KR20090046863A - 전기화학적 액츄에이터 - Google Patents

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KR20090046863A
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옛밍 치앙
마이클 제이. 씨마
티모시 친
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메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지
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Abstract

본 발명은 전기화학적 액츄에이션과 관련된 시스템, 장치 및 관련 방법을 제공한다. 몇몇 경우에, 전압 또는 전류를 본 발명의 시스템 또는 장치에 인가하는 것은 체적 또는 치수 변화를 발생시킬 수 있고, 이것은 기계적 일을 발생시킨다. 예를 들어, 시스템의 적어도 일부는 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치될 수 있다. 그러한 시스템은 예를 들어 펌프(예를 들어, 주입 펌프) 및 약물 전달 장치를 포함한 다양한 응용예에서 유용할 수 있다.
약물 전달 장치, 전하 액츄에이터, 전기화학적 액츄에이션, 인슐린, 차등 변형률

Description

전기화학적 액츄에이터{ELECTROCHEMICAL ACTUATOR}
본 발명은 전기화학적 액츄에이션(actuation)과 관련된 시스템, 장치 및 관련 방법을 제공한다.
액츄에이션은 일반적으로 에너지(예를 들어, 전기 에너지, 화학 에너지 등)를 기계적 에너지로 변환함으로써 하나의 물체 또는 물체의 일부를 조정하거나 이동시킬 수 있는 메카니즘을 말한다. 액츄에이터는 에너지가 변화되는 방식에 의해 분류될 수 있다. 예를 들어, 정전 액츄에이터는 정전기적 힘을 기계적 힘으로 변환한다.
압전(piezoelecric) 액츄에이션은 높은 대역폭 및 액츄에이션 권한을 제공하지만, 낮은 변형률(일반적으로 1%보다 훨씬 작음)을 제공하고, 높은 액츄에이션 전압을 필요로 한다. 형상 기억 합금(shape memory alloy: SMA), 마그네토스트릭터(magnetostrictor), 새로 개발된 강자성 형상 기억 합금(ferromagnetic shape memory alloy: FSMA)은 더 큰 변형률이 가능하지만, 반응이 느려서 응용성이 제한된다. 필드 유도 도메인 모션(피에조, field-induced domain motion: FSMA)에 기초한 액츄에이션 메카니즘은 또한 낮은 봉쇄 응력을 갖는 경향이 있다. 상술한 액츄에이션 방법은 중량에 기초한 성능 지수에 부정적인 영향을 주는 고밀도의 활성 재료(납계 산화물, 금속 합금)를 사용하는 것에 기초한다. 따라서, 높은 액츄에이션 에너지 밀도, 높은 액츄에이션 권한(응력), 큰 자유 변형률 및 유용한 대역폭을 제공할 수 있는 기술이 요구된다.
앞서 설명된 전기화학을 사용하는 특정 액츄에이션 방법에서는 하중-지지 액츄에이션 재료가 기체 또는 액체 상태이며, 낮은 탄성 계수를 갖고, 결과적으로 본 발명의 방법에 비해 낮은 액츄에이션 에너지 밀도 및 액츄에이션 응력을 갖는 것으로 예상될 수 있다. 변위의 관찰에도 불구하고, 기계적 일은 증명되지 않았다.
따라서, 개선된 방법 및 장치가 필요하다.
본 발명은 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 액츄에이터 시스템이며, 이것은 음전극 및 양전극을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고, 음전극 및 양전극 중 하나 또는 모두가 액츄에이터이고 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며, 대전 및/또는 방전시에, 화학종이 제2 부분과 상이한 정도로 제1 부분과 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금되고, 그 결과 발생하는 제2 부분과 상대적인 치수 변화를 겪으며, 따라서 제1 부분과 제2 부분에 사이의 차등 변형률을 액츄에이터에 부여함으로써 액츄에이터의 적어도 일부의 변위를 유발하고, 액츄에이터의 변위는 기계적 일을 하는 구조물에 결합될 필요 없이 기계적 일을 하는 액츄에이터 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 액츄에이터 시스템이며, 음전극 및 양전극을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고, 음전극 및 양전극 중 하나 또는 모두가 액츄에이터이고 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며, 대전 및/또는 방전시에, 화학종이 제2 부분과 상이한 정도로 제1 부분과 인터칼레이션, 디인터칼레이션 및 합금화되고, 그 결과 발생하는 제2 부분과 상대적인 치수 변화를 겪으며, 따라서 제1 부분과 제2 부분에 사이의 차등 변형률을 액츄에이터에 부여함으로써 액츄에이터의 적어도 일부의 변위를 유발하고, 액츄에이터의 변위는 기계적 일을 하는 구조물에 결합될 필요 없이 기계적 일을 하는 액츄에이터 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 액츄에이터 시스템이며, 음전극 및 양전극을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고, 음전극 및 양전극 중 하나 또는 모두가 액츄에이터이고 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며, 제1 부분이 제2 부분과 상이한 정도로 산화 및/또는 환원되면, 제2 부분에 상대적인 치수 변화를 겪으며, 따라서 제1 부분과 제2 부분에 사이의 차등 변형률을 액츄에이터에 부여함으로써 액츄에이터의 적어도 일부의 변위를 유발하고, 액츄에이터의 변위는 기계적 일을 하는 구조물에 결합될 필요 없이 기계적 일을 하는 액츄에이터 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 액츄에이터 시스템이며, 음전극 및 양전극을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고, 음전극 및 양전극 중 하나 또는 모두가 액츄에이터이고 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며, 대전 및/또는 방전시에, 화학종이 제2 부분과 상이한 정도로 제1 부분에 전기화학적으로 증착되고, 그 결과 발생하는 제2 부분과 상대적인 치수 변화를 겪으며, 따라서 제1 부분과 제2 부분에 사이의 차등 변형률을 액츄에이터에 부여함으로써 액츄에이터의 적어도 일부의 변위를 유발하고, 액츄에이터의 변위는 기계적 일을 하는 구조물에 결합될 필요 없이 기계적 일을 하는 액츄에이터 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 음전극, 양전극 및 화학종을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고, 화학종은 전기화학적 전지의 제1 부분을 전기화학적 전지의 제2 부분과 상이한 정도로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금할 수 있고, 따라서 제1 부분 및/또는 제2 부분은 방전시에 치수 변화를 겪음으로써 기계적 일을 하는 액츄에이터 변위를 유발하고, 전기화학적 전지는 제조시에 대전되도록 구성 및 배치되고, 사용 후에 부분적으로 방전되거나 또는 첫 번째 방전 후에 더 이상 대전되지 않는 액츄에이터 장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 음전극, 양전극 및 인터칼레이션 화학종을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고, 음전극 및/또는 양전극은 신체 내로의 유체 주입을 유발하기 위해 대전 및/또는 방전시에 치수 변화를 겪는 주입 펌프에 관한 것이다.
본 발명은 또한 생리학적 환경에서 사용되도록 구성 및 배치된 액츄에이터이며, 인접한 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 제1 부분은 화학종을 포함하는 체액에 노출되었을 때 치수 변화를 겪고, 그 결과 발생하는 제1 부분 내로의 화학종의 전기화학적 인터칼레이션, 제1 부분으로부터의 화학종의 디인터칼레이션, 또는 화학종과의 접촉으로 인한 제1 부분의 산화/환원은 액츄에이터의 치수 변화를 부여하는 액츄에이터에 관한 것이다.
본 발명은 또한 신체에 약물을 투여하기 위한 전기화학적 액츄에이터이며, 적어도 하나의 음전극과, 적어도 하나의 양전극과, 화학종을 포함하고, 전기화학적 액츄에이터에는 전압 또는 전류가 인가되고, 따라서 전압 또는 전류의 인가 또는 중단은 전기화학적 액츄에이터의 체적 또는 치수 변화를 유발하는 전기화학적 액츄에이터의 적어도 하나의 전극에서의 화학종의 인터칼레이션을 포함하고, 체적 또는 치수 변화는 신체 내로의 약물 투여를 발생시키는 전기화학적 액츄에이터에 관한 것이다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전압 또는 전류를 인가하지 않은 액츄에이터 시스템의 예를 도시하고, 도 1B는 전압 또는 전류를 인가한 액츄에이터 시스템의 예를 도시한다.
도 2A는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전압 또는 전류를 인가하지 않은 액츄에이터 시스템의 예를 도시하고, 도 2B는 인접한 유체 용기 내의 유체를 분배하기 위해 전압 또는 전류를 인가한 액츄에이터 시스템의 예를 도시한다.
도 3A 내지 도 3C는 액츄에이터의 스트로크 길이 및 변위 속도에 영향을 주기에 충분한 강성도를 가진 액츄에이터 시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터 시스템의 예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터 시스템의 다른 예를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터 시스템의 다른 예를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터 시스템의 다른 예를 도시한다.
도 8A는 상이한 재료로 형성된 제1 및 제2 부분을 포함하는 액츄에이터 시스템을 도시한다.
도 8B는 물에 침지된 후의, 상이한 재료로 형성된 제1 및 제2 부분을 포함하는 액츄에이터 시스템을 도시한다.
도 9A 및 도 9B는 Zn 층을 포함하는 액츄에이터 시스템으로서, 도 9A는 Zn 형태에 있을 때를 도시하고, 도 9B는 Zn에서 Zn(OH)2으로의 변환으로 액츄에이터 시스템의 액츄에이션이 발생한 상태를 도시한다.
도 10A 및 도 10B는 Zn 층을 포함하는 다른 액츄에이터 시스템으로서, 도 10A는 Zn 형태에 있는 상태를 도시하고, 도 10B는 Zn에서 Zn(OH)2으로의 변환으로 액츄에이터 시스템이 액츄에이션이 발생한 상태를 도시한다.
도 11A 및 도 11B는 리튬 이온 커플을 포함하는 액츄에이터 시스템으로서, 도 11A는 액츄에이터가 전해질에 노출되기 전에 0의 변형율인 상태를 도시하고, 도 11B는 액츄에이터가 전해질에 노출된 후에 액츄에이션을 겪는 상태를 도시한다.
도 12A 및 도 12B는 조립된 리튬 이온 커플 또는 니켈 금속-수소화물 커플로서, 도 12A는 대전 상태를 도시하고, 도 12B는 전해질에서 빠져나온 후에 자발적으 로 방전된 상태를 도시한다.
도 13A 및 도 13B는 2개의 상이한 부분을 포함하는 액츄에이터 시스템으로서, 도 13A는 전해질에 노출되기 전의 상태를 도시하고, 도 13B는 전해질에 노출되어 시스템이 벤딩 또는 커핑을 겪는 상태를 도시한다.
도 14A 및 도 14B는 2개의 상이한 부분을 포함하는 액츄에이터 시스템으로서, 도 14A는 전해질의 노출되기 전의 상태를 도시하고, 도 14B는 전해질에 노출되어 시스템 구조가 벤딩 또는 커핑을 겪는 상태를 도시한다.
도 15A 및 도 15B는 힌지 구조를 가진 액츄에이터 시스템으로서, 도 15A는 화학종에 노출되기 전의 상태를 도시하고, 도 15B는 화학종에 노출되어 시스템이 액츄에이션을 겪는 상태를 도시한다.
도 16은 자가 동력 전기화학 펌프의 개략적인 설계를 도시한다.
도 17은 내장된 변형률 증폭기를 가진 자가 동력 모핑 액츄에이터의 변위 대 시간 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 18은 20% 듀티 사이클로 제어된 전기화학적 모핑 액츄에이터의 변위 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 19는 구리 포일에 접합된 0.10mm 두께의 주석 포일을 사용하는 바이모프 전기화학적 액츄에이터의 정전류(galvanostatic) 방전 프로파일을 도시한다.
도 20은 구리에 접합된 0.05mm 두께의 주석 포일을 사용하는 전기화학적 바이모프 전지의 정전류 방전 프로파일을 도시한다.
본 발명의 다른 태양, 실시예 및 특징은 이하의 상세한 설명과 첨부된 도면으로부터 명확해질 것이다. 첨부된 도면은 개략적이며, 스케일에 따라 도시된 것은 아니다. 명확함을 위해, 당업자가 발명을 이해하는데 설명이 필요하지 않은 경우에 모든 도면에서 모든 구성요소에 도면부호가 부여되지는 않으며, 도시된 본 발명의 각 실시예의 모든 구성요소들도 마찬가지이다. 본원에 참조로 포함된 모든 특허 출원 및 특허는 그 전체가 참조로 포함된다. 상충의 경우에, 정의를 포함한 본 명세서는 조정될 것이다.
본 발명은 대체로 전기화학적 액츄에이션과 관련된 시스템 및 장치와 관련 방법을 제공한다.
몇몇 경우에, 본 발명은, 적어도 하나의 구성요소를 포함하고, 이 구성요소에 전압 또는 전류를 인가하면 이 구성요소의 체적 또는 치수 변화가 발생되는 시스템(예를 들어, 액츄에이터 시스템)을 제공한다. 몇몇 경우에, 체적 또는 치수 변화는 기계적 일을 발생시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템의 적어도 일부는 하나의 배향으로부터 다른 배향으로 변위되도록 구성 및 배치될 수 있다. 시스템은 또한 다른 구조물과 결합되어, 시스템의 체적 및 치수 변화가 그 구조물의 배향, 형상, 크기, 체적 또는 다른 특징에 영향을 미치게 할 수 있다. 이러한 시스템은 예를 들어 펌프(예를 들어, 주입 펌프) 및 약물 전달 장치를 포함하는 다양한 응용예에서 유용할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 시스템은 시스템의 작동시에 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 전극)와 결합되는 화학종을 포함할 수 있다. 이온과 같은 화학종은 장치의 하나 이상의 부분과 상호작용할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예는 전극의 체적 또는 치수 변화를 발생시키는, 화학종과 장치의 하나 이상의 전극의 상호작용을 수반할 수 있다. 본원에 사용되는 "체적 또는 치수 변화"는 시스템의 또는 시스템 일부의 팽창, 수축 및/또는 다른 변위를 지칭한다. 체적 또는 치수 변화는 팽창, 수축, 연장, 단축, 비틀림, 벤딩, 전단, 또는 하나 이상의 치수에 있어서의 다른 변위 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 체적 또는 치수 변화는 등방성일 수 있다. 몇몇 경우에, 체적 또는 치수 변화는 이방성일 수 있다. 그러한 변화는 기계적 일, 즉 액츄에이션을 위해 이용될 수 있다. 시스템은 특정 응용예에 적합한 어떠한 범위의 체적 또는 치수 변화도 겪을 수 있다. 예를 들어, 액츄에이터 시스템은 유체 용기와 접촉하여 위치될 수 있고, 유체 용기로부터 유체를 분배하는 펌핑 장치의 역할을 하도록 팽창 및 수축할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은 애노드, 캐소드 및 화학종을 구비하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고, 이 전기화학적 전지가 전압 또는 전류의 인가시에 체적 또는 치수 변화를 겪는 전기화학적 액츄에이터를 제공한다. 몇몇 실시예에서, 전기화학적 액츄에이터는 또한 예를 들어 하나 또는 복수의 전기화학적 전지의 체적 또는 치수 변화에 의해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 적어도 하나의 부분을 구비하는 구조물을 포함한다. 구조물의 일부가 변위됨에 따라, 기계적 일이 발생된다. 이하에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 다양한 시스템이 전기화학적 전지의 체적 또는 치수 변화에 의해 가동될 수 있다.
본원에서 "변위되도록 구성 및 배치된" 액츄에이터 시스템은 의도한 목적에 따라 시스템 또는 시스템과 결합된 구조물의 성능에 영향을 미치는 시스템의 적어도 일부의 변위(예를 들어, 액츄에이션)를 통해 시스템의 배향을 변경할 수 있는 액츄에이터 시스템을 지칭한다. 당업자는 이 용어의 의미를 이해할 것이다. 도시된 실시예에서, 액츄에이터 시스템은 유체 용기 또는 저류소와 같은 구조물에 인접하여 위치될 수 있고, 액츄에이터 시스템은 시스템의 동작 또는 다른 변위가 유체 용기의 위치, 형상, 크기 또는 다른 특징에 영향을 주어 유체 용기로부터 유체를 펌핑 또는 분배하도록 구성 및 배치된다.
유리하게는, 제1 배향으로부터 제2 배향으로의 시스템 또는 시스템 일부의 변위는 예를 들어 시스템의 재료 조성, 시스템의 하나 이상의 전기화학적 전지의 구성, 인가 전압 또는 전류, 듀티 사이클, 또는 이하에 상세히 설명되는 다른 작동 파라미터를 변화시킴으로써 변경될 수 있는, 예를 들어 벤딩, 굴곡, 비틀림, 연장 및 수축과 같은 다양한 방법을 통해 달성될 수 있다. 시스템이 구조물과 결합된 경우에, 시스템의 변위는 예를 들어 변위될 구조물에 대한 전기화학적 전지의 위치, 구조물의 형상, 전지와 구조물 사이에서 작동 관계에 있는 재료, 및/또는 구성요소의 재료 성분을 바꿈으로써 변경될 수 있다. 몇몇 경우에, 변위는 시스템의 일부의 선형 변위를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 변위는 시스템의 일부의 거핑(cupping)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 편평한 제1 배향을 가질 수 있는 디스크 형상 부분을 포함할 수 있고, 액츄에이션시에 디스크 형상 부분은 커핑을 통해 편평하지 않은 반구형 제2 배향으로 변위될 수 있다.
또한, 구조물 또는 구조물 일부의 변위의 정도는 특정 응용예에 맞게 조정될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 본 발명의 전기화학적 전지는 예를 들어 5도보다 크거나, 10도보다 크거나, 20도보다 크거나, 30도보다 크거나 또는 40도보다 큰 구조물 또는 구조물 일부의 변위를 유발할 수 있다. 특정 응용예에 따라, 다른 실시예에서는, 전기화학적 전지가 예를 들어 1cm보다 크거나, 10cm보다 크거나, 20cm보다 크거나, 50cm보다 크거나 또는 1m보다 큰 변위를 유발할 수 있다.
몇몇 경우에, 대전 또는 방전시의 전기화학적 전지의 체적 또는 치수 변위는 시스템, 시스템의 일부, 또는 시스템과 인접하거나 다른 방식으로 결합된 구조물의 물리적 변위를 수행하는데 사용될 수 있다. 체적 또는 치수 변위(예를 들어, 순 체적 변화)는 대전 및/또는 방전시에 양(+), 영(0) 또는 음(-)일 수 있다. 몇몇 경우에, 순 체적 변화는 전지의 구성 재료의 몰 체적에 대한 도표화된 데이터를 조성 또는 대전 상태의 함수로 사용함으로써 각각의 구성 재료에서 발생하는 체적 변화로부터 용이하게 계산되거나 또는 전기화학적 전지 상에서 직접 측정될 수 있다.
몇 가지 상이한 구조물이 본원에 설명된 전기화학적 전지에 의해 가동될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 본 발명은 대전 또는 방전시에 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 액츄에이터 시스템(예를 들어, 전기화학적 액츄에이터)을 제공한다. 몇몇 경우에, 액츄에이터 시스템은 대전 또는 방전시에 제1 형상으로부터 제2 형상으로 변경되도록 구성 및 배치될 수 있다. 몇몇 경우에, 액츄에이터에 의해 발생된 변위는 전기화학적 전지에서 발생하는 체적 또는 치수 변화와 동일한 부호(예를 들어, 양, 음)를 가질 수 있다. 예를 들어, 양의 변위(예 를 들어, 선형 변위의 증가)는 전기화학적 전지 자체의 양의 순 체적 변화(팽창)에 대응할 수 있고, 음의 변위(선형 변위의 감소)는 전기화학적 전지 자체의 음의 순 체적 변화(수축)에 대응할 수 있다. 몇몇 경우에, 액츄에이터에 의해 발생된 변위는 전기화학적 전지에서 발생하는 체적 또는 치수 변화와 동일한 부호를 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 설명된 바와 같이, 양의 변위는 음의 순 체적 변화를 겪는 전기화학적 전지에 의해 발생될 수 있다. 즉, 액츄에이터의 변위는 전기화학적 전지의 체적 또는 치수 변화로부터 분리될 수 있다.
