KR20070068361A - 온도 표시기 - Google Patents

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KR20070068361A
KR20070068361A KR1020077008205A KR20077008205A KR20070068361A KR 20070068361 A KR20070068361 A KR 20070068361A KR 1020077008205 A KR1020077008205 A KR 1020077008205A KR 20077008205 A KR20077008205 A KR 20077008205A KR 20070068361 A KR20070068361 A KR 20070068361A
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KR
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light emitting
temperature
electrode
temperature indicator
electrochemical cell
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KR1020077008205A
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에듀아르드 예이. 메이예이에르
랄프 쿠르트
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/12—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in colour, translucency or reflectance

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Abstract

표면(13)에서 고온을 표시하기 위한 온도 표시기(1)는, 제 1 전극(8), 제 2 전극(9) 및 2개의 전극(8, 9) 사이에 위치하는 광 방출 층(10)을 가지는 광 방출 전기화학 셀(4)을 포함한다. 광 방출 층(10)은 매트릭스와 그 매트릭스에서 이동 가능한 이온들을 포함하고, 상기 매트릭스에서의 상기 이온들의 이동도는 온도 의존성이다. 전원(5)이 AC 전압으로 광 방출 전기화학 셀(4)을 구동하기 위해 적응된다. AC 전압의 주파수는, 특정 온도 레벨 위에서, AC 전원(5)이 전압의 극성을 바꾸기 전에 광 방출 전기화학 셀(4)이 광을 방출하도록, 광 방출 전기화학 셀(4)에서의 충분한 전하 변화도를 제공하기 위해, 매트릭스에서 이온들이 충분히 빠르게 움직이는 식으로, 조정된다.

Description

온도 표시기{TEMPERATURE INDICATOR}
본 발명은 표면 온도의 시각적인 표시를 제공하기 위해 표면에 제공되도록 적응된 온도 표시기에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 표면 온도의 시각적인 표시를 제공하기 위해 표면에 제공되도록 적응된 온도 표시기를 형성하는 방법에 관한 것이다.
많은 가전 제품에서, 사용 중에 고온이 수반된다. 그러한 가전 제품의 예로는 다리미, 물을 사용하는 요리 기구(water cooker), 요리용 철판, 오븐 윈도우(window), 프라잉 팬(frying pan), 토스터기, 와플(waffle) 굽는 기구 등이 있다. 그러한 가전 제품을 사용하는 사람이 화상과 같은 상해를 회피하기 위해, 그러한 가전 제품을 사용하는 사람에게 그것이 뜨겁고 조심해야 한다는 것을 표시하는 표시기를 가질 필요가 존재한다. 고온을 표시하는 것은 보통 온도 센서, 그러한 센서에 결합된 제어 유닛 및 경고등을 가짐으로써 행해지고, 이러한 경고등은 센서가 고온을 가리킬 때 제어 유닛에 의해 켜진다. 그러한 시스템의 일 예는 온도 감지 유닛으로부터 신호를 수신하는 제어기에 의해 제어되는 3개의 표시기 멤버를 가지는 다리미를 설명하는 US6,396,027B1에서 발견될 수 있다. US6,396,027B1에서 설명된 유형의 온도 표시기가 가지는 단점은, 그것이 복잡하고 사용자에게 고온에 대해 정확히 경고하기 위해 여러 구성 성분들 사이의 적당한 협조를 요구한다는 점이다. 고장난 등은 일 예로서, 실제로 다리미가 뜨거울 때 다리미가 차갑다는 부정확한 표현을 사용자에게 줄 수 있다. 또한 이러한 유형의 온도 표시기는 표면의 어느 부분이 뜨거운지, 다리미의 전체 표면이 그러한지 또는 다리미의 일부만 그러한지에 관한 어떠한 정보도 주지 않는다.
본 발명의 목적은 정확하게 그리고 낮은 비용으로 표면이 뜨거운지 그렇지 아니한지에 대해 안전한 표시를 제공하는 온도 표시기를 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 표면 온도의 시각적인 표시를 제공하기 위에 표면 위에 제공되도록 적응된 온도 표시기에 의해 달성되고, 이러한 온도 표시기는 제 1 전극, 제 2 전극 및 2개의 전극 사이에 위치하는 광 방출 층을 가지는 광 방출 전기화학(electrochemical) 셀(cell)을 포함하고, 매트릭스와 그 매트릭스에서 이동 가능한 이온들을 포함하며, 상기 매트릭스에서의 상기 이온의 이동도는 온도 의존성이고, 상기 온도 표시기는 AC 전압으로 상기 광 방출 전기화학 셀을 구동하도록 적응된 전원을 더 포함하며, 그 주파수는 표면의 온도가 특정 레벨을 초과할 때 광 방출 전기화학 셀이 광을 방출하는 식으로 조정된다.
