KR100760748B1 - 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 포함하는 애플리케이션, 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀 및 그 제조 방법, 그 프린팅 방법, 원통형 배터리, 배터리 북, 배터리 폴드 - Google Patents

유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 포함하는 애플리케이션, 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀 및 그 제조 방법, 그 프린팅 방법, 원통형 배터리, 배터리 북, 배터리 폴드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기적으로 동작되는 디바이스와, 디바이스의 동작을 위한 전원을 디바이스에 제공하는 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀(10)을 포함하는 애플리케이션에 관한 것으로, 전기화학적 셀은 불용성 음극의 제 1 층(14)과, 불용성 양극의 제 2 층(16)과, 수성 전해질의 제 3 층(12)을 포함하되, 상기 제 3 층(12)은 상기 제 1 층(14)과 상기 제 2 층(16) 사이에 배치되고, 상기 개방형 셀(10)을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료와, 요구된 이온 도전성을 획득하기 위한 전기반응성 가용성 재료와, 상기 제 1 층(14) 및 상기 제 2 층(16)을 상기 제 3 층(12)에 접착시키는 데 필요한 점성을 획득하기 위한 수용성 중합체를 포함한다.

Description

유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 포함하는 애플리케이션, 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀 및 그 제조 방법, 그 프린팅 방법, 원통형 배터리, 배터리 북, 배터리 폴드{FLEXIBLE THIN LAYER OPEN ELECTROCHEMICAL CELL AND APPLICATIONS OF SAME}
본 발명은 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킴으로써 배터리 전원으로서 사용되는 전기화학적 셀에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 유연성 박층 및 개방 구조를 유지하면서 습성(예컨대, 액상(liquid state)) 전해질을 이용해 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 정규의 또는 재충전식 배터리로서 사용될 1차 또는 재충전식 전기화학적 셀에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 셀의 애플리케이션에 관한 것이다.
예컨대, 셀룰러 폰, 음성 기록 및 재생 디바이스, 시계, 이동 및 정지 카메라, 액정 디스플레이, 전자 계산기, IC 카드, 온도 센서, 보청기, 압력 감지 경보기 등과 같이 컴팩트한 구조의 소형화된 휴대형 전기 구동식 디바이스들이 개발됨에 따라, 그들의 동작을 위한 컴팩트한 박층 배터리가 더욱 필요하게 되었다. 그에 따라, 이러한 디바이스들에서 배터리로서 사용될 신뢰성있는 박층 전기화학적 셀(thin layer electrochemical cells)이 필요하게 되었다.
배터리는 크게 두개의 범주로 분류될 수 있다. 첫번째 범주의 배터리는 습성 전해질(즉, 액상 배터리)을 포함하며, 두번째 범주의 배터리는 고상(solid state) 전해질을 포함한다. 고상 배터리는 건조되지 않고 누설되지 않는다는 고유의 장점을 갖기는 하지만, 고체를 통한 이온의 제한된 확산 속도로 인해 그들의 동작이 온도에 크게 의존하고 많은 경우에 상온 이하에서만 양호하게 동작하므로 액상 배터리와 비교했을 때 주된 단점을 갖는다. 이와 같은 제한된 확산 속도는 고상 배터리의 특성으로서, 발생된 전기적 에너지 대 그들의 가능한 화학적 에너지의 비율이 낮다.
액상 박층 배터리는 통상 분리기(separator)가 개재된 양극 및 음극 능동 불용성 재료층을 포함하며, 분리기는 전해 용액에 담궈져서 전해 액층으로서 기능한다. 이러한 배터리, 예컨대, 와키(Waki) 등에게 특허된 미국 특허 제 4,623,598 호 및 후미노부(Fuminobu) 등에게 특허된 일본 특허 제 61-55866 호에 개시된 것과 같은 배터리들은 액체가 증발되는 것을 방지하기 위해 덮개막내에 봉인되어야 하고, 따라서 폐쇄형 전기화학적 셀이 된다.
폐쇄형 셀의 경우, 이들 배터리는 기계적 보조디바이스가 전혀 없는 박층 배터리에서는 치명적 문제인 가스 발생으로 인해 축전시에 팽창하려 하고, 축적된 가스에 의해 부과되는 압력은 층의 분리를 초래하며, 따라서, 배터리의 고장을 일으킨다. 이러한 문제를 극복하기 위한 수단으로서 (i) 배터리 층들을 함께 부착(즉, 접착)시키기 위해 도포되는, 하이드록시에틸셀룰로우즈(hydroxyethylcellulose)와 같은 중합체 강화 점성 에이젼트(polymer increased viscosity agent)를 사용하여 고체 지지물의 결핍으로 인해 부과되는 이들 배터리에 있어서의 고유 문제점을 극복하는 것과, (ii) 수은을 부가하여 가스, 특히, 수소의 형성을 방지하는 것이 있다. 그러나, 이 중합체는 그의 효율면에서 제한되고, 수은은 환경면에서 위험하다.
이상 설명된 한계를 해소시키기 위한 한가지 방법이 키스(Kis) 등에게 특허된 미국 특허 제 3,901,732 호에 개시되어 있으며, 이 특허에서는 배터리로부터의 어떤 전해질 손실도 방지하면서 배터리내에 형성된 바람직하지 않은 가스의 배출을 허용하는 가스-투과 전해질-불투과성 중합체 재료가 배터리 셀을 밀봉시키기 위한 덮개 막으로서 이용된다.
그러나, 액상 박층 배터리내에 바람직하지 않은 가스가 축적되는 것을 회피하는 더욱 직접적이고 효율적인 접근법은 가스가 쉽게 방출될 수 있도록 이들 배터리를 개방된 셀로서 제공하는 동시에 액체의 증발 및 배터리의 건조를 방지할 수 있는 수단을 제공하는 것이다. 이와 같은 구성에 의해 케이싱(casings)이 없는 박층 배터리가 제조되었으며, 따라서 배터리는 더욱 얇고, 더욱 유연하며, 더욱 간단하고, 따라서 더욱 저렴하게 대량 생산된다.
이와 같이, 가스 축적의 문제 및 액체 증발의 문제가 없는 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀을 제공하는 것이 매우 유리하며, 그에 대한 필요성이 널리 인식되었다.
본 발명에 따르면, 다양한 컴팩트 구조의 소형화된 휴대형 전기 구동식 디바이스를 위한 1차 또는 재충전식 전원 공급 디바이스로서 사용될 수 있는 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀이 제공된다. 또한, 이러한 셀을 제조하는 방법이 제공된다. 본 발명의 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀은 습성 전해질을 포함하여 유연성이고 박층이며 개방형 구조를 유지함으로써 축전시에 가스의 축적이 방지된다.
이하 설명되는 본 발명의 바람직한 실시예에서의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명의 셀은 불용성 음극의 제 1 층과, 불용성 양극의 제 2 층과, 수성 전해질의 제 3 층을 포함하되, 상기 제 3 층은 제 1 층과 제 2 층 사이에 배치되며, (a) 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료(deliquescent material)와, (b) 요구된 이온 도전성을 획득하기 위한 전기반응성 가용성 재료(soluble material)와, (c) 제 1 층 및 제 2 층을 제 3 층에 접착시키는 데 필요한 점성을 획득하기 위한 수용성 중합체를 포함한다.
이러한 셀은 유연하고 박형 구조를 갖는 저렴한 셀을 요구하는 다양한 애플리케이션에서 본 발명에 따라 이용된다.