액츄에이터 시스템은 음의 전극 및 양의 전극을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 구비할 수 있다. 액츄에이터 시스템은 또한 예를 들어 직렬 또는 병렬로 작동될 수 있는 2개 이상, 4개 이상, 10개 이상, 20개 이상, 또는 50개 이상의 전기화학적 전지를 구비할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다수의 전기화학적 전지는 전기적으로 병렬 결합될 수 있지만, 낮은 전체 장치 전압을 유지하면서 전체 변위를 증가시키기 위해 적층될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전기화학적 액츄에이터의 순 체적 변화는 유체의 펌핑 또는 분배, 또는 신체에 약물을 포함하지만 그것에 한정되지 않는 유체의 투여를 발생시키는 물리적 변위를 수행하는데 사용된다.
몇몇 실시예에서, 음의 전극 및 양의 전극 중 하나 또는 모두는 액츄에이터일 수 있고, 전기화학적 전지의 대전 또는 방전시에 형상이 변화되거나 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위될 수 있다. 몇몇 경우에, 액츄에이터 시스템은 선택에 따라 서로 전기 소통하는 제1 부분과 제2 부분을 포함할 수 있고, 여기서 제1 부분과 제2 부분은 대전 또는 방전시에 차등 체적 또는 치수 변화, 또는 차등 변위를 겪는다. 예를 들어, 형상 변화 또는 변위를 겪는 전극은 전극의 변위를 촉진할 수 있는 기계적 수축을 제2 부분에 부여하는 제1 부분을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 부분은 제2 부분과 전기 소통한다. 몇몇 실시예에서, 제1 부분은 제2 부분과 전기 소통하지 않는다.
몇몇 예에서, 제1 부분과 제2 부분(예를 들어 전기화학적 전지의 양전극 및 음전극에 각각 대응하거나 또는 그 반대임)은 서로 바로 인접하여 위치될 수 있는 레이어의 형태일 수 있거나, 또는 다른 실시예에서는 다른 재료에 의해 서로 분리될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 부분과 제2 부분은 서로 접착된다. 몇몇 실시예에서, 제1 부분과 제2 부분은 시스템의 동일 부분의 상이한 영역들이며, 여기서 하나의 부분은 전기화학적으로 유도된 체적 또는 치수 변화를 다른 부분보다 더 크게 겪는다.
몇몇 실시예에서, 대전 및/또는 방전시에, 화학종(예를 들어, 인터칼레이션 화학종, 전자, 또는 도금 화학종)은 제1 부분을 제2 부분과 상이한 정도(예를 들어, 상이한 등급, 농도, 변형률, 체적, 형상 변화 또는 다른 변화)로 인터칼레이션(intercalation), 디인터칼레이션(deintercalation), 합금화, 산화, 환원 또는 도금한다. 예를 들어, 화학종은 제1 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금하지만, 제2 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금하지 않거나 또는 제1 부분보다 작은 정도로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금한다. 제1 부분을 제2 부분과 상이한 정도로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금한 결 과, 제1 부분은 체적 또는 선형 치수의 증가 또는 감소와 같은 치수 변화, 또는 종횡비의 변화를 경험할 수 있다. 제2 부분은 화학종으로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금되지 않거나 또는 제1 부분보다 적은 정도로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금되기 때문에, 제2 부분은 실질적인 치수 변화를 겪지 않거나 또는 제1 부분과 동일한 치수 변화를 겪지 않을 수 있다. 그 결과, 차등 변형률(예를 들어, 대항 변형률)이 제1 부분과 제2 부분 사이에 부여되고, 이는 액츄에이터의 적어도 일부의 변위(예를 들어, 내부 굴곡 또는 벤딩)를 유발할 수 있다. 그 결과 발생한 액츄에이터의 변위는 기계적 일을 하는 구조물에 결합될 필요없이 기계적 일을 할 수 있다. 본 발명의 특정 실시예에서, 액츄에이터의 액츄에이션은 제1 배향으로부터 제2 배향으로의 팽창, 벤딩, 보우잉, 커핑, 절첩, 롤링 또는 다른 형태의 변위를 포함할 수 있다.
몇몇 경우에, 액츄에이터 시스템은 그 자체가 변형률-증폭 또는 변형률-감소 구조물일 수 있다. 예를 들어, 액츄에이터 시스템 또는 그 일부(예를 들어, 전극)는 예를 들어 시스템 또는 그 일부에서 발생하는 체적 변화로부터의 임의의 변위를 증폭할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 액츄에이터 시스템 또는 장치는 전극의 체적 변화로부터 발생한 변위를 증폭할 수 있다. 액츄에이터의 변위는 액츄에이터에 인접한 구조물에 힘을 가하거나 구조물의 변위를 수행하는데 사용될 수 있다.
본원에 설명된 어떠한 액츄에이터 시스템 및 장치(예를 들어, 펌프)이던 간에, 액츄에이터 시스템 및 그 일부의 변위는 기계적 일을 하는 구조물에 결합될 필요 없이 기계적 일을 수행하는데 사용될 수 있지만, 몇몇 경우에 액츄에이터 시스 템은 기계적 일을 하는 구조물(예를 들어, 변형률-증폭 구조물, 변형률-감소 구조물)에 결합될 수 있다. 몇몇 경우에, 액츄에이터 시스템은 기계적 일을 하는 구조물에 결합되지 않을 수 있다.
액츄에이터 시스템의 예가 도 1A에 도시되어 있다. 이 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 액츄에이터 시스템(110)은 양전극(114)과 전기 소통하는 음전극(112)을 포함한다. 양전극(114)은 제1 부분(116) 및 제2 부분(118)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 부분(116, 118)들은 상이한 재료로 형성된다. 부분(116, 118)들은 또한 상이한 전기 전위를 가질 수 있다. 예를 들어, 부분(116)은 부분(118)과 상이한 정도로 화학종으로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금될 수 있는 재료를 포함할 수 있다. 부분(118)은 실질적으로 화학종으로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금되지 않는 재료로 형성될 수 있다. 몇몇 경우에, 부분(116)은 리튬과의 인터칼레이션 또는 합금화 또는 화합물 형성시에 팽창할 수 있는 알루미늄, 안티몬, 비스무트, 탄소, 갈륨, 규소, 은, 주석, 아연, 또는 다른 재료 중 하나 이상을 포함하는 재료로 형성될 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 부분(116)은 리튬과의 인터칼레이션시에 팽창할 수 있는 알루미늄을 포함하는 재료로 형성된다. 부분(118)은 구리로 형성될 수 있는데, 이는 구리가 실질적으로 리튬으로 인터칼레이션 또는 합금화되지 않기 때문이다. 몇몇 예에서, 부분(118)은 양전극 전류 컬렉터로서 작용할 수 있고, 전기화학적 전지 외부로 연장되어 예를 들어 탭 또는 전류 리드를 형성할 수 있다. 다음 실시예에서, 부분(118)은 전지 외부로 연장되는 탭 또는 전류 리드에 결합될 수 있다. 음전극(112)도 또한 전류 컬렉터를 포함할 수 있다. 액츄에이터 시스템(110)은 분리체(122)를 포함할 수 있다. 예를 들어 분리체는 유리 섬유 직물과 같은 다공성 분리막 또는 다공성 폴리머 분리체일 수 있다. 리튬 이온 배터리의 구성에 사용되는 것과 같은 기타 유형의 분리체도 사용될 수 있다. 액츄에이터는 또한 액체, 고체 또는 겔의 형태일 수 있는 전해질(124)을 포함할 수 있다. 전해질은 음전극을 형성하는데 사용되는 것과 같은 전기화학적 활성 화학종을 포함할 수 있다. 액츄에이터 시스템(110)은 폴리머 패키징과 같은 인클로져(126)에 밀봉될 수 있다.
도 1B에 도시된 실시예에서와 같이, 전기화학적 전지는 전압(132)을 가질 수 있고, 따라서 폐쇄 회로가 음전극과 양전극 사이에 형성되면, 외부 회로를 통해 2개의 전극 사이에 전류가 흐를 수 있다. 음전극(112)이 리튬 금속 전극이고 전해질이 리튬 이온을 포함하면, 전극(112)으로부터 전극(114)까지 내부적으로 리튬 이온 전류가 흐를 수 있다. 리튬에 의한 부분(116)의 인터칼레이션은 체적 팽창과 같은 치수 변화를 발생시킬 수 있다. 몇몇 예에서, 이러한 체적 팽창은 초기 체적의 적어도 25%, 적어도 50%, 적어도 75%, 적어도 100%, 적어도 150%, 적어도 200%, 적어도 250% 또는 적어도 300%에 이를 수 있다. 높은 체적 팽창은 예를 들어 부분(116)이 리튬으로 포화될 때 발생할 수 있다. 리튬의 인터칼레이션으로 인해 부분(116)의 체적이 증가함에 따라, 부분(116)이 접합될 수 있는 부분(118)은 리튬의 인터칼레이션이 최소이거나 또는 존재하지 않음으로 인해 실질적으로 팽창하지 않을 수 있다. 따라서 부분(116)은 기계적 구속력을 제공한다. 두 부분 사이의 이 러한 차등 변형률은 양전극(114)이 벤딩 또는 굴곡을 겪게 한다. 양전극의 치수 변화 및 변위의 결과로서, 액츄에이터 시스템(110)은 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위될 수 있다. 음전극으로부터의 리튬 금속의 손실 및 양전극에서의 리튬 인터칼레이션된 화합물 또는 리튬 합금의 형성으로 인한 전기화학적 전지의 체적 또는 치수 변화(예를 들어, 순 체적 변화)가 양이든 영이든 음이든 간에 이러한 변위는 발생할 수 있다. 몇몇 경우에, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템 또는 그 일부의 체적 또는 치수 변화(예를 들어, 순 체적 변화)가 양인 상태에서 발생할 수 있다. 몇몇 경우에, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템 또는 그 일부의 체적 또는 치수 변화(예를 들어, 순 체적 변화)가 0인 상태에서 발생할 수 있다. 몇몇 경우에, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템 또는 그 일부의 체적 또는 치수 변화(예를 들어, 순 체적 변화)가 음인 상태에서 발생할 수 있다.
본원에 사용된 두 부분 사이의 "차등 변형률"은 두 부분에 전압 또는 전류를 인가할 때 각각의 개별 부분의 응답(예를 들어, 액츄에이션)의 차이를 지칭한다. 즉, 본원에 설명된 시스템은 제1 부분 및 제1 부분과 결합된(예를 들어, 접촉할 수 있고, 일체로 연결될 수 있음) 제2 부분을 포함하는 구성요소를 구비할 수 있고, 이 때 기본적으로 동일한 조건 하에서 제1 부분은 체적 또는 치수 변화를 겪을 수 있고, 제2 부분은 체적 또는 치수 변화를 겪지 않을 수 있으며, 따라서 제1 부분과 제2 부분 사이에 변형률이 발생한다. 차등 변형률은 구성요소 또는 그 일부가 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되게 한다. 몇몇 경우에, 차등 변형률은 액츄에이터 시스템의 하나 이상의 부분과 화학종의 차등 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합 금화, 산화, 환원 또는 도금에 의해 발생될 수 있다.
예를 들어, 부분(118)과 부분(116)의 차등적인 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금은 몇 가지 수단에 의해 달성될 수 있다(도 1A). 일 실시예에서, 상술한 바와 같이, 부분(116)은 부분(118)과 상이한 재료로 형성될 수 있고, 재료들 중 하나는 실질적으로 화학종으로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금되는 반면, 제2 부분은 더 적은 정도로 화학종과 상호작용한다. 다른 실시예에서, 부분(116)과 부분(118)은 동일한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 부분(116)과 부분(118)은 동일한 재료로 형성될 수 있고, 실질적으로 조밀하거나, 또는 가압 또는 소결된 분말 또는 발포체 구조와 같이 다공성일 수 있다. 몇몇 경우에, 전기화학적 전지의 작동 시에 차등 변형률을 발생시키기 위해, 부분(116) 또는 부분(118)은 전기화학적 전지의 작동시에 제한된 이온 이동으로 인해 조성의 구배가 일어나 차등 변형률이 발생하도록 충분한 두께를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나의 부분 또는 하나의 부분의 일부 영역이 제2 부분 또는 제2 부분의 일부 영역에 비해 우선적으로 화학종에 노출될 수 있다. 다른 예에서, 하나의 부분이 다른 부분을 차폐하거나 마스킹하는 것은 차폐하지 않거나 마스킹하지 않은 부분에 비해 차폐하거나 마스킹한 부분에 더 적거나 또는 더 많은 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 또는 합금화를 발생시킬 수 있다. 이것은 예를 들어 표면 처리 또는 증착된 배리어층, 배리어층 재료와의 라미네이션, 또는 마스킹/차폐될 부분의 화학적 또는 열적 처리에 의해 이 부분의 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금을 촉진 또는 금지함으로써 달성될 수 있다. 배리어층은 폴리머, 금속 또는 세라믹을 포함할 수 있는 어떠한 적절한 재료로도 형성될 수 있다. 몇몇 경우에, 배리어층은 전류 컬렉터와 같은 기타 기능을 전기화학적 전지 내에서 담당할 수도 있다. 배리어층은 몇몇 실시예에서 표면에 불균일하게 증착될 수 있다. 다른 경우에, 배리어층은 표면의 특정 부분만이 우선적으로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금을 촉진 또는 금지하도록 조성 및/또는 치수에 구배를 형성할 수 있다. 선형, 계단형, 기하급수형 및 기타 구배가 가능하다. 몇몇 실시예에서, 부분(116) 또는 부분(118)을 가로지르는 다공성의 편차는, 조밀한 표면층의 제공과 함께, 이온 농도 구배 및 차등 변형률의 발생을 돕는데 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 제1 부분과 제2 부분 사이의 차등 변형률을 유발하기 위해 상이한 정도로 화학종과 제1 부분을 상호작용시키는 다른 방법을 고려한다. 몇몇 실시예에서, 전극의 굴곡 또는 벤딩은 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 힘을 가하거나, 유용한 기능을 달성하는 변위를 수행하기 위해 사용된다.
본원에 설명된 몇 가지 실시예에서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 재료로 형성되어, 상이한 특성 및 성질을 나타내는 것으로 설명될 수 있다. 본원에 설명된 어떠한 실시예에서도, 제1 부분과 제2 부분은 실질적으로 동일한 재료로 형성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 제1 부분과 제2 부분이 동일한 재료로 형성될 수 있는 경우에, 제1 부분과 제2 부분은 선택에 따라서 치수, 두께, 다공도 등과 같은 적어도 하나의 상이한 특성을 가질 수 있으며, 이들 특성은 차등 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금을 발생시켜 차등 변형률을 낳 는다. 예를 들어, 제1 부분과 제2 부분이 동일한 재료를 포함하지만 상이한 다공도를 가져서, 제1 부분과 제2 부분을 따라 다공도 구배가 발생할 수 있다. 몇몇 경우에, 제1 부분은 제1 밀도를 가진 다공성 재료(예를 들어, 분말 콤팩트, 발포체)를 포함할 수 있고, 제2 부분은 제1 밀도와 상이한 제2 밀도를 가진 다공성 재료를 포함할 수 있다.
본원에 설명된 바와 같이, 본 발명의 몇몇 실시예는 화학종과 하나 이상의 전극의 상호작용을 수반한다. 예를 들어, 전극은 화학종으로 인터칼레이션될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 액츄에이터 시스템 또는 장치의 작동시에, 하나의 전극은 공간적으로 변하는 화학종의 농도를 획득하여, 차등 변형률을 발생시키고, 시스템 또는 장치의 적어도 일부의 변위를 발생시킬 수 있다. 즉, 화학종은 예를 들어 전극의 제1 부분에 전극의 제2 부분보다 큰 정도로 인터칼레이션되어, 차등 변형률을 발생시킬 수 있다.
특히 제2 부분과 상이한 정도로 화학종으로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금될 수 있는 적어도 제1 부분을 포함하는 본 발명의 액츄에이터 또는 그 일부(예를 들어, 전극)는, 제1 배향으로부터 원하는 기능을 수행하는데 사용될 수 있는 제2 배향으로 변위될 수 있는 한, 플레이트, 시트, 스트립, 접힌 시트 또는 스트립, 빔, 컵, 로드, 튜브, 실린더 등과 같은 어떠한 적절한 형상도 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 액츄에이터의 적어도 일부는 천공될 수 있고, 그리고/또는 다수의 "레그" 또는 "아암" 또는 브랜치를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 양전극 및/또는 음전극은 비평면형이다. 예를 들어, 양전극 및/또는 음전극은 플레이트 또는 펠렛이거나 다른 비평면 형상일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 양전극 및/또는 음전극은 어떠한 형상도 가질 수 있고 적어도 하나의 홈(groove)을 포함할 수 있으며, 여기서 홈은 액츄에이터 시스템 또는 그 일부의 변위를 촉진 및/또는 안내할 수 있다. 예를 들어, 전극이 제1 배향으로부터 제2 배향으로 움직이는 방식을 촉진, 안내 또는 지도하기 위해 홈이나 돌기가 전극에 형성될 수 있다. 몇몇 경우에, 전극은 액츄에이션시에 적어도 하나의 홈을 따라 접힐 수 있다.
본 발명의 액츄에이터는 나노미터 스케일로부터 마이크로미터 스케일까지 그리고 매크로스코픽 스케일까지의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 액츄에이터 시스템(110)은 1m 이하, 10cm 이하, 1cm 이하, 1mm 이하, 100㎛ 이하, 10㎛ 이하, 1㎛ 이하, 100nm 이하 또는 10nm 이하인 적어도 하나의 치수를 가질 수 있다.
액츄에이터의 전극도 또한 나노미터 스케일로부터 마이크로미터 스케일까지 또는 매크로스코픽 스케일까지의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 전극(114)은 1m 이하, 10cm 이하, 1cm 이하, 1mm 이하, 100㎛ 이하, 10㎛ 이하, 1㎛ 이하, 100nm 이하 또는 10nm 이하인 적어도 하나의 치수를 가질 수 있다.
제2 부분과 상이한 정도로 화학종으로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금될 수 있는 제1 부분을 포함하는 액츄에이터(전극 포함)는 상기 화학종(예를 들어, 치수-활성 재료)과의 상호작용을 허용하는 임의의 적절한 형태의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 부분은 이온 교환시에 치수를 변경하는 다공성 재료로 형성된다. 치수 변화는 비교적 균일한 체 적 팽창 또는 수축일 수 있으며, 상술한 바와 같이 차등 변형율의 도입으로부터 발생되는 굴곡 또는 벤딩 또는 커핑 모드 변형일 수 있다. 다공성 재료는 가압 분말 콤팩트 또는 금속 발포체 또는 치수-활성 재료 합성물일 수 있다. 제2 부분은 치수-활성 재료가 아닌 재료로 형성될 수 있다. 제1 부분과 제2 부분은 선택에 따라 바인더와 같은 첨가물 또는 탄소나 금속과 같은 도전성 첨가물을 포함할 수 있다. 치수-활성 재료는 예를 들어 Al, Au, Ag, Ga, Si, Ge, Ti, Sn, Sb, Pb, Zn, 탄소, 흑연, 경질 탄소, 메조포러스 탄소, 산화물, 인터칼레이션 산화물, 레이어드 산화물, 점토 광물, 황화물, 레이어드 황화물, TiS2, MoS2 및 WS2와 같은 화학종 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 액츄에이터는 기타 금속, 금속 함유 화합물, 무기질 재료 등을 포함할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
몇몇 경우에, 본 발명의 액츄에이터는 이온 교환시에 치수가 변하는 다공성 전극에 의해 제공되는 치수 변화를 겪을 수 있다. 몇몇 경우에, 다공성 전극은 대전 또는 방전시에 벤딩, 굴곡 또는 커핑을 포함하는 치수 변화를 겪을 수 있다. 몇몇 경우에, 다공성 전극은 다공도 구배를 포함할 수 있으며, 다공성 전극의 제1 부분은 전극의 제2 부분의 다공도와 상이한 다공도를 갖는다. 몇몇 경우에, 다공성 전극은 다공성 전극과 접촉하는 표면층을 더 포함하고, 이 표면층은 (아래에 놓인) 다공성 전극보다 큰 정도로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금된다. 표면층은 다공성 전극의 외측 표면을 부분적으로 또는 실질적으로 덮을 수 있으며, 따라서 표면층은 시스템의 다른 구성요소에 주로 그리고/또 는 직접 노출될 수 있다. 몇몇 경우에, 표면층은 아래에 놓인 다공성 전극보다 큰 정도로 인터칼레이션 또는 합금화될 수 있다. 몇몇 경우에, 표면층은 아래에 놓인 다공성 전극보다 높은 밀도를 가질 수 있다.