이러한 온도 표시기의 장점은 그것이 뜨거운 표면의 정확한 표시를 제공한다는 점인데, 이는 온도에 의존하는 광 방출 특성이, 일정한 주파수의 AC 전압으로 구동될 때 광 방출 전기화학 셀 자체의 고유한 성질이기 때문이다. 온도 표시기가 잠재적으로 뜨거운 표면 위에 놓이도록 적응되므로, 표시된 온도가 그러한 표면의 관련된 온도가 아닐 위험은 존재하지 않는다. 광 방출 전기화학 셀은 전구 필라멘트와 같은 닳아지는 부분을 가지지 않고 따라서 실패의 위험은 최소화된다. 센서, 제어 유닛, 전원 및 경고등을 요구하는 종래 기술과 관련하여, 부품들의 개수가 감소되는데, 이는 본 발명에 따른 온도 표시기에서 광 방출 전기화학 셀은 센서와 경고등의 두 가지 기능을 모두 가지고, 한편으로는 제어 시스템의 역할도 하기 때문이다. 이는 제조 비용을 줄이고 또한 온도 표시기가 고온 표시에 실패할 위험을 줄인다. 어느 온도에서 광 방출이 시작되어야 할지에 대한 제어를 제공하는 것 외에, AC 전압은 1998년 G. Yu 등에 의해 Adv. Mater. 10, 385에 설명된 것과 같이, DC 전압으로 일어날 수 있는, 이온 전하 분포가 다소 영구적으로 "고정되는 것(frozen)"을 방지한다는 장점도 제공한다. 본 발명에 따른 온도 표시기의 또 다른 장점은, 표면이 뜨겁다는 것을 표시할 뿐만 아니라, 표면의 어느 부분이 뜨거운지도 표시한다는 점이다. 본 발명에 따른 온도 표시기가 다리미의 바닥과 같은 전체 표면에 부착되면, 광 방출 셀의 원리에 따라 광 방출 층이 광을 방출하게 하기에 충분히 온도가 높은 표면의 부분에서만 광 방출이 일어나게 된다.
청구범위 제2항에 따른 조치의 장점은, 잠재적으로 뜨거운 표면의 전체 또는 일부를 커버하기 위해 큰 면적과, 높은 가시성을 온도 표시기에 제공한다는 점으로, 이는 광이 전극 중 적어도 하나를 통해 방출되기 때문이다.
청구범위 제3항에 따른 조치의 장점은, 광 방출 전기화학 셀에 의한 광 방출이 온도 표시기에 의해 감시될 표면에서의 온도에 매우 정확한 상관을 제공한다는 점이다.
청구범위 제4항에 따른 조치의 장점은, 투명하고 투명성이 필수적인 윈도우와 다른 물체 위에 적층될 수 있는 광 방출 전기화학 셀을 제공한다는 점이다.
청구범위 제5항에 따른 조치의 장점은, 중합체 물질일 수 있지만 또한 실질적으로 더 작은 크기의 유기 분자일 수 있는 유기 물질이, 광 방출 전기화학 셀의 광 방출에 의존하는 바라는 온도를 제공하기에 적합하다는 점인데, 이는 유기 물질에서의 이온의 이동도가 바라는 온도 범위에서 온도에 크게 의존하는 경향이 있기 때문이다.
청구범위 제6항에 따른 조치의 장점은, 중합체 물질이 이온이 이동 가능하고 이온의 이동도의 온도 의존성이 강한 적합한 고체 매트릭스들을 제공한다는 점이다. 이러한 중합체 물질은 종종 투명하고 많은 경우에 130℃와 그 이상의 온도까지 견딘다. 중합체 물질이 여전히 이온의 이동도를 허용하면서 견고하다는 사실은, 온도 표시기의 제조와 취급을 쉽게 한다.
청구범위 제7항에 따른 조치의 장점은, 주파수 변조기가 사용자로 하여금 바라는 온도에서 표시를 시작하도록 온도 표시기를 조정할 수 있게 한다는 점으로, 즉 사용자 자신이 AC 전압 주파수를 조정함으로써, 광 방출이 시작되어야 하는 임계 온도를 바라는 온도까지 조정할 수 있다는 점이다. 이는 가전 제품 응용뿐만 아니라, 큰 영역의 광 방출 온도 표시기가 과정 문제에 대한 정확한 시각적인 표시기로서 사용될 수 있는 산업용 응용에서도 유용한 온도 표시기를 제공한다.
청구범위 제8항에 따른 조치의 장점은, 사람의 피부에 대한 화상이 일어나기 쉬운 온도 또는 바람직하게는 그보다 낮은 온도에서 뜨거운 표면의 표시가 시작되도록 제공된다는 점이다.
청구범위 제9항에 따른 조치의 장점은, 총 두께가 최대 1㎜인 얇은 온도 표시기를 제공함으로써, 뜨거운 표면의 원치 않은 절연을 야기하지 않고, 다리미의 바닥과 같은 뜨거운 표면이 쉽게 부착한다는 점이다.
청구범위 제10항에 따른 조치의 장점은, 그러한 온도 표시기는 표면이 뜨겁다고 표시하는 것뿐만 아니라, 추가로 표면의 어느 부분이 가장 뜨거운지 및 어느 부분이 차갑고 접촉할 수 있는지를 표시한다는 점이다. 그러므로 사용자가 무심코 표면의 뜨거운 부분에 접촉할 위험이 최소화된다.
청구범위 제11항에 따른 조치의 장점은, 광 방출 전기화학 셀을 통해 연장하는 열 접촉이 셀을 통한 열 전달을 개선하고 임의의 원치않는 절연 효과를 감소시킨다는 점이다.
본 발명의 또 다른 목적은 정확한 온도 표시기를 형성하는 저렴한 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 표면 온도의 시각적인 표시를 제공하기 위해 표면에 제공되도록 적응된 온도 표시기를 형성하는 방법에 의해 달성되고, 이 방법은
제 1 전극, 제 2 전극 및 2개의 전극 사이에 위치하는 광 방출 층을 가지며, 매트릭스와 그 매트릭스에서 이동 가능한 이온들을 포함하는 광 방출 전기화학 셀을 제공하는 단계로서, 상기 매트릭스에서의 상기 이온들의 이동도는 온도 의존성인, 제공 단계,
AC 전원을 광 방출 셀의 전극에 연결하는 단계 및
AC 전압의 주파수를 조정하여, 특정 온도 위로 가열될 때 광 방출 전기화학 셀이 광을 방출하는 조정 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 양상은 이후 설명된 실시예를 참조하여 분명해지고 상세히 설명된다.