따라서, 개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 전기적으로 동작되는 디바이스와 디바이스에 그의 동작을 위한 전력을 제공하기 위한 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 포함하는 애플리케이션이 제공되는데, 본 전기화학적 셀은 불용성 음극의 제 1 층과, 불용성 양극의 제 2 층과, 수성 전해질의 제 3 층을 포함하되, 제 3 층은 제 1 층과 제 2 층 사이에 배치되며, (a) 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료와, (b) 요구된 이온 도전성을 획득하기 위한 전기반응성 가용성 재료와, (c) 제 1 층과 제 2 층을 제 3 층에 접착시키는 데 필요한 점성을 획득하기 위한 수용성 중합체를 포함한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 본 디바이스는 기판 재료와 이 기판 재료에 부착된 적어도 하나의 전자적 구성요소를 포함하되, 적어도 하나의 전자적 구성요소는 감지적 기능을 수행하기 위한 것이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 기판은 연하장(greeting card), 명함(business card), 영화 또는 영화관 티켓, 컴팩트 디스크(CD)용 스티커, 식품 패키지 및 인쇄물로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 감지적 기능은 제한적이지는 않지만 전계 또는 전류의 효과에 기인한 컬러의 변화를 포함하는 청각적 또는 시각적 기능이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 청각적 기능은 멜로디, 음성 및 전화 다이얼 톤으로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 본 디바이스는 파워 스위치를 포함한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 적어도 하나의 전자적 구성요소는 오디오 디바이스 및 발광 디바이스로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 오디오 디바이스는 오디오 칩 및 에코 챔버를 포함한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 발광 디바이스(light emitting device: LED)는 저전류 LED이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 디바이스는 스마트 카드 또는 태그(tag)이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 디바이스는 대화형 북(interactive book)이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 디바이스는 타이머이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 타이머는 기판 재료와 이 기판 재료에 부착된 타이머 칩을 포함하며, 상기 타이머 칩은 시간 간격을 조정하고 그 시간 간격이 경과되었을 때 감지적 기능을 동작시키도록 사전설정가능하다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 기능은 오디오 디바이스 또는 발광 디바이스에 의해 이루어진다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 감지적 기능은 청각적 또는 시각적 기능이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 청각적 기능은 멜로디, 음성 및 경보로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 타이머 칩은 프로그램가능하다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 타이머 칩은 리셋가능하다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 오디오 디바이스는 오디오 칩 및 에코 챔버를 포함한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 발광 디바이스는 저전류 LED이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 타이머는 약 타이머(drug timer)이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 디바이스는 화합물의 경피성 전달(transdermal deliver)을 위한 능동 패드(active pad)이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 화합물의 경피성 전달을 위해 상기 능동 패드는 이온삼투요법(iontophoresis), 초음파 및 일렉트로포레이션(electroporation)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 방법을 이용한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 화합물은 약제 화합물, 미용 화합물 및 마취 화합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 디바이스는 화합물의 경피성 회수(transdermal recovery)를 위한 능동 패드이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 화합물의 경피성 회수를 위하여, 상기 능동 패드는 이온삼투요법, 초음파 및 일렉트로포레이션으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 기법을 이용한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 화합물은 포도당이 다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 디바이스는 혈압 측정기, 맥박 측정기 및 심전도(ECG) 측정기로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 디바이스는 온도계이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 온도계는 서미스터 센서 및 전자 칩을 포함하고, 상기 센서는 열량을 감지하고 그 열량을 상기 열에 대응하는 크기의 전기적 파라미터로 변환하며, 상기 칩은 상기 파라미터의 크기를 측정하며 상기 파라미터를 온도 값의 출력으로 변환하기 위한 것이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 온도계는 또한 온도 값을 디스플레이하기 위한 디스플레이를 포함한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 디바이스는 포도당 센서이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 포도당 센서는, 예컨대, 역 이온삼투요법에 의해 환자로부터의 포도당을 경피적으로 회수한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 포도당 센서는 피부를 찔러서 혈액 샘플을 획득하는 바늘과, 포도당 옥시다제 기반 포도당 센서와, 포텐셔스탯(potenciostat)과, 혈액 샘플내의 포도당 레벨을 정량화하기 위한 전자 칩을 포함한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 디바이스는 게임기(game)이다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 게임기는 분산 언레이블링된 구성요소들(distributed un-raveled components)을 포함하고, 이 언레이블링된 구성요소들은 셀로부터의 전류가 동시에 또는 사전결정된 순서로 상기 구성요소들에 도달한 경우에 드러나게 되며, 이러한 전류의 도달은 플레이어에 의해 활성화된다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, (a) 전류 도체인 습성 잉크를 제 1 및 제 2 기판의 내측면상에 도포하는 단계와, (b) 건조되기 전에, 상기 제 1 기판의 습성 잉크상에 양극 파우더를, 그리고 상기 제 2 기판의 습성 잉크상에 음극 파우더를 도포하는 단계와, (c) 다공성 물질을, 조해성 재료, 전기반응성 가용성 재료 및 수용성 중합체를 함유하는 수용액으로 적시는 단계와, (d) 상기 내측면들이 상기 다공성 물질와 접하도록 상기 제 1 및 제 2 기판을 상기 다공성 물질에 부착시켜 3층 셀을 형성하는 단계를 포함하는 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 제조하는 방법이 제공된다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은 (e) 상기 단계(d)에 앞서서 상기 기판의 내측면상에 또는 상기 다공성 물질의 양측면에, 기하학적 구성에 따라 접착제를 도포하는 단계를 더 포함한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은 단계 (d)를 수행한 후에 기하학적 구성에 따라 상기 3층 셀을 절삭(cutting)하는 단계를 더 포함한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 절삭은 레이저로 수행된다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은 (e) 상기 기판들중 적어도 하나의 기판상에 장식용 애플리케이션을 부가하는 단계를 더 포함한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, (a) 기판상에 습성 잉크의 제 1 층을 프린팅하는 단계와, (b) 건조되기 전에, 상기 제 1 층 위로 양극 파우더 층을 바르는 단계와, (c) 상기 양극 파우더 층 위로, 섬유질, 조해성 재료, 전기반응성 가용성 재료 및 수용성 중합체를 함유하는 수용액의 층을 프린팅하는 단계와, (d) 건조되기 전에, 상기 수용액의 층 위로 음극 파우더 층을 바르는 단계와, (e) 상기 음극 파우더 층 위로 잉크의 제 2 층을 프린팅하는 단계를 포함하는 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 제조하는 방법이 제공된다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은 (f) 단계 (a)를 수행하기 전에 상기 기판상에 도전층을 프린팅하는 단계를 더 포함한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은 (f) 상기 단계 (e)를 수행한 후에 잉크의 제 2 층 위로 도전층을 프린팅하는 단계를 더 포함한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 불용성 음극의 제 1 층과, 불용성 양극의 제 2 층과, 수성 전해질의 제 3 층을 포함하는 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀이 로울링되어 이루어지는 원통형 배터리가 제공되며, 상기 제 3 층은 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 배치되고, (a) 상기 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료와, (b) 요구된 이온 도전성을 획득하기 위한 전기반응성 가용성 재료와, (c) 상기 제 1 층과 상기 제 2 층을 상기 제 3 층에 접착시키는데 요구된 점성을 획득하기 위한 수용성 중합체를 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 북 조립체(book assembly)로 착탈가능하게 조립된 다수의 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 포함하는 배터리 북이 제공되며, 각각의 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀은 불용성 음극의 제 1 층과, 불용성 양극의 제 2 층과, 수성 전해질의 제 3 층을 포함하고, 상기 제 3 층은 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 배치되며, (a) 상기 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료와, (b) 요구된 이온 도전성을 획득하기 위한 전기반응성 가용성 재료와, (c) 상기 제 1 층과 상기 제 2 층을 상기 제 3 층에 접착시키는 데 필요한 점성을 획득하기 위한 수용성 중합체를 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 불용성 음극의 제 1 층과, 불용성 양극의 제 2 층과, 수성 전해질의 제 3 층을 포함하는 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀이 제공되며, 상기 제 3 층은 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 배치되고, (a) 상기 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료와, (b) 요구된 이온 도전성을 획득하기 위한 전기반응성 가용성 재료와, (c) 상기 제 1 층과 상기 제 2 층을 상기 제 3 층에 접착시키는 데 필요한 점성을 획득하기 위한 수용성 중합체를 포함하며, 상기 셀은 또한 상기 층들중 하나와 접촉하는 pH 센서를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 접을 수 있는(foldable) 조립체로 헤드-투-테일 구조(head-to-tail configuration)로 조립된 다수의 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 포함하는 배터리 폴드(a battery fold)가 제공되며, 각각의 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀은 불용성 음극의 제 1 층과, 불용성 양극의 제 2 층과, 수성 전해질의 제 3 층을 포함하고, 상기 제 3 층은 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 배치되며, (a) 상기 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료와, (b) 요구된 이온 도전성을 획득하기 위한 전기반응성 가용성 재료와, (c) 상기 제 1 층과 상기 제 2 층을 상기 제 3 층에 접착시키는 데 필요한 점성을 획득하기 위한 수용성 중합체를 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 컨테이너와 그에 부착된 스티커를 포함하는 컴팩트 디스크 컨테이너가 제공되며, 상기 스티커는 상기 컨테이너내에 있을 것으로 기대되는 컴팩트 디스크의 청각적 내용의 감각 표시를 제공하도록 동작한다.
개시된 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 상기 감각 표시는 청각이고, 상기 청각적 내용으로서 식별가능한 청각적 디스플레이를 포함한다.
본 발명은, 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료와 전극 층들을 수성 전해질 층에 접착시키는 데 필요한 점성을 획득하기 위한 수용성 중합체를 사용함으로써, 셀을 습윤하게 손상되지 않게 유지하면서 축전시에 가스를 축적시키지 않는 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀을 제공하여 현재 알려진 종래 구성의 단점을 성공적으로 해소시켰다. 또한, 셀의 품질은 외부의 강성 주물을 전혀 갖지 않고, 따라서, 얇고 가볍고 유연성이 있으며, 어떠한 사이즈, 형상, 컬러 및 적용 패턴으로도 제조될 수 있으므로 각종 애플리케이션에 적합하고, 비용이 효율적이며, 환경적으로 안전하고 인간에게 해를 끼치지 않는 재료로 제조되며, 접착제의 배킹에 의해 자기 접착성(self sticking)이 있다.
이제 첨부된 도면을 참조하여 단지 실시예로서 본 발명이 설명된다.
도 1은 본 발명의 개시에 따른 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀의 기본적 구성의 사시도,
도 2는 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀의 다른 가능한 구성의 사시도,
도 3a 및 3b는 결과적으로 형성되는 전력 공급 디바이스로부터 획득되는 전기적 에너지를 더욱 증가시키기 위해 도 1 및 도 2에 도시된 두 셀을 바이-폴라 접속함으로써 제각기 형성되는 전원 공급디바이스의 두 가능한 구성의 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀의 전압에 대해 실온에서 전압계에 의해 시간의 함수로서 측정되었을 때 얻어지는 그래프,
도 5는 본 발명에 따라, 기판 재료와, 감지적 기능을 수행하는 적어도 하나의 전자적 구성요소를 포함하는 디바이스의 개략적인 도면,
도 6은 도 5에 도시된 디바이스에 구현된 스위치 및 에코 챔버의 개략적인 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 타이머의 개략도,
도 8은 본 발명에 따른 화합물의 경피성 전달을 위한 능동 패드의 개략도,
도 9는 본 발명에 따른 온도계의 개략도,
도 10은 본 발명에 따른 포도당 센서의 개략도,
도 11은 본 발명에 따른 게임기의 개략도,
도 12는 본 발명에 따른 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀을 로울링함으로써 형성된 원통형 배터리의 사시도,
도 13은 본 발명에 따른 다수의 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀을 북 조립체로 착탈가능하게 조립함으로써 형성된 배터리 북의 사시도,
도 14는 본 발명에 따른 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀에 의해 동작되는 청각적 티켓의 개략도,
도 15는 본 발명에 따른 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀에 의해 동작되는 청각적 컴팩트 디스크(CD) 스티커의 개략도,
도 16은 본 발명에 따른 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀에 의해 구동되는 맥박/혈압 측정기의 사시도,
도 17은 본 발명에 따른 스마트 카드/태그의 개략도,
도 18은 본 발명에 따라, 이웃하는 셀의 양극 및 음극 연장부가 서로 전기적으로 접촉하는 헤드-투-테일 구성으로 배열된 다수의 개방형 셀의 개략도이다.
본 발명은 컴팩트한 설계의 다양한 소형의 휴대형 전기 디바이스들을 위한 1차 또는 재충전가능형 전원 공급디바이스로서 이용될 수 있는 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀에 관한 것이다. 본 발명의 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀은 습성 전해질을 포함하고, 또한 유연성을 갖고 얇고 개방된 구성을 유지함으로써 축전시에 가스의 축적을 방지한다. 본 발명은 또한 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀을 이용해 동작가능한 다양한 디바이스로 이루어진다.