몇몇 경우에, 액츄에이터의 적어도 일부(예를 들어, 전극의 일부)를 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금할 수 있는 화학종은 이온의 형태일 수 있다. 이온의 비제한적인 예는 양자, 수산화물 이온, 황산염 이온, 염소산염 이온, 인산염 이온 및 질산염 이온을 포함한다. 다른 경우에, 화학종은 알칼리 금속 또는 알칼리성 토류금속을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 화학종은 전자이며, 이것은 표면의 적어도 일부의 산화 또는 환원을 유발할 수 있다. 다른 실시예에서, 화학종은 도금 화학종이며, 이것은 제2 부분과 상이한 정도로 제1 부분에 전기화학적으로 증착될 수 있다. 몇몇 경우에, 화학종은 양자, 알칼리 이온, 리튬, 이온 복합물, 수산기 이온, 탄산염 이온, 염소산염 이온, 황산염 이온, 인삼연 이온, 기타 다원자 이온 복합물 등으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 몇몇 경우에, 화학종은 양자, 알칼리 이온, 이온 복합물, 수산기 이온, 탄산염 이온, 염소산염 이온, 황산염 이온 및 인산염 이온으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 몇몇 경우에, 화학종은 양자이다.
화학종은 초기에는 양전극 또는 음전극의 활성 화학종을 형성하는데 사용되는 재료와 같은 고체의 형태로 전기화학적 전지 내에 존재할 수 있다. 다른 경우에, 화학종은 전극 중 하나에 적층된 고체의 형태일 수 있지만, 전극의 활성 재료의 일부는 아니다. 다른 실시예에서, 화학종은 고체 전해질과 같은 별도의 고체 이온 공급원이 형태일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 화학종은 예를 들어 전해질과 같은 액체 또는 겔의 형태로 존재할 수 있고, 전지의 첫번째 대전/방전 전에 전기화학적 전지 내에 존재할 수 있다. 다른 실시예에서, 이들 화학종은 전기화학적 전지 외부의 물질에 존재할 수 있다. 예를 들어, 화학종은 액츄에이터가 사용되는 환경에 존재할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 액츄에이터는 전기화학적 전지의 전극의 일부를 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금할 수 있는 화학종을 함유하는 유체 내에 침지되도록 설계된다. 예를 들어, 유체는 체액일 수 있고, 화학종은 체액 내에 존재하는 이온 화학종일 수 있다.
몇몇 경우에, 본 발명의 장치는 애노드, 캐소드, 및 화학종인 리튬 이온을 포함할 수 있다. 애노드와 캐소드 사이에 전기장을 인가하면, 장치는 가역적으로 대전 및 방전될 수 있다. 몇몇 경우에, 대전시에, 리튬 이온이 애노드에 삽입되어, 애노드가 캐소드에 대해 상대적인 체적 또는 치수 변화를 겪고, 캐소드는 체적 또는 치수가 기본적으로 변하지 않은 상태로 유지된다. 방전시에, 리튬 이온은 애노드로부터 캐소드로 전달되어, 리튬 이온이 캐소드에 삽입될 수 있다. 그 결과, 애노드는 대전 이전의 체적/형상을 회복할 수 있고, 캐소드는 애노드에 대해 상대적인 체적 또는 치수 변화를 겪을 수 있다. 몇몇 경우에, 애노드와 캐소드는 대전/방전 사이클링시에 동시에 또는 따로 체적 또는 치수 변화를 겪을 수 있다. 몇몇 경우에, 애노드와 캐소드 중 하나만이 대전/방전 사이클링시에 체적 또는 치수 변화를 겪을 수 있다.
본 발명의 액츄에이터는 다양한 응용예에 사용될 수 있다. 예를 들어, 액츄 에이터는 미세 유체 장치에 사용될 수 있으며, 여기서는 예를 들어 스위치 및 밸브 기능이 액츄에이터에 의해 수행될 수 있다. 다른 경우에, 액츄에이터는 채널로 유입되거나 오리피스를 빠져나가는 유체 유동을 유발하는 펌프로서 사용될 수 있으며, 약물의 제어된 전달을 위한 펌프를 포함한다. 다른 실시예에서, 액츄에이터는 외부 또는 이식 가능한 의료 장치의 일부일 수 있다. 액츄에이터의 적어도 일부(예를 들어, 전극의 일부)를 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금할 수 있는 화학종은 몇몇 실시예에서(예를 들어, 사용 전의 제조시에) 전기화학적 전지의 일부일 수 있지만, 다른 실시예에서는 액츄에이터가 사용되는 환경의 구성 성분일 수 있다. 액츄에이터는 또한 어드레서블(addressable) 마이크로 액츄에이터가 개별적으로 가동되는 마이크로미러 어레이와 같은 마이크로 전자 기계적 시스템(MEMS)의 일부일 수 있다. 다른 경우에, 하나 이상의 액츄에이터는 전류 또는 전압 인가시에 구조물 내로 전개되도록 구성 및 배치될 수 있다. 그러한 구조물은 예를 들어 텐트 또는 비계로서 유용할 수 있다. 다른 경우에, 본 발명의 액츄에이터는 전기적 입력에 의해 전기적으로 팽창 또는 수축될 수 있는 수술 도구 또는 의료용 임플란트의 구성요소일 수 있다. 다양한 응용예들이 아래에서 더 상세히 설명된다.
몇몇 실시예에서, 본 발명의 액츄에이터는 액츄에이터에 인접한 구조물을 변위 또는 변형하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 2A에도시된 실시예에서와 같이, 액츄에이터 시스템(150)은 저류소(172)로부터 유체(170)를 분배하는 펌프의 역할을 하는 액츄에이터(151)를 포함한다. 펌프는 예를 들어 0.01mL보다 크거나, 0.1mL보다 크거나, 1mL보다 크거나, 5mL보다 크거나, 10mL보다 크거나, 100mL보다 크거나, 1L보다 큰 상이한 체적의 유체를 분배할 수 있다. 액츄에이터(151)는 도 1에 도시된 액츄에이터(110)와 유사한 방식으로 작동할 수 있다. 간략히, 화학종은 부분(158)에 비해 균일하지 않은 방식으로 전극(154)의 제1 부분(156)을 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금할 수 있고, 따라서 제1 부분과 제2 부분 사이에 차등 변형률이 유도된다. 제2 부분은 전극(154)의 굴곡 또는 벤딩과, 결과적으로 액츄에이터(151)의 굴곡 또는 벤딩을 유발하는 기계적 구속물일 수 있다. 액츄에이터(151)에 인접한 저류소(172)는 변형 가능한 재료로 형성될 수 있고, 따라서 액츄에이터(151)의 굴곡은 저류소 내부의 압력을 증가시켜서, 도 2B에 도시된 바와 같이 유체(170)가 유체가 저류소로부터 분배되도록 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 저류소로부터 유체(170)를 분배 또는 주입하는 속도는 제1 위치로부터 제2 위치까지 액츄에이터의 변위 속도 및/또는 변위 정도(예를 들어, 스트로크 길이)에 의해 제어될 수 있다. 분배 속도는 일정하거나 또는 가변적이도록 제어될 수 있다. 액츄에이션의 속도 및/또는 정도는 (예를 들어, 대전 또는 방전시에) 인가되는 전류 또는 전압의 증폭 및/또는 지속시간, 전기화학적 전지의 전극을 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화 또는 도금할 화학종의 농도, 상이한 정도로 화학종과 상호작용하는 액츄에이터의 제1 부분과 제2 부분의 구성 및 재료 조성과 같은 전기화학적 전지를 형성하는데 사용되는 재료의 치수 및 재료 조성과 같은 파라미터에 의해 제어될 수 있다.
하나 이상의 전기화학적 전지는, 선택에 따라서 하나 이상의 구성요소와 협 력하여, 시스템 또는 시스템 일부의 변위를 달성하도록 배열될 수 있다. 몇몇 경우에, 상이한 액츄에이션 능력을 가진 전기화학적 전지들은 패턴을 이루어 표면 상에 배열될 수 있고, 여기서 전기화학적 전지는 독립적으로 제어된다. 예를 들어 본원에 참조로 포함되는, 미국 특허 출원 제11/150,477호에 기초한 미국 특허 공개 제2006/0102455호 및 국제 출원 제PCT/US/2005/020554호에 기초한 국제 공개 제WO2005/124918호에 개시된 것과 같은 기타 전지 구성, 구성요소 및/또는 장치가 본 발명의 환경에 사용될 수 있다.
본 발명의 액츄에이터는 상이한 범위의 액츄에이션 속도 및 스트로크 길이를 허용하도록 상이한 강성도(stiffness)의 재료로 제작될 수 있다. 예를 들어, 긴 스트로크 길이를 가진 액츄에이터는 비교적 낮은 강성도를 가진 하나 이상의 재료로 형성될 수 있다. 그러한 실시예에서는, 짧은 전류 펄스가 제1 배향으로부터 제2 배향으로의 느린 액츄에이터 변위를 유발할 수 있다. 반대로, 강성도가 더 높은 하나 이상의 재료로 형성된 액츄에이터는 전류가 인가될 때에만 변위될 수 있다. 그러한 실시예에서, 액츄에이터는 인가 전류의 각 증분마다 제1 배향으로부터 제2 배향 또는 제3 배향으로 변위될 수 있으며, 실시예에 따라서는 부하와 관계가 없다. 몇몇 실시예에서, 액츄에이터로부터 기계적 시스템으로의 에너지 전달은 액츄에이터의 강성도와 기계적 시스템의 강성도가 일치할 때 최대화된다. 따라서, 액츄에이터 재료의 선택은 특정 실시예에 기초하여 그리고/또는 원하는 액츄에이션 모드에 기초하여 이루어질 수 있다.
도 3A 내지 도 3C는 액츄에이터의 강성도가 어떻게 액츄에이터의 변위 속도 및 스트로크 길이에 영향을 줄 수 있는지를 나타내는 예를 도시한다. 도 3A에 도시된 실시예에서, 액츄에이터(180)는 제2 부분과 상이한 정도로 화학종으로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금될 수 있는 제1 부분을 포함한다. 액츄에이터의 단부(181)는 액츄에이터가 제1 위치(a)에 있는 상태에서 하나의 위치에 고정될 수 있다. 액츄에이터는 피스톤(190) 및 유체(194)를 함유하는 저류소(192)에 인접할 수 있다. (예를 들어, 액츄에이터의 제2 부분에 비해 상대적으로 제1 부분에서의) 화학종의 불균일한 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금시에, 액츄에이터(180)는 도 3C에 도시된 바와 같이 위치(a)로부터 위치(c)로 변위될 수 있다. 액츄에이터(180)는 긴 스트로크 길이 "ac"를 달성하도록 낮은 강성도를 가진 하나 이상의 재료로 형성될 수 있다. 이것은 액츄에이터가 변위되어 피스톤(190)을 변위시킴으로써 저류소로부터 유체를 분배하도록, 예를 들어 액츄에이터에 짧은 전류 펄스를 인가함으로써 달성될 수 있다. 짧은 전류 펄스는 액츄에이터가 새로운 평형 위치(c)로 이완될 때까지 서서히 유체를 저류소 밖으로 밀어낼 수 있다. 반대로, 도 3B는 높은 강성도의 재료로 형성된 액츄에이터(182)가 제1 배향에 있는 상태를 도시하며, 여기서 액츄에이터의 단부는 위치(b)에 있다. 액츄에이터(180)와 유사한 크기 및 지속시간의 전류의 인가시에, 액츄에이터(182)는 위치(b)로부터 위치(c)로 변위될 수 있다. 액츄에이터(180, 182)를 형성하는데 사용되는 재료의 상이한 강성도때문에, 액츄에이터(182)의 스트로크 길이 "bc"는 액츄에이터(180)의 스트로크 길이 "ac"보다 짧다. 몇몇 실시예에서, 액츄에이터는 구조물에 인가되는 부하 또는 힘을 증가시키기 위 해 예를 들어 병렬 또는 직렬로 적층될 수 있다.
다음의 예는 본 발명의 액츄에이터가 실시될 수 있는 여러 구성 및 방법을 더 설명한다.
도 4에 도시된 실시예에서, 액츄에이터 시스템(200)은 양전극(212)과, 음전극(214)과, 양전극 또는 음전극을 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금할 수 있는 화학종을 포함하는 전해질층(216)을 포함하는 액츄에이터(210)를 포함한다. 인가 전압(220) 하에서 전해질층을 통한 화학종의 이동은 액츄에이터(210)를 화살표(222, 224) 방향으로 상승 또는 하강 변위시키는데 사용될 수 있다. 이 변위는 예를 들어 밸브를 개폐하고, 미러, 펌프, 유체 등을 변위시키는데 사용될 수 있는 액츄에이션을 발생시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 양전극과 음전극을 형성하는데 사용되는 재료의 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 적절한 재료는 리튬 이온 또는 니켈-금속 수소화물 배터리 내의 활성 재료를 포함할 수 있다. 이 실시예에 도시된 바와 같이, 액츄에이터 시스템(210)의 일단부는 기판(228)에 고정된다. 기판은 액츄에이터의 일부(230)가 최소의 변위를 겪거나 또는 변위를 겪지 않도록 기계적 구속물로서 작용할 수 있다. 액츄에이터의 일부(232)는 고정되지 않기 때문에, 이 부분은 변위되어 벤딩을 발생시킨다.
다른 실시예에서, 액츄에이터의 일부를 인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금하는 화학종은 액츄에이터의 한 부분이 우선적으로 화학종에 노출되는 반면, 액츄에이터의 다른 부분이 화학종에 노출되지 않거나 덜 노출되도록 위치될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 실시예에서, 액츄에이터 시스템(250)은 부 분(254) 및 부분(256)을 포함하는 액츄에이터(252)를 구비한다. 부분(256)은 물질(262)(예를 들어, 전해질)에 침지된 화학종(260)에 부분(254)보다 더 많이 노출될 수 있다. 부분(254) 및 물질(264)은 도전성일 수 있고, 양전극 및 음전극의 역할을 할 수 있다. 부분(256)은 절연체(266)에 의해 기판(264)으로부터 절연될 수 있다. 기판(또는 원격 카운터 전극)과 부분(254) 사이에 전위차를 인가하면, 화학종(260)은 부분(256)을 부분(254)보다 더 큰 정도로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금할 수 있다. 화학종(260)에 의한 부분(254) 및/또는 부분(256)의 상호작용의 유형은 예를 들어 화학종의 구체적인 유형 및 부분(254, 256)을 형성하는데 사용되는 재료에 의존할 것이다. 이 상호작용은 부분(254)과 부분(256) 사이의 차등 변형률의 결과로서 액츄에이터(252)의 굴곡을 유발할 수 있다.
액츄에이터 시스템(200, 250)과 같은 구조물은 MEMS 제조법과, 박막 구조물의 다양한 증착 방법과, 후막 코팅 기술과, 전극 증착 방법과, 물리적 조립 및 라미네이션을 포함하는 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 다른 제작 방법도 적절할 수 있으며, 당업자에게 알려져 있다.
도 6에 도시된 실시예에서와 같이, 액츄에이터 시스템(270)은 기판(274)에 일체형으로 연결될 수 있는(또는 비일체형으로 연결될 수 있는) 액츄에이터(276)와 전기 소통하는 전극(272)을 포함한다. 액츄에이터(276)는 조성이 균일할 수 있지만, 부분(280)은 액츄에이터의 부분(284)보다 더 큰 정도로 화학종(282)에 노출될 수 있다. 화학종에 대한 상이한 노출(예를 들어, 상이한 노출 면적)은 부분(284) 과 상이한 정도로 부분(280)의 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금을 유발할 수 있다. 이것은 예를 들어 화살표(222, 224)의 방향으로 액츄에이터의 액츄에이션을 유발할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 본 발명의 액츄에이터는 신체 내부와 같은 생리학적 환경에 사용되도록 구성 및 배치될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 몇몇 실시예는 신체에 약물을 투여하기 위한 전기화학적 액츄에이터를 제공하고, 이것은 적어도 하나의 음전극, 적어도 하나의 양전극 및 본원에 설명된 화학종을 포함하고, 전기화학적 액츄에이터에는 전압 또는 전류가 인가될 수 있으며, 따라서 전압 또는 전류의 인가 또는 중단은 전기화학적 액츄에이터의 적어도 하나의 전극에서 화학종의 인터칼레이션을 포함하고, 이는 전기화학적 액츄에이터의 체적 또는 치수 변화를 발생시킨다. 몇몇 경우에, 체적 또는 치수 변화는 예를 들어 분배 또는 주입 방법에 의해 그리고 본원에 설명된 다른 방법에 의해 신체에 약물을 투여하거나 또는 약물을 포함하는 유체를 투여하는데 유용할 수 있다.
몇몇 예에서, 액츄에이터는 액츄에이터의 전극의 일부와 인터칼레이션할 수 있는 화학종을 포함하는 체액(예를 들어, 혈액, 소변, 땀 등)에 침지된다. 인터칼레이션시에, 전극은 제1 배향으로부터 제2 배향으로의 변위를 겪을 수 있다. 다른 실시예에서, 화학종은 체액에의 노출시에 전극의 일부로부터 신체 내로 디인터칼레이션될 수 있다. 또는, 다른 실시예에서, 화학종은 체액에의 노출시에 전극의 일부를 산화 또는 환원시킬 수 있고, 이는 변위를 발생시킬 수 있다. 다른 예에서, 액츄에이터는 신체 외부에서 사용될 수 있고, 예를 들어 액츄에이터는 신체로부터 제거된 체액에 노출될 수 있다.
도 7은 생리학적 환경에서 사용될 수 있는 액츄에이터의 예를 도시한다. 액츄에이터(290)는 양전극(292), 음전극(294) 및 2개의 전극 사이에 위치된 절연체(296)를 포함한다. 액츄에이터(290)는 화학종(299)을 포함하는 체액(298)에 침지될 수 있고, 화학종은 예를 들어 전압 또는 전류의 인가시에 하나의 전극을 다른 전극보다 큰 정도로 인터칼레이션 또는 디인터칼레이션할 수 있다. 이것은 제1 배향으로부터 제2 배향으로의 액츄에이터 변위를 유발할 수 있다. 액츄에이터의 기계적 설계에 따라 액츄에이터의 상이한 변위 모드가 달성될 수 있다. 예를 들어, 액츄에이터는 빔, 아코디언, 스텐트, 디스크 또는 다층 스택 구조물의 형상일 수 있다. 제1 배향으로부터 제2 배향으로의 구조물의 팽창, 수축, 절첩, 비틀림, 벤딩, 롤링 등을 유도하기 위해 다른 액츄에이터 형상 및 설계가 사용될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 액츄에이터는 의료용 임플란트의 형태, 또는 스텐트, 센서, 보철물과 같은 임플란트의 구성요소의 형태일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 액츄에이터 시스템은 음전극과, 양전극과, 전기화학적 전지의 제1 부분을 전기화학적 전지의 제2 부분과 상이한 정도로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금할 수 있는 화학종을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 구비한다. 화학종과 제1 및/또는 제2 부분의 상술한 상호작용 중 하나의 결과로서, 제1 및/또는 제2 부분은 방전시에 치수 변화를 겪어서, 기계적 일을 하는 액츄에이터 변위를 유발할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전기화학적 전지는 제조시에 대전되고 사용시에 방전되도록 구성 및 배치된다. 몇몇 실시예에서, 전기화학적 전지는 제조시에 대전되도록 구성 및 배치되고, 사용 후에 부분 방전되거나 또는 첫번째 방전 후에 더이상 대전되지 않는다. 액츄에이터 시스템은 자발적으로 방전되도록 구성 및 배치될 수 있다. 몇몇 경우에, 액츄에이터는 경우에 따라 수 회의 액츄에이션을 유발하도록 1회 이상 방전될 수 있다. 방전시에(예를 들어, 부분 방전, 완전 방전), 액츄에이터는 폐기될 수 있다. 그러한 구성은 특정 펌프, 센서, 임플란트 및 의료 장치와 같은 휴대용 장치에 유용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 유체를 신체에 주입하기 위한 주입 펌프를 포함한다. 주입 펌프는 음전극, 양전극 및 화학종을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 구비하고, 음전극 및/또는 양전극은 대전 및/또는 방전시에 치수 변화를 겪어서 유체를 신체 내로 주입시킨다. 대안적으로, 주입 펌프는 제조시에 화학종을 포함하지 않을 수 있지만, 사용 중에 화학종에 노출되었을 때에는, 주입 펌프가 액츄에이션을 수행하여 액체를 주입할 수 있다. 몇몇 구성에서, 주입 펌프는 자발적으로 방전되도록 구성 및 배치된다. 그러한 장치는 자체적으로 동력을 조달한다. 즉, 장치의 전기화학적 전지는 대전된 상태에서 제조된다. 장치는 전기화학적 전지가 방전시에 팽창 또는 변형되도록 선택된 양전극 및 음전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 규소 및 주석과 같은 저렴한 재료가 리튬화시에 팽창 재료(예를 들어, 300% 만큼)로서 사용될 수 있다.
