KR101239054B1 - 픽쳐 프레임을 이용하는 얇고 인쇄 가능한 전기화학 셀 및 그 제조 방법 - Google Patents

픽쳐 프레임을 이용하는 얇고 인쇄 가능한 전기화학 셀 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 예컨대 고수분 및 산화물 배리어 폴리머로 밀봉된 "픽쳐 프레임"구조를 사용하는 얇고 인쇄된 플렉시블 전기화학 셀과, 그 제조 방법에 관한 것으로, 예컨대 인쇄형 캐소드가 선택적인 고전도성 카본의 인쇄형 캐소드 컬렉터 상에 침적되며, 인쇄형 혹은 호일 스트립 애노드가 캐소드에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 한다. 점성 혹은 겔형 전해질이 셀의 내부에 분배 및/또는 인쇄되고, 그 후에 상부 라미네이트가 픽쳐 프레임 상에 밀봉될 수 있다. 이러한 구조는 모든 셀이 인쇄 프레스에서 제조될 수 있게 할 뿐만 아니라, 예컨대 배터리를 전자 기기에 직접 통합할 기회도 부여한다.

Description

픽쳐 프레임을 이용하는 얇고 인쇄 가능한 전기화학 셀 및 그 제조 방법{THIN PRINTABLE ELECTROCHEMICAL CELL UTILIZING A PICTURE FRAME AND METHODS OF MAKING THE SAME}
본 발명은 전기화학 셀 또는 배터리에 관한 것이며, 구체적으로 편평하고 얇은 전기화학 셀을 이용하는 픽쳐 프레임 부분과 인쇄 방법 등을 비롯한 픽쳐 프레임 부분 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 2개의 전극, 분리기, 전해질, 및 2개의 적층된 필름 층 사이에 있는 셀 프레임을 포함하는 얇고 인쇄 가능한 셀과, 그 제조 방법에 관한 것이다.
과거 수 백년 동안에, 과학자들은 다양한 용례를 위한 카본/아연 휴대형 전력 공급원(power source)을 만들어왔다. 초창기의 휴대형 전원에 있어서, 이러한 전력 공급원은 오늘날의 표준에 비해 현저하게 컸다. 예컨대, Eveready 사에서 제작한 인기가 매우 높고 약 3"의 직경과 약 9"의 높이로 된 "이그나이터 셀(Ignitor Cell)"은 라디오, 버저, 크리스마스 조명 등 다양한 용례에 사용하였다. 잘 알려진 Eveready #6(약 2"의 직경×6"높이)와 그 당시에 가장 작았던 유닛 셀인 #950(D 사이즈) 등과 같은 이러한 대형 셀 뿐만 아니라 이보다 약간 작은 버전의 것은, 일반적으로 몇몇 용례에서 40볼트를 초과하는 전압을 갖는 배터리 팩으로 만들어졌다. 이들은 조명 장치, 라디오 및 자동차 점화 장치에 사용되는 오늘날의 자동차용 배터리 정도의 크기이거나 그보다 더 컸다. 트랜지스터 등의 첨단 전자제품이 출현하였던 1900년대 중반에는, 휴대용 전력 공급원에 관한 전기적 요건이 현격히 줄어들었다. 그 결과, 셀 크기도 또한 C, AA, AAA 및 심지어 더 작은 버튼형 셀로 줄어들 수 있었다. 이러한 소모 전력 감소는 21세기에도 계속되었으며, 스마트 라벨, 스마트 신용카드, 센서, 데이터 로커, 연하 카드 및 배지 등의 신제품과 같은 용례에서, 이제 수 밀리 암페어의 최대 전류를 필요로 하고, 대다수의 용례는 적어도 약 1.5 내지 3.0 볼트에서 수 마이크로암페어를 필요로 한다. 이러한 용례는 또한 그 로우 프로파일(low profile) 및 휴대성을 유지하기 위해 전력 공급원이 평탄하고 매우 얇아야 한다는 요건을 갖는다.
과거 25년 동안, 많은 과학자와 법인들은 얇고 편평한 셀과 배터리를 제조하기 위한 다양한 노력을 기울여 왔다. 이러한 결과물로는 폴라로이드(Polaroid)사에서 개발한 잘 알려진 즉석 필름 배터리 팩 등이 있다. 이러한 배터리 팩은 폴라로이드 즉석 필름의 각 패키지에 사용되었다. 이것은 폴라로이드로 하여금 사용자가 카메라에 새로우 필름 팩을 넣을 때마다 카메라에서 신규의 배터리를 갖도록 해준다. 복수 개의 층과 금속 호일 라미네이트 패키지를 갖는 이러한 고가의 배터리는 예컨대 플래시 전구를 점화시킬 수 있고 모터에 전력을 공급할 수 있는 고전압, 고전류의 배터리이며, 요구되고 있는 얇고 저렴한 새로운 배터리의 실제 경쟁 상대가 아니다. 폴라로이드사 이외에, 다른 개인 및 회사에서도 다양한 전기화학 시스템의 얇은 배터리를 개발하기 위해 노력하고 있다.
2005년 4월 20일자로 출원되었으며 본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있는 공동 계류 중인 출원번호 제11/110,202호는 편평한 셀과 배터리에 관한 새로운 디자인과 제조 방법을 논하고 있다.
저가이면서 저용량인 얇고 편평한 셀의 시장 수요가 커짐에 따라, 대량 생산 비용이 저렴하고 용도가 많은, 얇고 편평하며 인쇄 가능한 플렉시블 셀을 제조하는 것이 유익하게 되었다. 저전력 대량 생산 용례에 매우 적합한 인쇄 가능한 1회용의 얇은 셀은, 특히 적절한 전압, 충분한 용량 및 저가의 솔루션을 제공한다면 유용할 것이다. 통상의 로우 프로파일 배터리는 대개 이러한 속성을 갖더라도 그 중 몇몇 속성만을 갖는다.
또한, 수평한 파우치 필러를 사용하여 조립되는 이전 출원에 기술되어 있는 구조(본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있는 출원번호 제11/110,202호 참조)는 약간의 공기 갇힘을 야기할 수 있고, 그 결과 일부 용례에서 필요로 하는 만큼 편평하고 얇지 않을 수 있다. 또한, 상기 출원에 개시된 셀은 큰 압축력에 대해 취약할 수 있다. 또한, 상기 출원에 개시된 일부 실시예의 구조에서 필요로 하는 종이 층을 필요치 않게 하는 것이 유익할 것이며, 나아가 상기 출원의 액체 전해질은 취급하기가 곤란한 것으로 나타날 수 있고 인쇄가 불가능할 수 있다. 또한, 상기 출원에 개시되어 있는 접는 단계도 배제하는 것이 유익할 수 있다. 또한, 제조하는 동안에 전력을 공급받는 용례를 구성할 수 있는 셀도 마찬가지로 유익할 것이다.
배터리 전력 공급원의 역할을 하는 하나 이상의 전기화학 셀을 포함하는 디바이스에 대한 복수 개의 실시예가 제공된다. 이들 실시예는 전류 발생용 전기화학 셀을 구비하는 디바이스를 포함하고, 이 디바이스의 셀은 실질적으로 균일한 두께를 갖는 제1 기판 층과 실질적으로 균일한 두께를 갖는 제2 기판 층을 포함하는 것인데, 상기 실시예가 이러한 디바이스에 국한되는 것은 아니다. 또한, 제1 기판 층과 제2 기판 층 중 적어도 하나의 상에는 캐소드 층이 마련되고, 제1 기판 층과 제2 기판 층 중 적어도 하나의 상에 애노드 층이 마련된다. 또한, 캐소드 층과 접촉하면서 애노드 층과도 접촉하는 전해질 층을 포함하고, 실질적으로 셀의 가장자리 주위에 마련되어 하부 기판 층을 상부 기판 층에 연결하는 실질적으로 균일한 두께를 갖는 프레임을 포함한다.
상기 프레임은 캐소드 층, 애노드 층, 및 전해질 층 각각 보다 실질적으로 두껍고, 상기 디바이스는 실질적으로 편평하며, 이 디바이스의 두께는 대략 프레임의 두께에 각 기판 층의 두께를 더한 것이다.
또한, 전류 발생용의 편평한 전기화학 셀을 포함하는 실질적으로 편평한 디바이스가 제공되는데, 상기 셀은 복수 개의 라미네이트 층으로 구성된 제1 기판 층과 복수 개의 라미네이트 층으로 구성된 제2 기판 층을 포함하는 것이다. 또한, 제1 기판 층과 제2 기판 층 중 적어도 하나의 상에는 캐소드 층이 마련되고, 제1 기판 층과 제2 기판 층 중 적어도 하나의 상에는 애노드 층이 마련된다. 또한, 점성 액체를 포함하고 캐소드 층과 접촉하면서 애노드 층과도 접촉하는 전해질 층을 포함하며, 전해질을 수용하는 내부 공간을 형성하도록 하부 기판 층을 상부 기판 층에 연결하는 프레임을 포함하고, 이 프레임은 또한 캐소드 층의 적어도 대부분과 애노드 층의 적어도 대부분을 상기 내부 공간 내에 수용한다. 애노드 층과 캐소드 층 중 적어도 하나는 경화형 잉크 또는 건식 잉크로 이루어진다.
또한, 전술한 바와 같은 셀을 포함하는 배터리, 혹은 예컨대 적어도 구조 층, 산화물 배리어 층, 및 밀봉 층을 포함하는 복수 개의 라미네이트 층으로 이루어진 제1 기판 층을 갖는 적어도 하나의 셀을 구비하는 배터리가 제공된다. 셀은 또한 복수 개의 라미네이트 층으로 이루어진 제2 기판 층을 포함한다. 셀은 제1 기판 층과 제2 기판 층 중 적어도 하나의 상에 마련되는 캐소드 컬렉터 층, 이 캐소드 컬렉터 층 상에 마련되는 캐소드 층, 및 제1 기판 층과 제2 기판 층 중 적어도 하나의 상에 마련되거나 혹은 제1 기판 층과 제2 기판 층 중 적어도 하나의 상에 마련된 애노드 컬렉터 층 상에 마련되는 애노드 층을 더 포함한다. 또한, 셀은 캐소드 층 및 애노드 층과 접촉하는 전해질을 포함하는 전해질 층과, 하부 기판 층을 상부 기판 층에 연결하여 전해질을 수용하는 내부 공간을 형성하도록 하부 기판 층을 상부 기판 층에 연결하는 실질적으로 셀의 내측 가장자리 주위에 마련되는 프레임을 구비하고, 상기 내부 공간 내에는 애노드 층의 적어도 일부분과 캐소드 층의 적어도 일부분이 함께 수용된다. 셀의 내부 공간은 실질적으로 셀의 외부로부터 밀폐되어 있다.
또한, 전기화학 셀을 포함하는 디바이스를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 셀을 형성하는 단계를 포함하고, 셀 형성 단계는 제1 기판 층과 제2 기판 층을 마련하는 단계를 포함하는데, 상기 두 기판 층은 모두 복수 개의 층을 구비하는 라미네이트 웹을 포함하는 것이다. 셀 형성 단계는 또한 캐소드 층과 애노드 층 중 어느 하나를 제1 기판 층과 제2 기판 층 중 어느 하나의 상에 인쇄하는 단계와, 캐소드 층과 애노드 층 중 다른 하나를 제1 기판 층과 제2 기판 층 중 어느 하나의 상에 인쇄 또는 다른 공정에 의해 마련하는 단계를 포함한다. 셀 형성 단계는 또한 제1 기판 층과 제2 기판 층 중 어느 하나의 상에 프레임을 마련하는 단계, 점성 액체를 포함하는 전해질 층을 인쇄하는 단계, 및 캐소드 층과, 애노드 층, 그리고 전해질 층을 수용하는 내부 공간을 형성하도록 제1 기판 층과 제2 기판 층 중 다른 하나를 프레임에 연결하는 단계를 포함한다. 상기 디바이스는 대략 프레임의 두께에 각 기판 층의 두께를 더한 두께를 갖고 실질적으로 편평한 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 추가적인 실시예가 제공되며, 이러한 실시예 중 일부(전부는 아님)를 이하에 기술한다.
도 1은 유닛 셀(101)의 실시예의 평면도.
도 2는 전극 영역을 따라 취한 유닛 셀의 단면도.
도 2a는 도 2와는 다른 구조를 갖는 전극 영역을 따라 취한 유닛 셀의 단면도.
도 3은 제1 전극의 전체 길이를 따라 취한 유닛 셀의 단면도.
도 4는 제2 전극의 전체 길이를 따라 취한 유닛 셀의 단면도.
도 5는 셀 라미네이트의 일 실시예의 단면도.
