、ＬｉｆｅＳｃａｎ Ｉｎｃ．およびＭｅｄｉＳｅｎｓｅ Ｉｎｃ．ＵＳＡから流通されている。
本発明によれば、発明性のある開放型セル２０６は、グルコースセンサ２７０を動作させるための電源として機能する。
本発明による開放型セルのもう１つの用途は、脈拍計、血圧計および／またはＥＣＧ計におけるものである。現在、脈拍および血圧のモニタリングには、様々な方法が用いられている。これには、体の脈動に関連する圧力、音響および光の振動をモニタリングすることが含まれる。このような装置は、使い捨ての形態および再利用可能な形態で、２６０５ Ｆｅｒｎｂｒｏｏｋ Ｌａｎｅ Ｎｏｒｔｈ，Ｐｌｙｍｏｕｔｈ，ＭＮ ５５４４７−４７５５，ＵＳＡのＮｏｎｉｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｎｃ．や、＃１３３−３，Ｐｙｕｎｇｃｈｏｎ−ｄｏｎｇ，Ｄｏｎｇａｎ−ｇｕ，Ａｎｙａｎｇ−ｃｉｔｙ，Ｋｙｕｎｇｋｉ−ｄｏ，ＫｏｒｅａのＳｅｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．をはじめとするいくつかの製造業者によって製造されている。これらの企業によって製造されているメーターは、従来の単四乾電池またはボタン電池を含んでいる。特に使い捨ての形態での大きな利点は、このようなメーターに本発明の開放型セルを提供することにある。
ＣＨ−１６３２ Ｒｉａｚ，ＳｗｉｔｚｅｒｌａｎｄのＣＡＤｌｔｅｃ ＡＧ，Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓによって携帯式小型ＥＣＧ計が製造されている。このようなＥＣＧ計は、本願明細書において列挙する本発明による開放型セル電池の利点を享受できる。
図１６は、必要なのセンサ／電極を内部に収容するためのハウジング３１２を含む脈拍計、血圧計またはＥＣＧ計３１０を示す。メーター３１０はさらに、メーター３１０に動作用の電力を提供する本発明による開放型セル３１４を含む。メーター３１０はさらに、このメータ３１０をｏｎ／ｏｆｆし、その動作を制御するための制御／動作ボタン３１５を含む。さらに、メーター３１０は、測定結果を表示するためのディスプレイ３１６を含む。当業者であれば、既存のメーターおよびセンサをどのようにして変更すれば本発明による開放型セルを組み込むことができるか分かるであろう。
本発明による開放型セルのもう１つの用途は、アクティブスマートカードおよびスマートタグにおけるものである。スマートカード／タグは、電子的に符号化された情報を含む装置であり、多くの場合は所有者の電子認証に用いられる。本願明細書において述べた特性がゆえに、本発明による開放型セルは、アクティブスマートカード／タグ用の極めて利点の多い電源となる。このようなカード／タグ３５０に、その表面を覆う薄いセル３５２を含んだ状態を図１７に示す。このようなカード／タグは、すべての電子部品および電源を印刷する印刷技術によって製造可能である。本発明によるスマートカード／タグは、暗号または認証用のコードを含むものであってもよい。
本発明による開放型セルのもう１つの用途は、ゲームにおけるものである。基板２８３上に配置された分散未解決コンポーネント２８２を含むゲーム２８０を図１１に示す。未解決コンポーネント２８２は、上述したような開放型セル２０６からの電流が同時または予め定められた順序でコンポーネント２８２に到達すると明らかになる。電流の到達はプレイヤーによって開始される。この目的のために、明らかになるコンポーネント２８２は、プレイヤーがコンポーネントを指で押すと、電気回路を閉じるような隠れたスイッチを含む。
このゲームはさらに、可聴または可視的などのような検知可能な動作であってもよい勝利を示す効果を含んでもよい。当業者であれば、コンポーネント２８２をどのように構成し、勝利を示す効果を生成すればよいか分かるであろう。