분배된 체적의 크기 및 분배 지속시간을 포함하는 펌핑 속도는 전기화학적 전지의 방전 속도를 통해 제어될 수 있는 전지 팽창 또는 변형 속도에 의해 결정될 수 있다. 방전의 제어는 전지를 방전하는 외부 회로의 저항을 변화시키는 것과 같은 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다. 외부 제어기는 예를 들어 퓨즈의 역할도 하는 얇은 금속 또는 와이어를 포함하는 저항기를 포함할 수 있다. 이것은 저항기 또는 외부 회로를 통해 전기화학적 전지의 제어된 자가 방전을 허용하도록 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 방전 속도 및 펌핑 속도를 제어하기 위해 고상 회로를 포함하는 외부 회로에 가변 저항기가 실시된다. 전지의 외부 저항을 변화시킴으로써, 순간 방전 속도 및 액츄에이션 속도가 제어될 수 있다.
다른 실시예에서, 장치의 듀티 사이클은 변위 또는 펌핑의 범위 또는 정도를 제어하기 위해 변화될 수 있다. 이 실시예에서, 장치를 방전 또는 대전시키는 외부 회로는 개방 회로와 폐쇄 회로, 또는 "온과 오프" 사이에서 반복적으로 전환될 수 있다. 즉, 듀티 사이클은 액츄에이터 장치와 결합된 외부 회로를 개방 및/또는 폐쇄함으로써 제어될 수 있다. 온/오프 펄스의 주파수 및 지속시간은 변위 속도 및 총 변위의 제어를 제공할 수 있다. 예를 들어, 장치가 외부 단락 상태 하에서 시간(t) 내에 완전한 방전에 의해 총 변형률(ε)을 발생시키면, 폐쇄 회로에서 소비되는 총 시간이 t/10이 되도록 하는 개방 회로 상태와 폐쇄 회로 상태 사이의 전환은 10% 듀티 사이클에 대응하고, 순 변형률은 ε/10이 된다. 폐쇄 회로 펄스의 지속시간이 일정한 실시예에서, 변형 속도는 펄스 주파수를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 펄스 주파수 및 지속시간은 또한 액츄에이터 또는 펌프의 원하는 변위 대 시간 프로파일을 달성하기 위해 장치의 변위 대 시간 응답에 있어서의 고유의 비선형성을 수용하도록 개별적으로 변화될 수 있다.
다른 실시예에서는, 방전 속도가 전지 내에 설계될 수 있다(예를 들어, 자체 방전 속도가 조절될 수 있음). 하나의 특정 실시예에서, 전지의 내부 임피던스는 원하는 방전 속도를 발생시키기 위해 전기화학적 장치 또는 배터리 분야의 숙련자들에게 알려진 방법을 사용하여 설계된다. 외부 단락 상태 하에서, 또는 전지의 외부 리드들 사이의 저항이 실질적으로 전지 내부 임피던스보다 낮은 상태 하에서, 방전 속도와 그리고 따라서 액츄에이션 속도는 주로 전지의 내부 임피던스에 의해 결정된다. 예를 들어, 전지는 본원에 설명된 제어 방법을 사용하여 도입된 특정 최대 방전 속도 및 그보다 낮은 속도로 설계될 수 있거나, 또는 우발전인 단락 상태 하에서도 안전한 낮은 방전 속도를 제공하는 비교적 높은 내부 임피던스를 갖도록 설계될 수 있다.
예를 들어 1회용 장치가 미리 정한 설정 속도 및 시간 및/또는 체적으로 펌핑하도록 장치의 변형 속도 및/또는 변형량(및 그러한 장치에 의해 제어되는 펌프의 대응 펌핑 속도 및/또는 펌핑량)이 장치에 내장될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 장치는 방전/펌핑 속도 및/또는 정도가 자치의 사용 동안 변화되거나 또는 장치의 사용 전에 몇 개의 상이한 설정값 중 하나로 설정될 수 있도록 제어기를 가질 수 있다. 몇몇 예에서, 장치가 여러번 사용될 수 있는 경우에, 방전/펌핑의 속도 및/또는 양은 휴지시에, 사용시에 그리고 기타의 경우에 변화될 수 있다. 당업자는 디지털 또는 아날로그 회로 또는 이들의 조합을 통해 이들 특징 중 어느 것을 위한 장치에서도 시스템을 설계할 수 있다.
이러한 수단 및/또는 다른 수단을 통해, 펌핑 속도는 전기화학적 전지의 방 전 속도를 제어함으로써 폭넓게 변화될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 방전 속도는 예를 들어 외부 부하의 듀티 사이클 또는 저항을 제어하는 제어 회로에 보내지는 전송 신호를 통해 무선으로 원격 제어될 수 있다. 펌프는 예를 들어 0.01mL보다 크거나, 1mL보다 크거나, 5mL보다 크거나, 10mL보다 크거나, 50mL보다 큰 상이한 체적의 유체를 분배할 수 있다.
펌프의 형태인 본 발명의 액츄에이터의 응용예는 약물 또는 유체의 피하 전달, 정맥내 방법, 경막내 방법 및 기타 일반적인 방법에 의한 약물 및 유체의 체내 전달, 방향제 또는 향수 분배기, 및 이식가능한 약물 전달 장치를 포함하는 응용예를 위해 사용될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 바이메탈 커플이 전해질에 침지되면, 바이메탈 쌍 중 하나, 즉 애노드는 우선적으로 산화되지 않는 반면 다른 하나는 우선적으로 산화되는 것이 잘 알려져 있다. 일례는 아연에 의한 철 및 강의 양극 방식(anodic protection)이다. 도시된 실시예에서, 도 8A는 제1 부분(302) 및 제2 부분(304)을 도시하며, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 재료로 형성된다. 도 8B는 물에 침지된 후의 동일 구조물을 도시한다. 이 구조물은 이제는 층(306)을 포함한다. 제1 부분이 Fe를 포함하면, 제2 부분은 Zn을 포함하고, 물에 노출될 때 Zn(OH)2를 포함하는 부분(306)이 형성된다. 부분(302)에서의 반응은 2H++2e=H2(g)이고, 부분(306)에서의 반응은 Zn+2(OH-)=Zn(OH)2+2e이다.
도 9A 및 도 9B에 도시된 바와 같이, 액츄에이터(310)는 제1 부분(312) 및 제2 부분(314)을 포함한다. 제1 부분이 Fe로 형성되고 제2 부분(314)이 얇은 층의 Zn으로 형성되면, Zn으로부터 Zn(OH)2으로의 변환시에, Zn(OH)2[예를 들어, Zn+2(OH-)=Zn(OH)2+2e]의 형성 동안의 체적 팽창은 자발적인 액츄에이션을 발생시켜, 도 9 B에 도시된 바와 같이 벤딩 형태의 변위를 유발할 것이다. 이러한 자발적인 액츄에이션은 본 발명의 액츄에이터에서 동력화되어 기계적 일을 수행할 수 있다.
도 10A 및 도 10B에 도시된 바와 같이, 제1 부분(320)이 Zn으로 형성되고 제2 부분(322)이 Fe로 형성되면, Zn의 변환시에[예를 들어, Zn+2(OH-)=Zn(OH)2+2e], 구조물(318)은 도 10B에 도시된 바와 같이 개방될 것이다. 이러한 유형의 액츄에이션은 스텐트, 척추 사이의 압축 응력을 완화하기 위한 팽창 디스크, 또는 기타 구조물과 같은 구조물에 유용할 것이다. 유체로부터 이온 또는 분자 화학종을 우선적으로 흡수함으로써 단순히 부풀어 오르는 화학종을 사용하여 유사한 유형의 액츄에이션이 달성될 수 있다.
당업자는 본 발명에 사용하기 적합한 기타 바이메탈 쌍을 선택할 수 있을 것이다.
체내에서는, 과다한 가스 방출을 피하는 것이 바람직하다. 또한, 특정 응용예에서는 영구적인 가소성 변형을 겪는, 연성이면서 강성인 재료를 갖는 것이 바람 직하다. 몇몇 실시예에서, 양전극과 음전극이 서로 전기적으로 단락되고 액츄에이터의 적어도 일부를 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금할 수 있는 화학종을 함유하는 전해질에 침지될 때 자발적으로 방전하는 액츄에이터를 사용하는 것이 유리할 수 있다.
도 11A 및 도 11B는 대전 상태에서 조립된 리튬 이온 쌍(예를 들어, 하나의 부분은 Li0 .5CoO2를 포함하고 다른 부분은 LixTi5O12를 포함함, 여기서 x>4)을 도시하며, 이것은 전해질을 만나면 자발적인 방전을 겪는다. [리튬 이온 쌍의 대안으로서, 액츄에이터는 대전 상태에서 조립된 니켈 금속-수소화물 쌍(예를 들어, 하나의 부분은 Ni3 ++OOH를 포함하고, 다른 부분은 MHx를 포함함, 여기서 M은 금속임)일 수 있으며, 이것은 전해질을 만나면 자발적인 방전을 겪음]. 도 11A는 전해질에 노출되기 전에 변형률이 0인 액츄에이터를 도시하고, 도 11B는 전해질에 노출된 후의 액츄에이터를 도시한다. 방전시에, 액츄에이터의 제1 부분은 액츄에이터의 제2 부분보다 큰 체적으로 팽창하여, 액츄에이터의 벤딩(수축)을 유발한다. 따라서, 액츄에이터가 전해질에 노출되었을 때의 자발적인 방전은 액츄에이션을 유발할 수 있다.
도 12A 및 도 12B는 대전 상태에서 조립된 리튬 이온 쌍 또는 니켈 금속-수소화물 쌍을 도시하며, 이것은 전해질을 만나면 자발적인 방전(도 12B)을 겪는다. 액츄에이터의 형상은 자발적인 방전시에 팽창을 유발한다.
몇 가지 유형의 재료가 본 발명의 액츄에이터에 사용될 수 있다. 예를 들 어, 화학종이 수소일 때 티타늄 금속이 전극 재료로서 사용될 수 있는데, 이는 타타늄 재료가 매우 양호한 수소 흡수 매체이기 때문이다. 다른 적절한 수소 흡수 매체는 귀금속을 포함한다. Pt, Rh, Ir 및 Au도 또한 전극 재료로서 사용될 수 있는 연성 및 강성을 가진 금속이다. 구체적인 실시예에서, 자발 개방 스텐트(또는 다른 액츄에이터 설계)가 예를 들어 수화 금속을 비수화 금속에 결합함으로써 제조될 수 있고, 따라서 전해질에의 노출시에, 양자간의 수소 전달이 액츄에이터의 변위를 유발한다. 이러한 구체적 방법은 또한 도 13A 내지 도 14B에 도시된 바와 같이 전해질에 노출되기 전에 액츄에이션을 유발하는 두 금속 사이의 수소 확산을 방지하기 위해, 반도체 장치 기술에 널리 사용되는, 두 금속 사이의 확산 배리어를 도입함으로써 이득을 얻을 수 있다. 도 13A 및 도 13B는 상이한 재료(예를 들어, 금속)를 각각 포함하는 2개의 상이한 부분과, 선택에 따라 각각의 부분 사이의 확산 배리어를 포함하는 액츄에이터 시스템을 도시하고, 이 시스템은 (a) 전해질에의 노출 전에, 그리고 (b) 전해질에의 노출시에 구조물의 벤딩 또는 커핑을 겪는다. 마찬가지로, 도 14A 및 도 14B는 상이한 재료(예를 들어, 금속)를 각각 포함하는 2개의 상이한 부분과, 선택에 따라 각각의 부분 사이의 확산 배리어를 포함하는 액츄에이터 시스템을 도시하고, 이 시스템은 (a) 전해질에의 노출 전에, 그리고 (b) 전해질에의 노출시에 구조물의 벤딩 또는 개방을 겪는다. 몇몇 실시예에서, 이리듐은 생체적합성으로 인해 액츄에이터의 적어도 일부를 형성하는데 사용되는 재료로서 매력적이다.
다른 실시예에서, 본 발명의 액츄에이터는 예를 들어 도 15A 및 도 15B에 도 시된 바와 같이 힌지 결합된 구조물들을 포함할 수 있다. 액츄에이터는 화학종에 의해 우선적으로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금될 수 있는 제1 부분(342) 및 화학종에 의해 우선적으로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금되지 않는 제2 부분(344)을 포함할 수 있다. 몇몇 예에서, 제2 부분(346)과 제3 부분(348)은 동일한 재료로 형성된다. 제1 화학종에의 액츄에이터 노출시에, 제1 부분은 제2 및/또는 제3 부분과 상이한 정도로 화학종에 의해 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금되어, 도 15B에 도시된 바와 같이 액츄에이터의 변위(예를 들어, 팽창)를 유발할 수 있다. 선택적으로, 제2 부분(346)과 제3 부분(348)은 상이한 재료로 형성되며, 제2 화학종에의 노출시에, 액츄에이터는 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위될 수 있다.
제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 대전 및/또는 방전시에, 화학종이 제2 부분과 상이한 정도로 제1 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금하여, 그결과 제1 부분이 제2 부분에 대해 상대적인 치수 변화를 겪는 본 발명의 액츄에이터는 다양한 환경에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 액츄에이터는 상술한 것과 다른 구성, 형상 및/또는 설계를 가질 수 있다. 그러한 구성, 형상 및/또는 설계의 예는 본원에 참조로 포함된 미국 특허 제6,545,384호, 제5,907,211호, 제5,954,079호, 제5,866,971호, 제5,671,905호 및 제5,747,915호에 개시된 것들을 포함할 수 있다.
이제 수명이 긴 저전압의 전기화학적 액츄에이터의 설계를 위한 고려사항들 이 이제 설명된다. 몇몇 실시예에서, 수명이 긴 저전압의 전기화학적 액츄에이터의 설계는 특정 작동 기준(criteria)을 포함한다. 일 실시예에서, 음전극, 양전극, 비수성 전해질 및 화학종(예를 들어, 인터칼레이션 화학종)인 리튬을 포함하는 전기화학적 전지를 작동하는 방법이 제공된다. 전기화학적 전지는 양전극이 사용 대전 상태에 걸쳐 금속 리튬에 대해, 약 +4V 미만인 평균 평형 전위[또는, 개방 회로 전압(OCV)]를 갖도록 작동될 수 있다. 음전극은 사용 대전 상태에 걸쳐 금속 리튬에 대해, 약 +0.2V보다 큰 평균 전위를 가질 수 있다. 전기화학적 전지는 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위될 수 있는 구성요소와 작동 관계에 있을 수 있다. 전기화학적 전지의 작동은 전기화학적 전지의 체적 또는 치수 변화를 유발할 수 있다. 약 10V 미만의 전압을 전기화학적 전지에 인가하면, 구성요소는 전기화학적 전지의 체적 또는 치수 변화로 인해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위될 수 있다.
이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 양전극에서 전위가 너무 높으면 양전극에서 전류 컬렉터 및 활성 재료의 전기화학적 부식이 발생할 수 있다. 몇몇 경우에, 높은 전위는 비수성 전해질 또는 소금의 열화를 또한 유발할 수 있고, 이는 전지 내에서 전해질 도전성의 손실 및/또는 바람직하지 않은 부작용을 유발할 수 있다. 따라서, 본 발명의 특정 전기화학적 전지는 전지의 대전 상태에 걸쳐 약 +4V 미만, 약 +3.5V 미만, 약 +3.0V 미만 또는 약 +2.5V 미만의 평균 평형 전위를 갖도록 작동될 수 있다.
후술되는 바와 같이, (예를 들어, 사용 대전 상태에 걸쳐 금속 리튬에 대해) 평균 평형 전위가 너무 낮으면 음전극 전류 컬렉터의 전기화학적 부식 또는 리튬 금속의 증착과 같은 부정적인 영향을 유발할 수 있다. 따라서, 전기화학적 전지는 음전극이 약 +0.2V보다 크거나, 약 +0.5V보다 크거나, 약 +1.0V보다 크거나, 또는 약 +1.5V보다 큰 평균 평형 전위를 갖는다. 특정 전기화학적 전지에 따라, 양전극 및 음전극의 평균 평형 전위의 최대 및 최소 범위가 각각 선택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 양전극은 약 +3.5V보다 작은 평균 평형 전위를 가지며, 음전극은 약 +0.5V보다 큰 평균 평형 전위를 갖는다. 다른 실시예에서, 양전극은 약 +3.5V보다 작은 평균 평형 전위를 가지며, 음전극은 약 +1.0V보다 큰 평균 평형 전위를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 양전극은 약 +3.5V보다 작은 평균 평형 전위를 가지며, 음전극은 약 +1.5V보다 큰 평균 평형 전위를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 양전극은 약 +3.0V보다 작은 평균 평형 전위를 가지며, 음전극은 약 +0.5V보다 큰 평균 평형 전위를 갖는다. 물론, 양전극 및 음전극에 대해 다른 범위의 평균 평형 전위가 선택될 수 있다.
특정 실시예에서, 전기화학적 전지를 작동시키는 것은 약 10V 미만의 전압을 전기화학적 전지에 인가하여, 전기화학적 전지의 체적 또는 치수 변화에 의해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 구성요소를 변위시키는 것을 수반할 수 있다. 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 인가 전압(즉, 작동 전압)은 전기화학적 액츄에이터의 사이클 수명을 증가시키기 위해 대체로 낮다. 따라서, 전기화학적 전지를 작동시키는 것은 약 10V 미만, 약 8V 미만, 약 7.5V 미만, 약 6V 미만, 액 5V 미만, 또는 약 4V 미만의 전압을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 그러나, 짧은 시 간 동안 높은 동력 액츄에이션을 요구하는 특정 기간에, 인가 전압은 정상 상태 인가 전압보다 높을 수 있다. 따라서, 전기화학적 전지의 작동 수명의 95% 이상은 약 10V 미만, 약 8V 미만, 약 7.5V 미만, 약 6V 미만, 약 5V 미만, 또는 약 4V 미만의 인가 전압으로 작동될 수 있다. 다른 예에서는, 전기화학적 전지의 작동 수명의 90% 이상, 80% 이상, 70% 이상, 60% 이상, 또는 50% 이상이 그러한 전압에서 작동될 수 있다.
수명이 긴 저전압의 전기화학적 액츄에이터의 설계를 위한 다음의 고려 사항들은 비수성 전해질 리튬 전기화학적 전지의 설계를 위해 구체적으로 설명된다. 그러나, 그 원리는 액츄에이터로서 사용되는 어떠한 전기화학적 전지에도 적용될 수 있다.