도 5a 및 도 5b는 다른 셀 라미네이트 실시예 각각의 단면도.
도 6은 고속 인쇄 프레스를 사용하는 처리 이후, 즉 스테이션 #l-#4 이후를 보여주는 셀 실시예용 인쇄 웹의 평면도.
도 7은 스테이션 #5-#9에서의 처리 이후에 고속 인쇄 프레스로 인쇄된 웹의 평면도.
도 7a는 스테이션 #7과 스테이션 #8에서의 처리 이후에 고속 인쇄 프레스로 인쇄된 웹을 특정 픽쳐 프레임 디자인으로 도시하는 평면도.
도 7b는 도 7에 도시된 특정 프레임을 사용하는 전극 영역을 따라 취한 유닛 셀의 단면도.
도 8은 스테이션 #10-#13에서의 처리 이후에 고속 인쇄 프레스로 인쇄된 웹의 평면도.
도 9는 유닛 셀(600)의 평면도.
도 10은 전극 영역을 따라 취한 유닛 셀(600)의 단면도.
도 11은 제1 전극의 전체 길이를 따라 취한 유닛 셀(600)의 단면도.
도 12는 제2 전극의 전체 길이를 따라 취한 유닛 셀(600)의 단면도.
도 13은 유닛 셀(700)의 평면도.
도 14는 음극의 전체 길이를 따라 취한 유닛 셀(700)의 단면도.
도 15는 유닛 셀의 일 실시예로 3 볼트 배터리를 제조하는 다섯 스테이션을 통과한 고속 인쇄 프레스로 인쇄된 웹의 평면도.
도 16은 집적 회로 및 배터리 어셈블리의 조립체를 보여주는 고속 인쇄 프레스로 인쇄된 웹의 평면도.
*도 17은 적어도 일부 실시예에 따른 셀을 생산하는데 사용될 수 있는 제조 공정을 보여주는 흐름도.
도 18은 적어도 일부 실시예에 따른 셀을 생산하는데 사용될 수 있는 다른 제조 공정을 보여주는 흐름도.
도 19는 적어도 일부 실시예에 따른 하나 이상의 셀을 포함하는 배터리를 생산하는데 사용될 수 있는 다른 제조 공정을 보여주는 흐름도.
도 20은 적어도 일부 실시예에 따른 전자 제품을 구성하는 셀을 생산하는데 사용될 수 있는 다른 제조 공정을 보여주는 흐름도.
도 21은 유닛 셀(901)의 평면도.
도 22는 전극 영역을 따라 취한 유닛 셀(901)의 단면도.
도 23은 제1 전극의 전체 길이를 따라 취한 유닛 셀(901)의 단면도.
도 24는 제1 전극 및 제2 전극의 전체 길이를 따라 취한 유닛 셀(901)의 단면도.
도 25는 단자 접점 영역을 따라 취한 유닛 셀(901)의 단면도.
도 26은 유닛 셀(1200)의 평면도.
본 명세서에서는 특별한 지시가 없을 경우 모든 퍼센트가 중량 퍼센트로서 사용된다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, "5-25"와 같은 소정 범위가 주어지면, 이는 적어도 하나의 실시예에 있어서 따로따로 그리고 독립적으로 약 5 이상이고 약 25 이하인 것을 의미하며, 다른 언급이 없다면 이 범위는 엄격히 해석되어서는 안 되고, 오히려 허용 가능한 예로서 주어진 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 값 혹은 양호한 값에 후속하는 괄호 내의 범위는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 값에 관한 보다 넓은 범위를 나타낸다.
본 발명은 얇고 인쇄되는 전기화학 셀 및/또는 이러한 셀을 복수 개 포함하는 배터리에 관한 것이다. 대개 이러한 셀 각각은 제1 전기화학 층(예컨대, 캐소드)를 갖는 제1 전극과, 제2 전기화학 층(예컨대, 애노드)을 갖는 제2 전극, 그리고 이들 전극과 서로 작용하여 전류를 형성하는 전해질을 적어도 포함한다. 제1 전극, 제2 전극, 및 전해질 모두는 대개 어떤 구조 내에 수용되는데, 이 구조는 어떤 디바이스에 대해 전류를 공급하도록 전극에 대해 외부 전기 액세스를 제공한다.
이러한 셀을 대량 생산하는 한 가지 방법은, 예컨대 라미네이트 폴리머 필름 층 등과 같은 특정 기판 상에 수성 및/또는 비수성의 솔벤트 잉크 및/또는 다른 코팅을 소정의 패턴으로 침적(沈積)하는 단계를 포함한다. 이러한 침적 단계는 예컨대 전기화학 잉크를 인쇄하거나 및/또는 아연 호일 등과 같은 금속 호일을 적층하는 것에 의해 행해질 수 있고, 특히 예컨대 요구되는 생산량이 매우 크다면, 하나 이상의 고속 웹 인쇄 프레스에서 행해질 수 있다. 생산량이 작은 경우, 이를테면 생산량이 약 수백만 이하에 불과한 경우, 플랫 베드 스크린을 사용하는 웹 인쇄 등의 보다 느린 방법이 적합할 수 있다. 생산량이 더 작은 경우, 예컨대 수백 혹은 수천인 경우, 예컨대 매엽식 플랫 베드 인쇄 프레스가 이용될 수 있다.
잉크가 인쇄되고 및/또는 고형물이 적절하게 배치된 이후에, 셀이 [예컨대, 밀봉되거나, 다이 컷(die cut) 되거나, 적층 및/또는 천공되어 롤 형태로 감기거나, 또는 시트가 인쇄 프레스 상에서 사용된다면 적층되어] 완성될 수 있다. 또한, 이러한 셀 제조 공정은 하나 이상의 개개의 셀로 실제 전자 제품이나, 직렬 또는 병렬로 접속된 복수 개의 셀을 포함하는 배터리나, 혹은 이들 둘의 조합을 구성하는데 이용될 수 있다. 이러한 디바이스와 해당 공정의 예가 이하에 기술되어 있지만, 많은 추가적인 실시예도 예상된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 얇고 플렉시블하며 인쇄되는 전기화학 셀로서 기술되어 있다. 이러한 셀은, 예컨대 하부 필름 기판을 포함하는데, 이 하부 필름 기판은 특정 부분을 갖는, 예컨대 양면이 폴리머 필름으로 둘러싸인 고수분 배리어 층을 중앙에 구비할 수 있는, 특정 폴리머 라미네이트를 이용할 수 있다. 또한, 한쪽 혹은 양쪽 외면은 정보, 로고, 지시, ID, 일련번호, 그래픽, 또는 그 밖의 정보나 이미지를 필요에 따라 인쇄하기 위해 인쇄 가능하게 제조될 수 있다.
본 발명의 어느 구조가 사용되는가에 따라, 기판의 내판은 또한 배리어 코팅의 반대편에 공압출될 수 있는 열-밀봉 층인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 적어도 일부 실시예에 따른 셀의 하부 기판 층의 내면 중 일부분은, 예컨대 인쇄되거나 코팅되거나 혹은 그렇지 않으면 필름 기판의 일부분에 부착되는 카본 등과 같은 캐소드 전류 컬렉터를 이용할 수 있다. 이러한 컬렉터의 외측 접촉 영역에는, 예컨대 응용 연결에 대한 전도성을 향상시키기 위해 은, 니켈, 혹은 주석 등과 같은 비교적 전도성이 큰 잉크의 층이 필요에 따라 인쇄될 수 있다. 그러나, 배터리 용례가 비교적 낮은 전류 요건에 대해 사용된다면, 전도성이 높은 층 재료, 혹은 더 나아가 전류 컬렉터가 한쪽 혹은 양쪽 전극에서 필요치 않을 수 있다.
적어도 일부 실시예에서, 수(水)계 잉크의 전기화학 층이 캐소드로서 인쇄된다. 이러한 캐소드 층은 예컨대 이산화망간(MnO2), 카본 및 폴리머 바인더를 포함할 수 있다. 또한, 캐소드 층을 위한 그 밖의 포뮬레이션에서는 상기 재료 중 임의의 것이 이용될 수도 있고 혹은 이용되지 않을 수도 있다. 캐소드 컬렉터 층이 사용된다면, 캐소드 전기화학 층은 기판에 먼저 인쇄하거나 혹은 다른 방식으로 부착해 놓은 캐소드 전류 컬렉터의 적어도 일부분 상에 인쇄될 것이다.
몇몇 실시예에서, 아연 호일로 이루어진 좁은 스트립이 캐소드 컬렉터에 대해 약 0.050 인치의 간격을 두고 인접하게 애노드로서 설치될 수 있다. 예컨대, 아연 또는 다른 적절한 재료를 포함하는 잉크 층 등과 같은 다른 애노드 조성도 가능하다.
이러한 애노드 설치 이전에, 릴리스 라이너를 사용할 수 있는 건식 필름 접착제 층이 오프-라인 작업에서 부착될 수 있다. 그 후, 아연 호일을 건식 필름 접착제에 적층할 수 있다.
선택적으로, 스타치 잉크(starch ink) 혹은 유사한 물질이 애노드와 캐소드 중 어느 하나 혹은 모두의 위에 인쇄된다. 스타치 잉크는 수성 전해질 용액이 셀에 첨가된 이후에 전극을 "습하게" 유지하기 위한 전해질 흡수재의 역할을 할 수 있다. 또한, 이러한 스타치 잉크는 전해질 염과 셀 반응에 필요한 물을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예의 경우에, 스타치 층(들)을 갖거나 갖지 않는, 두 전극이 적소에 위치한 이후에, 셀 "픽쳐 프레임"이 추가될 수 있다. 이는 서로 다른 다양한 방법을 사용하여 행해질 수 있다. 한 가지 방법은 예컨대 유전체 잉크를 이용하여 이러한 셀 픽쳐 프레임을 인쇄하는 것이다. 다른 방법은 폴리머 시트, 스탬핑, 다이 컷, 레이저 컷 혹은 유사한 방법을 이용하여 각 유닛 셀의 재료를 수용하는 적절한 "포켓"(내부 공간 혹은 공간들)을 형성하는 것이다.
픽쳐 프레임의 기판에 대한 양호한 밀봉을 보장하기 위해, 그리고 (셀의 내부에서 셀의 외부로 전기 통로를 제공하는) 접점 피드-스루의 양호한 밀봉을 제공하기 위해, 예컨대 프레임을 인쇄하기 이전에 혹은 예컨대 폴리머 시트를 삽입하기 이전에, 밀봉 접착제 혹은 코킹 접착제가 기판 상에, 예컨대 셀 프레임과 동일한 패턴으로 인쇄될 수 있다.
이러한 밀봉 재료 혹은 코킹 재료는 감압성이거나 및/또는 감열성일 수 있고, 예컨대 Acheson Colloids사의 PM040 등과 같은 것이거나, 혹은 예컨대 양면에 대한 밀봉을 조장하는 임의의 다른 타입의 재료일 수 있다.
유전체 픽쳐 프레임을 인쇄하고 건조하거나 및/또는 경화한 이후에, 감열 밀봉 접착제를 프레임의 위에 인쇄하여, 상부 기판의 셀 프레임에 대한 양호한 밀봉을 허용할 수 있다. 또한, 이러한 셀 픽쳐 프레임은 약 0.015 인치(약 0.003 인치 내지 0.050 인치의 범위)의 두께를 갖는 폴리머 필름을 포함할 수 있는데, 이 폴리머 필름은 미리 구멍을 뚫어 놓은 이후에 전술한 사전 인쇄된 코킹 접착제 층에 정확히 맞춰서 적층한다.
적어도 몇몇 실시예의 경우에, 예컨대 약 18 중량% 내지 45 중량%의 농도 범위의 염화아연(ZnCl2)이 전해질로서 선택될 수 있다. 이 전해질은 예컨대 개방형 셀에 첨가될 수 있다. 라인에서의 처리를 용이하게 하기 위해, 이러한 전해질 혹은 다른 전해질은, 예컨대 약 0.6 중량%(약 0.05%-1.0%의 범위) 레벨의 CMC에 의해 농후화될 수 있다.
염화암모늄(NH4Cl), 염화아연(ZnCl2)과 염화암모늄(NH4Cl)의 혼합물, 아세트산아연(Zn(C2H2O2)), 브롬화아연(ZnBr2), 불화아연(ZnF2), 주석산아연(ZnC4H4O6.H2O), 과염소산아연(Zn(ClO4)2.6H2O), 수산화칼륨, 수산화나트륨 등과 같은 그 밖의 유용한 전해질 포뮬레이션, 또는 예컨대 유기 화합물도 사용될 수 있다.