本願明細書において説明する開放型セルの製造コストは極めて低い。これは、以下においてさらに説明するように、印刷技術を用いて開放型セルを大量生産できる他、セルに筐体が必要ないためである。このセルは、装置に接着または装置に印刷することによって、どのような装置にも取り付けることができる。したがって、このセルを用いた装置は比較的安価に製造でき、使い捨ても可能である。これは、特に、血液分析、口内温度測定および薬剤の経皮デリバリーまたは化合物の経皮回収などの医療目的で装置を使用する場合など、多くの局面で利点となる。後者の場合、セルの可撓性も重要な要因である。体の様々な位置でアクティブパッドを皮膚に接着させなければならないためである。本発明によるセルは薄く、どのような表面でも覆うことができるため、動作に電力が必要な情報伝達媒体の一部、ゲームまたはその他の「景品」の一部としての広告に有用である。この趣旨で、安価かつ容易に利用でき、環境に優しい材料でセルを製造するとよい。
以下の実施例は、本発明による開放型積層可撓性セルの製造方法に関するものである。
実施例９
本発明によれば、開放型可撓性積層液体電気化学セルの製造方法が得られる。この方法は、以下のステップを含む。まず第１に、湿ったインキを第１および第２の基板の内側に塗布する。好適な基板としては、紙、ポリエステルまたはポリプロピレン箔が挙げられるが、これに限定されるものではない。インキは導電体である。好適な導電体インキは、「ＥＬＥＣＴＲＯＤＹＥ」の名前でオランダのＡｃｈｅｓｏｎ Ｃｏｌｌｏｉｄｅｎ Ｂ．Ｖ．からカタログ番号４２３ＳＳおよび１０９Ｂとして流通されている。第２に、インキが乾燥する前に、第１の基板の湿ったインキ上に正極粉末を塗布し、第２の基板の湿ったインキ上に負極粉末を塗布する。インキは湿っているため、粉末はインキに取り込まれ、インキが導電体であるため、それぞれの粉末粒子が電気的に接触する。粉末を塗布する順序は、粉末粒子の単一の層を形成するなど工夫してもよい。このように作製したセルは、極めて薄いものとなる。第３に、潮解性材料と、電解質材料と、水溶性ポリマーとを含有する水溶液で多孔性物質を湿らせる。第４に、第１および第２の基板を多孔性物質に取り付け、それぞれの内側が物質の方を向き、３つの層からなるセルが形成されるようにする。
本発明の好ましい実施態様では、この方法はさらに、以下のステップを含む。第５に、基板の内側または物質の両側にに膠を塗布する。膠の塗布は、星形、円、花形など、幾何学的形状に応じて行うと好ましい。第６に、３つの層からなるセルを幾何学的形状に応じて切断（例えばレーザによって）する。幾何学的形状の端部にある膠によって、時間が経過したり取扱がなされたりしても層同士が離れることはない。
この方法の好ましい実施態様では、少なくとも１つの基板に装飾的な用途を施しても良い。
さらに、本発明によれば、開放型可撓性積層液体電気化学セルの印刷方法が得られる。この方法は、以下のステップを含む。第１に、湿ったインキからなる第１の層を基板上に印刷する。インキは導電性インキである。第２に、乾燥前に、正極粉末からなる層を湿ったインキからなる第１の層の上に塗布する。第３に、ファイバと潮解性材料と電解質材料と水溶性ポリマーとを含有する水溶液からなる層を、正極粉末からなる層の上に印刷する。このファイバは、どのようなタイプのものであってもよい。好適なファイバとしては、例えば、綿不織ファイバが挙げられる。ファイバは、乾燥時に多孔性物質が形成されるように選択する。第４に、乾燥前に、負極粉末からなる層を水溶液からなる層の上に塗布する。第５に、インキからなる第２の層を負極粉末からなる層の上に印刷する。このようにして、実質的に図１に示すような３つの層からなる電池が形成される。
好ましい実施例では、この方法はさらに、上記の第１のステップの前に導電性層（例えば、カーボンまたは導電性インキ）を基板上に印刷することと、インキからなる第２の層の上にさらに導電性層を印刷することを含む。導電性層は、導電性カーボン粉末または金属インキなどの導電性インキを含む。
どの段階でも、電気的な接続部を印刷し正極と負極とを接触させることができる。
以上、本発明の具体的な実施態様を参照して本発明を説明したが、多くの変更、修正、改良を施し得ることは当業者であれば明らかであろう。したがって、かかる変更、修正、改良はいずれも添付の請求の範囲に記載の趣旨および広義の範囲に包含されるものとする。

Claims (47)

1. 電力の供給を受けて動作する電動装置と、前記電動装置の動作用に前記電動装置に電力を供給するための開放状態で使用される可撓性を有した且つ薄層構成の開放型可撓性積層湿式電気化学セルとから構成されるセル使用装置であって、前記電気化学セルが、不溶性負極からなる第１の層と、不溶性正極からなる第２の層と、水性電解質からなる第３の層とを含み、前記第３の層が、前記第１の層と前記第２の層との間に配置され、