액츄에이터로서 사용되는 전기화학적 전지에서 이온 화학종을 포함하는 화학종의 이동을 위한 구동력은 (대전 동안의) 과전위이거나 또는 (방전 동안의) 미달 전위일 수 있고, 과전위 및 미달 전위는 각각 특정 대전 상태에서 전지의 잔류 또는 개방 회로 전압(open circuit voltage: OCV) 또는 평형 초과 및 미달 인가 전압의 크기이다. 각각의 화합물의 전위 대 x(농도)가 알려져 있고, 그리고 캐소드 재료 대 애노드 재료의 비율 및 사이클링 동안의 이온 화학종의 비가역적 손실의 정도와 같은 전지 파라미터가 알려져 있으면, 대전 상태의 함수인 OCV는 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 예를 들어, LiCoO2-흑연 전지는 약 3.9V 내지 약 3V의 대전 상태에서 지속적으로 변하는 OCV를 가질 수 있는 한편, LiFePO4-흑연 전지 는 광범위한 대전 상태에 걸쳐 약 3.3V의 거의 일정한 전압을 갖는다.
높은 액츄에이션 속도를 위해, 대전 동안 큰 과전위를 갖고 방전 동안 큰 미달 전위를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 한편, 여기에서는 전기화학적 전지에 인가된 전위의 범위가 몇 가지 이유에서 특히 많은 대전/방전 사이클에 걸쳐 전지의 성능 및 수명에 영향을 미칠 수 있다는 것이 인식된다. 작동 전압 범위의 상한에서, 너무 높은 전위는 양전극의 활성 재료 또는 전류 컬렉터(알루미늄)의 전기화학적 부식, 또는 비수성 전해질 또는 소금의 열화를 유발할 수 있다. 이것은 전해질 도전성의 손실 또는 전지 내에서의 가스 형성과 같은 바람직하지 않은 부작용을 발생시킬 수 있다. 작동 전압의 하한에서, 너무 낮은 전압은 음전극 전류 컬렉터(구리)의 전기화학적 부식 또는 리튬 금속의 증착을 유발할 수 있고, 리튬 금속의 증착은 금속 리튬이 안정되는 전위에 음전극이 도달하였을 때 발생한다. 따라서, 높은 액선 속도뿐만 아니라, 액츄에이션을 위해 사용되는 비수성 리튬 전기화학적 전지의 안정성 및 긴 수명을 위해, 대전 동안 전해질 시스템 또는 양전류 컬렉터의 안정성 한계에 도달하는 일 없이 높은 과전위가 인가될 수 있도록 비교적 낮은 OCV를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 낮은 OCV는 너무 낮아서는 않되며, 그렇지 않고 방전 동안 높은 미달 전위가 인가되면 애노드 전류 컬렉터가 용해되는 전위에 도달할 수 있거나, 또는 이것이 금속 리튬을 도금할 수 있다. 본 발명의 전기화학적 전지에서는 높은 액츄에이션 에너지 및 동력을 제공하는 것이 바람직할 수 있기 때문에, 이들 기준에 부합하는 양전극 및 음전극의 활성 재료를 선택하는 것이 중요하다.
몇몇 실시예에서는, 높은 속도와 높은 변형률을 모두 갖는 양전극 재료를 갖고, 금속 리튬에 대해 측정된 약 4V보다 낮은 OCV를 갖는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 리튬에 대해 측정된 OCV는 약 3.5V 미만, 약 3V 미만 또는 약 2.5V 미만이다. 그러한 양전극 재료의 비제한적인 예는 LiFePO4, TiS2, TaS2 및 그 합금에 기초한 전극 화합물 및 조성이 변화된 형태를 포함한다. 몇몇 경우에, 전기화학적 전지는 높은 동력뿐만 아니라 사용 조성 범위에 걸쳐 금속 리튬에 대해 적어도 +0.1V인 OCV를 갖는 음전극 재료를 포함한다. 다른 경우에, OCV는 적어도 +0.5V이거나 또는 그보다 크다. 예를 들어, 흑연은 순 변형률이 상당하도록 양전극 재료와 함께 사용될 때 적절한 재료일 수 있다. 다른 적절한 재료는 예를 들어 시작 조성물 Li4Ti5O12와 같은 LixTiO2 스피넬을 포함하며, 이것은 리튬화시에 넓은 리튬 조성물 범위에 걸쳐 금속 리튬에 대해 약 1.57V의 거의 일정한 전위 및 거의 0의 체적 변화를 갖는다. 따라서, 이것은 액츄에이션을 위해 사용될 양전극에서의 체적 변화를 허용한다. 몇몇 실시예에서, 양전극 재료와 음전극 재료의 조합에 기초한 전기화학적 전지는 일반적으로 약 3.5V보다 작은 전지 OCV를 갖는다. 물론, 금속 리튬에 비해 너무 높지 않은 양전극 전위 및 너무 낮지 않은 음전극 전위의 상술한 조건을 쭉 유지하면서, 전지가 대전 또는 방전됨에 따라 양의 값과 음의 값 사이에서 변하는 전지 전압을 갖는 것이 가능하다.
그러한 전지가 전기화학적 액츄에이션을 위해 사용될 때, 인가된 과전위 및 미달 전위는 전지 OCV보다 큰 대전 전압 및 OCV보다 낮은 방전 전압을 발생시킬 수 있다. 그러나, 대체로 전지의 작동 전압의 절대값은 낮게 유지된다. 예를 들어, 작동 전압의 절대값은 약 10V 미만, 약 7.5V 미만, 약 5V 미만, 또는 약 3.5V 미만일 수 있다. 짧은 지속시간에 걸친 높은 동력을 위해, 인가 전압은 펄스 성질을 가질 수 있으며, 대개 그러한 전지에 전기화학적 손상을 발생시키는 정상 상태 전압보다 현저히 높아도 안전할 수 있다는 것이 주지되어야 한다. 그러나, 긴 수명을 얻도록 전지의 전압이 유지되는 상태 하에서의 전기화학적 전지의 작동을 위해, 인가 전압은 금속 리튬에 대해 약 5V 미만, 약 4.5V 미만 또는 4V 미만인 전위를 양전극에 발생시킬 수 있다. 이것은 LiFePO4, LiTiS2 및 LiTaS2와 같은 화합물에 기초한 양전극 재료의 사용에 의해 허용될 수 있다.
높은 기계적 에너지 밀도를 갖는 높은 동력의 전기화학적 액츄에이션을 위한 선택 기준이 이제 설명된다. 액츄에이션 화합물의 이론적인 기계적 에너지 밀도는 방정식
Figure 112009011545492-PCT00001
로 주어지며, 여기서 E는 탄성 계수이고, ε는 특정 작동 조건 하에 유도될 수 있는 변형률이다. 따라서, 고변형률 및 고탄성 계수의 재료는 본 발명의 전기화학적 전지에서 높은 에너지 밀도를 제공할 가능성을 갖는다.
전기화학적 액츄에이터와 관련하여, 획득된 변형률이 반드시 전기화학적 전지 내의 인터칼레이션 또는 합금화 화학종의 농도와 선형인 것은 아니다. 예를 들어, 변형률 대 인터칼레이션 화합물 LixTiS2의 Li 농도 x의 그래프에서, 곡선의 경사는 본원에 참조로 포함된 미국 특허 출원 제11,796,138호에 설명된 바와 같이 낮 은 Li 농도에서 가장 가파르다. 따라서, 액츄에이터를 작동시키는데 사용되는 주어진 전기 에너지로 최대의 기계적 에너지를 획득하고 그리고/또는 액츄에이터로부터 최고의 기계적 동력을 획득하는 것이 바람직하다면, LixTiS2를 전기화학적 액츄에이션 화합물로 사용할 때, 약 0 내지 0.4의 x 범위에 걸쳐 작동시키는 것이 바람직하다. 액츄에이터로부터 최고의 기계적 동력을 획득하는 것은 인터칼레이션된 화학종 x의 양이 전류 및 시간의 곱이고, 따라서 구체적인 작동 전류에서, 주어진 x 값에 대해 더 높은 변형률을 갖는 화합물에서 더 빠른 액츄에이션이 획득된다는 것을 고려하는 것에 기인한다.
전기화학적 액츄에이터의 기계적 동력이 전기화학적 전지의 속도 성능(예를 들어, 대전 또는 방전 속도)에 의존할 수 있다는 것이 또한 인식될 수 있다. 높은 속도 성능은 높은 이온 도전성의 전해질을 선택하고 그리고/또는 이온 또는 전자 확산 길이가 짧도록 전지를 설계함으로써 획득될 수 있다. 예를 들어, 입자계 전극에서는, 확산 길이를 감소키고 따라서 확산 시간을 감소시키기 위해 미세한 입자 크기가 바람직할 수 있다.
따라서, 재료의 이동 특성도 또한 전기화학적 액츄에이터를 설계하는데 중요한 선택 기준이 될 수 있다. 예를 들어, 체적 변화의 원인인 이온 화학종의 화학적 확산 계수는 높게 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 상이한 재료를 비교하기 위한 성능 지수(figure of merit)로서 사용될 수 있는 "역률(power factor)"을 확인하며, 이것은
Figure 112009011545492-PCT00002
로 주어지고, 여기서 D는 관심 재료 내에서의 이온 화 학종의 화학적 확산 계수이다. 도 4는 각자의 특정 중력에 대한 상이한 재료들의 역률을 비교한다. 고역률 및 낮은 특정 중력 ρ의 재료는, 그 밖의 것들은 모두 동일하고, 전기화학적 액츄에이터로서 더 높은 특정 동력을 제공할 수 있다. 예를 들어, TiS2 및TaS2와 같은 레이어드 디칼코게나이드(dichalcogenide)는 이들 기준에 따른 특히 유용한 전기화학적 액츄에이션 화합물일 수 있다.
본 발명자는 액츄에이션 분야의 관심 성능 지수가 또한 단위 체적 당 사용 가능한 기계적 동력인 동력 밀도 및 단위 질량 당 사용 가능한 기계적 동력인 특정 동력을 포함한다는 것을 인식하였다. 대부분의 액츄에이션 응용예에서 두 가지 값 모두를 최대화하는 것이 바람직하다. 전기화학적 액츄에이터의 동력 밀도는 이온 화학종이 전기화학적 액츄에이터의 작동 동안 이동하는 특징적인 확산 길이의 고려를 요구한다. 이동 길이는 전극의 세공을 통과하고 분리체를 가로지르는 전극간 길이를 포함하지만, 액츄에이션의 속도는 재료 자체로의 확산 이동에 필요한 시간을 초과하지 않는다. 따라서, (입자계 액츄에이터에서의) 입자 크기와 화학전 확산 계수는 모두 중요한 인자들이다. 동등한 근거로 재료들을 비교하기 위해, 재료들이 유사한 입자 크기를 갖도록 처리될 수 있고, 전력 밀도는
Figure 112009011545492-PCT00003
로 정의될 수 있고, 특정 동력은
Figure 112009011545492-PCT00004
으로 정의될 수 있고, 여기서 x는 입자 치수(예를 들어, 반경 또는 직경)이라고 가정한다. 도 4는 각자의 특정 중력에 대한 상이한 재료들의 동력 밀도를 비교하고, 도 6은 상이한 재료들의 특정 동력에 대한 동력 밀도를 비교한다. 이들 선택 기준으로부터, 전기화학적 액츄에이터에 적합한 재료가 선택될 수 있다. 예를 들어, TiS2 및 TaS2와 같은 레이어드 디칼코게나이드는 특히 유용한 전기화학적 액츄에이션 화합물이다.
일 실시예에서, 본 발명의 전기화학적 액츄에이터는 (예를 들어 유용한 기계적 일을 발생시키기 위해) 하나의 전기화학적 액츄에이터는 대전되고 다른 하나의 전기화학적 액츄에이터는 방전되거나, 또는 그 반대가 되도록 동시에 작동하는 적어도 2개(예를 들어, 제1 및 제2)의 전기화학적 액츄에이터를 사용한다. 예를 들어, 시스템 또는 장치는 서로 대립적인 구성의 제1 및 제2 전기화학적 전지를 포함할 수 있고, 따라서 제1 전지의 방전은 제2 전지의 대전을 발생시키고, 제2 전지의 방전은 제1 전지의 대전을 발생시킨다. 상기 물품은 또한 제1 및 제2 전기화학적 전지 중 적어도 하나의 대전 및/또는 방전에 의해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 구성요소를 포함할 수 있다. 물론, 서로 대립적인 구성의 전기화학적 전지들을 포함하는 구조물은 복수의 전기화학적 전지 세트, 예를 들어 2쌍보다 많거나, 5쌍보다 많거나, 10쌍보다 많거나, 20쌍보다 많거나 또는 50쌍보다 많은 대립적인 구성의 전기화학적 전지를 포함할 수 있다. 그러한 전지들은 서로 직렬 또는 병렬로 작동될 수 있다. (대부분의 액츄에이터가 압축보다 인장에서 더 양호하게 작동하거나 또는 그 반대이기 때문에) 대향하는 액츄에이터의 쌍이 이전에 능동 구조물에 사용되었지만, 본 발명의 전기화학적 액츄에이터에서 그러한 설계를 사용하는 것에 추가의 이점이 있다. 전기화학적 액츄에이터들은 기 계적 일을 수행하는 동일한 시간에 전기 에너지를 저장 또는 방출하고, 그러한 전기 에너지가 방산되면(예를 들어, 전기 에너지를 저항기를 통해 열의 형태로 방산함), 액츄에이터의 에너지 소비 또는 액츄에이터의 시스템의 에너지 소비가 높을 수 있다. 그러나, 하나의 액츄에이터가 대전되고 다른 액츄에이터가 방전되도록 액츄에이터들 사이에서 전기 에너지를 셔틀링함으로써, 전기 에너지는 크게 절약된다. 서로에 대해 힘을 가할 수 있도록 위치된 대립적인 전기화학적 액츄에이터의 다른 이점은 액츄에이터 상에 작용하는 응력이 대향 액츄에이터들 중 하나 또는 모두를 대전 또는 방전함으로써 제어될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 이 구성은 액츄에이터의 액츄에이션력, 크리프 및/또는 컴플라이언스를 최적화하도록 액츄에이터에 작용하는 프리스트레스가 제어되는 것을 허용할 수 있다. 또 다른 이점은 대향 액츄에이터들이 독립적으로 대전 또는 방전될 수 있을 때 액츄에이터의 위치 정밀도가 개선된다는 것이다.
일반적인 전기화학적 전지는 전지의 체적 변화량을 감소시키기 위해 대전시에 다른 전극(예를 들어, 캐소드)이 수축하는 동안 팽창하거나 또는 방전시에는 그 반대인 전극(예를 들어, 애노드)을 포함한다. 이것은 작은 체적 변화가 예를 들어 전지 내에서 특정 층의 분리를 감소시킬 수 있기 때문에 특정 응용예에 유리할 수 있다. 그러나, 본 발명의 몇몇 실시예에서는, 양쪽 전극 모두가 대전 또는 방전시에 팽창하거나, 또는 하나의 전극이 팽창하는 동안 다른 전극이 수축하지 않는 것이 유리하다. 유리하게는, 그러한 구성은, 다른 전극에 역행하면서 에너지가 낭비되는 대신에, 최대의 에너지가 액츄에이션에 사용되는 것을 허용한다.
따라서, 다른 실시예는 애노드와 캐소드를 포함하는 전기화학적 전지를 포함하고, 애노드와 캐소드는 전극 중 하나가 적어도 1%만큼 체적 팽창하는 사이클 동안 다른 전극이 실질적으로 수축하지 않도록 구성 및 배치된다. 다른 실시예에서, 전극 중 하나는 적어도 0.5%, 적어도 2%, 또는 적어도 4%만큼 체적 팽창하는 반면, 다른 전극은 실질적으로 수축하지 않는다. 예를 들어, 애노드와 캐소드 중 하나가 팽창함에 따라, 다른 하나는 팽창하거나 또는 체적이 변하지 않을 수 있다. 하나의 구성요소가 그러한 전기화학적 전지와 작동 관계일 수 있고, 이 구성요소는 전기화학적 전지의 대전 및/또는 방전에 의해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위될 수 있다. 애노드 및 캐소드의 이러한 동시적인 팽창 또는 하나가 수축하는 동안 다른 하나가 팽창하는 것은 애노드 및 캐소드에 대해 적절한 재료를 사용함으로써 수행될 수 있다.
몇몇 경우에, 전극은 자발적으로 화학종(예를 들어, 리튬)을 방출하여 전극의 팽창 또는 수축 및/또는 제1 배향으로부터 제2 배향으로 장치의 하나 이상의 구성요소의 이동을 유발할 수 있다. 자발적인 방전을 나타내는 전극 재료는 당기술 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어 전기화학적 전지의 의도적 또는 우발적 단락이 발생하여 장치의 특정 "디폴트" 상태가 요구되는 경우에 유리할 수 있다.
전극으로서 사용하기에 적절한 재료는 금속, 금속 산화물, 금속 황화물, 금속 질화물, 금속 합금, 금속간 화합물, 기타 금솜 함유 화합물, 기타 무기 재료(예를 들어, 탄소) 등과 같은 전기활성 재료를 포함한다. 몇몇 경우에, 전극은 높은 탄성 계수를 가진 재료를 포함하는 것이 유리할 수 있다. 몇몇 경우에, 재료는 본 원에 설명된 화학종과의 상호작용시에 체적 또는 다른 치수의 변화를 겪을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전극은 단결정 또는 다결정과 같은 결정 구조를 포함하는 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전극은 비결정질 또는 불규칙 재료를 포함할 수 있다.
몇몇 경우에, 애노드를 형성하는 재료는 알루미늄, 은, 금, 붕소, 비스무트, 갈륨, 게르마늄, 인듐, 납, 안티몬, 규소, 주석 중 하나 이상을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 애노드를 형성하는 재료는 Li4Ti5O12 또는 그것의 임의의 합금 또는 도프된 합성물을 포함할 수 있다. 캐소드를 형성할 수 있는 재료의 예는 LiCoO2, LiFePO4, LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, Li4Ti5O12, TiSi2, MoSi2, WSi2, TiS2 또는 TaS2, 또는 이들의 임의의 합금 또는 도프된 합성물을 포함한다. 몇몇 경우에, 캐소드를 형성하는 재료는 TiS2 및 TaS2를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 캐소드를 형성하는 재료는 LiMPO4를 포함할 수 있고, 여기서 M은 하나 이상의 제1 열 천이 금속(예를 들어, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn)이거나 또는 이들의 임의의 합금 또는 도프된 합성물이다. 몇몇 경우에, 캐소드는 탄소를 포함하고, 탄소는 흑연, 탄소 섬유 구조물, 유리 탄소 구조물, 고방향성 열분해 흑연, 불규칙 탄소 구조물 또는 이들의 조합의 형태일 수 있다. 그러한 재료 합성물을 포함하는 전기화학적 전지는 금속 리튬의 전위에 대해 예를 들어 +4V 미만인, 상술한 캐소드 전위에서 작동될 수 있다. 애노드 전위는 금속 리튬의 전위에 대해 예를 들어 +0.5V보다 큰, 상술한 전위로부터 선택될 수 있다.
몇몇 경우에, 전극을 형성하는 재료는 재료 내에 분산되어 있는 화학종을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극은 장치 내에서 화학종의 공급원 역할을 할 수 있을 만큼의 화학종을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 기판 또는 다른 지지 재료는 화학종과 상호작용하여 체적 또는 치수 변화를 유발할 수 있다. 전기화학적 전지의 대전/방전시에 체적 또는 치수 변화가 발생하도록, 예를 들어 실리콘 웨이퍼 또는 다른 금속 또는 금속-함유 기판이 리튬화될 수 있다.