본 발명에 따른 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀 및 그의 애플리케이션의 원리 및 동작은 첨부 도면과 이하의 설명을 참조함으로써 잘 이해될 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세히 설명하기에 앞서서, 본 발명이 그의 애플리케이션에서 이하의 설명 또는 도면에 예시된 구성요소들의 구성 및 배열의 세부사항들에 한정되지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명은 다양한 방법으로 실시 또는 수행되는 다른 실시예로도 가능하다. 또한, 본 명세서에서 사용된 어법 및 용어는 설명을 목적으로 한 것이며, 제한으로 여겨져서는 안됨을 이해해야 한다.
이제 도면을 참조하면, 도 1에는 본 발명의 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀의 기본적 구성이 참조부호(10)으로서 도시되어 있다.
셀(10)은 불용성 음극의 제 1 층(14)과, 불용성 양극의 제 2 층(16)과, 수성 전해질의 제 3 층(12)의 3개 층을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 산화가 발생하는 곳은 방전된 음극이며, 환원이 발생하는 곳은 양극이다. 수성 전해질 층(12)은 개방형 셀(10)을 항상 습윤하게 유지하기 위한 액화(즉, 흡습성) 재료와, 요구된 이온 도전성을 획득하기 위한 전기반응성 가용성 재료와, 수성 전해질 층(12)에 상기 전극 층들(14, 16)을 접착시키는 데 필요한 점성을 획득하기 위한 수용성 중합체를 포함한다. 이하에서 각 층들(14, 16, 12) 및 개방형 셀(10)의 동작에 있어 그들의 역할에 대해 더욱 상세히 설명된다.
수성 전해질 층(12)은 제한적이지는 않지만 통상 필터 페이퍼, 플라스틱 멤브레인, 셀룰로즈 멤브레인, 직물, 부직포 재료(예컨대, 면섬유) 등과 같은 다공성 불용성 물체를 포함하며, 다공성 물질은 조해성 재료, 전기반응성 가용성 재료 및 수용성 중합체의 3개 성분을 포함하는 수용액에 적셔진다.
흡습성에 의해 조해성 재료는 셀(10)을 항상 습윤하게 유지한다. 개방형 셀(10)내의 수분의 레벨은 조해성 재료의 선택, 그의 농도 및 주위 습도에 따라 다를 수 있다. 적절한 조해성 재료는 제한적이지는 않지만 칼슘-클로라이드(calcium-chloride), 칼슘-브로마이드(calcium-bromide), 포타슘-바이포스페이트(potassium-biphosphate), 히알루론산(hyaluronic acid), 포타슘-아세테이트(potassium-acetate) 및 그의 화합물을 포함한다.
전기반응성 가용성 재료는 음극 층 및 양극 층의 재료에 따라 선택된다. 본 발명에 적합한 흔히 사용되는 전기반응성 가용성 재료의 리스트로는, 예컨대, 다양한 1차 셀을 위한 아연-염화물, 아연-브롬화물 및 아연-불소화물과 재충전식 셀을 위한 포타슘-산화물 및 황산이 포함된다.
수용성 중합체는 전극 층들(14, 16)을 수성 전해질 층(12)에 부착(즉, 접착)시키기 위한 접착제로서 이용된다. 적절한 중합체로는 많은 유형이 있는데, 예컨대, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴릭산, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌옥시드, 한천, 아가로제, 전분, 하이드록시에틸셀룰로즈, 이들의 화합물 및 공중합체가 있다.
각각의 음극 및 양극 층들(14, 16)로는 조해성 재료, 전기반응성 가용성 재료 및 수용성 중합체를 포함하는, 앞서 개시된 용액과 유사한 수용액과 함께 적절한(각기 양 또는 음의) 능동 불용성 파우더 재료의 혼합물이 포함된다.
당분야에 숙련된 자라면, 전기반응성 가용성 재료는 변화하지 않아야 하지만, 조해성 재료 및 수용성 중합체는 나중 용액에서 다르게 선택될 수 있음을 알 것이다. 즉, 전기반응성 가용성 재료는 3개 층(12, 14, 16)에서 모두 동일하게 유지되어야 하지만, 조해성 재료 및 수용성 중합체는 특정 응용에 따라 층들간에 다를 수 있다.
정합용 전기반응성 가용성 재료를 갖는 음극 층(14) 및 양극 층(16)에 대해 능동 불용성 파우더 재료를 적절히 선택함으로써, 실시예로서 이하에 예시되는 바와 같이, 전원 공급 디바이스(즉, 배터리)로서 이용될 수 있는 유연성 박층 셀이 제공되는데, 이 셀은 개방형이어서 축전시에 가스를 축적시키지 않고, 조해성 재료의 흡습윤하게 인해 셀은 개방되어 있더라도 항상 습윤하게 유지될 수 있게 보장된다.
음극(14) 및 양극(16)에 이용될 적절한 재료의 쌍으로는, 제한적이지는 않지만, 망간-이산화물/아연, 은-산화물/아연, 카드뮴/니켈-산화물 및 철/니켈-산화물이 포함되는데, 망간-이산화물 및 은-산화물은 선택사양적으로 종래에 잘 알려진 바와 같이 도전성 탄소 파우더와 혼합된다). 아연은 아연 파우더 층으로서 도포된 후 가압되어 층을 형성할 수도 있다. 접착성 또는 도전성 잉크를 이용하여 아연 층을 강화시킬 수도 있다. 이러한 층은 또한 이후 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 탄소 또는 도전성 잉크와 마찬가지로 컬렉터(collector)로서 기능할 수도 있다.
당분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 단일의 재료가 조해성 재료 및 전기반응성 가용성 재료로서 기능할 수도 있음을 잘 알 것이다. 그러나, 이러한 재료는 적절한 전기반응성 및 흡습성의 특성을 획득해야 한다. 이러한 유형의 적절한 재료로는, 제한적이지는 않지만, 아연-염화물 및 아연-부롬화물이 포함된다.
또한, 당분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 단일의 재료가 조해성 재료 및 수용성 중합체로서 기능할 수도 있음을 명백히 알 것이다. 그러나, 이러한 재료는 적절한 흡습성 및 접착성의 특성을 획득해야 한다. 이러한 유형의 적절한 재료로는, 제한적이지는 않지만, 덱스트레인(dextrane), 덱스트레인설페이트(dextranesulfate) 및 그의 화합물 및 공중합체가 포함된다.
도 1에 제공되고 앞서 설명된 3층(12, 14, 16)은 얇게 제조될 수 있고 유연성이 있으며, 따라서, 셀(10)은 유연성이 있고 그 두께는 0.3 이하에서 1.5㎜의 범위이다. 이후 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 셀(10)은 적절한 프린팅 기술에 의해 제조되는 것이 현재 바람직하다. 적절한 프린팅 기술로는, 제한적이지는 않지만, 실크 프린팅, 오프셋 프린팅, 제트 프린팅, 라미네이션, 재료 증발 및 파우더 분산이 포함된다.
다른 가능한 구성이 도 2에 도시되며, 전반적으로 참조부호(20)가 할당된 셀이 도시되어 있다. 셀(10)처럼, 셀(20)도 기본 셀을 형성하는 층들(12, 14, 16)(사선으로 표시됨)을 포함한다. 셀(20)은 또한 추가적인 하나 또는 두개의 도전층(22, 24)을 포함하여 음극 층(14) 및 양극 층(16)의 전도성을 증가시키고 있다. 적절한 도전층으로는 흑연 페이퍼, 탄소 직물 및, 제한적이지는 않지만 금, 은 및 구리 잉크 등을 포함하는 금속 잉크와 같은 도전성 잉크가 있다. 셀(20)은 또한 음극 단자(26) 및 양극 단자(28)를 포함하며, 이들 터미널(26, 28)은 제각기 대응하는 전극 층(14, 16)과 전기적으로 접촉하거나, 제각기 대응하는 도전층(22, 24)과 전기적으로 접촉하거나, 또는 제각기 대응하는 층(14, 22; 16, 24)과 동시에 전기적으로 접촉한다. 이들 터미널(26, 28)은, 제한적이지는 않지만, 흑연이나 철, 니켈, 티타늄, 구리, 스테인레스강 및 그의 혼합물과 같은 금속과 같이 임의의 적절한 재료로 제조되며, 앞서 열거된 바와 같은 적절한 프린팅 기술을 이용해서 셀(20)에 도포된다.
터미널(26, 28)은 셀(20)을 전기 디바이스와 같은 부하(a load)에 전기적으로 접속시키는데 이용된다. 터미널(26, 28)은 셀(20)의 어떤 바람직한 위치에도 위치될 수 있고, 어떤 적절한 형상 및 사이즈도 가질 수 있으며, 특정 응용에 따라 이들 터미널(26, 28)은 셀(20)의 표면 및 용적으로부터 돌출될 수도 있다. 셀(20)은 또한 셀(20)을 다양한 표면에 부착시킬 수 있도록 적어도 하나의 외부에 위치된 접착성 배킹(backing)(29)을 포함할 수도 있으며, 또는 모든 다른 층들을 물리적으로 보호하기 위해 적어도 하나의 외부에 위치된 라미나 보호층(30)을 포함할 수도 있다.
또 다른 구성이 도 3a 및 3b에 도시되어 있다. 도 3a에 도시된 바와 같은 둘 이상의 셀(10) 또는 도 3b에 도시된 바와 같은 셀(20)은 결과적으로 형성되는 제각기의 전력 공급 디바이스(40, 50)로부터 얻어지는 전기적 에너지를 더욱 증가시키기 위해 바이-폴라 접속(a bi-polar connection)에 의해 전기적으로 접속된다. 이를 목적으로, 둘 이상의 셀이 헤드-투-테일 구성으로 서로에게 접착되는데, 인접하는 셀간에 전자의 경로가 형성될 수 있도록 도전성 양면 접착 테이프, 또는, 예컨대, 적절한 프린팅 기술에 의해 도포되는 도전성 접착층(42)을 이용하여 층들(22, 14, 12, 16, 24)의 배열로 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이 접착된다.
전력 공급 디바이스(40, 50)는 또한 도 2에 도시된 표면과 유사한 외측의 접착성 배킹(29)과, 도 2에 도시된 층(30)과 유사한 외측 라미나 보호층을 포함할 수도 있음은 분명하다. 또한, 전력 공급 디바이스(40, 50)는 제각기 도 2의 터미널들(26, 28)과 유사한 양극 및 음극 단자 터미널을 포함할 수도 있음은 분명하다.
이제 도 12를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따라, 본 명세서에 개시된 구성들중 임의의 구성에 따른 셀(300)이 원통형 배터리(301)로 롤링된다. 접착제는 바람직하게는 원통형을 함께 유지하도록 사용된다.