   （ａ）開放型セルを開放状態で常に湿った状態に維持するための潮解性材料と、
   （ｂ）イオン伝導率を得るための電解質材料と、
   （ｃ）前記第１の層および前記第２の層を前記第３の層に接着するための粘度を得るための水溶性ポリマーとを含むことを特徴とするセル使用装置。
2. 前記電動装置が、基板材料と、前記基板材料に取り付けられた少なくとも１つの電子部品とを含み、前記少なくとも１つの電子部品が人間の感覚によって検知可能な信号を発生させるためのものである、請求項１に記載のセル使用装置。
3. 前記基板が、グリーティングカードと、名刺と、映画または劇場のチケットと、コンパクトディスク用のステッカーと、食品および印刷物用のパッケージとからなる群から選択される、請求項２に記載のセル使用装置。
4. 前記検知可能な信号が可聴的または可視的なものである、請求項２に記載のセル使用装置。
5. 前記電動装置が電源スイッチを含む、請求項２に記載のセル使用装置。
6. 前記少なくとも１つの電子部品が、オーディオ装置および発光装置のいずれかである、請求項２に記載のセル使用装置。
7. 前記電動装置がタイマーである、請求項１に記載のセル使用装置。
8. 前記タイマーが、基板材料と前記基板材料に取り付けられたタイマーチップとを含み、前記タイマーチップが、時間の計時および前記時間が経過した時点で人間の感覚によって検知可能な信号を発生させるように設定可能である、請求項７に記載のセル使用装置。
9. 前記タイマーが、薬剤を服用する時間が来たことを示すドラッグタイマーである、請求項８に記載のセル使用装置。
10. 前記電動装置が、化合物の経皮デリバリー用のユーザーの皮膚に接着可能なパッチである、請求項１に記載のセル使用装置。
11. 前記化合物の前記経皮デリバリー用に、前記パッチが、イオン泳動と、超音波と、電気穿孔法とのうちのいずれかの手法を利用している、請求項１０に記載のセル使用装置。
12. 前記化合物が、薬剤用化合物と、薬剤と、化粧用化合物と、美容用化合物と、からなる群から選択される、請求項１０に記載のセル使用装置。
13. 前記電動装置が、ユーザーの皮膚に接着可能な面を有したパッチである、請求項１もしくは１０に記載のセル使用装置。
14. 前記装置が温度計である、請求項１に記載のセル使用装置。
15. 前記温度計が、サーミスタセンサと電子チップとを含み、前記センサが、熱量を検知して前記熱量を前記熱に対応する量を示す電気的なパラメータに変換するためのものであり、前記チップが、前記パラメータを定量化し、該パラメータを温度値の出力に変換するためのものである、請求項１４に記載のセル使用装置。
16. 前記温度計がさらに、前記温度値を表示するためのディスプレイを含む、請求項１５に記載のセル使用装置。
17. 前記電動装置がスマートカードまたはタグである、請求項１に記載のセル使用装置。
18. 前記電動装置がインタラクティブブックである、請求項１に記載のセル使用装置。
19. 前記電動装置が、化合物を経皮的に回収するためのユーザーの皮膚に接着可能なパッチである、請求項１に記載のセル使用装置。
20. 前記化合物を経皮的に回収するために、前記パッチが、イオン泳動と、超音波と、電気穿孔法とのうちのいずれかの手法を利用している、請求項１９に記載のセル使用装置。
21. 前記化合物がグルコースである、請求項１９に記載のセル使用装置。
22. 前記電動装置が、血圧計と、脈拍計と、ＥＣＧ計とからなる群から選択される、請求項１に記載のセル使用装置。
23. 前記電動装置がグルコースセンサである、請求項１に記載のセル使用装置。
24. 前記グルコースセンサが、患者からグルコースを経皮的に回収する、請求項２３に記載のセル使用装置。
25. 前記グルコースセンサが、皮膚を破り、血液試料を得るための針と、グルコースオキシダーゼベースのグルコースセンサと、ポテンショスタットと、前記血液試料中のグルコース濃度を定量化するための電子チップと、を含む、請求項２３に記載のセル使用装置。
26. 前記電動装置がゲームである、請求項１に記載のセル使用装置。