염화아연은 통상 직면하는 보통의 환경 조건에 있어서 우수한 전기 성능을 제공하는 최상의 전해질일 수 있다. 마찬가지로, 전술한 대안적인 전해질들 중 임의의 전해질은 특히 소정 농도(중량%)로, 예컨대 약 18% 내지 45%의 범위 내로 사용될 수 있고, 적어도 몇몇 다른 실시예의 경우에는 약 25% 내지 35%의 범위로 사용된다. 또한, 이러한 조성은 보통의 환경 조건하에서 만족스러운 성능을 제공할 수 있다.
염화아연 이외의 전해질을 사용하면, 몇몇 다른 환경 조건하에서 셀/배터리의 전기 성능이 향상될 수 있다. 예컨대, 약 32 중량%의 아세트산아연(F.P.(어는점) 약 -28℃)은 32중량%의 염화아연(F.P. 약 -23℃) 보다 낮은 어는점을 나타낸다. 이들 두 용액은 약 27%의 염화아연(F.P. 약 -18℃) 보다 낮은 어는점을 나타낸다. 또한, 다른 농도, 예컨대 약 18-45 혹은 약 25-30 중량%의 아세트산아연도 어는점 약 -18℃에 대해 감소된 어는점을 나타낸다.
이러한 전해질 포뮬레이션을 염화아연에 대한 대용물로서 사용하거나 또는 셀에 이용되는 다양한 혼합물로서 사용하면, 저온에서의 성능을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 약 32%의 아세트산아연 전해질의 사용은 실질적으로 볼타 전지의 저온(즉, 약 -20℃ 아래) 성능을 향상시키는 것으로 확인되었다. 이러한 타입의 저온에서의 전기화학 셀 성능 향상은 현재 성장하고 있는 배터리 보조 RFID 태그의 사업에 이용될 수 있는데, 예를 들면 저온 환경에서 사용될 수 있는 예컨대 스마트 액티브 라벨 및 온도 태그 등과 같은 다른 순간적인(운반 가능한) 전기 작동식 디바이스에 이용된다.
예컨대, 식료품, 의약품, 혈액 등과 같이 오늘날 선적되는 많은 제품들은 저온 보관 및 선적 조건, 혹은 심지어 저온 작업을 필요로 한다. 이러한 제품의 안전한 선적을 보장하기 위해, 이러한 품목은 능동 RFID 태그 및/또는 센서에 의해 추적될 수 있다. 이러한 태그 및/또는 라벨은 소정 온도에서, 즉 약 -23℃, 약 -27℃, 또는 심지어 약 -30℃ 이하의 온도 등과 같은 -20℃ 보다 낮은 온도에서 효율적으로 작동하는 전기화학 셀 및/또는 배터리를 필요로 할 수 있다.
저온 용례에 있어서 저온 성능을 향상시키기 위해 아세트산아연을 사용하는 경우, 약 31-33 중량%의 범위의 아세트산아연 농도가 대개 받아들여질 수 있지만, 약 30-34 중량%의 범위, 약 28-36 중량%의 범위, 약 26-38 중량%의 범위, 및 심지어 약 25-40 중량%의 범위도 이용될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에서, 수성 전해질이 첨가되어 있는 인쇄된 스타치 층의 구조는, 예컨대 각 전극의 적어도 일부분을 효과적으로 커버하는 인쇄 가능한 점성 액체(겔, 또는 몇몇 다른 점성 재료를 포함할 수 있음)로 대체될 수 있다. 이와 같이 인쇄 가능한 겔의 일례가 미국 특허 공개 제2003/0165744A1호에 기술되어 있으며, 이 특허의 내용은 본원에 참조로 인용되어 있다. 이러한 점성 포뮬레이션은 예컨대 앞서 논한 전해질 제조법과 농도를 이용할 수 있다.
셀 패키지의 상부 기판은, 내부 셀/배터리 부품을 넘어 셀 프레임을 향해 연장되는 가장자리를 갖는 특정 라미네이트 폴리머 필름을 이용할 수 있다. 상부 층은 셀의 가장자리 주위에서 감압성 접착제(PSA)에 의해 및/또는 사전에 인쇄해 놓은 감열 밀봉 접착제에 의해 밀봉되어, 내부 부품을 셀 프레임 내에 가둔다.
전술한 구조는 습식 셀 구조일 수 있지만, 본 발명은 유사한 셀 구성을 사용하여 비축 셀 구조로 만들어질 수 있는데, 이러한 비축 셀 구조는 액체의 도포 이전에 보존 기간을 연장시키는 장점을 갖는다. 얇고 인쇄 가능한 플렉시블 염화아연 셀은 친환경적으로 제조될 수 있다. 예컨대 수은 또는 카드뮴 등과 같은 유해 성분의 사용을 필요로 하지 않는 구조가 이용될 수 있다. 따라서, 이러한 구조의 오래된 셀 및/또는 소모한 셀은 통상의 폐기물 제거 절차를 이용하여 폐기될 수 있다.
이러한 기술이 사용될 수 있는 디바이스는 다양하다. 비교적 낮은 전력 혹은 1 내지 2년의 한정된 수명을 필요로 하는 디바이스는 본 발명에 따른 얇은 셀/배터리를 이용하여 작동할 수 있다. 선행 단락과 이하의 단락에 설명되어 있는 본 발명의 셀은, 대개 저가로 대량 생산될 수 있어, 예컨대 1회용 제품에 사용될 수 있다. 이러한 저비용은 예전에는 비용 측면에서 비효율적이었던 용례에 적용할 수 있도록 해준다.
본 발명에 따른 전기화학 셀/배터리는 이하의 장점 중 하나 이상을 가질 수 있다:
- 비교적 얇다;
- 편평하고 비교적 두께가 균일하며, 가장자리의 두께가 중앙의 두께와 거의 동일하다;
- 플렉시블하다;
- 많은 기하학적 형상이 가능하다;
- 밀봉형 컨테이너이다;
- 구조가 간단하다;
- 고속 및 대량 생산을 위해 설계되었다;
- 낮은 비용;
- 많은 온도에서 성능을 신뢰할 수 있다;
- 저온 성능이 양호하다;
- 폐기 가능하고 친환경적이다;
- 두 개의 셀 접촉부 모두가 동일한 표면에 마련된다;
- 제품으로의 조립이 용이하다;
- 전자 제품을 제조하는 연속 공정에서 동시에 쉽게 일체화될 수 있다.
위에서는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 다양한 셀 구조를 개괄적으로 설명하였고, 이어서 아래에서는 도면을 이용하여 보다 세부적으로 설명한다. 또한, 셀의 인쇄 및 조립을 위한 셀과 배터리의 생산 공정도 설명할 것이다.
도 1 내지 도 4는 완성된 유닛 셀(101)의 두 실시예를 평면도와 단면도로 보여준다. 본 명세서에서 유닛 셀(101)은 설명을 위해 손으로 제작한 실시예인 것이라 가정하므로, 이 셀의 구성 부분과 세부 사항은 단순화될 수 있고, 보다 쉽게 기술할 수 있으며, 가공 처리의 상세한 기술을 회피하면서도 철저하게 설명될 수 있다. 본 발명의 이하의 설명에서는, 단순화된 셀 구조를 기술한 이후에, 예컨대 고속 인쇄 프레스에서 제조될 수 있는 실시예를 제공하기 위해 상기 구조(재료 및 가공 처리 방법)의 세부 사항에 대한 몇몇 변경 사항을 기술한다.
도 1 내지 도 4의 셀(101)은 상부 라미네이트 필름 기판(층)(112)과, 하부 라미네이트 필름 기판(층)(111)을 포함하고, 이 하부 라미네이트 필름 기판에는 확장 영역(180)이 마련되며, 이 확장 영역은 양의 접점(140)과 음의 접점(150)을 구비한다. 도 1 내지 도 4에 예로서 도시된 셀(101)은 전극 층(130)(캐소드) 및 전극 층(115)(애노드)으로 이루어지고, 이들 전극 층 각각은 전해질과 전기화학적으로 상호 작용하여 전류를 발생시킬 수 있는 서로 다른 조성의 전기화학 층으로 이루어진다. 명료한 도시를 위해, 도 1의 셀(101)에는 상부 라미네이트 필름 기판(112)이 도시 생략되어 있다.
캐소드 층(130)을 부착하기 이전에, 고전도성 카본으로 이루어진 캐소드 컬렉터(131)를 하부 라미네이트 필름 기판(111) 상에 인쇄할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 이러한 캐소드 컬렉터는 실질적으로 그 형상 및 크기를 캐소드 층(130)과 함께 갖고, 접점 확장부(134)는 크기의 차이는 있지만 역시 사용될 수 있다. 몇몇 실시시예에서, 컬렉터는 특히 캐소드 층이 높은 전도성을 갖는 경우 불필요할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에서, 캐소드 층(130)은 이산화망간, 예를 들어 카본(예컨대, 그래파이트) 등과 같은 전도체, 바인더 및 물을 포함하는 잉크를 사용하여 캐소드 컬렉터(131)의 넓은 면적의 부분에 인쇄된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 아연 호일 애노드 층(115)과 양면 건식 필름 접착제(114)가 하부 라미네이트 필름 기판(111) 상에 적층되었을 때, 애노드 층 조립체(160)가 삽입된다. 적어도 하나의 실시예에 있어서 상기 애노드 층 조립체는 캐소드 층(130)으로부터 약 0.050"(약 0.010"-0.100") 떨어져 설치될 수 있다(몇몇 다른 실시예에서는 다른 거리가 이용될 수 있다).
애노드 층 조립체가 삽입된 후, 애노드 층 위에 수성 스타치 코팅 층(116)이 인쇄될 수 있고, 몇몇 구조에서 이 스타치 코팅 층은 또한 캐소드 층(도 1 및 도 2에 도시되어 있지 않음) 위에 인쇄될 수 있을 뿐만 아니라 도 2a에 도시된 두 전극 층을 가르는 간극(139)에 인쇄될 수 있다.
전극 층[애노드 층 조립체(160) 및 캐소드 층(130)]이 상기 선택적인 스타치 코팅 층(116)과 함께 (만약 있다면) 적소에 위치한 이후에, "픽쳐 프레임"(113)이 전극 주위에 배치된다. 픽쳐 프레임은 여러 실시예에 있어서 다수의 서로 다른 재료로 제조될 수 있고 다수의 서로 다른 방법으로 생산될 수 있다. 여기서 논하는 단수화된 구조에 있어서, 픽쳐 프레임(113)은 폴리에스테르 또는 폴리염화비닐(PVC) 등과 같은 다이 컷 폴리머 라미네이트 시트를 중간에 포함하고, 감압성 접착제로 이루어진 두 외층[상면 상의 외층(118)과 하면 상의 외층(117)]을 구비할 수 있다. 각각의 릴리스 라이너는 도면에 도시되어 있지 않다. 상부의 PSA 층(118)은 상부 라미네이트 필름 기판(112)을 픽쳐 프레임(113)에 대해 밀봉하고, 하부의 PSA 층(117)은 하부 라미네이트 필름 기판(111)을 픽쳐 프레임(113)에 대해 밀봉하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, (라이너의 두께를 제외한) 픽쳐 프레임 조립체의 총 두께는 약 0.015" (약 0.005"-0.50")이다. 전극이 픽쳐 프레임 내에서 중심에 놓이도록, 픽쳐 프레임은 하부 릴리스 라이너를 제거한 이후에 하부 라미네이트 필름 기판(111) 상에 설치될 수 있다. 몇몇 경우에서는, 누출 방지 구조를 보장하기 위해, 양면 감압성 접착제(PSA) 테이프로 이루어진 밀봉 및/또는 코킹 접착제, 및/또는 감열 밀봉 및/또는 코킹 접착제가 전극의 피드-스루 영역[예컨대, 애노드 피드-스루(153)와 캐소드 피드-스루(133)]에 있어서 전극 위에 인쇄될 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같은 셀(101) 제조에 있어서의 다음 작업은 두 전극 중 어느 하나 혹은 양자 모두를 커버하는 스타치 잉크 층(116)에 셀 전해질(299)을 추가하는 것이다. 전해질은 약 27 중량%의(약 23 중량%-43 중량%) ZnCl2을 갖는 수성 용액일 수 있으며, 이 수성 용액은 또한 증점제를, 예컨대 약 0.6% 레벨(약 0.1%-2%)의 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 등을 함유할 수 있다.
스타치 잉크 또는 인쇄 가능한 전해질이 사용되지 않는 경우에는, 전해질 용액(299)을 추가하기 이전에, 도 2에 도시된 흡수 분리기(200)를 두 전극 위에 삽입할 수 있다.