다음으로, 도 13을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 명세서에 개시된 구성들중 어느 하나에 따른 다수의 셀(300)이 단일의 셀 또는 배터리(300)가 사용을 위해 분리될 수도 있는 북 조립체(302)로 착탈가능하게 조립된다. 셀(300)은 필요에 따라 크기조정될 수도 있다. 배터리(300)를 사용하는 한가지 실시예는 셀룰러 폰 및, 노트북 컴퓨터를 포함하는 특히 휴대형 디바이스인 다른 전기적으로 동작되는 디바이스들을 위한 비상용의 일회용 배터리로서이다.
다음으로 도 18을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따라, 본 명세서에 개시된 구동들중 어느 하나에 따른 다수의 셀(300)이 헤드-투-테일 구성으로 정렬되는데, 이웃하는 셀들의 양극 및 음극 연장부(339)가 서로 전기적으로 접촉되어 직렬 접속용 터미널로서 기능하여 전압을 배가시킨다. 이러한 배터리 폴드 구성은 프린팅 기술을 이용해서 용이하게 성취될 수 있다. 결과적인 배터리 폴드 구성은 최소의 공간을 점유하도록 아코디온(accordion)처럼 접을 수 있다. 연장부(339)는 바람직하게는, 제한적이지는 않지만, 이웃하는 셀(300)간을 분리시키는 탄소 파우더와 같은 컬렉터를 포함한다.
도 1을 다시 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 셀(10)은 또한 자신에게 부착된 pH 센서(400)를 포함한다. 센서(400)는 셀(10)의 pH를 감지하며, 셀(10)의 pH 값을 알리는 변화(예컨대, 컬러 변화)를 나타낸다. 따라서, 센서(400)는 사용자에게 셀(10)의 동작 능력에 관련되는 정보를 제공한다. pH 센서는 종래에 잘 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 더 이상 설명되지 않는다. 이러한 센서는 프린팅 기술을 이용하여 셀(10)에 도포될 수 있다.
본 발명은 또한 앞서 설명된 셀과 유사한 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 제조하는 방법을 제공하는데, (a) 다공성 물질을, 조해성 재료, 전기반응성 가용성 재료 및 수용성 중합체를 함유하는 수용액으로 담금(dipping) 또는 프린팅 기술중 어느 것에 의해 적시는 단계와, (b) 상기 다공성 물질의 일측면상에 음극 층을 도포하는 단계와, (c) 상기 다공성 물질의 다른 측면상에 양극 층을 도포하는 단계를 포함한다. 음극 및 양극 층은 바람직하게는 상기 단계(a)에서와 동일한 유형으로 이루어지는 조해성 재료, 전기반응성 가용성 재료 및 수용성 중합체와 혼합된 능동 불용성 파우더 물질을 포함하며, 바람직하게는 앞서 열거된 예들중에서 선택된 적절한 프린팅 기술을 이용하여 도포된다.
본 방법은, 제한적이지는 않지만, 외측 접착성 배킹 및/또는 라미나 보호층 및, 양극 및 음극 단자와 같은 부가의 층 및 구성요소를 상기 셀에 부가하는 것을 더 포함한다.
또한, 본 방법은 둘 이상의 셀을 도전성 양면 접착 테이프 또는, 예컨대, 적절한 프린팅 기술에 의해 도포된 도전성 접착층으로 바이-폴라 접합하여, 증가된 파워(예컨대, 실질적으로 2배, 3배 등)를 공급하는 전원 공급 디바이스를 형성하는 것을 더 포함한다. 본 발명에 따르면, 이러한 바이-폴라 접합은 둘 이상의 사전제조된 셀을 헤드-투-테일 배열로 함께 접합함으로써, 또는 대안적으로 상기와 같이 배열된 둘 이상의 셀을, 바람직하게는 앞서 설명된 바와 같은 적절한 프린팅 기술을 이용하여 서로간에 적절한 층을 도포함으로써 직접 제조함으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀은 종래의 박층 셀에 비해 많은 장점을 갖는다. 본 발명의 셀은 개방형이기 때문에 축전시에 가스를 축적시키지 않고, 또, 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료와, 전극 층들을 수성 전해질 층에 접착시키는 데 필요한 점성을 획득하기 위한 수용성 중합체를 이용함으로써 습윤하게 손상없이 유지된다.
본 발명의 유연성 박층 개방형 전기화학적 셀은 다음과 같은 다른 특징을 갖는다. 첫째, 외측의 강성 주물을 갖지 않으므로 얇고 가볍고 유연하며, 어떤 사이즈, 형상, 컬러 및 응용 패턴으로도 제조될 수 있고, 따라서, 다양한 애플리케이션에 적합하다. 둘째, 제조를 위해 적절한 프린팅 기술을 사용함으로써 제조 비용이 감소되고, 따라서, 부분적으로는 대형의 판으로 제조될 수 있으므로 사용후에 폐기될 수도 있고, 부분적으로는 이러한 프린팅 기술이 본질적으로 비용면에서 저렴하기 때문에 프린팅후에 소정의 원하는 사이즈로 절삭될 수 있다. 셋째, 본 발명의 셀은 환경면에서 인간에게 해를 미치지 않는 재료로 바람직하게 제조된다(즉, 바람직하게 수은이나 중금속을 전혀 함유하지 않는다). 마지막으로, 접착성 배킹에 의해 자기 접착성으로 제조될 수 있다.
다음으로, 이상의 설명과 함께 실시예를 참조하여 본 발명을 설명한다.
(실시예 1)
1.2㎖의 물에 120㎎의 폴리비닐알콜(수용성 중합체) 및 1680㎎의 아연-염화물(조해성 재료 및 전기반응성 가용성 재료)을 함유하는 용액을 준비한다. 이 용액은 점성과 같은 접착 특성을 갖는다. 4.5㎝×7㎝의 필터 페이퍼 스트립을 프린팅 또는 담금 기술에 의해 준비된 용액으로 완전히 적셨다. 300㎎의 아연 파우더와 준비된 용액의 혼합물을 준비하여 페이퍼 스트립의 한 측면상에 프린팅하였으며, 이것은 음극 층으로서 작용한다. 상기 스트립의 다른 측면상에 250㎎의 망간-이산화물, 50㎎의 도전성 탄소 파우더 및 준비된 용액의 혼합물을 프린팅하였으며, 이것은 양극 층으로서 작용한다. 이들 양 측면을 부하 위에 전기적 접촉시켜 접속할 때 전류를 측정하였다. 1.7±1.2 볼트의 전압에서 ㎠당 12㎂의 전류가 실온에서 계속해서 5일동안 쉽게 유지되었다.
(실시예 2)
상기한 실시예 1에서 기술된 바와 같은 개방형 셀을 준비하여 전압계에 접속하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 실온에서 셀에 의해 생성된 전압의 측정치는 1.7±1.2의 명백한 전압을 나타내었으며, 계속해서 9일동안 유지되었다.
(실시예 3)
포화된 포타슘-수산화물 용액을 준비하여 수용성 중합체와 혼합함으로써 접착제의 점성을 갖게 하였다. 다공성 물질(예컨대, 필터 페이퍼)를 준비된 용액으로 완전히 적시고, 준비된 용액과 니켈-산화물 파우더의 혼합물을 다공성 물질의 일측면상에 발라서 양극 층을 형성하고, 카드뮴 파우더를 갖는 유사한 혼합물을 다공성 물질의 다른 측면상에 발라서 음극 층을 형성하였다. 전압계를 양 측면에 접속하자 1.2볼트의 전압이 측정되었고, 이들 두 층을 부하에 접촉시켰을 때 고전류가 측정되었다. 본 셀은 개방된 상태에서 건조되지 않고 요구에 따라 재충전가능하다.
(실시예 4)
실시예 3과 동일한 포타슘-수산화물 용액을 준비하여 다공성 물질을 준비된 용액으로 적셨다. 이 용액과 아연 파우더의 혼합물을 다공성 물질의 일측면상에 발라서 음극 층을 형성하고, 요구에 따라 얼마간의 탄소 파우더를 함유하는 은-산화물 파우더와의 마찬가지 혼합물을 상기 다공성 물질의 다른 측면상에 발라서 양극 층을 형성하였다. 전압계를 이들 두 측면에 접속하자, 1.2 볼트의 전압이 측정되었고, 두 층을 부하에 접촉시켰을 때 다소의 전류가 측정되었다. 본 셀은 개방 상태에서 건조되지 않고 원하는 경우 재충전가능하다.
(실시예 5)
실시예 3에서와 동일한 포타슘-수산화물 용액을 준비하여 다공성 물질을 준비된 용액으로 적셨다. 이 용액과 아연 파우더의 혼합물을 다공성 물질의 일측면상에 발라서 음극 층을 형성하고, 요구에 따라 얼마간의 탄소 파우더를 함유하는 망간-이산화물 파우더와의 마찬가지 혼합물을 상기 다공성 물질의 다른 측면상에 발라서 양극 층을 형성하였다. 이들 두 측면에 전압계를 접속하자, 1.5 볼트의 전압이 측정되었고, 이들 두 층을 부하에 접촉시켰을 때 다소의 전류가 측정되었다. 본 셀은 개방 상태에서 건조되지 않으나, 이와 같이 형성된 셀을 재충전시키는 데에는 문제가 있을 수 있다.
(실시예 6)
실시예 3에서와 동일한 포타슘-수산화물 용액을 준비하고 다공성 물질을 준비된 용액으로 적셨다. 이 용액과 니켈-산화물 파우더의 혼합물을 다공성 물질의 일측면상에 발라서 양극 층을 형성하고, 이 용액과 철 파우더의 마찬가지 혼합물을 상기 다공성 물질의 다른 측면상에 발라서 음극 층을 형성하였다. 이들 두 측면에 전압계를 접속하자, 0.9 볼트의 전압이 측정되었고, 두 층을 부하에 접촉시켰을 때 전류를 측정할 수 있었다. 본 셀은 개방 상태에서 건조되지 않으며, 원한다면 얼마간의 재충전이 가능하다.
(실시예 7)
30 중량%의 황산 용액을 준비하여 수용성 중합체와 혼합함으로써 접착제의 점성을 갖게 하였다. 다공성 물질(예컨대, 필터 페이퍼)를 준비된 용액으로 완전히 적시고, 이 용액과 납-산화물의 혼합물을 다공성 물질의 양측면상에 발랐다. 이들 양 측면을 전원 공급디바이스에 접속하자, 2 볼트를 초과하는 전압이 인가되어 셀이 충전되었다. 충전 및 방전 사이클은 개방 상태에서 셀을 건조시키지 않고 반복될 수 있었다.