이제 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여, 더 상세히 설명한다.
도 1은 3차원 도면으로 다리미의 전체 바닥에 제공된 온도 표시기를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 부분 단면도로서, 도 1의 온도 표시기를 절단면(Ⅱ-Ⅱ)을 따라 도시하는 도면.
도 3a는 바닥의 온도가 25℃인 첫 번째 경우에서의 도 2의 부분(Ⅲ)의 확대 단면도.
도 3b는 바닥의 온도가 25℃인 두 번째 경우에서의 도 3a의 도면의 확대 단면도.
도 3c는 바닥의 온도가 25℃인 세 번째 경우에서의 도 3a의 도면의 확대 단면도.
도 3d는 바닥의 온도가 25℃인 네 번째 경우에서의 도 3a의 도면의 확대 단면도.
도 4a는 바닥의 온도가 90℃인 첫 번째 경우에서의 도 2의 부분(Ⅲ)의 확대 단면도.
도 4b는 바닥의 온도가 90℃인 두 번째 경우에서의 도 4a의 확대 단면도.
도 4c는 바닥의 온도가 90℃인 세 번째 경우에서의 도 4a의 확대 단면도.
도 4d는 바닥의 온도가 90℃인 네 번째 경우에서의 도 4a의 확대 단면도.
도 5는 상이한 온도에 있는 온도 표시기로부터의 광 방출을 표시하는 도면.
도 6은 오븐 도어(oven door)에 제공된 제 2 실시예에 따른 온도 표시기를 개략적으로 도시하는 수직 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 온도 표시기의 또 다른 실시예의 광 방출 전기화학 셀을 도시하는 평면도.
도 8은 라인(Ⅷ-Ⅷ)을 따라 도 7의 광 방출 전기화학 셀을 도시하는 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 온도 표시기의 또 다른 실시예의 광 방출 전기화학 셀을 도시하는 평면도.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 온도 표시기(1)를 개략적으로 도시한다. 온도 표시기(1)는 다리미(3)의 전체 바닥(2)을 커버한다. 온도 표시기(1)는 광 방출 전기화학 셀(4)과, 낮은 주파수의 AC 전압으로 광 방출 전기화학 셀(4)을 구동하도록 적응된 AC 전원(5)을 포함한다. AC 전원(5)은 다리미(3)의 메인(main) 전기 시스템(도 1에는 미도시)에 연결되고, 항상 다리미(3)의 전기 케이블(6)이 전원에 연결되어 광 방출 전기화학 셀(4)에 AC 전압을 제공한다. AC 전압 주파수 변조기(7)는 아래에 설명되는 바와 같이, 광 방출이 시작해야 하는 온도의 미세한 조정을 가능하게 하기 위해, 온도 표시기(1)에 선택적으로 포함될 수 있다.
도 2는 바닥(2)에 제공된 얇은 박판의 모양을 가지는 광 방출 전기화학 셀(4)을 도시하는 단면도이다. 광 방출 전기화학 셀(4)은 제 1 전극(8), 제 2 전극(9) 및 전극(8, 9) 사이에 끼워진 광 방출 층(10)을 포함한다. AC 전원(5)은 2개의 전극(8, 9)에 각각 제 1 접점(11)과 제 2 접점(12)을 거쳐 전압을 제공한다. 박판의 총 두께(x)는 약 0.5㎜이고, 그 중 광 방출 층(10)의 두께는 통상 1000Å 내지 0.2㎜이다.
제 1 전극(8)은 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 적어도 부분적으로 투명한 전극 물질로 만들어진다. 대안적인 투명한 전극 물질의 다른 예는 US 5,682,043(Pei 등)에서 발견될 수 있다.
제 2 전극(9)은 반드시 투명하지는 않지만, 바닥(2)의 표면(13)으로부터 광 방출 층(10), 더 나아가 제 1 전극(8)을 통해 다림질 될 의복 또는 다른 물체까지 열을 잘 전달하는 전극 물질로 만들어진다. 그러한 전극 물질의 예는 알루미늄, 은, 백금 및 니켈과 같은 금속을 포함한다. 다른 대안적인 전극 물질의 예는, 예컨대 전술한 US 5,682,043에서 발견될 수 있다. 물론 제 2 전극(9)이 또한 투명하거나 반투명한 전극 물질로 만들어질 수 있다.
광 방출 층(10)은 반도체성 매트릭스와 그 매트릭스에서 이동 가능한 이온들을 포함하고, 그러한 매트릭스에서의 이온들의 이동도는 온도 의존적이다. 그러한 매트릭스는 바람직하게, 복합 중합체나, p-복합 일부분(p-conjugated moieties)의 조각들을 담고 있는 혼성 중합체와 같은 반도체성 중합체 물질이다. 적합한 반도체성 중합체 물질의 예는 전술한 US 5,682,043에서 발견될 수 있다. 그러한 매트릭스 는 대안책으로서 중합체 물질보다 실질적으로 더 작은 분자량을 가지는 유기 물질과 같은 또 다른 유형의 유기 물질로 만들어질 수 있다. 나트륨 이온과 같은 양이온과, 염소 이온과 같은 음이온을 포함하는 염에 의해 이온들이 제공될 수 있다. 일 대안책으로서, 중합체 전해물에 의한 이온들이 제공될 수 있다. 광 방출 전기화학 셀에 적합한 상이한 유형의 이온들이 전술한 US 특허에서 발견될 수 있다. 또한 적합한 상대 이온과 결합된 루테늄 3중(tris)-비피리딘(bipyridine) [Ru(bpy)3]2+와 같은 전이 금속 복합체가 1991년 P.McCord와 A.J.Bard, J.에 의해 Electronal. Chem., 318, 91에서 설명된 것처럼 사용될 수 있다. 루테늄 3중-비피리딘 [Ru(bpy)3]2+복합체는 오렌지(orange)-적색(red) 광의 방출을 초래하고, 이는 고온의 시각적인 경고가 요구되는 많은 응용 분야에서 매우 적합할 수 있다.