셀은 상부 라미네이트 필름 기판(112)을 픽쳐 프레임 위에 부착하고 밀봉하는 것에 의해 완성된다. 상부 라미네이트 필름 기판을 부착하기 이전에, 릴리스 라이너(도시 생략)를 (만약 있다면) 픽쳐 프레임(113)의 위에 있는 상부 접착제 층(118)으로부터 제거한다.
도 5, 도 5a 및 도 5b에는 라미네이트 필름 기판(111 및 112)의 예시적인 3가지 실시예가 각각 도시되어 있다. 대부분의 경우에 그리고 대부분의 용례에 있어서, 하부 라미네이트 필름 층과 상부 라미네이트 필름 층은 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같은 적어도 하나의 실시예(1000)에서, 이들 필름 층은, 예컨대 위스콘신주 오쉬코쉬 소재의 Curwood Inc., Bemis Corporation Company에서 공급하는 것과 같은 3층 라미네이트 필름으로 이루어질 수 있다. 이러한 라미네이트 필름의 다른 구조가 도 5a에 단면도로 도시되어 있다. 이 라미네이트 필름(1100)은 네 개의 층을 구비한다. 셀의 내부에 배치되는 상부 층(1101)은 그 두께의 예가 약 0.48 mil(약 0.2-5.0 mil)이고, 일본의 Toppan에서 공급하는 GL 필름 등과 같은 고수분 배리어 폴리머 층이다. 대개, 이러한 폴리머 층은 적층 구조의 내부에 산화 혹은 금속화 코팅(1104)이 마련된다. 이러한 폴리머(폴리에스테르)계 배리어 필름은 타입에 따라 그리고 진공 증착된 산화물 혹은 금속의 양에 따라 다른 수분 투과값을 가질 수 있고, 하부 폴리머 층(1103)에 대해 적층될 수 있으며, 그리고 우레탄 접착제(1102)와 함께 구조 층의 역할을 한다.
셀 구조, 셀 용례, 및/또는 셀 환경에 따라, 기판의 배리어 특성이 서로 다른 것이 유익할 수 있다. 이용 가능한 증기 투과율의 범위가 넓기 때문에, 배리어 층은 필요에 따라 특정 용례 및 구조마다 선택될 수 있다. 일부 경우에, 예컨대 의도적으로 셀의 가스 발생율을 높인 경우에, 보다 많은 양의 가스를 빠져나가게 하여 셀이 부풀어오르는 것을 최소화하도록, 투과율이 높은 필름을 사용하는 것이 적당하고 바람직할 수 있다. 다른 예는 사막과 같은 고온 건조한 환경에 있는 용례일 것이다. 이러한 경우에, 셀에서 수분의 손실이 과도하게 발생하는 것을 방지하기 위해, 투과율이 낮은 배리어 필름을 구비하는 것이 바람직할 수 있다.
도 5a에 도시된 4층 구조 중 외층, 즉 구조 층(1103)은 예컨대 방향성 폴리에스테르(OPET)로 이루어진 2.0 mil(약 0.5-10.0 mil)의 층이며, 예컨대 두께가 약 0.1 mil인 우레탄 접착제(1102)에 의해 다른 층에 적층된다. "구조 층"은 예컨대 듀퐁사에서 Melinex라는 브랜드로 시판하는 방향성 폴리에스테르(OPET) 필름일 수 있다. 사용 가능한 다른 재료로는 일본 Toyobo Co. Ltd.의 것이 있다. 이러한 재료는 WMVOPET(white micro-voided orientated polyester)라 불리우는 폴리에스테르계 합성 종이이다.
임의의 폴리머 혹은 모든 폴리머의 두께를 증가시켜 더 두꺼운 기판을 사용하는 것은 몇몇 장점을 가질 수 있다: 이러한 장점은 이하의 것들 중 어느 하나 혹은 양자 모두를 포함할 수 있다:
- 더 두꺼운 기판은 온도에 덜 민감하기 때문에, 셀은 인쇄 프레스에서 우수하게 처리된다;
- 셀 패키지는 경도와 강도가 더 높다.
앞서 상세히 설명한 것 이외에도, 외층과 내층은 모두 필수 잉크에 대한 인쇄-수용면을 더 포함할 수 있다. 필요에 따라, 내층은 (컬렉터 층 및/또는 전기화학 층 등과 같은) 기능성 잉크용으로 사용되고, 외층은 그래픽 잉크용으로 사용될 수 있다. 밀봉된 시스템을 구비하는 편평한 셀 구조는, 금속화 필름 및/또는 매우 얇은 금속 호일(들)을 수분 배리어로서 포함하는 적층 구조를 이용할 수 있다. 금속 층을 이용하는 이러한 구조는 전술한 실시예 중 몇몇에서 사용되는 구조에 비해 더 나은 수분 배리어 특성을 가질 수 있지만, 몇몇 단점도 가질 수 있다. 이러한 단점은 후술하는 것들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 금속 배리어를 지닌 적층 구조(금속 호일 혹은 진공 금속 증착 층)가 더 고가일 수 있다;
- 금속 층을 지닌 적층 구조는 단락을 야기할 가능성이 있다;
- 금속 배리어를 포함하는 적층 구조는 소정 용례의 전자 기기와, 예컨대 소정 기능의 RFID 안테나 등과 간섭할 수 있다.
도 1 내지 도 4의 필름 기판(111 및 112)과 다른 도면의 층(800 및 900)은 배리어 층(금속 혹은 다른 물질을 포함)을 갖거나 갖지 않는 폴리머 필름의 다양한 변형물로 이루어질 수 있으며, 폴리에스테르 혹은 폴리올레핀 등과 같은 단층 필름 혹은 다층 필름을 이용할 수 있다. 폴리에스테르는 더 얇은 게이지 필름의 사용을 허용하는 향상된 강도를 제공하고 멀티 스테이션 인쇄 프레스에서 사용될 때 통상적으로 쉽게 연신되지 않기 때문에, 사용하기에 좋은 재료이다. 비닐, 셀로판, 및 심지어 종이가 또한 필름 층으로서 혹은 적층 구조의 층들 중 하나 이상으로서 사용될 수 있다. 매우 긴 보존 기간이 필요하거나, 및/또는 환경 조건이 가혹한 경우에는, 도 5a에 도시된 4층 라미네이트 폴리머가 알루미늄의 진공 증착에 의해 얻어지는 것과 같은 금속화 층을 산화 코팅(1104) 대신에 포함하도록 변경될 수 있다.
별법으로서, 필름 층의 구조 내에, 예컨대 층(1104)에 혹은 다른 위치에, 매우 얇은 알루미늄 호일이 적층될 수 있다. 이러한 변형은 이전의 낮은 물 손실을 사실상 0으로 낮출 수 있다. 한편, 상기 용례가 비교적 짧은 보존 기간 및/또는 짧은 작동 수명을 위한 것이라면, 고가의 배리어 층은 저렴하면서도 셀이 필수 수명 동안 작동할 수 있게 하는 덜 효율적인 층으로 대체될 수 있다.
대단히 짧은 수명만이 필요한 용례에서, 셀 패키지는 폴리에스테르 혹은 폴리올레핀 등과 같은 저가의 폴리머 기판으로 이루어진 필름 층을 대신 사용할 수 있다. 픽쳐 프레임(113)을 상부 기판(112)과 하부 기판(111)에 부착하기 위한 감압성 접착제 밀봉 시스템을 라미네이트 상의 감열 밀봉 시스템으로 대체하는 것도 가능하다.
도 5에 예로서 도시되어 있는 단순화된 구조의 상부 및/또는 하부 라미네이트 기판(100)에서, 라미네이트 배리어 층(1101, 1103)은 예컨대 우레탄 접착제 층(1102)과 함께 적층될 수 있다. 별법으로서, 도 5a는 배리어 층(1101) 상의 배리어 코팅인 추가 층(1104)이 마련되어 있는 기판(1100)을 보여준다. 또한, 층(1101 및 1103)은 우레탄 접착제 층(1102)과 함께 적층되어, 도 5a의 예에 도시된 바와 같은 기판(1100)을 형성할 수 있다.
별법으로서, 도 5b는 셀의 기판용으로 사용될 수 있는 예시적인 7층 라미네이트 기판(1099)을 보여준다. 기판(1099)은 사전에 마련해놓은 구조에 접착제 층(1102)을 사용하여 적층되는 열 밀봉 층(1108)을 구비한다. 대략 50 게이지의 열 밀봉 층(1107)은 비결정질 폴리에스테르(APET 혹은 PETG), 반결정질 폴리에스테르(CPET), 폴리염화비닐(PVC), 혹은 폴리올레핀 폴리머 등과 같은 열 밀봉 층(1108)을 폴리에스테르 등과 같은 폴리머 필름 상에 더 구비하는 복합 층일 수 있다. 이러한 재료의 한 가지 예는 듀퐁사에서 제조하고 예컨대 OL, OL2, 혹은 OL13 등과 같은 OL 시리즈로 불리우는 Ovenable Lidding (OL) 필름이다. 따라서, 이는 전술한 셀의 상부 기판(112) 및/또는 하부 기판(111)을 7층 구조로 만들 것이다. [각각 3층 라미네이트, 4층 라미네이트 및 7층 라미네이트인] 전술한 구조(1000, 1100, 또는 1099) 중 임의의 구조에 있어서 여러 층의 두께에 따라, 이들 라미네의 총 두께는 적어도 몇몇 실시예에서 약 0.001" - 0.015"의 범위 내에 있을 수 있고, 약 0.003"일 수 있다. 별법으로서, 요구되는 용례 및 품질에 따라, 다른 기판이 또한 이용될 수 있다.
예시적인 실시예의 셀 구조용 재료는 이하의 재료를 포함한다: 캐소드 컬렉터(131)는 미시간주 포트 휴론 소재의 Acheson Colloids에서 제조하는 것과 같은 고전도성 카본 잉크(예컨대, PM024)를 포함한다. 캐소드 컬렉터(131)는 스크린 인쇄 등과 같은 대중화된 수단에 의해, 예컨대 약 1 mil(각각 약 1.2-0.4 mil)의 건식 침적을 허용하는 약 61 메쉬(몇몇 실시예의 경우에는 약 20-180 메쉬)의 매우 성긴 스크린을 사용하여 하부 라미네이트 상에 인쇄될 수 있다. 따라서, 약 2" × 2"의 크기를 갖는 셀이 약 55 옴(약 44-100 옴)의 저항을 가질 것이다. 이러한 저항을 더 낮추기 위해, 고전도성 접점(132)을 양의 전극의 외부 접촉 영역에 인쇄할 수 있다. 이 예시적인 구조에 사용된 재료는 미시간주 포트 휴론 소재의 Acheson Colloids에서 제조하는 은을 넣은 전도성 잉크(SS479)이며, 이 잉크는 스크린 인쇄될 수 있다.