27. 前記ゲームが、分散未解決コンポーネントを含み、前記未解決コンポーネントは前記セルからの電流が同時または予め定められた順序で前記コンポーネントに到達すると明らかになり、前記電流の到達がプレイヤーによって開始される、請求項２６に記載のセル使用装置。
28. 前記開放型可撓性積層湿式電気化学セルが円筒状に巻かれて形成されている、請求項１に記載のセル使用装置。
29. 複数の前記開放型可撓性積層湿式電気化学セルがそれぞれ取り外し自在に組み立てられて一綴りのアセンブリとして構成されている、請求項１に記載のセル使用装置。
30. 複数の前記開放型可撓性積層湿式電気化学セルが隣り合った正極部および負極部が互いに電気接続されて配設され、折り畳み可能なアセンブリとして構成されている、請求項１に記載のセル使用装置。
31. 前記開放型可撓性積層湿式電気化学セルが前記層のうちのいずれかと接触してｐＨセンサを有する、請求項１に記載のセル使用装置。
32. 前記潮解性材料および前記電解質材料が同一材料からなり、前記水溶性ポリマーが接着剤として機能するポリマーからなる、請求項１に記載のセル使用装置。
33. 前記パッチが前記化合物を含んで構成される、請求項１０に記載のセル使用装置。
34. 前記電動装置が、イオン泳動装置、超音波装置および電気穿孔装置のいずれかである、請求項１１に記載のセル使用装置。
35. 前記超音波装置が超音波発生器を有して構成される、請求項３４に記載のセル使用装置。
36. 前記開放型可撓性積層湿式電気化学セルが印刷手法により前記パッチ上に設けられる、請求項１０もしくは１９に記載のセル使用装置。
37. 前記電動装置を構成する電子部品が印刷手法により前記パッチの上に設けられる、請求項１０もしくは１９に記載のセル使用装置。
38. 前記パッチが前記化合物を保管するリザーバーを有している、請求項１２に記載のセル使用装置。
39. 前記電動装置を構成する電子部品が前記リザーバーに統合されている、請求項３８に記載のセル使用装置。
40. 前記パッチが使い捨て可能である、請求項１０もしくは１９に記載のセル使用装置。
41. 開放型可撓性積層湿式電気化学セルの製造方法であって、
    （ａ）導電体である湿ったインキを第１および第２の基板の内側に塗布するステップと、
    （ｂ）乾燥前に、前記第１の基板の前記湿ったインキ上に正極粉末を塗布し、かつ前記第２の基板の前記湿ったインキ上に負極粉末を塗布するステップと、
    （ｃ）潮解性材料と電解質材料と水溶性ポリマーとを含有する水溶液で多孔性物質を湿らせるステップと、
    （ｄ）前記内側が前記物質の方を向き、３つの層からなる積層セルが形成されるように前記第１の基板および前記第２の基板を前記多孔性物質に取り付けるステップと、を含む方法。
42. （ｅ）ステップ（ｄ）の前に、前記基板の前記内側または前記物質の両側に膠を塗布するステップをさらに含み、膠の前記塗布を幾何学的形状に応じて行う、請求項４１に記載の方法。
43. （ｆ）ステップ（ｄ）の後に、前記幾何学的形状に応じて前記３つの層からなるセルを切断するステップをさらに含む、請求項４２に記載の方法。
44. 開放型可撓性積層液体電気化学セルの製造方法であって、
    （ａ）導電性の湿ったインキからなる第１の層を基板に印刷するステップと、
    （ｂ）乾燥前に、前記第１の層上に正極粉末からなる層を塗布するステップと、
    （ｃ）前記正極粉末からなる層の上に、ファイバと、潮解性材料と、電解質材料と、水溶性ポリマーとを含有する水溶液の層を印刷するステップと、
    （ｄ）乾燥前に、前記水溶液からなる層の上に負極粉末からなる層を塗布するステップと、
    （ｅ）前記負極粉末からなる層の上に、前記インキからなる第２の層を印刷するステップと、を含む方法。
45. （ｆ）ステップ（ａ）の前に、前記基板に導電性層を印刷するステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
46. （ｆ）ステップ（ｅ）の後に、導電性層を前記インキの前記第２の層上に印刷するステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
47. 前記ファイバが乾燥時に多孔質物質が形成される、請求項４４に記載の方法。

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