이제 온도 표시기(1)의 2개의 상이한 온도에서의 실제 동작이 도 3a 내지 도 3d 및 도 4a 내지 도 4d를 각각 참조하여 더 상세히 설명된다. 주어진 예에서, AC 전압의 주파수는 1㎐에서 일정한데, 즉 전압의 극성이 매 초마다 한 번씩 바뀐다.
그 기본 원리가 그 자체로서 1995년 Science 269, 1086에 Q.B.Pei 등에 의해 실린 것, 1997년 Appl. Phys. Lett. 71, 1293에 J. Gao, G. Yu, A.J. Heeger에 의해 실린 것 및 다른 문서로부터 알려져 있는 광 방출 전기화학 셀(4)에서는, 2개의 전극(8, 9) 사이에 전압이 인가된다. 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명된 예에서, 바닥(2)의 표면(13)에서의 온도는 25℃이다.
도 3a는 전력이 스위치 온 되는 정확한 순간에서의 상황을 표시한다. AC 전원은 제 1 전극(8)에 양의 전하를 제공하여 그것을 애노드로 만들고, 제 2 전극(9)에는 음의 전하를 제공하여 그것을 캐소드로 만든다. (-)로 표시되는 음 이온들과 (+)로 표시되는 양 이온들은 이 순간에 여전히 서로 쌍으로 존재한다. 광 방출 층(10)의 반도체성 특성으로 인해, 제 1 전극(8)인 애노드로부터는 어떠한 정공도 주입되지 않고, 제 2 전극(9)인 캐소드로부터는 어떠한 전자도 주입되지 않는다.
도 3b는 전압을 스위칭 온 한 0.3초 후의 상황을 표시한다. 분명한 바와 같이, 음 이온들이 애노드인 제 1 전극(8) 쪽으로 천천히 이동하고 있고, 양 이온들이 또한 캐소드인 제 2 전극(9) 쪽으로 천천히 이동하고 있다. 도 3c는 전압을 스위칭 온 한 후, 즉 AC 전압의 극성이 스위칭되기 바로 0.95초 전의 상황을 표시한다. 알 수 있는 것처럼, 음 이온들은 애노드인 제 1 전극(8) 쪽으로 일정한 거리만큼 움직였지만, 애노드에서의 음 이온들의 실제 축적은 존재하지 않고 따라서 어떠한 정공도 광 방출 층(10)으로 주입되지 않는다. 이에 상응하여, 캐소드인 제 2 전극(9)에서는 양 이온들의 축적이 존재하지 않고 따라서 어떠한 전자도 또한 주입되지 않는다. 주입된 정공과 전자가 없는 경우, 어떠한 광의 방출도 없다.
도 3d는 전압을 스위칭 온 한 후, 즉 극성이 막 스위칭된 1.05초 후의 상황을 표시한다. 음 이온들은 이제 애노드인 제 2 전극(9) 쪽으로 천천히 움직이기 시작하였고, 양 이온들은 이제 캐소드인 제 1 전극(8) 쪽으로 천천히 움직이기 시작하였다. 도 3a 내지 도 3d에 예시된 것처럼, 25℃에서의 매트릭스에서의 확산 제한된 과정인 이온들의 이동도는 느려서, AC 전원이 전압의 극성을 바꾸기 전에 애노 드와 캐소드 각각에서의 음 이온들과 양 이온들의 충분한 축적은 얻어지지 않는다. 따라서 25℃의 온도에서은 어떠한 광도 방출되지 않는다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하여 설명된 예에서, 바닥(2)의 표면(13)에서의 온도는 90℃이다.
도 4a는 전원이 들어온 정확한 순간에서의 상황을 표시한다. AC 전원은 제 1 전극(8)에 양의 전하를 제공하여 그것을 애노드로 만들고, 제 2 전극(9)에는 음의 전하를 제공하여 그것을 캐소드로 만든다. (-)로 표시된 음 이온들과 (+)로 표시된 양 이온들은 이 순간에 여전히 서로 쌍으로 존재한다.
도 4b는 전압을 스위칭 온 한 0.3초 후의 상황을 표시한다. 증가된 온도에서 매트릭스에 있는 이온의 높은 이동도로 인해, 이러한 상황에서는 애노드인 제 1 전극(8)에서는 음 이온이, 캐소드인 제 2 전극(9)에서는 양 이온의 다소 큰 축적이 이미 존재한다. 전극에서 큰 이온 밀도 변화도(gradient)를 형성하는 이온의 축적으로 인해, 정공(H)이 애노드에서 주입되고, 전자(e)가 캐소드에서 주입된다. 광 방출 층(10)에서는, 정공(H)과 전자(e)가 도 4b에서 화살표로 표현된 광의 방출 하에 재결합한다.