금, 주석, 구리, 니켈 및/또는 두 가지 이상의 전도성 재료의 혼합물 등과 같은 그 밖의 사용 가능한 전도성 재료도 또한 허용 가능한 실시예에서 다른 재료와 함께 사용될 수 있다. 이러한 전도성 잉크 중 임의의 것은 예컨대 로터리 스크린, 플렉소 인쇄, 및 그라비어 인쇄 등과 같은 인쇄 방법뿐만 아니라 잉크젯 인쇄 기술 등에 의해 도포될 수 있다. 추가적으로, 잉크 캐소드 컬렉터를 인쇄하는 대신에, 그래파이트로 제조된 호일 및/또는 전도성 수지, 금속, 및 그래파이트 중 하나 이상을 포함하는 혼합물을 삽입하고 사용할 수 있다. 매우 낮은 전류만이 필요한 용례에서, 고전도성의 양의 접점(140)은 불필요할 수 있고, 약간 더 높은 전류가 필요하다면, 고전도성 접점으로서 회로 접점이 대신 사용될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 캐소드 층(130)은 이전에 인쇄 및 건조해 놓은 캐소드 컬렉터 층(131)의 일부분 상에, 예컨대 약 43.4%의 배터리 등급 이산화망간(20%-60%), 약 14.4%의 KS-6 그래파이트(2%-25%), 약 29.5%의 6.5%(약 0.5%-15%) 폴리비닐피롤리돈(PVP) 수용액 (약 20%-60%) 및 약 9.65%의 탈이온수 혹은 증류수(약 0.1%-20%)로 이루어진 습식 조성물을 포함하는 수성 잉크를 사용하여 인쇄된다. 이러한 잉크는 제곱 인치당 약 0.10그램 (0.03-0.25 g/in2)의 공칭 건식 규정 중량을 허용하기 위해 약 46 메쉬(약 10-65 메쉬)의 유리 섬유 스크린을 사용하여 인쇄될 수 있다. 건식 인쇄의 양은 대개 요구되는 셀 용량에 의해 결정되고, 예컨대 보다 큰 용량이 필요하면 더 많은 재료를 사용한다. 보다 촘촘한 메쉬의 스크린을 여러번 타격하는 대신에 매우 성긴 메쉬의 스크린을 이용하는 통상적이지 않은 인쇄 방법을 사용함으로써, 인쇄 스테이션의 수를 줄일 수 있고, 셀의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 예시적인 구조에 사용된 전기-활성 캐소드 층(130) 재료는, 예컨대 고순도 배터리 등급의 전해질 이산화망간을 포함한다. 이 실시예의 경우에 상기 재료의 입자 크기는 예컨대 약 1 내지 100 미크론이며, 평균 크기는 약 40 미크론이다. 컬렉터에 대한 부착을 용이하게 하기 위해 상기 재료를 더 미세하게 할 필요가 있는 경우, 상기 재료는 약 1 내지 20 미크론 범위, 필요에 따라 평균 약 4 미크론의 입자 크기를 확보하도록 밀링될 수 있다. 상기 대상 구조에서 아연 애노드와 함께 사용될 수 있는 그 밖의 유용한 전기-활성 캐소드 재료로는, 예컨대 산화은(Ag2O 및/또는 AgO), 산화수은(HgO), 수산화니켈(NiOOH), (예컨대 에어 셀 형태인) 산소(O2), 및 산화바나듐(VO2)이 있다. 캐소드 재료가 다양한 애노드 재료와 함께 사용될 수 있으며, 예컨대 Cd와 함께 NiOOH를, AB2 및 AB3 타입의 금속 수산화물과 함께 NiOOH를, Fe 및 FES2와 함께 NiOOH를 사용할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서 캐소드 층에 사용되는 바인더는 약 950,000-그램/몰을 초과하는 고분자량 바인더의 부류이다. 사용될 수 있는 폴리머 중 하나는 약 K 85-95 혹은 K 120(고분자량)의 폴리비닐피롤리돈이다. 사용할 수 있는 다른 부류의 재료는 다음과 같다: 폴리비닐 알코올; 쌀, 감자, 옥수수 및 콩 변종을 포함하는 녹말 및 개량 녹말의 부류; 에틸 및 하이드록시-에틸 셀룰로오스; 메틸 셀룰로오스; 폴리에틸렌 산화물; 폴리아크릴아미드; 및 이들 재료의 혼합물을 들 수 있다. 필요에 따라, 테프론 용액 혹은 혼합 공정 동안 섬유 연축된 테프론을 사용함으로써, 추가적인 바인딩을 유도할 수 있다.
예시적인 실시예의 경우, 라미네이트(160)일 수 있는 규격에 맞게 절단된 애노드 스트립 호일(예컨대 치수가 1.75"×0.20"×0.002"일 수 있음)은 캐소드 컬렉터/캐소드 조립체로부터 약 0.050"(약 0.010" - 0.100")의 간극을 두고 이 조립체에 인접해 있는 하부 기판 상에 삽입된다. 삽입 이전에, 2 mil 두께의 배터리 등급의 아연 호일은, 예컨대 오하이오주 스토우 소재의 Morgan Adhesive Co.에서 제조한 #2180, IB 1190 혹은 IB 2130 등과 같은 릴리스 라이너를 구비한 건식 필름 접착제에 적층될 수 있다. 이러한 적층이 예컨대 광폭의 아연 롤(예컨대 약 3-12'의 폭) 상에서 완료된 이후에, 이러한 적층 구조는 약 1 in2의 셀의 경우 약 0.200"(약 0.170"-0.230")의 폭을 지닌 협폭의 롤로 슬릿팅된다. 다른 크기의 캐소드를 지닌 셀은 애노드 라미네이트에 대해 상이한 슬릿 폭을 이용할 수 있다. 다른 구조에서, 상기 적층은 예컨대 아연 호일 스트립을 부착하기 이전에 기판 상에 인쇄된 접착제를 이용하여 행해질 수 있다.
수평한 파우치 필러 구조 상에 조립되는 이전 출원에 기술되어 있는 구조(본원에 그 내용이 참조로 인용되어 있는 출원번호 제11/110,202호 참조)와 전술한 셀 구조를 비교해 보면, 본 명세서에 개시된(특히 구체적으로 개시되어 있지는 않지만 본 명세서에 의해 다르게 지지되고 있는) 셀 실시예는 픽쳐 프레임 구조를 사용함으로써 공기 갇힘을 줄일 수 있고, 이러한 셀은 보다 편평한 프로파일을 가질 수 있으며, 더 얇을 수 있을 뿐만 아니라, 비직사각형 형상으로 보다 쉽게 만들어질 수 있는 것으로 확인되었다. 또한, 이러한 셀은 보다 큰 압축력을 견딜 수 있는데, 이는 셀이 예컨대 신용 카드 등과 같은 용례에 적층되어야 하는 경우에 중요할 수 있다.
또한, 상기 셀은 앞서 인용한 출원에 기술되어 있는 "파우치" 디자인에 개시된 것과는 다른 방식으로 구성될 수 있고, 따라서 예컨대 인쇄 공정을 이용하여 실시될 수 있는 픽쳐 프레임 구조를 추가하는 제조 단계를 추가할 수 있는 대신에, 상기 출원에 개시되어 있는 종이 층을 필요로 하지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 공정에서는 추가적인 인쇄 스테이션이 이용될 수 있다.
또한, (잉크 혹은 유동성 겔을 사용하는) 인쇄 전해질은 앞서 언급한 출원의 액체 전해질 및 종이 분리기 대신에 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예는 상기 출원에서 이용되는 접는 단계를 배제시킬 수 있다. 본 명세서에 개시된 셀은 전적으로 예컨대 인쇄 프레스에서 제조될 수 있고, 따라서 기기의 회로에 직접 통합될 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 구조는 셀을 비교적 편평하게 제조할 수 있게 하므로, 본 발명에 따른 셀은 예컨대 스마트 카드에 적층하는데 이용될 수 있다. 따라서, 발생 가능한 비용의 증대는 효용성의 증대로 상쇄될 수 있다.
이와 같이 얇고 인쇄되며 편평한 플렉시블 셀을 고속으로 그리고 낮은 비용으로 제조하기 위해, 본 발명은 부품을 셀 패키지 컨테이너(적층 필름 및 픽쳐 프레임)에 부착할 뿐만 아니라 이렇게 부착된 셀 부품과 함께 필름을 처리하여 이들을 셀에 자동적으로 조립하기 위한 포맷 및 공정을 제공한다. 이러한 생산 공정을 용이하게 하기 위해, 전술한 예시적인 셀 구조 중 몇몇 부분 및/또는 재료는 도 6 내지 도 21에 도시된 바와 같이 그리고 이하의 단락에 기술되어 있는 바와 같이 변경될 수 있다.
한 가지 실시예에 따른 이러한 최신화된 구조는, 이 구조에 하부 라미네이트 기판(111)을 제공하는 라미네이트 웹(900)에서 시작되고, 롤투롤(roll-to-roll) 셋업을 행하는 고속 인쇄 프레스와 조화를 이루는 다수의 스테이션을 통과해 진행한다. 후술하는 이니셜 요약은, 예컨대 인쇄 프레스를 1회 통과하는 것으로 완성된 셀을 제조하기 위한 기본 단계들을 포함한다.
이용 가능한 인쇄 프레스에 따르면, 셀은 예컨대 소정 프레스를 1회 통과 혹은 복수 회 통과하는 것에 의해 제조될 수 있다. 도면에서는 예로서 웹 상에 있는 2열의 셀을 보여주고 있지만, 열의 수는 유닛 셀의 크기와 프레스가 처리할 수 있는 웹의 최대 폭으로만 한정된다. 많은 단계가 존재하여 길고 복잡한 프레스를 필요로 할 수 있으므로, 단계 중 일부와 재료 중 일부를 변경할 수 있거나 및/또는 단일 프레스의 복수 회 통과 혹은 복수 개의 프레스를 이용할 수 있다. 이니셜 고찰을 마친 이후에, 일부 변경된 공정의 요약을 제시할 것이다.
도 17의 흐름도에 도시된 바와 같이, 도 6의 웹(900) 상에서 셀/배터리를 처리하기 이전에, 몇몇 선택적인 공정을 행할 수도 있고 행하지 않을 수도 있다. 이러한 선택적인 공정은 웹의 열 안정화와 그래픽 프린팅[로고, 접점 극성, 인쇄 코드 및 웹(900)의 외면 상에 부가하는 등록 표지를 포함할 수 있음]의 열 안정화 중 어느 하나 혹은 양자 모두를 포함할 수 있다. 이러한 선택적인 인쇄 공정(도시 생략)이 웹(900) 상에 행해지면, 웹(900)을 뒤집어 기능성 잉크를 하부 라미네이트(111)가 될 내면 상에 인쇄할 수 있다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같은 셀은 후술하는 예시적인 공정에 따라 구성될 수 있다:
1) 제1 인쇄 스테이션에서, 캐소드 컬렉터(201)가 고전도성 카본 잉크로 스크린 인쇄된다.
2) 제2 인쇄 스테이션에서, 은 접점(202)이 캐소드 컬렉터(201)의 상부의 일부분 위에 스크린 인쇄 혹은 플렉소 인쇄된다. 이는 하이 드레인 용례에서만 요구될 수 있다;
3) 제3 스테이션은 셀의 가장자리를 형성하는 (예컨대, 감열성 혹은 감압성) 접착제 프레임(203)을 인쇄한다; 별법으로서, 이러한 접착제 패턴은 도 6에 도시된 바와 같은 아연 호일의 영역(303)에만 인쇄될 수 있다.
4) 제4 스테이션은 아연 호일(204)의 연속 스트립을 적층한다. 이 연속 스트립은 아연 호일(115)과 릴리스 라이너를 구비한 PSA 필름(114)으로 이루어진 조립체일 수 있는데, 상기 릴리스 라이너는 웹(900)에 적층하기 바로 전에 제거된다; 별법으로서, 예컨대 접착제(203, 303)에 의해 웹(900)에 고착되는 아연 호일 스트립 만이 대신 사용될 수 있다.
5) 제5 스테이션은 캐소드 컬렉터(201)의 피드-스루와 음의 전극(204)의 피드-스루 위에 코킹/접착체 층(205)을 인쇄한다. 도 7에서는 양의 전극에 대한 피드-스루가 도면 부호 133으로 음의 전극에 대한 피드-스루가 도면 부호 153, 154로 도시되어 있다;
6) 제6 스테이션은 캐소드 컬렉터(201)의 일부분 위에 캐소드(206)를 스크린 인쇄한다;
7) 제7 스테이션에서는, 픽쳐 프레임의 내부에 위치하게 되는 애노드 및/또는 캐소드 위에 "스타치 잉크" 또는 전해질(207)을 인쇄한다. 별법으로서, "종이 분리기" 또는 그 밖의 타입의 흡수 재료가 이 스테이션에 추가될 수 있다.
8) 제8 스테이션은 셀의 활성 요소 주위에 픽쳐 프레임(208)을 인쇄한다. 이 스테이션은 예컨대 UV 경화될 수 있는 유전체 재료, 혹은 다른 경화 및/또는 건조 방법을 사용할 수 있다. Acheson Colloids의 PM030 등과 같은 재료는 또한 감압성 접착제이기 때문에, 제9 스테이션에 있어서 접착제(209)의 인쇄 필요성이 배제된다.
주의 ; 도 7a 및 도 7b에는 픽쳐 프레임의 다른 구조가 도시되어 있다. 도 7a는 웹(900)의 일부분의 평면도이고, 도 7b는 하나의 유닛 셀의 확대 단면도이다. 이러한 구조는 셀의 활성 영역의 전체 가장자리 주위에 누출 방지용 저장조(220)가 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 픽쳐 프레임이 규격에 맞게 절단된 폴리머를 사용한다면, 누출 방지용 저장조(220)는 각 코너에서 및/또는 그 밖의 위치에서 중단되어 있을 수 있는데, 그 결과 내부 프레임(221)은 외부 프레임(222)에 연결된다. 내부 프레임(221)에서 누출이 발생하면, 전해질은 저장조(220) 내에 저장될 것이므로, 셀의 누출물이 수용되어 셀의 외부 혹은 셀의 기기로 퍼지지 않을 것이다.
9) 제9 스테이션은 유전체 픽쳐 프레임(208 또는 208A)의 위에 PSA 층(209)을 픽쳐 프레임(208 또는 208A)과 동일한 기하학적 형상을 사용하여 인쇄한다;
10) 제10 스테이션에서는, 제7 스테이션에서 스타치 잉크 혹은 시트 재료가 추가된 경우에, 점성 액체(또는 겔) 형태의 셀 전해질(210)(도 8에 도시됨)이 각 유닛 셀의 내부 영역에 추가된다.