다음으로, 전원으로서 앞서 설명된 개방형 셀을 이용하는 애플리케이션에 관한 실시예를 설명한다.
(실시예 8)
이상 설명되고 예시된 셀은, 얇고 가볍고 유연하며 낮은 제조 비용의 장점을 취하는 다양한 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 이들 특징에 의해 본 셀은 양호한 동작을 위해 특정의 유연성을 유지해야 하는 디바이스 및 일회용 디바이스들의 동작을 위해 매우 적절한 전원이 된다.
일반적으로, 본 발명에 따른 모든 애플리케이션은 앞서 설명된 바와 같은 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀 및 전기적으로 동작되는 디바이스를 포함한다. 본 셀은 디바이스에 그의 동작을 위한 전력을 제공하는 기능을 한다. 특정 애플리케이션에 따라, 본 발명의 개방형 셀로부터 전원을 얻기 위한 이하에 설명되는 디바이스는 프린팅 기술을 이용하여 제조될 수 있으며, 여기서 개방형 셀의 층들 및 전자적 구성요소들은 모두 그 프린팅 기술에 의해 도포된다. 특히, 셀 구성이 컬렉터로서 배터리 기술 분야에 또한 잘 알려진 금속 잉크 층과 같은 도전성 층들을 포함하는 경우, 이들 금속 층은 프린팅되면, 다른 프린팅된 전자적 구성요소들과 접촉하기 위한 터미널로서 기능할 수 있다.
본 발명에 따라 디바이스가 프린팅되면, 디바이스는 적절한 케이싱에 의해 보호될 수도 있는 특정의 형상(certain topography)을 갖는다. 이러한 케이싱은 예컨대, 제한적이지는 않지만 포오밍된(foamed) 폴리에틸렌 또는 폴리비닐알콜 등과 같은 몰딩가능한 재료로 형성될 수 있다. 이 몰드(mold)는 디바이스 자체일 수도 있고 그의 복제일 수도 있다. 특정 디바이스의 형상과 일치하는 케이싱 특징 형상을 형성하는 다른 프로시쥬어는 케이싱을 디바이스의 복제를 이용해 절삭 및 열 가압하거나 기존의 사전정의된 케이싱에 대해 일치하는 형상을 형성하는데 있어서 효과적인 어떤 다른 방법에 의한 것이다. 어느 경우이든, 셀은 또한, 제한적이지는 않지만, 밀라(milar), 렉산 폴리에틸렌 호일 또는 페이퍼와 같은 외부 기판의 층들내에 수용될 수도 있으며, 이들 기판상에는 프린팅된 애플리케이션이 부가될 수 있다. 이들 층은 특정 응용에 따라 냉각 가압 또는 가열 가압을 이용하여 도포될 수 있다.
다음으로 도 5를 참조하면, 한가지 애플리케이션에서, 본 디바이스는 페이퍼, 카톤(carton) 또는 플라스틱 보드(200)와 같은 기판 재료 및 적어도 하나의 전자적 구성요소(202)를 포함한다. 전자적 구성요소(202)는 기판 재료(200)상에 전자적 구성요소들(202) 또는 그 일부를 접착하거나 직접 프린팅함으로써 기판 재료(200)에 부착된다.
전자적 구성요소(202)는 감지적 기능을 수행하기 위한 것으로, 이 기능은 본 명세서에서 인간의 감각중 하나에 의해 감지될 수 있는 기능으로서 정의된다.
기판 재료(200)는 어떤 적절한 형상도 가질 수 있고, 예컨대, 연하장, 명함, 식품 패키지나, 제한적이지는 않지만, 잡지, 노트북, 다이어리 등과 같은 어떤 유형의 인쇄물로서 이용될 수 있다. 본 발명의 한가지 흥미로운 애플리케이션은 어린이용 대화형 북(interactive book)에서이다. 이들 북은 당분야에 잘 알려져 있으며 배터리로 동작되는 시각 및 청각 디스플레이를 포함한다. 얇고 유연한 특성으로 인해, 본 발명에 따른 셀은 대화형 북에서 사용하기에 적합하다. 바람직한 실시예에 따르면, 이 북과 배터리는 분리된 형태로 제공되며, 이 북이 사용될 때 배터리는 그 위에 접착되어 북의 동작을 위한 전원으로서 기능한다. 배터리는 소모 후, 새로운 것으로 대체된다. 다른 애플리케이션은 이하에서 도 14 및 도 15와 관련하여 설명된다.
이와 같이, 감지적 기능은 메시지 또는 임의 유형의 정보를 사용자에게 전달하는데 사용되거나, 예컨대, 멜로디 또는 발광 패턴의 형태로 즐거움을 제공할 수 있다. 화소 및/또는 그래픽 전자 디스플레이(231)가 또한 당분야에 잘 알려진 바와 같이 포함될 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 감지적 기능은 청각 및/또는 시각 기능이다. 청각 기능은 어떤 유형일 수도 있으며, 따라서, 멜로디, 음성 및/또는 전화 다이얼 톤을 포함할 수 있다. 시각 기능은, 예컨대, 본 명세서에 충분히 개시된 바와 같이 참조로 인용되는 미국 특허 제 4,779,962 호에 개시된 바와 같이 전계/전류 흐름의 효과에 기인한, 예컨대, 이동 물체의 또는 컬러 변화의 빛으로 이루어질 수도 있다.
디스플레이되는 전화 다이얼 톤은 전화 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이 토닝된 전화 번호를 다이얼링하기 위해 전화기에 부착된 DTMF(dual tone multi frequency) 디바이스와 함께 이용될 수 있다.
전자적 구성요소(202)는 바람직하게는 개방형 셀(206), 그의 터미널(208) 및 필요한 회로 접속물(210)과 함께 기판 재료(200)상에 프린팅된다. 전자적 구성요소를 프린팅하는 방법은 당분야에 잘 알려져 있다. 한 예가 미국 특허 제 4,353,954 호 및 제 4,562,119 호에 개시되어 있으며, 이들은 모두 본 명세서에서 충분히 개시된 바와 같이 참조로 인용된다. 본 발명에 따른 개방형 셀을 기판상에 프린팅하는 방법이 이하에서 설명된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 디바이스는 전원 스위치(204)를 포함한다. 스위치(204)는 요구에 따라 디바이스를 동작시키고 그 동작을 정지시키는 데 이용된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 스위치(204)는 두 재료 층(212, 200)내에 형성되는데, 이들 두 층중 하나는 도전 재료에 의해 내측으로부터 커버된 상승부(elevation)(214), 예컨대, 도전성 탄소 또는 잉크(금속 잉크라고 함) 층으로 형성되며, 이 상승부는 터미널(218) 위에 위치되어 상승부(214)를 가압함으로써 전기 회로를 밀봉한다. 실제로, 본 발명에 따른 개방형 셀의 유연성으로 인해, 층들을 관통해서 형성된 임의의 구멍은 층들의 일측면상에서 도체로 커버되고 그의 다른 측면상에서 터미널에 연결되어, 도체가 터미널과 접촉되도록 도체를 간단히 누름으로써 본 발명에 따른 온/오프 스위치로서 기능할 수 있다. 이와 같이하여, 셀의 유연성은 스위치 단부의 가역적 분리 기능을 수행하도록 작용한다.
또한 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서 전자적 구성요소(202)는 오디오(음성) 칩(221)(예컨대, 홍콩 Cat.#A53915의 코미디어 리미티드(CoMedia Ltd.)에 의해 제공되는 "CHIP ON BOARD" 음성 칩), 바람직하게는 에코 챔버(echo chamber)(224)(예컨대, 독일 누렌버그 70 올베인스트라세 21-23 D 8500 소재의 무라타(muRata)에 의해 제공되는 "압전 사운더/스피커" 에코 챔버) 및/또는 발광 디바이스(222)이다. 바람직한 실시예에서, 발광 디바이스(222)는 저전류 LED(223)이다. 음성 칩(221)은 소리를 기록할 수도 있고 지시에 따라 기록된 소리를 디스플레이할 수도 있다.
또한 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 챔버(224)는 스위치(204)와 마찬가지로 층들(212)내에 형성되며, 이들 층중 하나는 상승부(226)로 형성되고 바람직하게는 개구부(228)를 갖는다. 이와 같이 하여 형성된 공간(229)내에 발진 멤브레인(vibrating membrane)(230)이 위치되며, 이 멤브레인은 압전 소자(232)에 접속되어 오디오 칩(221)(도 5에 도시됨)으로부터 수신된 명령에 따라 발진한다. 멤브레인(230)과 소자(232)의 결합은 피아조세라믹 판(piazoceramic plate)으로서 당분야에 알려져 있다.
본 명세서에 개시된 구성들중 소정의 구성에 따른 이상 설명된 애플리케이션은, 예컨대, 동작시에(예컨대, 펼쳐졌을 때) 소리로 인사를 전하는 청각 연하장에서, 예컨대, 각기 쇼/영화의 멜로디, 문구 등의 잘 알려진 부분을 재생하는 청각 영화관/영화 티켓으로서, CD의 청취 내용중 일부를 재생하는 CD용 청각 스티커로서 이용될 수 있다. 이러한 티켓(304)은 도 14에 도시되며, 스티커(306)는 도 15에서 CD 컨테이너(308)에 부착되어 도시된다. 실제로, 작고 얇은 배터리가 청각용 스티커의 동작에 적합하다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 디바이스는 타이머(240)이다. 바람직하게, 타이머(240)는 본 발명에 따른 개방형 셀(206)이 접착 또는 프린팅에 의해 부착되는 기판(242)을 포함한다. 타이머(240)는 또한 시간 간격을 조정하고 이 시간 간격이 경과되었을 때 감지적 기능을 동작시키도록 리셋될 수 있는 타이머 칩(244)을 포함한다. 적절한 타이머 칩이 미국 캘리포니아 Cat. #COP888의 내쇼날 세미콘덕터 코포레이션(National Semiconductor Corp.)에 의해 제공되고 있다.