본 발명의 전극에 사용하기 위한 재료는 화학종과의 상호작용(예를 들어, 리튬화 및 탈리튬화)시에 특정 성질을 나타내도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 재료는 본원에 설명된 바와 같이 전기화학적 전지에 사용될 때 특정 유형 또는 특정 양(+)의 체적 또는 치수 변화(예를 들어, 액츄에이션)를 나타내도록 선택될 수 있다. 당업자는 단순한 선별 시험을 사용하여 그러한 재료를 선택할 수 있을 것이다. 몇몇 경우에, 재료의 특성 및/또는 거동이 알려져 있으며, 당업자는 예를 들어 원하는 체적 변화의 양에 기초하여 특정 응용예에 적합하도록 재료를 선택할 수 있을 것이다. 예를 들어, 인산 감람석 Li(Fe, Mn)PO4에 의한 가역적 리튬 인터칼레이션은 Fe/Mn의 비에 기초하여 7.4% 내지 10%의 체적 변화를 발생시키는 것으로 알려져 있다[A. Yamada 등의 J. Electrochem. Soc., 148, A224(2001)]. 몇몇 경우에, 재료는 전기화학적 전지 내에 전극으로서 하나의 재료를 포함시키고 전지의 대전 및 방전시에 재료의 거동을 관찰함으로써 선별될 수 있다.
몇몇 경우에, 전극 재료는 재료가 화학종과 상호작용하는 능력에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 리튬이 화학종인 경우에, 재료는 리튬 이온을 신속하게 그리고/또는 가역적으로 받아들이는 능력 및/또는 대전/방전시에 리튬 이온을 제공하는 능력(예를 들어, 탈리튬화)에 기초하여 선택될 수 있다. 또한, 화학종과 재료의 가역적 상호작용과 관련된 대응 변형률은 재료 안으로 이온이 이동하는 속도를 앎으로써 결정될 수 있다. 그러한 결정은 실험적으로 시험될 수 있거나, 또는 이온 확산 계수, 이온 및 전자 도전성 및 표면 반응 속도 계수와 같은 도표화되거나 측정된 특성 값을 사용하여 이론적으로 이루어질 수 있다. 당업자는 이 정보를 사용하여 전극으로서 사용하기에 적합한 재료를 선택할 수 있을 것이다.
전극은 당기술 분야에 공지된 방법에 의해 제작될 수 있다. 일 실시예에서, 전극 재료는 폴리머 바인더 및/또는 탄소와 같은 도전성 첨가물을 함유하는 분말계 현탁물질로부터 주조될 수 있다. 현탁물질은 원하는 체적 비율의 활성 재료를 갖는 조밀하게 컴팩트화된 층을 형성하도록 높은 압력(예를 들어, 인치당 수 톤) 하에서 캘린더(calender)될 수 있다.
전해질로서 사용하기에 적합한 재료는 이온의 저장 및 전달을 위한 매체로서 그리고 몇몇 경우에 애노드와 캐소드 사이의 분리체로서 기능할 수 있는 재료를 포함한다. 재료가 애노드 및 캐소드와 전기화학적으로 그리고 화학적으로 반응하지 않고 재료가 애노드와 캐소드 사이의 이온(예를 들어, 리튬 이온) 전달을 촉진하는 한, 이온의 저장 및 전달할 수 있는 어떠한 액체, 고체 또는 겔 재료도 사용될 수 있다. 전해질은 애노드와 캐소드 사이의 단락을 방지하기 위해 전기적으로 비도전 성일 수 있다.
전해질은 이온 도전성을 제공하기 위한 하나 이상의 이온 전해질염 및 하나이상의 액체 전해질 용매, 겔 폴리머 재료, 또는 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 전해질은 비수성 전해질일 수 있다. 적절한 비수성 전해질은 액체 전해질, 겔 전해질 및 고체 전해질을 포함하는 유지 전해질을 포함할 수 있다. 비수성 전해질의 예는 예를 들어 "리튬 배터리, 신소재, 개발 및 전망"[chapter 4, pp 137-165, Elsevier, Amsterdam(1994)]에서 도르니니(Dorniney)에 의해, 그리고 "리튬 배터리, 신소재, 개발 및 전망"[chapter 3, pp 93-136, Elsevier, Amsterdam(1994)]에서 알람지르(Alamgir) 등에 의해 설명되어 있다. 비수성 액체 전해질 용매의 예는 예를 들어 N-메틸 아세트아미드, 아세토니트릴, 아세탈, 케탈, 에스테르, 탄산염, 술폰, 아황산염, 설포레인, 지방족 에테르, 고리형 에테르, 디메톡시에탄, 폴리에테르, 인산염 에스테르, 실록산, 디옥솔란, N-알킬피롤리돈, 이들의 치환 유도체(예를 들어, 할로겐화된 유도체) 및 이들의 조합과 같은 비수성 유기 용매를 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
몇몇 실시예에서, 전기화학적 전지는 시스템 또는 장치 내에서 예를 들어 캐소드와 애노드 사이에 위치된 배리어 또는 분리체 재료(예를 들어, 층)를 더 포함할 수 있다. 분리체는 애노드와 캐소드를 서로 분리 또는 절연하여 단락을 방지하고 애노드와 캐소드 사이의 이온 전달을 허용하는 재료일 수 있다. 분리체 재료로 사용하기에 적합한 재료는 고탄성 계수 및/또는 고강성도(예를 들어, 강성률)를 가진 재료, 전기 절연성을 가진 재료, 및/또는 기능의 손실 없이 높은 압력, 중량 및 /또는 변형률(예를 들어, 하중)을 견디기에 충분한 기계적 강도를 가진 재료를 포함한다. 몇몇 경우에, 분리체 층은 다공성일 수 있다. 분리체 재료의 예는 유리, 세라믹, 규산염 세라믹, 근청석, 알루미늄 산화물, 알루미노규산염, 또는 전기 절연성을 가진 기타 혼합 금속 산화물 또는 질화물 또는 탄화물을 포함한다. 몇몇 경우에, 분리체 층은 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어 엘라스토머 재료를 포함하는 분리체 층은 하나 이상의 구성요소 사이의 전단 동작을 허용하는데 유용할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 다공성 분리체 재료는 스프레이 증착, 닥터 블레이드(doctor blade) 코팅, 스크린 프린팅(screen printing), 웨브(web) 코팅, 코마-리버스(comma-reverse) 코팅 또는 슬롯-다이(slot-die) 코팅과 같은, 세라믹 처리 또는 코팅 기술 분야에 알려진 방법을 사용하여 층들의 조립 전에 하나 또는 두 개의 전극의 표면에 미립자 또는 슬러리 층으로서 주조될 수 있다.
본 발명의 장치는 특정 응용예에 적합한 추가의 구성요소를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 장치는 전원, 도전성 재료를 포함하는 전류 컬렉터와 같은 전류 컬렉터, 외부 패키징 층, 분리체 층 등을 포함할 수 있다. 패키징 층은 전기화학적 절연 재료 또는 기타 보호 재료를 포함할 수 있다.
시스템 또는 장치는 선택에 따라서 액츄에이터로서 사용하기 전에 사전처리 또는 가공될 수 있다. 장치의 사전처리는 장치의 기계적 성능, 강성도, 액츄에이션 에너지 밀도, 액츄에이션 변형률, 가역성 및/또는 수명을 향상시킬 수 있고, 그리고/또는 크리프 변형 및 변형률 히스테리시스를 줄일 수 있다. 몇몇 경우에, 장 치 또는 장치의 하나 이상의 구성요소는 장치의 재료들 및/또는 구성요소들을 통합하기 위해, 그리고/또는 자유 체적의 크기를 감소시키기 위해 유체정역학적 압력 및/또는 단축(uniaxial) 응력을 받을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 인가되는 압력은 10,000psi(703kg/㎠), 20,000psi(1,406kg/㎠), 30,000psi(2,109kg/㎠), 45,000psi(3,164kg/㎠)이거나 또는 그보다 클 수 있다. 장치의 내부 손상이 방지되고 그리고/또는 장치 성능의 향상이 달성될 수 있도록 어떠한 크기의 인가 압력도 장치를 사전처리하는데 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
다음의 예는 본 발명의 특정 실시예를 설명하기 위한 것이지만, 본 발명의 전체 범위를 한정하거나 예시하는 것으로 해석되어서는 않된다.
예 1
자가 동력 전기화학적 펌프
이 예시적인 예에서, 본 발명의 액츄에이터는 인슐린 요법을 위한 자가 동력 전기화학적 펌프로서 사용될 수 있다.
제1 형 당뇨병의 임상 치료는 대개 인슐린 요법으로서, 주기적인 혈액 글루코스 측정에 응답하기 위해 지속성 인슐린 및 속효성 인슐린의 주사가 함께 사용된다. 치료는 마이크로프로세서로 제어되는 펌프로부터 미세한 카테터를 통해 즉효성 인슐린을 분배하는 지속적인 피하 인슐린 주입(CSII)을 포함하는 인슐린 주입 펌프 요법을 포함할 수 있다. 몇몇 기존의 펌프는 지속적으로 즉효성 인슐린을 분배할 수 있고, 식사 전후에 증분적 도스(dose)를 제공할 수 있다. 주입 세트는 3일마다 변경되며, 따라서 유효 주사 회수는 통상적인 다회 일일 주사법(Multiple Daily Injection: MDI)에 의해 현저히 감소된다. 지속형 인슐린은 피부 아래에 디포트(depot)를 형성함으로써 작용하기 때문에, 즉효성 인슐린의 독점적 사용은 도스를 결정하는데 훨씬 개선된 예측성을 제공한다. 그러나, 그러한 디포트로부터의 인슐린 방출 속도는 신체 활동과 같은 인자에 매우 크게 의존할 수 있다. 자가 동력 전기화학적 펌프는 유효 주사 회수의 감소 및 인슐린 방출 속도 변화의 문제를 해결할 수 있다.
자가 동력 전기화학적 펌프는 72시간에 걸쳐 2.0mL의 페이로드를 전달하도록 설계될 수 있다. 도 16은 자가 동력 전기화학적 펌프(350)의 개략적 설계를 도시한다. 음전극(355)은 리튬 공급원을 제공하는 한편, 양전극(360)은 팽창 요소이다. 전지는 음전극 내의 가용 리튬이 양전극을 팽창시킬 수 있도록 전기화학적으로 균형을 이룬다. 펌프는 양전극이 300% 체적 팽창하여 피스톤과 다르지 않게 종방향 변위를 발생시키고, 이 종방향 변위가 액츄에이션 플레이트를 가압함으로써 액츄에이션 플레이트가 인슐린 용액을 담고 있는 저류소(365)에 압력을 가하도록 설계될 수 있다. 양전극의 수직 변위는 폭/높이 종횡비(여기서는 2:1로 가정됨) 및 체적 변화에 의해 결정될 수 있다. 전해질은 표준 비수성 리튬 배터리 전해질일 수 있다. 패키징은 충전 가능한 리튬 이온 배터리용으로 현재 사용되고 있는 것과 유사한 폴리머 패키징일 수 있다.
유리하게는, 인슐린 용액의 방출 속도는 양전극을 형성하는데 사용되는 적절한 재료를 선택함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 비교적 낮은 강성도의 양전극 재료를 가진 전기화학적 펌프에서는, 양전극이 방전시에 새로운 평형 위치로 서 서히 변위될 수 있다. 이것은 저류소에 서서히 힘을 가할 수 있고, 따라서 인슐린을 신체에 서서히 주입할 수 있게 한다.
펌프는 8.6mL의 체적을 가질 수 있으며, 이것은 15mL보다 작은 총 장치 체적을 허용할 것이다. 14.5g의 펌프 질량은 약 20g의 총 장치 질량을 허용하여야 한다. 재료 및 전해질의 적절한 선택에 의해, 이 펌프 설계는 요구되는 기저 속도(basal rate)에서 72시간에 걸쳐 인슐린을 전달할 수 있다. 대략 C/5의 전지 방전 속도(즉, 전지의 전체 용량에 대해 5시간 방전)에 대응하는 볼러스 속도(bolus rate)에서, 추가의 설계 변경이 포함될 수 있다. 추가적으로 그리고/또는 대안적으로, 펌프는 기존의 연속 주입 펌프의 것과 유사한 제원을 가질 수 있다. 예를 들어, Lilly product Lispro(등록상표)와 같은 즉효성 인슐린은 mL 당 100 유닛의 농도를 가진 용액으로서 패키징된다. 일반적인 기저 인슐린 레벨은 시간당 0.5 내지 1.5 유닛으로 조절될 수 있다. 1회 식사에 대한 볼러스 도스는 소비된 탄수화물 10g 당 1 유닛으로 구성될 수 있고, 따라서 1회 식사에 대해 10 유닛이 요구될 수 있다. 즉효성 인슐린의 약력학은 도스가 15분에 걸쳐 전달될 것을 제안한다. 더 긴 것은 동일한 양의 피하 주사로부터 다소 차이를 나타낼 것이다. 따라서, 절정의 전달 속도는 15분에 0.1mL의 체적이다. 6.5㎠의 단면적을 가진 저류소의 선형 압축은 15분에 0.015cm 또는 초당 0.0167마이크로미터의 최대 변위 속도를 요구한다. 인슐린 용액의 총 일일 페이로드는 대략 50 유닛 또는 0.5mL가 되어야 한다. 따라서, 3일분의 공급량은 1.5mL 체적 페이로드를 요구한다.
예 2
전기화학적 액츄에이터
이러한 예시적인 예에서, 전기화학적 액츄에이터는 구리층에 접합된 치수-활성 리튬 저장 재료의 층을 구비하는 바이모프(bimorph) 구조물을 포함한다. 구리층은 실질적으로 리튬으로 합금화 또는 인터칼레이션되지 않아도, 전기화학적 전지의 작동 전위에서 전기화학적으로 안정적이다. 이 바이모프 구조물은 전지의 양전극을 형성한다. 구리층은 또한 양전극 전류 컬렉터로서 작용할 수 있으며, 최종 밀봉된 전지 외부로 연장되어 탭 또는 전류 리드를 형성할 수 있거나, 또는 전지 외부로 연장되는 탭 또는 전류 리드에 결합될 수 있다. 음전극은 음전류 컬렉터의 역할을 하는 구리층에 접합 또는 증착된 리튬 금속의 층이다. 2개의 전극 사이에는 리튬 이온 배터리의 구성에 사용되는 것과 같은, 예를 들어 유리 섬유 직물 또는 다공성 폴리머 분리체 등의 다공성 분리막이 위치된다. 레이어드 전지에는 리튬 1차 전지 또는 리튬 충전식 전지 기술 또는 비수성 전기 이중층 커패시터에 일반적으로 사용되는 비수성 리튬-전도 액체 전해질이 주입된다. 그 예는 에틸렌 탄산염과, 리튬 전도 소금으로서 1M 농도의 LiPF6 가 첨가된 디에틸렌 탄산염 또는 동일한 LiPF6 소금이 첨가된 용매인 아세토니트릴의 1:1 체적 혼합물을 포함한다.
전기화학적 액츄에이터는 폴리머 패키징 내에 밀봉된다. 조립시에, 전지는 대전 상태에 있으며, 주석 양전극은 리튬 금속 음전극보다 리튬에 대한 낮은 화학적 전위를 갖는다. 음전류 컬렉터와 양전류 컬렉터를 연결하여 두 전극 사이에 전류가 흐르면, 리튬 이온 전류가 리튬으로부터 주석으로 내부적으로 흐른다. 주석 과 리튬을 합금화하는 것은 주석이 리튬으로 포화되었을 때 거의 300%에 이를 수 있는 체적 팽창을 발생시킨다. 주석층이 리튬과의 합금화로 인해 체적이 증가함에 따라, 그것에 접합된 구리층은 기계적 구속력을 제공하고, 바이모프는 변위(예를 들어, 벤딩)를 겪는다. 음전극에서, 리튬의 손실은 작은 응력도 발생시킬 수 있지만, 리튬은 상온 근처에서 연성이 크기 때문에 이 응력은 양전극의 응력보다 훨씬 작다. 따라서, 양전극을 포함하는 전기화학적 액츄에이터 상의 주석층의 체적 변화로 인해 전지 전체가 굴곡을 겪는다. 전지의 굴곡은 액츄에이터에 인접하여 위치된 약물 저류소에 압력을 가한다. 약물 저류소는 약물을 포함하는 유체를 담고, 블래더(bladder)와 같은 변형 가능한 베셀에 의해 둘러싸인다. 인가된 압력은 약물이 저류소로부터 분배되게 한다.
예 3
전기화학적 바이모프 굴곡
이 예시적인 예에서는, 예 2의 바이모프 구조물이 도 3A 내지 도 3C에 도시된 바와 같이 반원 형상으로 또는 "U"자 형상으로 굴곡체로 제작된다. 굴곡체의 일 단부는 분배 장치의 지지부 또는 하우징에 고정되는 한편, 다른 단부는 바이모프가 굴곡을 겪을 때 자유롭게 변위된다. 전기화학적 전지의 방전시에, 굴곡체는 외측으로 연장되고, 굴곡체의 자유 단부가 약물 수용 블래더에 힘을 가하여, 약물을 오리피스 또는 밸브를 통해 블래더로부터 분배한다.
예 4
내장형 증폭기를 가진 자가 동력 모핑 액츄에이터
이 예에서는, 전기화학적 전지를 제작하여 전압 또는 전류의 인가시의 액츄에이션 능력에 대해서 연구하였다. -325 메쉬 주석 분말[99.8%(금속 기반), 알파 아에사르(Alfa Aesar)]을 1.2인치(3.05cm) 직경의 다이 내에서 750lbf(3.3kN)로 가압하여 다공성 펠릿이 형성되었다. 펠릿의 중량은 0.625g이었고, 0.89mm의 두께를 갖는 것으로 측정되었다. 펠릿은 BiSnAg 솔더[미국의 인듐사(Indium Corporation)] 및 플럭스 #5RAM(미국의 인듐사)를 사용하여 조립체를 공기 노내에서 180℃로 30분간 가열함으로써 15마이크로미터의 구리 포일에 결합되었다. 이 전극 조립체는 전기화학적 전지에서 양전극으로 사용되는 한편, 리튬 포일[~0.8mm 두께, 알드리치(Aldrich)]은 음전극으로 사용되었다.
주석 양전극과 리튬 포일 음전극을 분리하기 위해 두 층의 Celgard 2400 분리체가 사용되었다. 리튬 포일 전극은 15마이크로미터 두께의 구리 포일로 제조된 전류 컬렉터에 부착되었다. 에틸렌 탄산염, 프로필렌 탄산염, 디메틸 탄산염 및 에틸 메틸 탄산염(체적비로 4:1:3:2)의 혼합 용매에 용해된 1.33 M LiPF6로 구성된 액체 전해질이 사용되었다. 전지는 열 밀봉기를 사용하여 폴리에틸렌 배깅(bagging) 재료로 만들어진 포락체 내에 밀봉된다. 조립시에, 전지의 개방 회로 전압은 대전 상태에 있음을 나타내는 2.8V 내지 2.9V였다. 방전시에, 전지 전압은 0.5V 내지 0.4V의 비교적 일정한 값으로 급격히 저하되었고, 이것은 Sn-Li 전기화학적 커플의 특징과 같다.
전지는 양전류 컬렉터와 음전류 컬렉터를 연결하는 1옴 저항기를 지나면서 방전되었다. 변위는 주석 디스크와 리튬 포일의 평면에 수직인 것으로 측정되는 한편, 방전된 전지는 마이크로-엘립슨(Micro-Epsilon)의 선형 가변 차등 변환기(LVDT)를 사용하여 측정되었다. 판독값은 LabView[내셔널 인스트루먼트(National Instrument)]와 연결된 내셔널 인스트루먼트 NI-USB 6009 데이터 획득 장치를 통해 측정되었다. 도 17은 시간의 함수로서 이 실험으로부터 발생한 변위를 그래프로 도시한다.