11) 제11 스테이션에서는, 상부 라미네이트(211)가 (감압성 혹은 감열성) 접착제 층(209)에 의해 픽쳐 프레임의 상부에 추가되고, 압력 및/또는 열이 가해진 이후에 셀은 그 가장자리 주위에서 완전히 밀봉된다
12) 제12 스테이션에서는, 상부 라미네이트 기판(211)뿐만 아니라 웹(900)이 각 셀(200)의 픽쳐 프레임(208 또는 208A)의 외부에서, 즉 3개의 측면에서 다이 컷될 수 있다. 제4 측면(260)에서는 상부 라미네이트 기판(211)만이 절단되어, 일련의 유닛 셀(200)에는 하부 라미네이트 기판 웹(900) 상에 각 셀의 확장부로서 드러나는 전기 접점[음의 전기 접점(150)과 양의 전기 접점(140)]이 마련된다.
13) 제13 스테이션에서, 유닛 셀(200)은 픽쳐 프레임(208)의 하단 에지와 셀 접점(150 및 140)의 상단 에지 사이의 라인(213)을 따라 횡방향으로 천공될 수 있다; 그리고
14) 제4 스테이션에서는, 다이 컷 매트릭스를 제거하고 각 열의 셀(200)을 롤에 감는다.
당업자라면 본 발명을 달성하는 데 사용될 수 있는 많은 방법, 재료 및 작업 순서가 존재한다는 것과, 다양한 개수의 스테이션이 이용될 수 있다는 것을 알 것이다. 이러한 다양한 공정의 일례가 도 18의 흐름도에 도시되어 있는데, 이 공정에서는 보다 적은 수의 스테이션에서 작업이 완료될 수 있도록 재료 및 단계가 변경되어 있어, 비용면에서 더 효과적이고 효율적인 공정을 형성할 수 있다.
1) 제1 작업 : - 웹(900) 상에 캐소드 컬렉터 인쇄하기 (대부분의 용례는 낮은 전류만을 필요로 하므로, 높은 전도성의 은 접점이 필요치 않을 수 있고, 또는 높은 전류가 필요한 경우에 접점에 대한 높은 전도성은 회로 설계의 일부분으로 대신 실시될 수 있다);
2) 제2 작업 : - 캐소드 층을 (존재한다면) 캐소드 컬렉트의 일부분 상에 인쇄하기;
3) 제3 작업 : - 아연 호일/PSA 라미네이트를 웹(900)에 대해 적층하기;
4) 제4 작업 : - 유전체 픽쳐 프레임을 셀의 활성 재료 주위에 인쇄하기;
5) 제5 작업 : - 픽쳐 프레임 내부의 활성 재료에 점성 전해질을 추가하기;
6) 제6 작업 : - 예컨대 내면에 감압성 접착제(PSA)가 있는 상부 라미네이트 기판을 셀의 상부에 대해 적층함으로써 셀을 밀봉하기;
7) 제7 작업 : - 픽쳐 프레임 둘레로 상부 라미네이트를 다이 컷하고, 픽쳐 프레임과 셀 확장부(접점 영역) 사이에서 동일한 회전 절단 다이에 의해 셀을 천공하기;
8) 제8 작업 : - 픽쳐 프레임과 셀 확장부(접점 영역) 사이에서 셀을 천공하기;
9) 제9 작업 : - 셀의 각 열을 슬릿팅하고 롤에 감기;
이러한 제조 공정은 애노드 층을 대신 인쇄하여 아연 호일/접착제 라미네이트를 배제시키는 것에 의해 더 변경될 수 있다. 이는 후술하는 기술 중 하나에 의해 실시될 수 있다.
한 가지 방법은 앞서 논한 전도성 은, 전도성 니켈, 혹은 카본 잉크 등과 유사한 전도성 아연 잉크를 제조하는 것이다. 이러한 셀 구조(600)의 전형적인 예가 도 9 내지 도 12에 도시되어 있다. 이러한 도면에서, 모든 대응 부분은 [셀 구조(101)에 도시된] 도 1 내지 도 4의 구조의 것과 동일한 도면 부호를 갖지만, 단 변경된 부분은 새로운 도면 부호를 갖는다.
이러한 변경 중 일부는 예컨대 약 0.20"의 폭과 약 0.002"(약 0.0003"-0.005") 두께로 제조될 수 있는 인쇄된 애노드(660)를 포함한다. 이러한 구조의 폭과 두께는 셀 용량에 영향을 미치므로, 상기 치수는 본 명세서에 기술된 바와 같은 셀의 크기에 대해서만 통상적인 것이다.
또한, 픽쳐 프레임(113)의 범위 내에 있는 영역에 있어서 애노드(660)와 캐소드 컬렉터 층(131)의 위에는 코킹/접착제 층(653)이 인쇄될 수 있다. 도 1과 마찬가지로, 도 9의 셀(600)도 명료한 도시를 위해 상부 라미네이트 기판이 도시 생략되어 있다.
전도성 잉크는 제조하기가 곤란할 수 있으므로, 인쇄된 애노드 셀의 변형례가 도 13 및 도 14에 도시되어 있다. 이들 도면은 셀의 모든 구성 요소를 보여주고 있지는 않지만, 인쇄된 애노드와 관련된 품목은 나타내고 있다. 다른 생산 방법은 바람직한 애노드 및 애노드 접점과 거의 동일한 위치에 있는 전도성 패턴[예컨대, 애노드 컬렉터(661)]을 인쇄하는 것일 수 있다. 이러한 전도성 패턴용 재료로는 캐소드 컬렉터(131)용으로 사용되는 전도성 카본과 동일한 재료를 이용할 수 있다. 동일한 재료를 사용하면, 이 재료가 캐소드 컬렉터(131)용으로 이미 인쇄되었기 때문에, 부가적인 인쇄 스테이션이 불필요해질 것이다. 애노드 컬렉터 재료를 선택하는데 있어서 주요 제한 조건은, 아연 애노드와의 양립성이므로, 유용한 재료는 카본이다. 사용 가능한 다른 재료로는 백금, 티타늄, 및/또는 탄탈 등이 있다. 애노드 컬렉터의 필요성은 아연 잉크를 전도성으로 만들기 곤란할 수 있다는 사실에 기초하므로, 비(혹은 저)전도성 아연 잉크가 사용되는 경우, 캐소드가 캐소드 컬렉터를 필요로 하는 것과 동일한 이유로, 애노드는 전류 컬렉터를 구비하여야 한다.
애노드의 전도성을 보다 높이려면, 애노드 컬렉터(661)의 위에 고전도성 애노드 접점(650)을 인쇄할 수 있다. 이는 은 잉크일 수 있고, 또는 예컨대 캐소드 접점(140)과 동시에 그리고 동일 스테이션에서 인쇄될 수 있는 그 밖의 고전도성 재료일 수 있다. 애노드(660)는 예컨대 픽쳐 프레임(113)의 내부 영역에 있어서 애노드 컬렉터(661)의 위에 직접 인쇄될 수 있다. 인쇄된 애노드 개념의 사용은 아연 호일/접착제 라미네이트와 비교해보면 많은 장점을 가질 수 있다. 이러한 장점 중 일부는 다음과 같다:
첫째, 애노드 부착은 온-라인으로 행해질 수 있고, 셀의 나머지 부품들은 동시에 인쇄되기 때문에, 아연 호일을 접착제에 대해 적층하는 것과 관련된 오프-라인 작업과 이 아연/접착제 라미네이트의 슬릿팅이 생략될 수 있다. 또한, 특정의 인쇄 프레스 스테이션에서의 혹은 오프-라인 작업에서의 아연 호일/라미네이트의 부착(적층)도 생략할 수 있다.
둘째, 밀봉 영역 내의 인쇄된 재료의 두께는, 그것이 컬렉터인지 혹은 애노드인지에 따라, 아연/접착제 라미네이트보다 훨씬 더 얇아질 수 있기 때문에, 캐소드 컬렉터와 동일하거나 유사한 우수한 밀봉 조건을 허용한다.
셋째, 아연 호일/접착제 라미네이트는 연속 스트립에서 기계 방향으로 가장 쉽게 부착될 수 있고, 그것의 기하학적 형상은 직사각형으로 한정될 수 있으며, 그 폭은 슬릿팅 능력에 의해 제한된다. 또한, 상기 스트립은 연속하기 때문에, 라미네이트는 심지어 하부 밀봉 영역에서도 전체 셀 길이로 부착될 수 있다. 그러나, 이러한 특징은 공정과 효율성의 측면에서 하부 시일 영역을 복잡하게 할 뿐만 아니라 라미네이트 사용의 증가를 초래할 수 있다. 인쇄된 애노드는 임의의 기하학적 형상일 수 있고 기계 방향뿐만 아니라 횡 방향으로도 쉽게 인쇄될 수 있다.
넷째, 애노드 및/또는 애노드/애노드 컬렉터의 인쇄에 의하면, Acheson사의 SS479 등과 같은 통상의 전도성 잉크를 사용하는 인쇄 프레스에서 직접적으로, 그리고 심지어 전도성 접착제 및/또는 솔더 등을 사용하지 않고도, 유닛 셀을 배터리 팩에 용이하게 직접 접속시키는 것이 가능해진다. 아연 호일이 유닛 셀 구조에 사용된다면 동일한 공정이 실시될 수 있지만; Acheson사의 PM046 등과 같이 높은 등급의 가요성을 갖는 특별한 전도성 잉크가 대체로 필요하게 될 것이다.
셀/배터리 구조 및 접속부의 인쇄의 예가 도 15에 상세히 도시되어 있고, 도 19의 흐름도에는 공정이 도시되어 있다. 웹(800)은 예시를 목적으로 단일 열의 배터리로서 도시되어 있다. 이 방법에서 처리할 수 있는 배터리의 크기 및 롤의 최대 폭에 따라, 배터리의 열의 개수가 바뀔 수 있다.
웹(800)은 도 6 내지 도 12와 관련하여 기술되어 있는 웹(900)과 동일한 방식으로 인쇄되지만; 재료 및 형상 중 일부는 변경되어 있다. 웹(800)의 일부분은 인쇄된 애노드 조립체(662)를 포함하는데, 이 애노드 조립체는 애노드 컬렉터(661)와 애노드(660)를 포함하거나 혹은 인쇄된 애노드(660)만을 포함할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같아, 이러한 타입의 구조는 전술한 아연 호일/접착제 라미네이트(204)를 이용하여 전술한 방식으로 만들어질 수 있다. 또한, 대개 캐소드 컬렉터(201)와 캐소드(206)를 모두 포함하는 (몇몇 실시예의 경우에는 컬렉터가 불필요할 수 있음) 인쇄된 캐소드 조립체(232)가 포함된다. 또한, 양의 피드-스루 시일(133)에 대해 인쇄된 접착제/코킹과, 음의 피드-스루 시일(153)에 대해 인쇄된 접착제/코킹을 더 포함한다.
대개 도시된 3 볼트 배터리 패키지에서 두 셀을 모두 둘러싸는 하나의 프레임으로서 마련되는 픽쳐 프레임(607)도 또한 포함된다. 이 픽쳐 프레임은 인쇄될 수 있고, 또는 폴리염화비닐, 폴리에스테르 등과 같은 미리 구멍을 뚫어 놓은 폴리머 시트로 형성될 수 있다. 이러한 두 실시예는 모두 본 명세서의 앞 부분에서 설명하였다. 전해질 누출 저장조인 픽쳐 프레임(607)을 두 유닛 셀(101) 주위의 적소에 인쇄 혹은 적층하기 이전에 혹은 이후에, 배터리의 양의 접점(740)이 예컨대 배터리의 음의 접점(750)과 동일 스테이션에서 인쇄되지만(아연 호일이 애노드의 일부로서 사용되는 경우에, 음의 접점은 인쇄될 필요가 없을 수 있음); 배터리의 직렬 커넥터(760)는 여전히 인쇄될 수 있다.
예컨대, Acheson Colloids의 SS479 또는 PM046 등과 같은 은 잉크를 포함하는 접점 재료가 사용될 수 있다. 전술한 바와 같은 그 밖의 접점 재료도 사용될 수 있다. 두 개의 유닛 셀(101)을 완성하기 위해, 픽쳐 프레임(607)의 내부에 있는 각 유닛 셀(101)에 점성 전해질(210)을 추가함으로써 셀을 "활성화"하거나, 또는 겔 타입의 전해질을 두 전극[캐소드(232)와 애노드(660) 혹은 애노드 조립체(662) 혹은 도 6의 아연 호일(204)] 모두의 위에 인쇄할 수 있다. 하이드로 겔 베이스, 혹은 UV 가교나 화학적 가교를 필요로 하는 몇몇 포뮬레이션 등과 같은 인쇄 가능한 전해질, 또는 다른 대안적인 물질이 사용된다면, 이러한 물질은 예컨대 픽쳐 프레임의 인쇄 이전에 인쇄될 수 있다.