이상과 같이, 감지적 기능은 바람직하게는 오디오 및/또는 발광 디바이스(246)에 의해 동작되며, 따라서 감지적 기능은 청각(예컨대, 멜로디, 음성 또는 경보) 및/또는 시각 기능이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 타이머 칩(244)은 프로그램가능한데, 즉, 감지적 기능이 리셋되어 동작되기 까지의 경과 시간 간격을 프로그램가능하다.
프로그래밍은 타이머(240)내에 형성된 적절한 접속 수단(248)을 통해 칩(244)에 접속될 수 있는 외부 프로그래밍 디바이스(249)(예컨대, 컴퓨터)에 의해 수행된다. 당분야에 숙련된 지식을 가진 자라면, 앞서 설명된 바와 같이 프로그래밍을 가능하게 하기 위해, 프로그래밍 디바이스와 타이머(240) 사이에 필요한 접속 수단을 선택하는 방법을 알 것이다.
일실시예에서, 이 타이머는 전자식 주차 요금 애플리케이션에서 이용된다.
다른 실시예에서, 타이머는 약 타이머(a drug timer)로서 작용하는데, 즉, 복용 시간에 도달했음을 표시한다. 이 경우에 기판(242)은 약 컨테이너에 부착될 수 있는 스티커로서 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 약제사는 프로그램 디바이스(249)를 통해 특정의 약을 위해 요구되는 대로 칩(244)을 프로그래밍하며, 약 컨테이너에 타이머(240)를 부착시킨다.
이 경우에, 프로그래밍 디바이스는 바람직하게는 약, 날짜, 환자 이름 및 그 약이 복용되어야 하는데 따른 스케줄과 같은 각종 세부사항을 프린팅하기 위한 프린터를 포함한다.
바람직하게는 약 타이머(240)는 두개의 리셋 스위치(204)를 포함하며, 이 리셋 스위치는 우연히 리셋되는 것을 방지하기 위해 동시에 눌려졌을 때에만 타이머(240)를 리셋시킨다.
본 발명에 따른 개방형 셀의 다른 사용예는 제약, 미용 및 마취 화합물과 같은 화합물의 능동 경피성 전달(active transdermal delivery)에서이다.
도 8에는 화합물의 경피성 전달을 위한 능동 패드 또는 패치(250)가 도시되어 있다. 패드(250)는 사용자의 피부에 부착할 수 있는 일측면(252)을 갖는다. 패드(250)는 경피적으로 전달되어야 하는 화합물을 포함한다.
화합물의 신체내로의 능동 경피성 전달은 당분야에 잘 알려져 있다. 경피성 능동 약 전달에 이용되는 기술은 거의 없다.
이온삼투요법은 피부를 가로질러 작은 하전된 분자를 전달하는데 이용된다. 이 경우에, 화합물은 그들의 자기 전하에 의해 지시되는 경로를 따르며, 전하는 전원에 의해 패드상에 부과된다.
일렉트로포레이션은 짧고 강한 전기 펄스를 이용해서 큰 분자가 지나갈 수 있는 개구를 피부내에 일시적으로 생성한다.
초음파는 고 피치의 음파(high-pitched sound)를 이용하여 피부의 조직을 일시적으로 째서 큰 분자가 지나갈 수 있는 극소의 구멍을 생성한다.
이용된 본 기술에 따르면, 패드(250)에는 필요한 전자 및/또는 초음파 발생기(254)가 구비된다.
능동 패드의 기능 및 정확한 구조에 관한 더욱 자세한 사항은 당분야에 잘 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 더 이상 설명되지 않는다. 이러한 세부사항은, 예컨대, 1996년 12월 파퓰러 사이언스 pp.86-89에 잉그리드 윅켈그렌(Ingrid Wickelgren)에 의한 "Breaking the skin barrier"와, 1987년 뉴욕, 마셀데커 인코포레이티드(Marceldekker Inc.), 편집자: 제이. 알. 로빈슨(J. R. Robinson) 및 브이. 에이치. 엘. 리(V. H. L. Lee), 제 2 판 "Controlled drug delivery fundamentals and applications"와, 미국 특허 제 5,169,384 호, 제 4,763,660 호, 제 5,443,441 호 및 제 3,447,537 호에 개시되어 있으며, 이들 모두는 본 명세서에서 충분히 개시되는 바와 같이 참조로 인용된다.
이상 설명된 개방형 셀은 그의 얇고 가볍고 유연한 특성으로 인해 경피성 약 전달 패드에 이용하기에 매우 유리하다.
따라서, 본 발명에 따르면, 패드(250)에는 능동적인 경피성 약 전달을 위해 필요한 이온삼투요법, 초음파 또는 일렉트로포레이션 효과를 발생시키기 위한 전원으로서 동작하는 셀(206)이 구비된다.
현재 경피성 약 전달을 위해 제공되고 있는 제품으로서 "LECTRP PARCH" 및 "E-TRANS-ELECTROTRANSPORT"가 있다.
다음으로 도 8을 참조하면, 신체로부터 화합물을 경피성 회수하기 위한 능동 패드 또는 패치(250')가 제공된다. 패드(250)와 마찬가지로, 패드(250')는 사용자의 피부에 부착될 수 있는 일측면(252')을 갖는다. 패드(250')는 신체로부터 화합물을 흡수하기 위한 것이다.
신체로부터 화합물을 능동 경피성 회수하는 것은 당분야에 잘 알려져 있으며, 역 이온삼투요법, 역 일렉트로포레이션 및 역 초음파를 이용할 수 있다. 예컨대, 역 이온삼투요법은 포도당의 경피성 회수에 사용되어, 예컨대, 당뇨 환자의 포도당 레벨을 모니터링한다. 역 이온삼투요법 혈액 포도당 모니터링 디바이스는 Abbott/MediSense와의 공동연구로 SpectRx에 의해 제조된다. 다른 디바이스로 GLUCOWATCH로서 알려진 것이 있으며, 시그너스 인코포레이티드(Cygnus Inc.)에 의해 제조된다. "포도당의 전기침투 적출에 영향을 주는 요인"에 관한 연구가 1997년 3월 2일-4일에 파리에서 개최된 "경피성 치료, 사례 연구 이온삼투요법의 심포지움(Symposium of transdermal administration, a case study iontophoresis)에서 미국 캘리포니아주 94063 레드우드시 페노브스콧 드라이브 400에 소재한 시그너스 인코포레이티드의 제이. 에이. 타마다(J. A. Tamada), 케이. 코민스(K. Comyns) 및 알. 오. 폿츠(R. O. Potts)에 의해 발표되었다.
이용된 기법에 따르면, 패드(250')에는 필요한 전자 및/또는 초음파 발생기(254')가 구비된다.
능동 회수 패드의 기능 및 정확한 구조에 관한 더욱 자세한 사항은 당분야에 잘 알려져 있으므로, 더 이상의 설명은 생략한다. 종래의 능동 회수 패드는 미국 캘리포니아주 소재의 시그너스 인코포레이티드에 의해 제조되었다.
앞서 설명된 개방형 셀은 그의 가볍고 유연한 특성으로 인해 경피성 회수 패드에 이용하기에 매우 유리하다. 또한, 이러한 패드의 동작을 위한 배터리를 포함하는 모든 전자디바이스들은 패드 자체상에 프린팅 기술에 의해 적용될 수 있다. 따라서, 전자 디바이스들은 약품 또는 전달 물질을 저장하는데 전용되는 저장소와 일체로 형성된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 패드(250')에는 능동 경피성 회수에 필요한 이온삼투요법, 초음파 또는 일렉트로포레이션 효과를 발생시키기 위한 전원으로서 동작하는 셀(206)이 부가된다.
본 발명에 따른 개방형 셀의 다른 사용예는 온도 측정에 있어서이다. 도 9에는 열량(heat magnitude)을 감지하고 그 열에 대응하는 크기의 전기적 파라미터(예컨대, 저항, 전압 등)로 변환하는 서미스터 센서(262)를 위한 전원(206)으로서, 본 발명에 따른 개방형 셀을 이용하는 전기 온도계(260)가 도시되어 있다. 적절한 서미스터가 Beta Therm Cat.#1K7A1에 의해 제공된다. 온도계(260)는 전기적 파라미터를 정량화하고 그것을 온도 값의 출력으로 변환하는 전자 칩(264)을 더 포함한다.
온도계(260)는 또한 온도 값을 디스플레이하기 위한 디스플레이(266)를 포함한다. 디스플레이(266)는 온도 스케일을 따라 배열된 한 세트의 소형 LED를 포함하여 특정 LED가 동작될 때 사용자로 하여금 그 스케일로부터 온도를 판독하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 개방형 셀의 다른 사용예는 포도당 레벨 측정에 있어서이다.
당뇨병은 세계적으로 1억을 넘게 영향을 주는 만성적으로 생명을 위협하는 질병이다. 이러한 병은 가장 흔하게는 췌장에 의한 인슐린 호르몬 분비의 불충분으로 인해 신체가 자신의 포도당 대사를 적절히 제어할 수 없게 되는 것을 특징으로 한다. 정상적인 사람의 경우에, 혈당이 증가하면, 연속적인 신체적 피드백 메카니즘에 의해 췌장은 적절한 양의 인슐린을 분비하며, 이에 의해 포도당 레벨이 내려간다. 당뇨병은 이러한 능력이 부족한 것으로, 치료를 받지 않으면, 필수적 대사에 의해 혈당 레벨이 제어되지 않게 되어 흔히 치명적 신체장애를 일으키는 순환 장애를 겪게 된다.
인슐린에 관련된 당뇨병의 경우에, 신체의 자연적 인슐린 부족은 통상 하루에 수차례 시행되는 주사에 의해 보상된다. 그러나, 인슐린 투약은 주의깊게 제어되어야 하며, 과잉 인슐린은 발작, 뇌손상 및 사망을 야기할 수 있는 저혈당, 저 혈액 포도당을 초래하게 된다. 따라서, 인슐린 치료를 받는 대부분의 환자들은 자신의 설탕 섭취와 인슐린 투약의 균형을 적절히 맞추기 위해 그들의 혈액 포도당 레벨을 또한 모니터링해야 한다.
현재, 가장 바람직하고 가장 일반적인 휴대가능한 혈액 포도당 모니터링 방법은 혈액 테스트에 의한 것이다. 휴대형 혈액 테스트 디바이스는, 바늘, 효소를 이용한 바이오센싱 재료 및 전기 판독기(광학적으로 또는 저항으로)의 3개 구성요소를 포함한다. 환자는 바늘로 자신의 손가락을 찔러서 테스트 스트립상에 핏방울을 떨어뜨린다. 스트립상에 스며든 바이오센싱 물질은 컬러를 변화시키거나 샘플내의 포도당 농도에 비례하여 전기화학적 전류를 생성한다. 디지털 판독 측정기를 포함하는 이들 키트는 널리 이용되고 있다.