LVDT의 작은 인가력 하에 항복하는 리튬 및 분리체에 의해 유발되는 초기의 작은 압축 후에, 액츄에이터는 11시간에 걸쳐 방전함에 따라 1.8mm만큼 팽창하였다. 이 절대 변위는 Sn 펠릿의 초기 두께를 약 두 배만큼 초과하였다. 시험 후의 조립된 액츄에이터의 검사는 방전이 일어났고, 리튬이 음전극으로부터 부식되고 한쪽 면에서 주석 펠릿과 함금화되었음을 보여주었다. 액츄에이터의 변위는 볼록한 면이 분리체 및 리튬 전극을 향하는 쪽이 되도록 원통형 주석 펠릿이 "컵" 형상으로 변형되는 것에 기인한다는 것이 용이하게 관찰되었다. 따라서, 주석 펠릿의 형상-모핑은 측면이 팽창을 겪는 리튬 전극을 향하는 상태로 펠릿을 가로질러 차등 변형률을 발생시키는 것에 기인한다는 것이 드러났다. 변형후의 펠릿의 평면에 수직인 변위 방향으로의 기계적 하중은 1kg보다 큰 하중이 변형된 펠릿의 파손 없이 지지될 수 있음을 보여주었다. 따라서, 액츄에이터는 유체가 하나 이상의 바늘 또는 미세 바늘을 통해 분배될 수 있는 약물 전달 응용예에서와 같이, 유체 충전 블래더의 분배 또는 펌핑과 같은 응용예에 유용한 실질적인 강성도를 갖는다. 이 예의 액츄에이터를 유체 충전 블래더 등에 가깝게 배치하고 강성 용기 내에 전체를 봉입함으로써, 약물 전달 장치가 얻어질 수 있다.
그러한 약물 전달 장치는 예를 들어 3일(72시간)간의 인슐린 전달에 적합할 것이다. Lilly product Lispro(등록상표)와 같은 즉효성 인슐린은 일반적으로 mL당 100 유닛의 농도를 가진 용액으로서 포장된다. 인슐린 용액의 총 일일 페이로드는 대략 50 유닛 또는 0.5mL일 수 있다. 따라서, 3일분의 공급량을 가진 펌프는 2.0mL 이하의 총 체적을 수용할 수 있다. 예를 들어, 이 예에 설명된 액츄에이터는 1.5mm보다 큰 변위를 발생시켰고, 이 변위는 13㎠ 면적의 저류소에 작용할 때 원하는 2.0mL의 체적을 용이하게 달성할 수 있다. 일반적인 기저 인슐린 레벨은 시간당 0.5 내지 1.5 유닛으로 조절될 수 있다. 1회 식사에 대한 볼러스 도스는 소비된 탄수화물 10gm 당 1 유닛으로 구성될 수 있고, 따라서 1회 식사에 대해 10 유닛이 요구될 수 있다. 즉효성 인슐린의 약력학은 도스가 15분에 걸쳐 전달되는 것을 제안한다. 따라서, 절정의 전달 속도는 15분에 걸쳐 총 체적의 5%에 대응할 수 있다. 2mL 인슐린 페이로드의 완전한 전달에 대응하도록 1.5mm의 변위를 취하면, 이 예의 액츄에이터는 용이하게 볼러스 속도 요건에 ㅈ합할 수 있다. 기저 속도 요건에 부합하도록 소도를 늦추기 위해, 외부 하중의 저항의 증가 또는 아래의 예 7에서 설명된 듀티 사이클 제어가 실시될 수 있다.
이 예는 전극을 가로질서 차등 변형률의 발생으로 인한 전기화학적 액츄에이션을 설명함으로써 본 발명의 특정 실시예에서의 전기화학적 액츄에이터 및 약물 전달 장치를 설명할 수 있다. 전지의 방전 동안 액츄에이터의 순 체적 변화에 대한 고려는 획득된 변위가 순 체적 변화와 상호 관련되지 않고, 실제로는 전지의 순 체적 변화와 반대의 부호를 갖는다는 것을 보여주었다. 다양한 LixSn 내의 리튬의 부분 몰 체적을 순수한 리튬의 몰 체적과 비교하면, 순수한 리튬은 더 큰 몰 체적을 가지며, 따라서 리튬이 음전극인 전지의 방전은 순 체적 감소를 발생시키는 것이 관찰되었다. 예를 들어, 비교적 낮은 Li/Sn 화학양론의 화합물인 Li2 .5Sn은 38.73㎤ mol-1의 몰 체적을 갖는다. 순수한 Sn 금속은 16.24㎤ mol-1의 몰 체적을 갖기 때문에, 22.49㎤ mol-1 화합물 차이는 Li2 .5Sn 내의 2.5Li에 의해 점유되는 체적이었다. 비교하자면, 순수한 Li의 몰 체적은 13.10㎤ mol-1이었고, 따라서 2.5 몰의 Li 금속은 32.75㎤의 체적을 가질 것이다. 따라서, 양전극 측에 Li2 .5Sn을 형성하기 위한 전지의 완전 방전은 Li 전극으로부터 Sn으로의 2.5 몰의 리튬 이동을 발생시켜, 장치의 체적의 순 감소를 야기할 것이다. 마찬가지로, 비교적 높은 화학양론의 화합물인 Li4 .4Sn 내의 Li의 몰 체적은 42.01㎤ mol-1이고, 4.4 몰의 순수한 Li 금속은 57.62㎤ mol-1의 체적을 갖는다. 역시, 그러한 전지의 방전은 순 체적 감소를 야기한다. 방전시의 음(-)의 체적 변화에도 불구하고 본 예의 액츄에이터에서 관찰된 외향 변위 또는 양(+)의 변위가 발생되었다. 액츄에이터의 굴곡 또는 "커핑" 변형 모드는 펠릿을 가로지른 차등 변형률로 인한 변형을 증폭시켰다.
예 5
전기화학적 액츄에이터의 정전류 방전
다음의 예에서는, 전기화학적 전지의 정전류 방전이 연구되었다. 예 4에서와 같은 전기화학적 전지가 솔더 대신에 구리 전력 컬렉터와 다공성 주석 펠릿 사이의 접점으로써 사용되는 도전성 구리 접착 테이프를 갖도록 제작되었다. 전지는 Maccor 4300 배터리 테스터(Maccor)를 사용하여 정전류식으로(일정한 방전 전류) 방전되었다. 주석 펠릿의 중량은 0.628g이었고, 1.06mm의 두께를 갖는 것으로 측정되었다. 펠릿의 이론적인 용량은 모든 주석이 화합물 Li4 .4Sn으로 리튬화된 것으로 가정할 때 624mAh였다. 조립시에 전지의 개방 회로 전압은 대전 상태임을 나타내는 2.8V 내지 2.9V였다. 전지는 0.88mA로 0.01V까지 방전되었다. 방전 용량은 56.22mAh로서, 전지가 63.6시간 방전 시간에 걸쳐 이론적 용량의 9%까지만 방전되었음을 나타냈다. 그러나, Sn 펠릿은 예 1의 액츄에이터와 동일한 방식으로 그리고 대략 동일한 변형으로 커핑되는 것이 관찰되었다. 이 예는 외부 외부에서 양의 리드와 음의 리드가 폐쇄되면 자발적으로 방전 및 가동할 수 있는 전기화학적 액츄에이터의 전류 제한 제어를 보여준다.
예 6
전기화학적 바이모프 액츄에이터
50 마이크로미터의 두께 및 40mm×5mm의 면적을 가진 구리 포일의 한 면을 캡톤(Kapton) 접착 테이프로 마스킹하고 포일을 용융된 주석에 담가서 한 면을 주석층으로 코팅함으로써 바이모프 전극이 제작되었다. 주석의 전기화학적 리튬화시 에, 구리 포일에 의해 제공되는 구속력은 볼록한 면이 리튬화된 주석일 때 바이모프 구조물의 벤딩 또는 "컬링"을 발생시킨다. 예 4 및 예 5의 것과 유사한 전기화학적 전지는 이 바이모프를 양전극으로서 사용하여 조립되었고, 주석층이 분리체 및 리튬 포일 음전극을 향하는 상태로 조립되었다. 조립시에, 전지의 개방 회로 전압은 2.8V 내지 2.9V이며, 이는 전지가 대전 상태에 있음을 나타낸다. 전지는 정전류식으로 0.089mA의 전류에서 0.01V까지 방전되었다. 방전 용량은 7.7mA였고, 이는 약 10마이크로미터 두께의 주성측에 대해 약 50%의 방전 상태를 나타내고 완전히 리튬화된 Li4 .4Sn 합성물을 발생시켰다. 방전후에, 전지가 분해되었고, 주석-구리 바이모프 전극은 바이모프의 모든 자유 에지에서 실질적인 벤딩을 보임으로써, 형상-모핑을 나타냈다.
다른 실험에서는, 0.05mm[99.999%(금속 기반), 알파 아에사르(Alfa Aesar)] 및 0.10mm[99.99%(금속 기반), 알파 아에사르] 두께의 주석 금속 포일 샘플이 각각 15마이크로미터 두께의 구리 포일에 결합되어, 20mm×5mm 면적의 편평한 바이모프 전극을 형성하였다. 전기화학적 전지는 두 층의 Celgard 2400 분리체를 사용하여 주석/구리 바이모프 양전극과 0.4mm 두께의 리튬 포일(알드리치) 음전극을 분리함으로써 구성되었다. 각각의 전지에서, 리튬 포일 전극은 15마이크로미터 두께의 구리 포일로 제조된 전류 컬렉터에 부착되었고, 에틸렌 탄산염, 프로필렌 탄산염, 디메틸 탄산염 및 에틸 메틸 탄산염(체적비로 4:1:3:2)의 혼합 용매에 용해된 1.33 M의 LiPF6로 구성된 액체 전해질이 사용되었다. 각각의 전지는 열 밀봉기를 사용하 여 폴리에틸렌 배깅 재료로 만들어진 포락체 내에 밀봉되었다.
전지는 Maccor 4300 배터리 테스터(Maccor)를 사용하여 정전류식으로 방전되었다. 0.10mm 두께의 주석 포일을 사용하여 만들어진 전지는 0.417mA에서 0.01V까지 방전되었다. 방전 용량은 1.65mAh(이론적인 방전 용량의 4%)였다. 이 장치의 방전 프로파일은 도 19에 도시되어 있다. 분해시에, 바이모프 전극은 모든 자유 에지에서 "컬링(curling)"되어, 심한 모핑을 나타내는 것으로 관찰되었다.
0.05mm 주석 포일을 사용하여 만들어진 전지는 방전 용량이 1.65mAh(이론적인 방전 용량의 4%)일 때까지 0.4076mA에서 방전되었다. 이 장치의 방전 프로파일은 도 20에 도시되어 있다. 0.10mm 주석 포일 바이모프와 유사하게, 이 장치는 분해시에 바이모프의 모든 자유 에지에서 벤딩을 나타냈다.
이들 예는 본 발명의 다양한 전기화학적 바이모프 액츄에이터를 보여준다. 이들 결과는 또한 상당한 모핑을 얻기 위해 본 발명의 전기화학적 전지를 완전히 방전할 필요가 없고, 이론적 전지 용량의 작은 비율의 방전으로부터 발생된 차등 변형률만으로도 원하는 액츄에이션을 충분히 달성할 수 있다는 것을 보여준다.
예 7
전기화학적 액츄에이터의 듀티 사이클 제어
예 1에 설명된 것과 유사한 설계의 전기화학적 액츄에이터에서 느린 변형 속도를 달성하도록 듀티 사이클 제어된 방전이 이루어졌다. 듀티 사이클은 전기화학적 전지의 단자를 가로질러 1옴의 외부 부하 저항기와 직렬로 연결된 Maccor 4300 배터리 테스터(Maccor)로부터 전류 제어를 통해 온 및 오프되는 전자 릴레이(Radio Shack)에 의해 제어되었다. 릴레이는 배터리 테스터로부터 전류를 공급받는 동안 폐쇄되고, 전류가 차단될 때 개방된다. 20% 듀티 사이클이 형성되고, 전류는 200ms의 총 기간 중 50ms 동안 온 상태로 되었다. 도 18은 20% 듀티 사이클에 의해 제어되는 전기화학적 모핑 액츄에이터의 변위 곡선을 나타내는 그래프이다. 도 18에 도시된 장치의 결과적인 변위는 낮은 제어 속도에서의 액튜에이터 변형을 보여준다. 여기에 설명된 바와 같이, 제어된 낮은 변형 속도를 달성하는 대안적인 방법은 더 높은 저항의 외부 부하를 통해 도 18의 액츄에이터를 방전하는 것일 수 있다.
예 8
더 큰 구동 전압을 가진 자가 동력 전기화학적 액츄에이터
어떠한 상황하에서는, 상당한 구동 전압이 필요할 때와 같은 몇몇 경우에, 현저한 전지 분극화가 존재할 때에도, 주석 및 리튬을 사용하는 이전의 예보다 더 높은 평균 방전 전압이 바람직할 수 있다. 안티몬은 리튬에 비해 상대적으로 큰 개방 회로 전압(~0.95V)로 인해 그러한 응용예에서 유용한 모핑 전극 재료가 될 수 있다. 전기화학적 장치가 예1에서와 같이 준비되었고, 주석 분말 대신에 -325 메쉬 안티몬 분말[99.5% (금속 기반), 알파 아에사르]를 사용하였다. 안티몬 분말은 1/2인치(1.27cm) 직경의 다이 내에서 2250lbf(10kN)로 가압되었다. 그 결과 형성된 펠릿은 0.687g이고 두께가 1.31mm였으며, 이것은 454mAh의 이론적 용량에 대응한다. 샘플은 3.025mA의 전류에서 0.01V까지 정전류식으로 방전되었다. 방전 용량은 49.98mAh(이론적인 용량의 11%)였으며, 인티몬 펠릿의 심한 변형을 발생시켰 다.
본 발명의 몇 가지 실시예들이 본원에 설명 및 도시되었지만, 당업자는 기능을 수행하고 그리고/또는 본원에 설명된 결과 및/또는 하나 이상의 장점을 달성하기 위한 다양한 기타 수단 및/또는 구조물을 쉽게 구상할 수 있고, 그러한 변형 및/또는 수정은 각각 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당업자는 본원에 설명된 모든 파라미터, 치수, 재료 및 구성이 예시를 위한 것이며, 실제 파라미터, 치수, 재료 및/또는 구성은 본 발명의 교시가 사용되는 특정한 응용예에 따라 달라진다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 당업자는 더 이상의 관례적인 실험을 사용하지 않고 본 발명의 구체적 실시예의 많은 등가물을 인식하거나 확인할 수 있다. 따라서, 상술한 실시예들은 예시의 방법으로 제공될 뿐이며, 첨부된 청구항 및 그 등가물의 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 설명되고 청구된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명은 본원에 설명된 가각각의 개별 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 둘 이상의 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법의 어떠한 조합도 서로 부조화하지 않는 한 본 발명의 범위 내에 포함된다.
상세한 설명 및 청구항에 사용된 단수는 명확히 반대로 지적되지 않는 한 "하나 이상"을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
상세한 설명 및 청구항에 사용된 "및/또는"이라는 어구는 결합된 요소들, 즉 어떤 경우에는 결합되어 존재하고 다른 경우에는 분리되어 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 모두"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 선택에 따라서 명확히 반대로 지적되지 않는 한, "및/또는"에 의해 특별히 지적된 요소들과 관련이 있건 또는 없건 간에, "및/또는"에 의해 특별히 지적되는 요소들이 아닌 다른 요소들이 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"라는 언급은, "포함하는"과 같은 확장형(open ended) 언어와 함께 사용될 때, 일 실시예에서는 B가 없는 A(선택에 따라 B가 아닌 요소를 포함함), 다른 실시예에서는 A가 없는 B(선택에 따라 A가 아닌 요소를 포함함), 또 다른 실시예에서는 A와 B 모두(선택에 따라 다른요소를 포함함)를 지칭한다.
상세한 설명 및 청구항에 사용된 "또는"은 상술한 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록의 아이템을 분리할 때, "또는"이나 "및/또는"은 다수의 또는 목록의 요소 그리고 선택에 따라서는 목록에 없는 요소를 포괄하는 것으로, 즉 적어도 하나를 포함하는 것뿐만 아니라 하나 이상을 포함하는 것으로 해석될 것이다. "오직 하나" 또는 "정확히 하나" 또는 청구항에 사용되는 "...으로 구성되는"과 같은 명확히 반대로 지적되는 표현들은 다수의 또는 목록의 요수들 중 정확히 하나의 요소를 포함하는 것을 말한다. 일반적으로, 본원에 사용되는 "또는"이라는 용어는 "어느 하나", "... 중 하나", "... 중 오직 하나" 또는 "... 중 정확히 하나"와 같은 배타적 용어가 선행할 때 배타적인 대체물(즉, "하나 또는 다른 하나, 그러나 둘 모두는 아님")을 지적하는 것으로만 해석될 것이다. "필수적으로 구성되는"은 청구항에 사용될 때 특허법 분야에서 사용되는 일반적인 의미를 가질 것이다.
상세한 설명 및 청구항에 사용된 "적어도 하나"라는 어구는, 하나 이상의 요 소의 목록을 참고하여, 요소의 목록 중 하나 이상의 요소로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 요소의 목록 내에 구체적으로 나열된 각각의 요소 및 모든 요소 중 적어도 하나를 포함하고 요소의 목록 내의 요소들의 어떠한 조합도 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이 정의는 또한 구체적으로 지적된 요소들과 관련이 있건 또는 없건 간에, "적어도 하나의"라는 어구가 언급하는 요소의 목록 내에 구체적으로 지적된 요소가 아닌 요소가 선택에 따라 존재하는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서 "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 등등하게 "A 또는 B" 중 적어도 하나, 또는 동등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는 일 실시예에서 B가 없는 상태로(그리고 선택에 따라서는 B가 아닌 요소를 포함함) 적어도 하나의, 선택에 따라서는 하나 이상의 A를 지칭하고, 다른 실시예에서 A가 없는 상태로(그리고 선택에 따라서는 A가 아닌 요소를 포함함) 적어도 하나의, 선택에 따라서는 하나 이상의 B를 지칭하고, 또 다른 실시예에서 적어도 하나의, 선택에 따라 하나 이상의 A 및 적어도 하나의, 선택에 따라서는 하나 이상의 B(그리고 선택에 따라 다른 요소를 포함함)를 말한다.
청구항 및 상세한 설명에서, "포함하는", "구비하는", "함유하는", "갖는", "수용하는", "동반하는", "수용하는" 등과 같은 이행 문구는 확장형으로, 즉 포함하지만 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 미국 특허청의 특허 심사 절차 편람의 섹션 2111.03에 개시된 바와 같이 "...로 구성되는" 및 "필수적으로 구성되는"과 같은 이행 어구만이 배타적인 또는 반배타적인 이행 어구이다.

Claims (151)

  1. 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 액츄에이터 시스템이며,
    음전극 및 양전극을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고,
    음전극 및 양전극 중 하나 또는 모두가 액츄에이터이고 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며,
    대전 및/또는 방전시에, 화학종이 제1 부분을 제2 부분과 상이한 정도로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금하고, 그 결과 발생하는 제2 부분과 상대적인 치수 변화를 겪으며, 따라서 제1 부분과 제2 부분에 사이의 차등 변형률을 액츄에이터에 부여함으로써 액츄에이터의 적어도 일부의 변위를 유발하고,
    액츄에이터의 변위는 기계적 일을 하는 구조물에 결합될 필요 없이 기계적 일을 하는 액츄에이터 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1 부분은 제2 부분과 전기적으로 소통하는 액츄에이터 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 화학종은 인터칼레이션 화학종인 액츄에이터 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 화학종은 양자인 액츄에이터 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 화학종은 도금 화학종인 액츄에이터 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 재료로 형성되는 액츄에이터 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 실질적으로 동일한 재료로 형성되는 액츄에이터 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 전기 전위를 갖는 액츄에이터 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 정도로 화학종에 노출되는 액츄에이터 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 액츄에이터의 변위에 의해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 적어도 하나의 부분을 구비하는 구조물을 더 포함하는 액츄에이터 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 화학종은 실질적으로 제1 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션 또는 합금화하지만, 제2 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션 또는 합금화하지 않는 액츄에이터 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분 사이에 차등 변형률을 부여하기 위해 제1 부분은 제2 부분과 상이한 정도로 화학종으로 인터칼레이션되는 액츄에이터 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분 사이에 차등 변형률을 부여하기 위해 제1 부분은 제2 부분과 상이한 정도로 화학종과 합금화되는 액츄에이터 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 도전성인 액츄에이터 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 대전 또는 방전시에, 액츄에이터의 적어도 일부의 변위는 저류소에 힘을 가하여, 저류소로부터의 유체의 체적 변위를 유발하는 액츄에이터 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 유체는 약물을 함유하는 액츄에이터 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 약물은 인슐린인 액츄에이터 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 스트립, 플레이트, 시트, 컵, 절첩된 시트 또는 스트립의 형상인 액츄에이터 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 비평면형인 액츄에이터 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 플레이트 또는 펠릿인 액츄에이터 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 적어도 하나의 홈(groove)을 포함하는 액츄에이터 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 다수의 "레그(leg)" 또는 "암(arm)" 또는 브랜치(branch)를 갖는 액츄에이터 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 전기화학적 전지는 자발적으로 방전되도록 구성 및 배치되는 액츄에이터 시스템.