유닛 셀(101)이 활성화된 이후에, 셀은 픽쳐 프레임(607)의 위에 상부 라미네이트(212)를 적층함으로써 밀봉되는데, 이 상부 라미네이트는 그 내면에 감압성 접착제(500)가 마련되어 있을 수 있다. 그 후, 이러한 상부 라미네이트(212)는 픽쳐 프레임의 외측 가장자리 주위에서 다이 컷 될 수 있고; 동일한 회전 절단 다이를 이용하여 웹(800)은 픽쳐 프레임과 배터리 확장부 사이에서 천공될 수 있는데, 이 배터리 확장부는 양의 접점(740), 음의 접점(750) 및 배터리 직렬 커넥터(760)를 포함한다.
그 후, 가장자리(215 및 216)를 따라 각 열의 배터리를 슬릿팅한 후, 이후의 조립을 위해 롤에 감음으로써, 배터리(300)가 완성될 수 있다. 이와 동일한 공정은, 전압을 높이기 위한 직렬 접속부를 구비하는 및/또는 용량 및/또는 전류 드레인을 증대시키기 위한 병렬 접속부를 구비하는 배터리 등과 같은 다른 배터리 구조를 형성하는 데 사용될 수 있다. 또한, 적절한 전도성 접착제를 사용하면, 상기 구조의 개념은 인쇄된 애노드(660) 대신에 아연 호일(204)을 Acheson사의 은 잉크 PM046 등과 같은 플렉시블 전도성 잉크와 함께 사용하여, 커넥터(760)와 애노드 접점 사이에 넣을 수 있게 한다. 상기 플렉시블 잉크는 또는 필요에 따라 전술한 구조에도 사용될 수 있다.
이상의 기술 내용은 인쇄 프레스를 1회 이상 통과하는 것에 의해 전체 셀 및/또는 배터리를 인쇄하고, 활성화하며, 그리고 밀봉할 수 있게 하는 작업 순서의 예를 설명한다. 셀/배터리의 제조 공정을 보다 효율적으로 만들기 위해, 상기 공정은 전자 부품(예컨대, 배터리 또는 셀에 의해 전력을 공급받는 것)의 제조에 통합될 수 있고, 그 결과 전력 공급원을 구비한 완성된 전자 기기가 동시에 제조될 수 있다. 이와 같이 통합된 절차는 도 20의 흐름도에 예시되어 있으며 이하의 단락에 기술되어 있다.
상기 통합 공정은 도 16에 도시된 웹(500)에서 시작되는데, 이 웹은 배터리(300)용 하부 라미네이트 기판의 역할을 할 뿐만 아니라 디스플레이를 구비한 열 센서 등과 같은 전자 부품용 기판의 역할을 하는 것이다. 이러한 통합 부품을 제조하는 공정은 도 15의 배터리(300)를 웹(800) 상에서 제조하는 초기 단계로 시작된다. 설명을 목적으로, 도 16의 웹(500)은 도 16에 도시된 통합 전자 기기(450)의 필요 회로를 인쇄하기 위한 공간을 감안하여 도 15에 도시된 웹(800)보다 폭이 넓은 것으로 도시되어 있다.
웹(500)은 도 15와 관련하여 기술된 웹(800)과 동일한 방식으로 인쇄되지만; 재료 및 형상 중 일부는 변경되어 있다. 웹(500)의 일부분은 도 15의 웹(800)과 마찬가지로 동일한 배터리 부품과, 시일(153)을 포함한다.
대개 3 볼트 배터리 패키지에 도시된 바와 같이 두 셀을 모두 둘러싸는 하나의 프레임으로서 마련되는 배터리 픽쳐 프레임(607)도 또한 포함된다. 이 픽쳐 프레임(607)은 인쇄될 수 있고, 또는 미리 구멍을 뚫어 놓은 폴리머 시트일 수도 있다. 상기 통합 공정을 사용하면, 유전체 픽쳐 프레임(607)은 유전체 패드(430)를 포함하도록 변경되는데, 이러한 유전체 패드에 의하면 회로(401)는 배터리의 음의 접점(406)에 이르는 접합부(499)에서 아연(204)의 연속 스트립과 교차할 수 있게 된다. 인쇄 실시예 및 폴리머 실시예는 모두 전술한 기술 내용에 설명되어 있다. 전해질 누출 저장조인 픽쳐 프레임(607 또는 607A)을 두 유닛 셀(101) 주위의 적소에 인쇄 혹은 적층한 이후에, 배터리의 양의 접점(740)이 배터리의 직렬 커넥터(760)(도 16에 도면 부호 411 및 410로 각각 나타내어짐)와 동일한 스테이션에서 인쇄될 수 있다.
이제 도 16을 참조하면, 접점 재료는 Acheson Colloids의 PM046 등과 같은 은 잉크일 수 있다. 이러한 재료는, 배터리 직렬 커넥터(410)가 긴 아연 접착제 라미네이트(204)의 위에 인쇄될 때 인쇄 패턴에 단차가 있더라도 양호한 전기 접촉을 유지할 수 있는 능력과 가요성을 갖기 때문에 선택되었다. 전술한 바와 같은 다른 접점 재료도 또한 용례에 따라 사용될 수 있다. 또한, 셀/배터리 접점 및 커넥터(407 및 410)(도 15의 각각 740 및 760)를 인쇄하는 동안에, 회로(401)도 또한 인쇄될 수 있다. 회로(401)는 음의 단자(406) 및 양의 단자(411)에서 시작되고, 전체 회로(401)가 완결될 때까지 이어진다. 이 예에서, 회로는 회로가 작동 상태임을 나타내는 인쇄 혹은 삽입된 LED(404)와, 예컨대 온도가 허용 가능한 범위 내에 있는지 혹은 이 범위를 벗어나 있는지를 나타내는 단일 아이콘일 수 있는 디스플레이(403)를 포함한다. 도 16에는 온도 디스플레이가 도시되어 있으므로, 실제 온도를 언제나 관찰할 수 있다. 이 회로는 또한 회로의 인쇄가 완료된 이후에 삽입되는 IC 칩(404)을 포함한다.
도 15를 다시 참조하면, 두 개의 유닛 셀(101)을 완성하기 위해, 픽쳐 프레임(607 또는 607A)의 내부에 있는 각 유닛 셀(101)에 분리기/전해질 층을 추가함으로써 셀을 "활성화"한다. 이는 두 전극[캐소드(130)와 인쇄된 애노드(660) 혹은 아연 호일 애노드(204)]의 위로 유동하는 층 및/또는 분리기 타입의 재료를 갖지 않는 점성 전해질(210)을 포함할 수 있다. 겔 타입의 전해질이 두 전극[캐소드(130)와 애노드(660 혹은 204)] 모두의 위에 인쇄될 수 있고, 또는 수성 전해질이 픽쳐 프레임(607) 내부의 셀 공동에 추가된 이후에, 독립적인 분리기 층, 예컨대 코팅된 크라프트(Kraft) 종이 혹은 "종이 타월"과 같은 재료 등이 마련되어 두 전극[캐소드(130)와 애노드(660 혹은 204)]을 커버할 수 있다.
유닛 셀(101)이 활성화된 이후에, 셀은 픽쳐 프레임(607 또는 607A)의 위에 상부 라미네이트(212)를 적층함으로써 밀봉되는데, 이 상부 라미네이트는 그 내면에 감압성 접착제(500)가 마련되어 있을 수 있다. 그 후, 이러한 상부 라미네이트(212)는 픽쳐 프레임의 외측 가장자리 주위에서 다이 컷 될 수 있고, 그에 따라 배터리 확장부는 음의 배터리 단자(406)와 양의 배터리 단자(411) 뿐만 아니라 노출된 채로 남겨져 접근 가능한 회로(401)의 구성 요소를 구비할 수 있다. 통합된 배터리/회로 기기(450)가 완성된 이후에, 각 기기(450)는 라인(42)에서 천공될 수 있고, 그 후에 각 기기는 각 열의 기기(450)를 슬릿팅한 후 이후의 사용을 위해 롤에 감음으로써 완성될 수 있다. 동일한 공정이 다른 통합된 배터리/기기, 예컨대 다양한 전압 및/또는 다양한 병렬 접속부를 갖고 다양한 용량을 갖는 배터리와 다양한 전자 기기 등이 통합된 배터리/기기를 제조하는데 사용될 수 있다. 이러한 기기(450) 또는 전술한 셀 및/또는 배터리 구조 중 임의의 것은 예컨대 라벨 포맷으로 제조될 수 있다. 상기 공정에서 릴리스 라이너를 구비하는 감압성 접착제 층이 기기(450)의 이면측에 혹은 셀 또는 배터리 구조 중 임의의 것의 이면측에 설치됨으로써, 상기 제조는 다소 용이하게 실시될 수 있다.
파우치 구조에 있어서 공동 표면(co-facial) 디자인을 이용하면, 셀의 내부 저항이 낮고 캐소드용으로 이용 가능한 공간이 크기 때문에, 얇은 인쇄된 셀/배터리가 보다 큰 전류 및/또는 보다 큰 용량을 필요로 하는 기기에 전력을 공급할 수 있게 된다는 것을 알고 있다. 이러한 이유로, 이전 단락에서 기술한 픽쳐 프레임 구조는, 참조 출원에 기술되어 있는 파우치 구조의 경우에 행한 것과 동일한 방식의 변형 구조를 갖게 설계될 수 있었다. 이러한 이유로, 파우치와 픽쳐 프레임은 모두 "표준적인" 공동 평면 및 공동 표면 구조를 형성할 수 있다. 도 21 내지 도 25에서는 공동 표면 디자인을 갖는 완성된 유닛 셀(901)의 실시예를 평면도와 단면도로 보여준다. 본 명세서에 있어서 셀(901)은 고속 대량 인쇄 프레스에서 제조되는 것으로 도시되어 있지만, 예컨대 소량의 셀의 경우에는 손으로 혹은 반자동 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 명료한 도시를 위해, 도 21의 셀(901)에는 상부 라미네이트(212)가 도시 생략되어 있다.
도 21 내지 도 25의 셀(901)은, 명료한 도시를 위해 도 21의 셀에는 도시 생략되어 있는 상부 라미네이트 필름 기판 층(912)과, 양의 접점(940) 및 음의 접점(950)이 마련된 확장 영역(980)을 구비하는 하부 라미네이트 필름 기판(층)(911)을 포함한다. 도 22 내지 도 25에 도시된 셀(901)은 전극 층(930)(캐소드)과 전극 층(960)(애노드)으로 이루어지는데, 이들 전극 층은 각각 전해질과 전기화학적으로 상호 작용하여 전류를 발생시킬 수 있는 서로 다른 조성의 전기화학 층으로 이루어진다
캐소드 층(930)을 부착하기 이전에, 고전도성 카본으로 이루어진 캐소드 컬렉터(931)를 하부 라미네이트 기판(911) 상에 인쇄할 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 이러한 캐소드 컬렉터는 실질적으로 그 형상 및 크기를 캐소드 층(930)과 함께 갖고, 접점 확장부(934)는 크기의 차이는 있지만 역시 사용될 수 있다.
적어도 하나의 실시예에서, 캐소드 층(930)은 이산화망간, 예를 들어 카본 및 그래파이트 등과 같은 전도체, 바인더 및 물을 포함하는 잉크를 사용하여 캐소드 컬렉터(931)의 넓은 면적의 부분에 인쇄된다. 캐소드 층(930)이 선택적인 스타치 코팅 층(916) 혹은 인쇄 가능한 전해질과 함께 적소에 위치한 이후에, 하부 "픽쳐 프레임"(913)이 전극 주위에 배치된다. 픽쳐 프레임은 여러 실시예(본 명세서에는 그 중에서 일부가 기술되어 있다)에 있어서 다수의 서로 다른 재료와 방법으로 제조될 수 있다. 본 명세서에 논하는 구조에 있어서, 픽쳐 프레임(913)은 폴리에스테르 등과 같은 다이 컷 혹은 레이저 컷 폴리머 라미네이트 시트를 중간에 포함하고, 감압성 접착제로 이루어진 두 외층[상면 상의 외층(918)과 하면 상의 외층(917)]을 구비할 수 있다. 각각의 릴리스 라이너는 도면에 도시되어 있지 않다 (별법으로서, 이 접착제는 예컨대 폴리머를 컷팅하기 이전에 코팅되는 PSA 또는 플러드(flood)와 유사한 패턴으로 인쇄되는 감열성 재료일 수 있다).