도 4c는 전압을 스위칭한 후, 즉 AC 전압의 극성이 바뀌기 바로 0.95초 전의 상황을 표시한다. 알 수 있는 것처럼, 애노드인 제 1 전극(8)에는 음 이온의 큰 축적이 존재하고, 캐소드인 제 2 전극(9)에는 양 이온의 큰 축적이 존재한다. 이로 인해 각 전극(8, 9)에서 형성된 큰 이온 변화도는 각각 정공(H)과 전자(e)의 효율적인 주입을 제공하고, 따라서 전기화학 셀(4)에 의해 많은 광(L)이 방출된다.
도 4d는 전압을 스위칭한 후, 즉 극성이 바뀐 바로 1.05초 후의 상황을 표시한다. 음 이온은 이제 애노드인 제 2 전극(9) 쪽으로 빠른 이동을 시작했고, 양 이온은 이제 캐소드인 제 1 전극(8) 쪽으로의 빠른 이동을 시작했다. 음 이온의 충분한 축적이 애노드인 제 2 전극(9)에서 얻어지고 양 이온의 충분한 축적이 캐소드인 제 1 전극(8)에서 얻어졌을 때, 광 방출이 다시 시작된다. 그러므로 광 방출 전기화학 셀은 순방향 및 역방향 동작 모두로 광을 방출하게 된다. 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 90℃에서의 매트릭스에서의 이온의 이동도는 상당히 빨라서, AC 전원이 전압의 극성을 바꾸자마자 애노드와 캐소드 각각에서의 음 이온 및 양 이온의 충분한 축적이 얻어진다. 따라서 90℃의 표면(13) 온도에서 온도 표시기(1)에 의해 섬광이 방출되어, 다리미(3)의 사용자에게 바닥(2)이 뜨겁고 바닥(2)과 접촉하지 않도록 주의해야 한다고 경고하게 된다.
도 5는 상이한 온도에서의 광 방출 전기화학 셀의 전자 광 방출(EL)을 표시한다. AC 전원은 광 방출 전기화학 셀에 ±3V의 전압(V)을 제공하고, 1㎐의 일정한 주파수에서 극성을 바꾼다. 25℃에서 매트릭스에서의 이온의 이동도는 너무 느려 각 전극에서의 이온의 충분한 축적을 제공할 수 없고 따라서 어떠한 광도 방출되지 않는다. 60℃에서는 매트릭스에서의 이온이 더 빠르게 움직이고, 따라서 극성이 바뀐 후에는 약 0.5초 광 방출을 시작한다. 광 방출은 극성이 다시 바뀔 때까지 약 0.5초 동안 세기가 증가하면서 계속된다. 90℃에서는 이온이 상당히 빨리 움직여, 전압의 극성을 바꾼 직후에 이온의 충분한 축적이 얻어진다. 도 5에 표시된 것처럼, 온도 표시기는 60℃에서 0.5초의 어두운 기간이 먼저 오고 0.5초 동안 광 방출 이 이어지는 섬광을 제공한다. 이러한 섬광 행동은 사용자에 의해 쉽게 관찰되고, 고온에 대한 경고를 누락시키는 위험을 감소시킨다. 90℃와 같은 더 높은 온도에서는 어두운 기간이 거의 사라져 다소 낮은 광 세기를 구비한 매우 짧은 초기 기간만을 제공한다. 그러므로 온도 표시기는 표면이 뜨겁다는 것을 표시할 뿐만 아니라, 표면의 실제 온도에 대한 추가 정보를 제공한다.
AC 전원의 주파수는 광 방출 층의 두께, 매트릭스의 유형 및 해당 이온들을 가지고, 온도가 바라는 레벨, 즉 임계 온도를 초과할 때 광 방출이 얻어지는 식으로 조정된다. 만약, 예컨대 광 방출이 70℃나 그보다 높은, 즉 임계 온도가 70℃인 온도에서만 시작하는 것이 요망된다면, AC 전원의 주파수는 1㎐부터 예컨대 3㎐까지 증가될 수 있다. 그러한 경우, 60℃에서의 이온의 축적은 광 방출에 충분하지 않게 된다. 주파수를 증가시키는 대안책으로서, 광 방출 층을 더 두껍게 만들고, 이온이 더 느리게 움직이는 것에 대한 매트릭스 물질을 교환하는 것 및/또는 더 낮은 이동도를 가지는 유형에 대해서는 이온을 교환하는 것이 또한 가능하다. 그러므로 바라는 임계 온도 위에서 광 방출을 제공하는 온도 표시기를 제공하는 몇 가지 방식이 존재한다.
바닥(2)의 표면(13)이 상기 표면(13) 위에서 모두 고른 온도를 가지지 않는 경우, 광 방출 전기화학 셀(4)의 광 방출은 영역에 따라 달라진다. 그러므로 90℃와 같은 고온을 가지는 표면의 부분은 표면(13)의 그러한 부분을 커버하는 광 방출 전기화학 셀(4)의 부분으로부터 다소 일정한 광 방출을 초래하는데 반해, 60℃와 같은 낮은 온도를 가지는 표면(13)의 또 다른 부분은 표면(13)의 그러한 부분을 커 버하는 광 방출 전기화학 셀(4)의 부분으로부터 번쩍이는 광 방출을 초래한다. 그러므로 가전 제품의 사용자는 표면(13)의 어느 부분이 가장 높은 온도를 가지고 어느 부분이 더 낮은 온도를 가지는지를 시각적으로 알게 된다. 이로 인해, 표면 위에서 국부적으로 뜨거운 지점의 존재를 표시한다는 추가 장점이, 광 방출 전기화학 셀(4)에 의해 제공된다.