  24. 제1항에 있어서, 액츄에이터 시스템은 기계적 일을 하는 구조물에 결합되는 액츄에이터 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 액츄에이터 시스템은 기계적 일을 하는 구조물에 결합되지 않는 액츄에이터 시스템.
  26. 제1항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 양(+)의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  27. 제1항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 0의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  28. 제1항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 음(-)의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  29. 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 액츄에이터 시스템이며,
    음전극 및 양전극을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고,
    음전극 및 양전극 중 하나 또는 모두가 액츄에이터이고 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며,
    대전 및/또는 방전시에, 화학종이 제1 부분을 제2 부분과 상이한 정도로 인터칼레이션, 디인터칼레이션 및 합금화하고, 그 결과 발생하는 제2 부분과 상대적 인 치수 변화를 겪으며, 따라서 제1 부분과 제2 부분에 사이의 차등 변형률을 액츄에이터에 부여함으로써 액츄에이터의 적어도 일부의 변위를 유발하고,
    액츄에이터의 변위는 기계적 일을 하는 구조물에 결합될 필요 없이 기계적 일을 하는 액츄에이터 시스템.
  30. 제1항에 있어서, 제1 부분은 제2 부분과 전기적으로 소통하는 액츄에이터 시스템.
  31. 제29항에 있어서, 화학종은 인터칼레이션 화학종인 액츄에이터 시스템.
  32. 제29항에 있어서, 화학종은 양자인 액츄에이터 시스템.
  33. 제29항에 있어서, 화학종은 도금 화학종인 액츄에이터 시스템.
  34. 제29항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 재료로 형성되는 액츄에이터 시스템.
  35. 제29항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 실질적으로 동일한 재료로 형성되는 액츄에이터 시스템.
  36. 제29항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 전기 전위를 갖는 액츄에이터 시스템.
  37. 제29항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 정도로 화학종에 노출되는 액츄에이터 시스템.
  38. 제29항에 있어서, 액츄에이터의 변위에 의해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 적어도 하나의 부분을 구비하는 구조물을 더 포함하는 액츄에이터 시스템.
  39. 제29항에 있어서, 화학종은 실질적으로 제1 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션 또는 합금화하지만, 제2 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션 또는 합금화하지 않는 액츄에이터 시스템.
  40. 제29항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분 사이에 차등 변형률을 부여하기 위해 제1 부분은 제2 부분과 상이한 정도로 화학종으로 인터칼레이션되는 액츄에이터 시스템.
  41. 제29항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분 사이에 차등 변형률을 부여하기 위해 제1 부분은 제2 부분과 상이한 정도로 화학종과 합금화되는 액츄에이터 시스템.
  42. 제29항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 도전성인 액츄에이터 시스템.
  43. 제29항에 있어서, 대전 또는 방전시에, 액츄에이터의 적어도 일부의 변위는 저류소에 힘을 가하여, 저류소로부터의 유체의 체적 변위를 유발하는 액츄에이터 시스템.
  44. 제43항에 있어서, 유체는 약물을 함유하는 액츄에이터 시스템.
  45. 제44항에 있어서, 약물은 인슐린인 액츄에이터 시스템.
  46. 제29항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 스트립, 플레이트, 시트, 컵, 절첩된 시트 또는 스트립의 형상인 액츄에이터 시스템.
  47. 제29항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 비평면형인 액츄에이터 시스템.
  48. 제29항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 플레이트 또는 펠릿인 액츄에이터 시스템.
  49. 제29항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 적어도 하나의 홈(groove)을 포 함하는 액츄에이터 시스템.
  50. 제29항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 다수의 "레그(leg)" 또는 "암(arm)" 또는 브랜치(branch)를 갖는 액츄에이터 시스템.
  51. 제29항에 있어서, 전기화학적 전지는 자발적으로 방전되도록 구성 및 배치되는 액츄에이터 시스템.
  52. 제29항에 있어서, 액츄에이터 시스템은 기계적 일을 하는 구조물에 결합되는 액츄에이터 시스템.
  53. 제29항에 있어서, 액츄에이터 시스템은 기계적 일을 하는 구조물에 결합되지 않는 액츄에이터 시스템.
  54. 제29항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 양(+)의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  55. 제29항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 0의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  56. 제29항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 음(-)의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  57. 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 액츄에이터 시스템이며,
    음전극 및 양전극을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고,
    음전극 및 양전극 중 하나 또는 모두가 액츄에이터이고 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며,
    제1 부분이 제2 부분과 상이한 정도로 산화 및/또는 환원되면, 그 결과 발생되는 제2 부분과 상대적인 치수 변화를 겪으며, 따라서 제1 부분과 제2 부분에 사이의 차등 변형률을 액츄에이터에 부여함으로써 액츄에이터의 적어도 일부의 변위를 유발하고,
    액츄에이터의 변위는 기계적 일을 하는 구조물에 결합될 필요 없이 기계적 일을 하는 액츄에이터 시스템.
  58. 제1항에 있어서, 제1 부분은 제2 부분과 전기적으로 소통하는 액츄에이터 시스템.
  59. 제57항에 있어서, 제1 부분의 산화 및/또는 환원시에 제2 부분과 상이한 정도로 제1 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션 또는 합금화하는 화학종을 더 포함 하는 액츄에이터 시스템.
  60. 제59항에 있어서, 화학종은 인터칼레이션 화학종인 액츄에이터 시스템.
  61. 제59항에 있어서, 화학종은 양자인 액츄에이터 시스템.
  62. 제59항에 있어서, 화학종은 도금 화학종인 액츄에이터 시스템.
  63. 제57항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 재료로 형성되는 액츄에이터 시스템.
  64. 제57항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 실질적으로 동일한 재료로 형성되는 액츄에이터 시스템.
  65. 제57항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 전기 전위를 갖는 액츄에이터 시스템.
  66. 제59항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 정도로 화학종에 노출되는 액츄에이터 시스템.
  67. 제57항에 있어서, 액츄에이터의 변위에 의해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 적어도 하나의 부분을 구비하는 구조물을 더 포함하는 액츄에이터 시스템.
  68. 제59항에 있어서, 화학종은 실질적으로 제1 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션 또는 합금화하지만, 제2 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션 또는 합금화하지 않는 액츄에이터 시스템.
  69. 제59항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분 사이에 차등 변형률을 부여하기 위해 제1 부분은 제2 부분과 상이한 정도로 화학종으로 인터칼레이션되는 액츄에이터 시스템.
  70. 제59항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분 사이에 차등 변형률을 부여하기 위해 제1 부분은 제2 부분과 상이한 정도로 화학종과 합금화되는 액츄에이터 시스템.
  71. 제57항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 도전성인 액츄에이터 시스템.
  72. 제57항에 있어서, 대전 또는 방전시에, 액츄에이터의 적어도 일부의 변위는 저류소에 힘을 가하여, 저류소로부터의 유체의 체적 변위를 유발하는 액츄에이터 시스템.
  73. 제72항에 있어서, 유체는 약물을 함유하는 액츄에이터 시스템.
  74. 제73항에 있어서, 약물은 인슐린인 액츄에이터 시스템.
  75. 제57항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 스트립, 플레이트, 시트, 컵, 절첩된 시트 또는 스트립의 형상인 액츄에이터 시스템.
  76. 제57항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 비평면형인 액츄에이터 시스템.
  77. 제57항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 플레이트 또는 펠릿인 액츄에이터 시스템.
  78. 제57항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 적어도 하나의 홈(groove)을 포함하는 액츄에이터 시스템.
  79. 제57항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 다수의 "레그(leg)" 또는 "암(arm)" 또는 브랜치(branch)를 갖는 액츄에이터 시스템.
  80. 제57항에 있어서, 전기화학적 전지는 자발적으로 방전되도록 구성 및 배치되 는 액츄에이터 시스템.
  81. 제57항에 있어서, 액츄에이터 시스템은 기계적 일을 하는 구조물에 결합되는 액츄에이터 시스템.
  82. 제57항에 있어서, 액츄에이터 시스템은 기계적 일을 하는 구조물에 결합되지 않는 액츄에이터 시스템.
  83. 제57항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 양(+)의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  84. 제57항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 0의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  85. 제57항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 음(-)의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  86. 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 액츄에이터 시스템이며,
    음전극 및 양전극을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고,
    음전극 및 양전극 중 하나 또는 모두가 액츄에이터이고 제1 부분 및 제2 부분을 포함하며,
    대전 및/또는 방전시에, 화학종이 제2 부분과 상이한 정도로 제1 부분에 전기화학적으로 증착되고, 그 결과 발생하는 제2 부분과 상대적인 치수 변화를 겪으며, 따라서 제1 부분과 제2 부분에 사이의 차등 변형률을 액츄에이터에 부여함으로써 액츄에이터의 적어도 일부의 변위를 유발하고,
    액츄에이터의 변위는 기계적 일을 하는 구조물에 결합될 필요 없이 기계적 일을 하는 액츄에이터 시스템.
  87. 제1항에 있어서, 제1 부분은 제2 부분과 전기적으로 소통하는 액츄에이터 시스템.
  88. 제86항에 있어서, 화학종은 인터칼레이션 화학종인 액츄에이터 시스템.
  89. 제86항에 있어서, 화학종은 양자인 액츄에이터 시스템.
  90. 제86항에 있어서, 화학종은 도금 화학종인 액츄에이터 시스템.
  91. 제86항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 재료로 형성되는 액츄에이터 시스템.
  92. 제86항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 실질적으로 동일한 재료로 형성되는 액츄에이터 시스템.
  93. 제86항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 전기 전위를 갖는 액츄에이터 시스템.
  94. 제86항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 정도로 화학종에 노출되는 액츄에이터 시스템.
  95. 제86항에 있어서, 액츄에이터의 변위에 의해 제1 배향으로부터 제2 배향으로 변위되도록 구성 및 배치된 적어도 하나의 부분을 구비하는 구조물을 더 포함하는 액츄에이터 시스템.
  96. 제86항에 있어서, 화학종은 실질적으로 제1 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션 또는 합금화하지만, 제2 부분을 인터칼레이션, 디인터칼레이션 또는 합금화하지 않는 액츄에이터 시스템.
  97. 제86항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분 사이에 차등 변형률을 부여하기 위해 제1 부분은 제2 부분과 상이한 정도로 화학종으로 인터칼레이션되는 액츄에이터 시 스템.
  98. 제86항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분 사이에 차등 변형률을 부여하기 위해 제1 부분은 제2 부분과 상이한 정도로 화학종과 합금화되는 액츄에이터 시스템.
  99. 제86항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 도전성인 액츄에이터 시스템.
  100. 제86항에 있어서, 대전 또는 방전시에, 액츄에이터의 적어도 일부의 변위는 저류소에 힘을 가하여, 저류소로부터의 유체의 체적 변위를 유발하는 액츄에이터 시스템.
  101. 제100항에 있어서, 유체는 약물을 함유하는 액츄에이터 시스템.
  102. 제101항에 있어서, 약물은 인슐린인 액츄에이터 시스템.
  103. 제86항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 스트립, 플레이트, 시트, 컵, 절첩된 시트 또는 스트립의 형상인 액츄에이터 시스템.
  104. 제86항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 비평면형인 액츄에이터 시스템.
  105. 제86항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 플레이트 또는 펠릿인 액츄에이터 시스템.
  106. 제86항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 적어도 하나의 홈(groove)을 포함하는 액츄에이터 시스템.
  107. 제86항에 있어서, 양전극 및/또는 음전극은 다수의 "레그(leg)" 또는 "암(arm)" 또는 브랜치(branch)를 갖는 액츄에이터 시스템.
  108. 제86항에 있어서, 전기화학적 전지는 자발적으로 방전되도록 구성 및 배치되는 액츄에이터 시스템.
  109. 제86항에 있어서, 액츄에이터 시스템은 기계적 일을 하는 구조물에 결합되는 액츄에이터 시스템.
  110. 제86항에 있어서, 액츄에이터 시스템은 기계적 일을 하는 구조물에 결합되지 않는 액츄에이터 시스템.
  111. 제86항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 양(+)의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  112. 제86항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 0의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  113. 제86항에 있어서, 액츄에이터 변위는 액츄에이터 시스템의 음(-)의 체적 또는 치수 변화에 의해 발생되는 액츄에이터 시스템.
  114. 음전극, 양전극 및 화학종을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고,
    화학종은 전기화학적 전지의 제1 부분을 전기화학적 전지의 제2 부분과 상이한 정도로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금할 수 있고, 따라서 제1 부분 및/또는 제2 부분은 방전시에 치수 변화를 겪음으로써 기계적 일을 하는 액츄에이터 변위를 유발하고, 전기화학적 전지는 제조시에 대전되도록 구성 및 배치되고, 사용 후에 부분적으로 방전되거나 또는 첫 번째 방전 후에 더 이상 대전되지 않는 액츄에이터 장치.
  115. 제1항에 있어서, 제1 부분은 제2 부분과 전기적으로 소통하는 액츄에이터 시스템.
  116. 제114항에 있어서, 방전시에 폐기 가능한 액츄에이터 장치.
  117. 제114항에 있어서, 액츄에이터 장치는 유체 펌프인 액츄에이터 장치.
  118. 제114항에 있어서, 액츄에이터 장치는 유체를 신체 내로 전달하기 위한 주입 유체 펌프인 액츄에이터 장치.
  119. 제114항에 있어서, 방전시에, 액츄에이터 변위는 저류소에 힘을 가하여, 저류소로부터의 유체의 체적 변위를 유발하는 액츄에이터 장치.
  120. 제119항에 있어서, 유체는 약물을 함유하는 액츄에이터 장치.
  121. 제120항에 있어서, 약물은 인슐린인 액츄에이터 장치.
  122. 제119항에 있어서, 체적 변위의 속도는 일정하거나 또는 가변적인 액츄에이터 장치.
  123. 제119항에 있어서, 체적 변위는 전지의 방전 속도를 제어함으로써 제어되는 액츄에이터 장치.
  124. 제119항에 있어서, 체적 변위는 전지를 방전시키는 회로의 저항을 변화시킴 으로써 제어되는 액츄에이터 장치.
  125. 제119항에 있어서, 액츄에이터 장치는 듀티 사이클을 가지며, 듀티 사이클은 액츄에이터 장치와 결합된 외부 회로를 개방 및/또는 폐쇄함으로써 제어되는 액츄에이터 장치.
  126. 제114항에 있어서, 치수 변화는 이혼 교환시에 치수가 변하는 다공성 전극에 의해 제공되는 액츄에이터 장치.
  127. 제126항에 있어서, 다공성 전극은 가압된 분말 콤팩트 또는 금속 발포체 또는 치수-활성 재료와 비치수-활성 재료의 복합체이며, 전극은 선택에 따라 첨가물을 포함하는 액츄에이터 장치.
  128. 제126항에 있어서, 다공성 전극은 대전 또는 방전시에 벤딩, 굴곡 또는 커핑을 포함하는 치수 변화를 겪는 액츄에이터 장치.
  129. 제128항에 있어서, 다공성 전극은 다공도 구배를 포함하는 액츄에이터 장치.
  130. 제128항에 있어서, 다공성 전극은 표면층을 더 포함하는 액츄에이터 장치.
  131. 제130항에 있어서, 표면층은 다공성 전극보다 더 큰 정도로 인터칼레이션, 디인터칼레이션, 합금화, 산화, 환원 또는 도금되는 액츄에이터 장치.
  132. 제114항에 있어서, 전기화학적 전지의 치수-활성 재료는 양자, 알칼리 이온, 이온 복합물, 수산화 이온, 탄산염 이온, 염소산염 이온, 황산염 이온 및 인산염 이온으로 구성된 그룹으로부터의 화학종과의 인터칼레이션 또는 합금화시에 팽창하는 액츄에이터 장치.
  133. 제114항에 있어서, 전기화학적 전지의 치수-활성 재료는 리튬으로 인터칼레이션 또는 함금화되고, Al, Au, Ag, Ga, Si, Ge, Ti, Sn, Sb, Pb, Zn, 탄소, 흑연, 경질 탄소, 메조포러스 탄소, 산화물, 인터칼레이션 산화물, 레이어드 산화물, 점토 광물, 황화물, 레이어드 황화물, TiS2, MoS2 및 WS2 중 하나 이상을 포함하는 액츄에이터 장치.
  134. 제114항에 있어서, 전기화학적 전지는 자발적으로 방전되도록 구성 및 배치되는 액츄에이터 장치.
  135. 음전극, 양전극 및 인터칼레이션 화학종을 포함하는 적어도 하나의 전기화학적 전지를 포함하고, 음전극 및/또는 양전극은 신체 내로의 유체 주입을 유발하기 위해 대전 및/또는 방전시에 치수 변화를 겪는 주입 펌프.
  136. 제135항에 있어서, 전기화학적 전지는 자발적으로 방전되도록 구성 및 배치되는 주입 펌프.
  137. 제135항에 있어서, 유체는 액체, 고체-액체 혼합물, 페이스트 또는 겔을 포함하는 주입 펌프.
  138. 제135항에 있어서, 유체는 약물을 함유하는 주입 펌프.
  139. 제135항에 있어서, 약물은 인슐린인 주입 펌프.
  140. 제135항에 있어서, 주입 속도는 일정하거나 또는 가변적인 주입 펌프.
  141. 제114항에 있어서, 주입 속도는 전지의 방전 속도를 제어함으로써 제어되는 액츄에이터 장치.
  142. 제114항에 있어서, 주입 속도는 전지를 방전시키는 회로의 저항을 변화시킴으로써 제어되는 액츄에이터 장치.
  143. 제119항에 있어서, 액츄에이터 시스템은 듀티 사이클을 가지며, 듀티 사이클은 액츄에이터 장치와 결합된 외부 회로를 개방 및/또는 폐쇄함으로써 제어되는 액츄에이터 장치.
  144. 생리학적 환경에서 사용되도록 구성 및 배치된 액츄에이터이며,
    인접한 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 제1 부분은 화학종을 포함하는 체액에의 노출시에 치수 변화를 겪고, 그 결과 발생하는 제1 부분 내로의 화학종의 전기화학적 인터칼레이션, 제1 부분으로부터의 화학종의 디인터칼레이션, 또는 화학종과의 접촉으로 인한 제1 부분의 산화/환원은 액츄에이터의 치수 변화를 부여하는 액츄에이터.
  145. 제1항에 있어서, 제1 부분은 제2 부분과 전기적으로 소통하는 액츄에이터 시스템.
  146. 제144항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분은 상이한 전기 전위를 갖는 액츄에이터.
  147. 제144항에 있어서, 체액은 혈액인 액츄에이터.
  148. 제144항에 있어서, 화학종은 양자인 액츄에이터.
  149. 제144항에 있어서, 신체에 이식되는 액츄에이터.
  150. 제144항에 있어서, 액츄에이터는 자발적으로 방전되도록 구성 및 배치되는 액츄에이터.
  151. 신체에 약물을 투여하기 위한 전기화학적 액츄에이터이며,
    적어도 하나의 음전극과,
    적어도 하나의 양전극과,
    화학종을 포함하고,
    전기화학적 액츄에이터에는 전압 또는 전류가 인가되고, 따라서 전압 또는 전류의 인가 또는 중단은 전기화학적 액츄에이터의 체적 또는 치수 변화를 유발하는 전기화학적 액츄에이터의 적어도 하나의 전극에서의 화학종의 인터칼레이션을 포함하고,
    체적 또는 치수 변화는 신체 내로의 약물 투여를 발생시키는 전기화학적 액츄에이터.
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