하부 접착제 층(917)은 하부 라미네이트 기판(911)을 픽쳐 프레임(913)에 대해 밀봉한다. 상부 접착제 층(918)은 애노드 아연 호일(960)을 하부 픽쳐 프레임(913)에 고착하는데 사용된다. 전술한 바와 같이, 예컨대 하부 픽쳐 프레임(913)은 미시간주 포트 휴론 소재의 Acheson Colloids 혹은 오하이오주 델라웨어 소재의 EMC(Engineered Conductive Materials)에서 제조하는 것과 같은 유전체 타입의 스페이서 재료로 인쇄될 수 있다.
인쇄 가능한 스타치 및/또는 인쇄 가능한 전해질이 사용되지 않는다면, 애노드 아연 호일 스트립(960)을 추가하기 이전에, 종이 또는 흡수제 타입 재료의 분리기(916A)가 하부 픽쳐 프레임(913)에 그리고 캐소드(930)의 위에 삽입될 수 있다. 또한, 애노드(960)를 추가하기 이전에, 감열성 혹은 감압성 밀봉/코킹 재료(954)를 하부 스페이서(913)의 위에서 애노드의 위치에 인쇄할 수 있다.
애노드 스트립(960)이 하부 스페이서(913)의 위에서 감열성 혹은 감압성 밀봉/코킹 재료(954)의 위치에 배치된 이후에, 얇은 상부 스페이서(953)는 하부 스페이서(913) 위에 인쇄되고, 애노드(960)는 애노드(960)의 단부 위에서[접착제(954)의 위치] 뿐만 아니라 전체 하부 스페이스(913)의 위에서 인쇄된다. 상기 스페이서는 UV 경화형 유전체일 수 있는데, 이러한 유전체로는 예컨대 미시간주 포트 휴론 소재의 Acheson Colloids에서 제조하는 PM030 등과 같은 감압성 접착제(PSA)가 있다.
셀 구조가 스타치 잉크 코팅 또는 흡수제 타입의 분리기를 캐소드 상에 포함한다면, 수성 전해질이 이 층에 추가된다.
그 후, 상부 픽쳐 프레임 층(953) 위에 상부 라미네이트 기판(912)을 부착함으로써, 셀이 완성된다. 상부 픽쳐 프레임 층이 PSA가 아니면, 상기 상부 라미네이트를 부착하기 이전에, (만약 사용된다면) 이 상부 라미네이트의 감압성 접착제(도시 생략)의 릴리스 라이너를 상부 라미네이트(912)로부터 제거한다. 얇은 상부 픽쳐 프레임(953)이 감열성 접착제이면, 하부 라미네이트(912)는 픽쳐 프레임(953)에 열 밀봉된다. 음의 단자에 대한 접근을 허용하도록, 상부 라미네이트는 음의 접점(950)의 위치에 노치가 형성되어 있다.
전술한 예에는 예컨대 직선형 형태의 기하학적 형상을 이용하는 픽쳐 프레임 셀/배터리 구조가 기술되어 있다. 대부분의 경우에 기하학적 형상은 선택 가능한 것이지만; 픽쳐 프레임 구조를 사용하면, 기하학적 형상은 직선형에 제한되지 않는다. 예컨대, 배터리는 상처 치료 용례 등과 같은 의료용 장치에 사용될 수 있다. 몇몇 스킨 패치 타입의 경우에 피부 상처를 더 양호하게 그리고 더 빠르게 치유할 수 있게 하는 바람직한 기하학적 형상은, 원형 혹은 타원형이거나 및/또는 직사각형과 원의 조합일 수 있다. 이러한 용례의 예(1200)가 도 26에 도시되어 있다. 스킨 패치의 일단부에는 음의 전극(1231)이 있는 반면에, 타단부에는 양의 전극(1232)가 있다. 이 타원형 패치의 중간에는, 예컨대 픽쳐 프레임 구조로 제조된 1.5 볼트 셀(1203)이 있다. 셀의 안쪽 부분을 보여주기 위해 부분 절개되어 있는 이 셀은 이하의 것을 포함한다:
이전 단락에서 논한 바와 같이, 비직선형 셀은 상이한 기하학적 형상을 갖지만 동일한 부품 및 동일한 재료를 사용할 수 있다. 하부 기판은 피부 전극뿐만 아니라 유닛 셀(1203)을 지지한다. 기판(1211) 상에는 먼저 캐소드 컬렉터(1201)가 인쇄되고, 그 후에 아연 애노드가 호일/접착제 라미네이트로서 기판에 인쇄 혹은 적층된다. 픽쳐 프레임(1207)의 아래에 있는 셀의 시일(1205)은 픽쳐 프레임의 길이 방향으로 존재할 수 있으므로, 다른 용례보다 폭이 넓게 제조될 수 있다. 전도성 음의 접점(1220)이 아연 애노드(1204)로부터 음의 피부 전극(1231)까지 인쇄된 이후에, 픽쳐 프레임(1207)이 인쇄될 것이다. 동일한 인쇄 스테이션에서, 양의 접점(1221)은 캐소드 컬렉터(1201)를 스킨 패치(1232)에 접속시키도록 인쇄된다. 이러한 품목들 전부가 적소에 위치한 이후에, 밀봉제(1240)를 픽쳐 프레임(1207)과 유사한 패턴으로, 혹은 캐소드 접점 커넥터(1221)와 애노드(1204)의 일부분의 바로 위에 인쇄한다.
이러한 작업 이후에는 캐소드(1225) 및 픽쳐 프레임(1207)의 인쇄가 이어진다. 전술한 구조에서와 마찬가지로, 전해질(1240)을 점성 액체 또는 유동성 겔 형태로 인쇄 및/또는 추가하는 것이 바람직한데, 이러한 전해질은 애노드(1204)와 캐소드(1225)를 모두 커버할 뿐만 아니라 애노드(1204)와 캐소드(1225) 사이의 간극(1239)도 커버할 것이다. 상부 라미네이트(1212)가 전체 셀을 밀봉하면, 셀이 완성된다. 이러한 기판은 규격에 맞게 절단된 층이거나, 또는 부착한 이후에 프레임(1207)의 형상으로 다이 컷되는 연속 필름일 수 있다. 상부 층은 필름의 위에 혹은 픽쳐 프레임(1207)의 위에 마련된 감압성 혹은 감열성 접착제에 의해 밀봉된다.
얇고 인쇄된 플렉시블 셀/배터리는 많은 잠재적인 용례를 지닐 수 있다. 이들 용례는 예로 들은 아래의 일반적인 카테고리 중 하나 이상을 포함한다:
1. 광고와 판매 촉진;
2. 장난감, 신종 제품, 책, 인사장, 및 게임;
3. (스마트 RFID 태그) 등의 재고 추적 및 제어;
4. 보안 태그;
5. 온도, 습도 등의 조건 표시기;
6. 의약품 및/또는 화장품을 위한 이온토포레시스 이용 용례(iontophretic applications); 및
7. 스마트 기저귀, 요실금 제품 등의 건강 제품
이상, 본 발명은 특정한 예와 실시예를 사용하여 기술되었지만; 당업자라면 다양한 변형례가 사용될 수 있고 균등물이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범주 내에서 본 명세서의 구성 요소 및/또는 단계를 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 영역을 벗어나지 않는 범주 내에서 본 발명을 특별한 상황과 특별한 필요에 맞추기 위해 변형이 필요할 수 있다. 본 발명은 특별한 실시 및 본 명세서에 기재된 실시예에만 한정되는 것이 아니라, 주어진 청구의 범위 내에서 개시되거나 혹은 개시되지 않은 모든 실시예, 문자 그대로의 의미 혹은 균등물을 포함하여 광범위하게 해석되는 것으로 의도되어 있다.

Claims (21)

  1. 전류를 발생시키기 위한 편평한 전기화학 셀로서,
    제1 산화물 배리어 층을 갖는 복수 개의 적층된 층을 포함하는 제1 기판 층으로서, 상기 제1 산화물 배리어 층은 제1 기판 층의 복수 개의 적층된 층을 통해 가스가 빠져나가도록 하는 가스 투과율을 갖는 것인 제1 기판 층;
    제2 기판 층;
    상기 제1 기판 층 또는 제2 기판 층 상에 마련되는 캐소드 층;
    상기 제1 기판 층과 제2 기판 층 중에서 상기 캐소드 층과 동일한 기판 층에 마련되는 애노드 층으로서, 상기 애노드 층과 캐소드 층은 동일 평면 상에 배치되는 것인 애노드 층;
    상기 캐소드 층 및 상기 애노드 층과 접촉하는 액체 전해질을 포함하고,
    상기 제1 기판 층은 상기 제2 기판 층에 연결되어 상기 전해질을 수용하는 내부 공간을 형성하며,
    상기 애노드 층과 상기 캐소드 층 중 적어도 하나는 경화형 잉크 또는 건식 잉크로 이루어지는 것인 전기화학 셀.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 층과 이 캐소드 층이 마련되는 기판 사이에 배치되는 캐소드 전류 컬렉터를 더 포함하는 것인 전기화학 셀.
  3. 제2항에 있어서, 상기 애노드 층과 이 애노드 층이 마련되는 기판 사이에 배치되는 애노드 전류 컬렉터를 더 포함하는 것인 전기화학 셀.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 기판 층은 제2 산화물 배리어 층을 갖는 복수 개의 적층된 층을 포함하고, 상기 제2 산화물 배리어 층은 제2 기판 층의 복수 개의 적층된 층을 통해 가스가 빠져나가도록 하는 가스 투과율을 갖는 것인 전기화학 셀.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전해질은 겔 전해질인 것인 전기화학 셀.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전해질이 흡수되고 상기 내부 공간 내에서 상기 애노드 층 및 캐소드 층과 접촉하는 흡수 분리기를 더 포함하는 것인 전기화학 셀.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 산화물 배리어 층은 이 제1 산화물 배리어 층을 통한 습기 투과를 방지하도록 된 것인 전기화학 셀.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 기판 층과 제2 기판 층은 이들 사이에 배치된 프레임을 통해 연결되는 것인 전기화학 셀.
  9. 제8항에 있어서, 상기 프레임은 경화형 접착제 잉크 또는 건식 접착제 잉크를 더 포함하는 것인 전기화학 셀.
  10. 제2항에 있어서, 상기 캐소드 전류 컬렉터는 상기 기판 상에 인쇄된 경화형 잉크 또는 건식 잉크를 포함하고, 상기 캐소드 층은 상기 캐소드 전류 컬렉터 상에 인쇄된 경화형 잉크 또는 건식 잉크를 포함하는 것인 전기화학 셀.
  11. 제10항에 있어서, 상기 캐소드 전류 컬렉터의 층은 상기 캐소드 층과 상이한 잉크로 인쇄되는 것인 전기화학 셀.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 기판 층은 제1 열 밀봉 층을 더 포함하는 것인 전기화학 셀.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 기판 층은 제2 열 밀봉 층을 더 포함하는 것인 전기화학 셀.
  14. 제1항에 있어서, 상기 애노드 층 및 상기 캐소드 층은 각각 경화형 잉크 또는 건식 잉크로 이루어지는 것인 전기화학 셀.
  15. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 층은 이산화망간, 그래파이트 및 하이드록시-에틸 셀룰로오스를 포함하는 수성 합성물로 인쇄되는 것인 전기화학 셀.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1 산화물 배리어 층은 그 배리어 특성이 사용 중에 특정한 용례 또는 환경에 대응하는 원하는 가스 투과율을 제공하기 위해 구성되도록 선택되는 것인 전기화학 셀.
  17. 제16항에 있어서, 상기 배리어 특성은 고온 건조 환경에 대응하는 원하는 가스 투과율을 제공하도록 구성되어, 상기 제1 산화물 배리어 층의 가스 투과율이 전기화학 셀로부터의 습기 손실을 방지하도록 낮은 것인 전기화학 셀.
  18. 제12항에 있어서, 상기 제1 기판 층은 제1 구조 층을 더 포함하고, 상기 제1 구조 층의 두께는 제1 기판 층의 재료 특성이 사용 중에 특정한 용례 또는 환경에 대응하는 원하는 구조 강도를 제공하기 위해 구성되도록 선택되는 것인 전기화학 셀.
  19. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 비직사각형 형상(non-rectangular shape)을 갖는 것인 전기화학 셀.
  20. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 직사각형 형상을 갖는 것인 전기화학 셀.
  21. 제1항에 따른 전기화학 셀을 복수 개 포함하는 배터리.
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