도 10에는 포도당 센서(270)가 도시되어 있다. 센서(270)는 사용자의 피부(예컨대, 손가락 피부)를 찔러서 그의 혈액 샘플을 획득하는 바늘(272)을 포함한다. 바늘(272)은 바람직하게는 백금 바늘이다. 센서(270)는 또한 포도당 옥시다제 기반 포도당 센서(274)와, 포텐셔스탯(276)과, 혈액 샘플내의 포도당 레벨을 정량화하기 위한 전자 칩(277)을 포함한다. 센서(270)는 또한 이와 같이 측정된 혈액 샘플내의 포도당 레벨을 통상적인 농도 단위(예컨대, ㎎/㎗)로 나타내기 위한 디스플레이(278)를 포함한다.
포도당 레벨 측정에서 언급된 각 구성요소들의 동작은 당분야에 잘 알려져 있다. 종래의 포도당 센서는, 예컨대, 미국 메디센스 인코포레이티드(MediSense Inc.) 및 라이프스캔 인코포레이티드(LifeScan Inc.)에 의해 제공되고 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 개방형 셀(206)은 포도당 센서(270)를 동작시키기 위한 전원으로서 기능한다.
본 발명에 따른 개방형 셀의 다른 사용예는 맥박계, 즉, 혈압계 및/또는 ECG 측정기에서이다. 현재 맥박 및 혈압을 모니터링하기 위해 다양한 방법이 이용되고 있다. 이들은 압력을 모니터링하는데, 신체의 맥박과 연관된 청각 및 광학적 발진을 모니터링한다. 이러한 디바이스들은 미국 미네소타주 55447-4755 플리마우스 페른부루크 레인 노쓰 2605에 소재한 노닌 메디컬 인코포레이티드(Nonin Medical Inc.)와 한국 경기도 안양시 동강구 평촌동 133-3번지에 소재한 세인 전자 주식회사(Sein Electronics Co.)를 포함하는 극소의 제조자들에 의해 일회용 및 재생용 형태로 제공되고 있다. 이들 회사에 의해 제조되는 디바이스들은 통상 AAA 또는 버튼형 배터리를 포함한다. 특히, 그들의 일회용 형태에 대해서는 본 발명에 따른 개방형 셀을 갖는 측정기를 제공하는 것이 매우 유리하다.
휴대형으로 소형화된 ECG 측정기는 스위스 체하-1632 리아즈에 소재한 CADItec AG, 메디컬 인스트루먼트에 의해 제조된다. 이러한 ECG 측정기는 본 명세서에 수록된 장점들을 갖는 본 발명에 따른 개방형 셀 배터리의 장점을 얻을 수 있다.
도 16에는 요구된 센서/전극을 내부에 수용하는 하우징(312)을 포함하는 맥박, 혈압 또는 ECG 측정기(310)가 도시되어 있다. 이러한 측정기(310)는 또한 자신의 동작을 위해 전원을 공급하는 본 발명에 따른 개방형 셀(314)을 포함한다. 측정기(310)는 또한 그를 온/오프시키고 그의 동작을 제어하기 위한 제어/동작 버튼(315)을 포함한다. 또한, 측정기(310)는 측정 결과를 디스플레이하기 위한 디스플레이(316)를 포함한다. 당분야에 숙련된 기술을 가진 자라면, 본 발명에 따른 개방형 셀을 포함하도록 기존의 측정기 및 센서를 수정하는 방법을 알 것이다.
본 발명에 따른 개방형 셀의 다른 사용예는 능동 스마트 카드 및 스마트 태그에서이다. 스마트 카드/태그는 전자 부호화된 정보를 포함하는 디바이스로서, 많은 경우에 카드/태그 소유자의 전자 인증(electronic authentication)에 사용된다. 본 명세서에서 설명된 특성으로 인해, 본 발명에 따른 개방형 셀은 능동 스마트 카드/태그에 대해 매우 유리한 전원을 형성한다. 이러한 카드/태그(350)가 도 17에 그의 전체 표면을 커버하는 얇은 셀(352)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 이러한 카드/태그는 프린팅 기술로 제조될 수 있으며, 그의 모든 전자적 구성요소 및 전원은 프린팅된다. 본 발명에 따른 스마트 카드/태그는 인증에 사용되는 암호 또는 코드를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 개방형 셀의 다른 사용예는 게임기에서이다. 도 11에는 분산 언레이블링된 구성요소(distributed un-raveled components)(282)를 포함하는 게임기(280)가 도시되어 있으며, 이들 구성요소는 기판(283)상에 배열된다. 언레이블링된 구성요소(282)는 앞서 설명된 바와 같이 개방형 셀(206)로부터의 전류가 동시에 또는 사전결정된 순서로 구성요소(282)에 도달할 경우에 드러나게 된다. 전류의 도달은 플레이어에 의해 활성화된다. 이를 목적으로, 드러나야 할 구성요소(282)는 플레이어가 손가락으로 그 구성요소를 눌렀을 때 스위치가 전기 회로를 폐쇄시키도록 은닉된 스위치를 포함한다.
이 게임기는 또한 임의의 감지적 기능, 예컨대, 청각 또는 시각일 수 있는 승리 표시(winning effect)를 포함할 수 있다. 당분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 이들 구성요소를 구성하는 방법과 승리 표시를 발생하는 방법을 알 것이다.
본 명세서에 설명된 개방형 셀의 생산 비용은 아주 낮은데, 그 이유는 이후 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 본 개방형 셀은 프린팅 기술을 이용하여 대량 생산될 수 있고, 또 어떤 케이싱도 필요로 하지 않기 때문이다. 본 셀은 디바이스에 접착됨으로써 또는 디바이스상에 프린팅됨으로써 어떤 디바이스에도 부착될 수 있다. 따라서, 본 셀을 이용하는 디바이스들은 제조 비용이 비교적 저렴하고 따라서 일회용으로 가능하다. 또한, 본 셀은 많은 측면에서, 특히, 디바이스가 혈액 분석, 구강내 온도 측정 및 경피성 약 전달 또는 화합물 회수와 같은 의료용으로 사용될 때 유리하다. 후자의 경우, 셀의 유연성이 중요한 인자가 되는데, 이것은 능동 패드가 신체의 다양한 위치에서 피부에 접착되어야 하기 때문이다. 본 발명에 따른 셀은 얇고 어떤 표면도 커버할 수 있기 때문에, 정보를 전달하는 매체의 일부로써 그 동작을 위해 전원을 필요로 하는 게임이나 어떤 다른 "기브 어웨이(give away)" 제품을 광고하는데 있어서도 유용하다. 이러한 효과를 위해 본 셀은 저렴하고 이용이 용이하며 환경적으로 해를 끼치지 않는 재료로 제조될 수 있음을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 유연성 박층 개방형 셀을 제조하는 방법에 관한 실시예가 제공된다.
(실시예 9)
본 발명에 따르면, 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 제조하는 방법이 제공된다. 본 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다. 우선, 제 1 및 제 2 기판의 내측면상에 습성 잉크를 도포한다. 적절한 기판에는, 제한적이지는 않지만, 페이퍼, 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌 호일이 포함된다. 잉크는 전류 도체이다. 적절한 전류 도체 잉크는 "ELECTRODYE"라는 명칭으로 네덜란드 Cat.#423SS 및 109B의 아체슨 콜로이든 비. 브이.(Acheson Colloiden B. V.)에 의해 제공된다. 둘째, 잉크가 건조되기 전에, 제 1 기판의 습성 잉크 위에 양극 파우더를 도포하고, 제 2 기판의 습성 잉크 위에 음극 파우더를 도포한다. 잉크가 습성이기 때문에, 파우더는 잉크에 들러붙게 되고, 잉크가 전류 도체이므로, 제각기의 파우더 입자는 전기적으로 접촉된다. 파우더는 단일층의 파우더 입자가 형성되도록 도포될 수 있다. 따라서, 이와 같이 하여 생성된 셀은 특히 얇은 특성을 제공할 수 있다. 셋째, 다공성 물질을 조해성 재료, 전기반응성 가용성 재료 및 수용성 중합체를 함유하는 수용액으로 적신다. 넷째, 제 1 및 제 2 기판을 그들의 내측면이 다공성 물질와 접하도록 접착시켜서 3층 셀을 형성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 본 방법은 다음 단계들을 더 포함한다. 다섯째, 접착제를 기판의 내측면상에 또는 다공성 물질의 양측면상에 도포한다. 이러한 접착제의 도포는 바람직하게는 별, 원, 꽃모양 등과 같은 기하학적 형상에 따른다. 여섯째, 기하학적 형상에 따라 3층 셀을 절삭(예컨대, 레이저를 이용)한다. 기하학적 형상의 에지에 위치되는 접착제는, 시간이 경과하고 사용에 따라 층간이 분리되지 않도록 보장된다.
본 방법의 바람직한 실시예에서, 기판중 적어도 하나 위에 장식용 애플리케이션이 도포된다.
또한, 본 발명에 따르면, 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 프린팅하는 방법이 제공된다. 본 방법은 다음 단계들을 포함한다. 첫째, 습성 잉크의 제 1 층을 기판상에 프린팅한다. 이 잉크는 전도성 잉크이다. 둘째, 건조되기 전에, 습성 잉크의 제 1 층 위로 양극 파우더의 층을 바른다. 셋째, 섬유질, 조해성 재료, 전기반응성 가용성 재료 및 수용성 중합체를 함유하는 수용액 층을 양극 파우더 층 위로 프린팅한다. 섬유질은 어떤 유형의 것일 수도 있다. 적절한 섬유질로는, 예컨대, 면 부직포 섬유질이 포함된다. 섬유질 및 그들의 농도는 건조시에 그들이 다공성 물질을 형성하도록 선택된다. 넷째, 건조되기 전에, 수용액 층 위로 음극 파우더 층을 바른다. 다섯째, 잉크의 제 2 층을 음극 파우더 층 위에 프린팅한다. 결과적으로, 3층 배터리가 얻어지며, 실질적으로 도 1에 도시된 바와 같다.