도 1에 의해 도시된 것처럼, AC 전압 주파수 변조기(7)를 온도 표시기에 제공하는 것이 가능하다. 그러한 변조기(7)를 가지고, 최종 사용자가 일정한 한계 내에서 광 방출이 시작해야 하는 온도를 설정하는 것이 가능하다.
전술한 온도 표시기(1)를 형성할 때, 광 방출 전기화학 셀이 먼저 광 방출 층을 2개의 전극 사이에 끼움으로써 형성되고, 이러한 광 방출 층은 이온들이 포함된 매트릭스를 포함한다. 광 방출 전기화학 셀은 그 자체로 US 5,682,043에서 설명된 것과 같은 알려진 기술에 따라 제조될 수 있고, 이러한 기술은 제 1 전극 위에 중합체 물질과 염의 용액을 코팅하는 것, 제 1 전극 위에 광 방출 층을 형성하도록 중합체를 경화하는 것(curing) 및 계속해서 광 방출 층 위에 제 2 전극을 증착하는 것으로 이루어진다. 본 발명에 따라, 이후 2개의 전극이 AC 전원에 연결되고, 마지막으로 광 방출 전기화학 셀이 일정한 온도 위에서 가열될 때 광 방출이 시작하는 식으로 AC 전원의 주파수가 조정된다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 온도 표시기(101)를 개략적으로 예시하는 단면도이다. 이러한 온도 표시기(101)는 외부에 손잡이(106)를 가지는 하우스홀드(household) 오븐 도어(103)의 윈도우(102)의 외부 표면(113)에 부착된다. 온 도 표시기(101)는 얇은 박판의 형태를 가지는 광 방출 전기화학 셀(104)과, 낮은 주파수의 AC 전압으로 광 방출 전기화학 셀(104)을 구동하도록 적응된 AC 전원(105)을 포함한다. AC 전원(105)은 오븐의 주 전기(main electricity)(도 1에는 미도시) 시스템에 연결된다. 전원(105)을 활성화하는 바람직한 방식은 오븐이 활성화되지마자 자동으로 활성화시키는 것과 오븐의 제어가 "0℃"로 된 후 30분과 같은 일정한 시간 동안 전원(105)을 활성화된 채로 두는 것을 허용하는 것이다.
광 방출 전기화학 셀(104)은, 제 1 전극(108), 제 2 전극(109) 및 전극(108, 109) 사이에 끼워진 광 방출 층(110)을 포함한다. AC 전원(105)은 각각 제 1 접점(111)과 제 2 접점(112)을 거쳐 전압을 2개의 전극(108, 109)에 제공한다.
제 1 전극(108)과 제 2 전극(109) 모두 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 적어도 부분적으로 투명한 전극 물질로 만들어진다. 다른 투명한 전극 물질 역시 사용될 수 있다. 또한 광 방출 층(110)은 바람직하게는 투명한 중합체 물질인 적어도 부분적으로 투명한 물질로 만들어진다. 광 방출 전기화학 셀(104) 전반에 걸쳐 적어도 부분적으로 투명한 물질을 사용하는 것은 광 방출 전기화학 셀(104)을 전부 투명하게 하고, 사용자가 광 방출 전기화학 셀(104) 내부를 보는 것을 가능하게 하며, 윈도우(102)를 통해 오븐 내부에 무슨 일이 일어나는지 관찰하는 것을 가능하게 한다.
오븐 윈도우(102)가 뜨거워질 때, 그것은 AC 전원(105)의 설정 주파수에 따라 사용자, 아동 및 애완동물에게 오븐 윈도우(102)가 뜨겁고 접촉해서는 안 된다는 것을 경고하기 위해 임계 온도에서 광을 방출하기 시작하는 광 방출 전기화학 셀(104)에 열을 전도하기 시작한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 광 방출 전기화학 셀(104)이 전체 윈도우(102)를 커버하게 하는 것의 대안책으로서, 윈도우의 바깥 경계 둘레에 프레임을 형성하는 광 방출 전기화학 셀과 같은 오븐 윈도우 부분만을 커버하는 광 방출 전기화학 셀을 설계하는 것도 가능하다.
도 7은 대안적인 광 방출 전기화학 셀(204)을 도시하는 평면도이다. 도 8에 단면으로 도시되어 있는 광 방출 전기화학 셀(204)은 도 2에 도시된 셀(4)과 다소 유사하고, 따라서 광 방출 전기화학 셀(204)은 제 1 전극(208), 제 2 전극(209) 및 전극(208, 209) 사이에 낀 광 방출 층(210)을 가진다. 제 2 전극(209)은 다리미(도 7에는 미도시)의 바닥(202)의 표면(213)에 부착된다. 원통형 열 접점(214)은 바닥(202)으로부터 광 방출 전기화학 셀(204)을 통해 연장한다. 이들 접점(214)의 목적은 바닥(202)으로부터 다리미질 될 의복까지의 열 전달을 개선하는 것이다. 그러므로 접점(214)은 셀(204)의 절연 효과를 감소시키고, 다리미의 기능을 떨어뜨리지 않으면서, 더 큰 두께를 가진 셀(204)의 사용을 허용한다. 열 접점(214)은 비-전도성(non-conductive) 중합체와 같은 전기 절연성 물질로 만들어진 슬리브(sleeve)(215)에 의해 광 방출 전기화학 셀(204)로부터 전기적으로 절연된다.