바람직한 실시예에서, 본 방법은 상기 첫번째 단계 이전에 기판상에 도전층(예컨대, 탄소 또는 도전성 잉크)을 프린팅하고, 상기 잉크의 제 2 층 위에 도전층을 또 프린팅하는 것을 더 포함한다. 도전층은 금속 잉크와 같은 도전성 탄소 파우더 또는 도전성 잉크를 포함한다.
모든 단계에서, 전기적 접속은 양극 및 음극과 접촉하여 프린팅된다.
이상, 본 발명은 특정 실시예로서 설명되었지만, 당업자라면 그밖의 많은 대안, 수정 및 변형이 명백함을 알 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허 청구 범위에 기재된 사상 및 범주내에 놓이는 그러한 모든 대안, 수정 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (70)

  1. 전기적으로 동작되는 디바이스와,
    상기 동작을 위하여 전력을 상기 디바이스에 공급하기 위한 유연성 개방형 전기화학적 셀(a flexible open electrochemical cell)을 포함하는 전원을 포함하되,
    상기 전기화학적 셀은 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료(a deliquescent material)를 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 기판 재료와, 상기 기판 재료에 부착되는 적어도 하나의 전자적 구성요소를 포함하며, 상기 적어도 하나의 전자적 구성요소는 감지적 기능(a sensible performance)을 수행하기 위한 것인 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은 연하장, 명함, 극장 또는 영화관 티켓, 컴팩트 디스크용 스티커, 식품 패키지 및 인쇄물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 감지적 기능은 청각적 또는 시각적 기능인 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 청각적 기능은 멜로디, 음성 및 전화 다이얼 톤으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 디바이스는 전원 스위치를 포함하는 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전자적 구성요소는 오디오 디바이스 및 발광 디바이스(LED)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 오디오 디바이스는 오디오 칩 및 에코 챔버(an echo chamber)를 포함하는 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 발광 디바이스(LED)는 저전류 LED인 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 타이머인 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 타이머는 기판 재료와, 상기 기판 재료에 부착되는 타이머 칩을 포함하며, 상기 타이머 칩은 시간 간격을 조정하고, 상기 시간 간격이 경과되었을 때 감지적 기능을 동작시키도록 사전설정가능한 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기능은 오디오 또는 발광 디바이스로 수행되는 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 감지적 기능은 청각적 또는 시각적 기능인 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 청각적 기능은 멜로디, 음성 및 경보로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 타이머 칩은 프로그램가능한 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 타이머 칩은 리셋가능한 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 오디오 디바이스는 오디오 칩 및 에코 챔버를 포함하는 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 발광 디바이스(LED)는 저전류 LED인 장치.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 타이머는 약 타이머(a drug timer)인 장치.
  20. 삭제
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  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 온도계인 장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 온도계는 서미스터 센서(a thermistor sensor) 및 전자 칩을 포함하며, 상기 센서는 열량을 감지하여 상기 열량을 상기 열에 대응하는 크기의 전기적 파라미터로 변환하며, 상기 칩은 상기 파라미터를 정량화하고 상기 파라미터를 온도 값의 출력으로 변환하는 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 온도계는 상기 온도 값을 디스플레이하기 위한 디스플레이를 더 포함하는 장치.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 스마트 카드 또는 태그(tag)인 장치.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 대화형 북(an interactive book)인 장치.
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 혈압계, 맥박계 및 심전도(electrocardiogram: ECG) 측정기로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  33. 삭제
  34. 삭제
  35. 삭제
  36. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 게임기(game)인 장치.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 게임기는 분산 언레이블링된 구성요소(distributed un-raveled components)를 포함하며, 상기 언레이블링된 구성요소는 상기 셀로부터의 전류가 동시에 또는 사전결정된 순서로 상기 구성요소에 도달한 경우에 드러나게 되며, 상기 전류의 도달은 플레이어에 의해 활성화되는 장치.
  38. 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 제 1 및 제 2 기판의 내측면상에 전류 도체인 습성 잉크를 도포하는 단계와,
    (b) 건조되기 전에, 상기 제 1 기판의 상기 습성 잉크상에 양극 파우더를 도포하고, 상기 제 2 기판의 습성 잉크상에 음극 파우더를 도포하는 단계와,
    (c) 조해성 재료, 전기반응성 가용성 재료 및 수용성 중합체를 함유하는 수용액으로 다공성 물질(a porous substance)를 적시는 단계와,
    (d) 상기 다공성 물질에 상기 제 1 및 제 2 기판의 내측면이 접하도록 상기 제 1 및 제 2 기판을 부착하여 3층 셀을 형성하는 단계
    를 포함하는 셀 제조 방법.
  39. 제 38 항에 있어서,
    (e) 상기 단계(d)를 행하기 전에, 상기 기판의 내측면상에 또는 상기 다공성 물질의 양측면에 기하학적 형상(a geometrical configuration)을 따라 접착제를 도포하는 단계를 더 포함하는 셀 제조 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    (f) 상기 단계(d)를 수행한 후에, 상기 기하학적 형상에 따라 상기 3층 셀을 절삭하는 단계를 더 포함하는 셀 제조 방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 절삭은 레이저로 수행되는 셀 제조 방법.
  42. 제 38 항에 있어서,
    (g) 상기 기판의 적어도 하나 위에 장식용 장치(a decorative application)을 부가하는 단계를 더 포함하는 셀 제조 방법.
  43. 유연성 박층 개방형 액상 전기화학적 셀을 프린팅하는 방법에 있어서,
    (a) 기판상에 전류 도전성인 습성 잉크의 제 1 층을 프린팅하는 단계와,
    (b) 건조되기 전에, 상기 제 1 층 위에 양극 파우더 층을 바르는 단계와,
    (c) 상기 양극 파우더 층 위에, 섬유질, 조해성 재료, 전기반응성 가용성 재료 및 수용성 중합체를 함유하는 수용액 층을 프린팅하는 단계와,
    (d) 건조되기 전에, 상기 수용액 층 위에 음극 파우더 층을 바르는 단계와,
    (e) 상기 음극 파우더 층 위에, 상기 잉크의 제 2 층을 프린팅하는 단계
    를 포함하는 셀 프린팅 방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    (f) 상기 단계(a)를 수행하기 전에, 상기 기판상에 도전층을 프린팅하는 단계를 더 포함하는 셀 프린팅 방법.
  45. 제 43 항에 있어서,
    (f) 상기 단계(e)를 수행한 후에, 상기 잉크의 제 2 층 위에 도전층을 프린팅하는 단계를 더 포함하는 셀 프린팅 방법.
  46. 로울링된 유연성 개방형 전기화학적 셀(a rolled flexible open electrochemical cell)을 포함하되, 상기 전기화학적 셀은 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료를 포함하는
    원통형 배터리.
  47. 복수의 유연성 개방형 전기화학적 셀을 북 조립체(book assembly)로 착탈가능하게 조립되는 배터리 북(battery book)에 있어서,
    상기 유연성 개방형 전기화학적 셀은 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료를 각각 포함하는 배터리 북.
  48. 불용성 음극의 제 1 층과, 불용성 양극의 제 2 층과, 수성 전해질의 제 3 층을 포함하되,
    상기 제 3 층은 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료와, 상기 층들중 하나와 접촉하는 pH 센서를 포함하는
    유연성 개방형 전기화학적 셀.
  49. 접을 수 있는 조립체(a foldable assembly)로 헤드-투-테일 구조(head-to-tail)로 조립된 복수의 유연성 개방형 전기화학적 셀을 포함하되,
    상기 유연성 개방형 전기화학적 셀들은 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료를 각각 포함하는 배터리 폴드.
  50. 삭제
  51. 삭제
  52. 제 43 항에 있어서,
    상기 섬유질은 다공성 물질의 형성을 촉진시키는 셀 프린팅 방법.
  53. 삭제
  54. 전기적으로 동작하는 디바이스와,
    상기 동작을 위해 상기 디바이스에 전력을 제공하는 유연성 개방형 전기화학적 셀을 포함하되,
    상기 유연성 개방형 전기화학적 셀은 불용성 음극의 제 1 층과, 불용성 양극의 제 2 층과, 수성 전해질의 제 3 층을 포함하며,
    상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 배치된 상기 제3층은
    (a) 개방형 셀을 항상 습윤하게 유지하기 위한 조해성 재료와,
    (b) 요구된 이온 도전성을 획득하기 위한 전기반응성 가용성 재료(an electroactive soluble material)와,
    (c) 중합체 접착제를 포함하는
    장치.
  55. 상기 제 54 항에 있어서,
    상기 중합체 접착제는 수용성 중합체를 포함하는 장치.
  56. 전기적으로 동작하는 디바이스와,
    상기 동작을 위한 전력을 상기 디바이스에 제공하는 개방형 전기화학적 셀을 포함하되,
    상기 개방형 전기화학적 셀은
    음극 전기 활성 불용성 파우더 물질의 혼합물 및 제 1 수용액으로부터 형성되는 음극 층과,
    양극 전기 활성 불용성 파우더 물질의 혼합물 및 제 2 수용액으로부터 형성되는 양극 층과,
    상기 음극 층과 양극 층 사이에 배치된 전해질 층을 포함하는
    장치.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 제 1 수용액, 상기 제 2 수용액, 및 상기 전해질 층 중 적어도 하나는 중합체 접착제를 포함하는 장치.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 중합체 접착제는 폴리바이닐알콜(polyvinylalcohol)과, 폴리아크릴아미드(polyacryamide)와, 폴리아크릴 산(polyacrylic acid)과, 폴리바이닐파이롤리돈(polyvinylpyrolidone)과, 한천(agar)과, 아가로스(agarose)와, 전분(starch)과, 하이드록시에틸셀룰로즈 덱스트레인(hydroxyethylcellulose dextrane)과, 황화덱스트레인(dextrane sulfate)과 그들의 조합 및 공중합체(coplolymer)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 장치.
  59. 제 57 항에 있어서,
    상기 제 1 수용액, 상기 제 2 수용액 및 상기 전해질 층은 동일한 중합체 접착제 또는 상이한 접착제 또는 그들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  60. 제 56 항에 있어서,
    상기 양극 층은 이산화 망간(manganese dioxide)을 포함하며, 상기 음극 층은 아연을 포함하는 장치.
  61. 삭제
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  70. 제 10 항에 있어서,
    상기 타이머는 전자식 주차 요금 애플리케이션용인 장치.
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