도 9는 또 다른 대안적인 광 방출 전기화학 셀(304)을 표시하는 평면도이다. 광 방출 전기화학 셀(304)은 그것에 제 1 전극(308), 광 방출 층 및 제 2 전극(도 9에 도시되지 않음)을 통해 연장하고, 절연 슬리브(315)에 의해 셀(304)로부터 전기적으로 절연되는 막대 모양의 열 접점(314)이 제공된다는 점을 제외하고는 도 7 과 도 8에 도시된 셀(204)과 유사하다.
도 7 내지 도 9의 실시예에서, 열 접점이 도시된다. 대안책으로서, 사용자가 광 방출 전기화학 셀 내부를 볼 수 있게 하기 위해 광 방출 전기화학 셀에 구멍이 뚫릴 수 있다. 그러한 셀은 오븐 내부에서 무슨 일이 일어나는지를 관찰하기 쉽게 하기 위해, 도 6에 도시된 온도 표시기에서 사용될 수 있다. 그러한 광 방출 전기화학 셀에 있는 구멍은 사용자가 오븐을 들여다 볼 수 있는 유리 구슬로 채워질 수 있다.
전술한 실시예의 다양한 변형예가 첨부된 특허 청구항의 범주 내에서 가능하다는 것을 알게 된다.
예컨대, 상이한 온도에서 광 방출을 시작하는 온도 표시기를 설계하는 것이 가능하다. 가전 제품에서 주된 위험은 사람이 화상을 당하는 것이다. 그러므로 온도 표시기는, 약 50℃ 내지 80℃의 온도, 즉 사람과 동물에 화상을 당할 위험이 존재하는 온도에서 광 방출을 시작하도록 바람직하게 형성된다. 산업상에서 적용시에는 광이 방출되어야 하는 온도가 물이 끓는 것을 회피해야 할 필요성과 같은 다른 제한에 의해 판단될 수 있는데, 그러한 경우 온도 표시기는 100℃ 바로 아래의 온도에서 광 방출을 시작하도록 형성된다.
온도 표시기에 의해 방출된 컬러는 실제 요구에 맞도록 선택될 수 있다. 고온에 대한 경고가 요망되는 응용에서는 적색이나 오렌지색의 광이 바람직할 수 있다. 이는 적색 광이 방출되도록 매트릭스 및/또는 이온의 재료를 고름으로써 얻어질 수 있다. 대안책으로서, 광 방출 층 및/또는 전극은, 처음의 방출된 백색 또는 황색 광이 적색 광으로 관찰되도록 적색 염료와 혼합될 수 있다. 물론 온도 표시기에 의해 주어질 메시지에 따라 녹색 및 청색과 같은 다른 컬러를 사용하는 것도 가능하다. 게다가, 바라는 컬러를 얻기 위해, 광 방출 전기화학 셀을 컬러 필터와 결합하는 것도 가능하다.
위에서 고온을 경고하기 위해 온도 표시기가 적용된다는 것이 설명되었다. 이러한 온도 표시기는 또한 바라는 온도에 도달하였음을 표시하기 위해 사용될 수 있다. 일 예로는 온도 표시기가 100℃와 같은 바라는 온도에 도달하였을 때 광 방출을 시작하도록 조정될 수 있는 물을 사용하는 요리 기구를 들 수 있다. 여러 개의 온도 표시기를 결합하는 것 또한 가능하다. 한 온도 표시기는 물을 사용하는 요리 기구가 뜨거움을 경고하기 위해, 온도가 60℃를 넘을 때 오렌지색 광을 제공하도록 설계될 수 있다. 제 2 온도 표시기는 물이 사용할 준비가 되었음을 표시하기 위해, 온도가 100℃에 도달할 때 녹색 광을 제공하도록 설계될 수 있다. 제 3 온도 표시기는 물을 사용하는 요리 기구가 건조되었음을 표시하기 위해 온도가 110℃를 넘을 때 적색 광을 제공할 수 있다. 이러한 온도 표시기는 또한 물을 사용하는 요리 기구의 어느 부분이 뜨거운지를 표시하도록 설계될 수 있다.
전기적 보호, 기계적인 긁힘 보호 또는 물에 대한 보호 기능을 갖춘 온도 표시기를 제공하기 위해, 제 1 전극 위에 제공된 얇은 중합체 층이나 심지어 전체 광 방출 전기화학 셀을 밀봉하여 감싸는 것과 같은 얇은 보호 상부 코팅이 제공될 수 있다.
AC 전원의 주파수는 광 방출이 시작돼야 하는 실제 온도 레벨과 실제 광 방 출 전기화학 셀에 맞추도록 적응된다. 대부분은, 온도 표시기에 충분히 빠른 응답과 높은 가시성을 제공하기 위해, 0.5㎐ 내지 10㎐의 범위에 있는 주파수가 적합하다는 것이 증명되었다. 하지만 사용 가능한 주파수 범위는 사용된 재로, 광 방출 전기화학 셀의 기하학적 구조 등에 따라 약 100㎐까지와 같이 더 높은 값으로 연장될 수 있다.
위에서 본 발명에 따른 온도 표시기가 다리미의 바닥 또는 오븐 도어나 물을 사용하는 요리 기구의 윈도우에 부착되는 방법이 설명되었다. 온도 표시기가 부착될 수 있는 가전 제품의 다른 예로는, 방열기, 요리용 철판, 뜨거운 물 파이프, 토스터기, 깊은 프라이팬 및 와플 굽는 기구를 들 수 있지만 이들에 국한되지는 않는다.
요약하면, 표면에서의 고온을 표시하기 위한 온도 표시기는, 제 1 전극, 제 2 전극 및 2개의 전극 사이에 끼워지는 광 방출 층을 가지는 광 방출 전기화학 셀을 포함한다. 광 방출 층은 매트릭스와 그 매트릭스에서 이동 가능한 이온을 포함하고, 상기 매트릭스에서의 상기 이온의 이동도는 온도 의존성이다. 전원은 AC 전압으로 광 방출 전기화학 셀을 구동하도록 적응된다. AC 전압의 주파수는 일정한 온도 레벨 위에서, AC 전원이 전압의 극성을 바꾸기 전에 광 방출 전기화학 셀이 광을 방출하도록 광 방출 전기화학 셀에서 충분한 전하 변화도를 제공하기 위해, 매트릭스에서 이온이 빠르게 이동하는 식으로 조정된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 표면 온도의 시각적인 표시를 제공하기 위해 표면에 제공되도록 적응된 온도 표시기에 이용 가능하다.

Claims (13)

  1. 표면(13; 113) 온도의 시각적인 표시를 제공하기 위해 표면(13; 113) 위에 제공되도록 적응된 온도 표시기(1; 101)로서, 상기 온도 표시기(1; 101)는 제 1 전극(8; 108), 제 2 전극(9; 109) 및 2개의 전극(8, 9; 108, 109) 사이에 위치하는 광 방출 층(10; 110)을 가지는 광 방출 전기화학(electrochemical) 셀(cell)(4; 104)을 포함하고, 매트릭스 및 그 매트릭스 내의 이동 가능한 이온들을 포함하며, 상기 매트릭스에서의 상기 이온의 이동도는 온도 의존적이고, 상기 온도 표시기(1; 101)는 AC 전압으로 상기 광 방출 전기화학 셀(4; 104)을 구동하도록 적응된 전원(5; 105)을 더 포함하며, AC 전압의 주파수는 표면(13; 113)의 온도가 특정 레벨을 초과할 때 광 방출 전기화학 셀(4; 104)이 광을 방출하는 식으로 조정되는, 온도 표시기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전극(8, 9; 108, 109)과 광 방출 층(10; 110)은 얇은 박판(laminate)을 형성하고, 제 1 전극(8; 108)과 제 2 전극(109) 중 적어도 하나는 투명한 물질로 만들어져서, 상기 광 방출 전기화학 셀(4; 104)에 의해 방출된 광이 상기 적어도 하나의 전극(8; 108, 109)을 통해 투과될 수 있는, 온도 표시기.
  3. 제 2항에 있어서, 제 1 전극(8; 108)은 투명한 물질로 만들어지고, 제 2 전극(9; 109)은 상기 표면(13; 113)과 접촉하여, 열이 표면(13; 113)으로부터 광 방 출 층(10; 110)으로 제 2 전극(9; 109)을 통해 전달되며, 광 방출 전기화학 셀(4; 104)에 의해 방출된 광은 제 1 전극(8; 108)을 통해 투과되는, 온도 표시기.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 전극(108, 109)과 광 방출 층(110)은 실질적으로 투명한, 온도 표시기.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 방출 층(10; 110)의 매트릭스는 유기 물질을 포함하는, 온도 표시기.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 광 방출 층(10; 110)의 매트릭스는 중합체 물질을 포함하는, 온도 표시기.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 표시기(1)는 광 방출이 시작하려고 의도되는 표면 온도의 조정을 가능하게 하는 AC 전압 주파수 변조기(7)를 포함하는, 온도 표시기.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 AC 전압의 주파수는 광 방출 전기화학 셀(4; 104)이 50℃ 내지 80℃의 범위에 있는 표면 온도에서 광 방출을 시작하게 하도록 조정되는, 온도 표시기.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 방출 전기화학 셀(4; 104)의 총 두께(x)는 1㎜ 미만인, 온도 표시기.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 표시기(1; 101)는 가전 제품(3; 103)의 실질적으로 전반적인 잠재적으로 뜨거운 표면(13; 113)을 커버하도록 적응되고, 상기 온도 표시기(1; 101)는 상기 표면의 어느 부분이 뜨거운지를 표시하는, 온도 표시기.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 광 방출 전기화학 셀(204; 304)에는 상기 광 방출 전기화학 셀(204; 304)을 통해 연장하고 상기 셀(204; 304)을 통해 열을 전달하도록 적응되는 열 접점(214; 314)이 제공되는, 온도 표시기.
  12. 표면(13; 113) 온도의 시각적인 표시를 제공하기 위해, 상기 표면(13; 113) 위에 제공되도록 적응된 온도 표시기(1; 101)를 형성하는 방법으로서,
    제 1 전극(8; 108), 제 2 전극(9; 109) 및 2개의 전극(8, 9; 108, 109) 사이에 위치하는 광 방출 층(10; 110)을 가지고, 매트릭스와 그 매트릭스에서 이동 가능한 이온들을 포함하는 광 방출 전기화학 셀(4; 104)을 제공하는 단계로서, 상기 매트릭스에서의 상기 이온들의 이동도는 온도 의존적인, 제공 단계,
    AC 전원(5; 105)을 광 방출 전기화학 셀(4; 104)의 전극(8, 9; 108, 109)에 연결하는 단계 및
    AC 전압의 주파수를 조정하여, 특정 온도 위로 가열될 때 상기 광 방출 전기화학 셀(4; 104)이 광을 방출하는, 조정 단계를 포함하는, 온도 표시기를 형성하는 방법.
  13. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 온도 표시기(1; 101)가 표면(13; 113)에 적용된 가전 제품.
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