KR20200094661A - 웨어러블 센서 및 처리/전송 디바이스를 위한 통합 플랫폼으로서의 플렉시블 배터리 - Google Patents

웨어러블 센서 및 처리/전송 디바이스를 위한 통합 플랫폼으로서의 플렉시블 배터리 Download PDF

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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 플렉시블 배터리와 통합된 디바이스에 관한 것으로, 플렉시블 배터리는 착용 가능할 수 있으며 다양한 전자 디바이스를 위한 통합 플랫폼을 제공할 수 있다.

Description

웨어러블 센서 및 처리/전송 디바이스를 위한 통합 플랫폼으로서의 플렉시블 배터리{FLEXIBLE BATTERY AS AN INTEGRATION PLATFORM FOR WEARABLE SENSORS AND PROCESSING/TRANSMITTING DEVICES}
응용들 중에서도 웨어러블(wearable) 디바이스, 헬스케어, 화장품, 웨어러블 의료 센서 및 약물 전달 디바이스, 휴대용 전자 기기(electronics), 스마트 패키징, 및 RFID의 최근의 집중적인 개발에 의해, 고 에너지 밀도의 얇은 플렉시블 배터리(flexible battery)의 개발이 각각의 디바이스에 적절한 전력을 제공하기 위한 필수적인 과제가 되고 있다.
디바이스에 따라, 이들 배터리는 현재의 전자 기기에 적절한 전위(V - 범위)를 제공해야 할 뿐만 아니라 광범위한 응용을 커버하도록 μWh에서 kWh까지의 에너지를 또한 보유하여야 한다. 그러나, 이들 새로운 응용은, 전기적 파라미터 외에도, 배터리가 또한 가요성이고, 얇고, 신축성이고(stretchable), 감길 수 있고(rollable), 굽힐 수 있고(bendable), 접힐 수 있으며(foldable), 미세 영역 및 큰 영역을 커버하는 것을 필요로 한다. 이러한 특징들은, 전극들이 금속 포일과 같은 집전체(current collector) 상에 인쇄되는 전형적인 배터리 설계에서는, 그리고 코인(coin), 원통형 또는 프리즘형 전지와 같은 강성 인클로저(rigid enclosure) 내에 캡슐화된 배터리에 대해서는 달성하기 어렵다.
나노재료는 그의 주변 환경에 극도로 민감한 것으로 알려져 있으며, 따라서 환경 오염, 우주 탐사, 국토 안보, 생물학 및 의학을 포함한 광범위한 분야를 위한 새로운 감지 재료 및 디바이스를 개발할 필요가 있다. 웨어러블 센서 또는 디바이스의 응용 중에서도, 인간의 생리학적 상태에 대한 실시간 모니터링이 가장 중요하다. 이러한 목적을 위해, 웨어러블 디바이스의 기술적 요건들을 그의 기계적 특성들, 예를 들어 웨어러블 디바이스가 또한 편안해야 하고, 가요성이어야 하고, 가벼워야 하고, 소형이어야 하고, 세탁 가능하여야 하는 것 등과 조합할 필요가 있다. 따라서, 웨어러블 디바이스의 이러한 빠른 신흥 분야에서 기계적 지지를 제공하고 전력을 공급하는 배터리를 위한 새로운 설계 및 재료에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 플렉시블 배터리와 통합된 웨어러블 디바이스에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 본 발명은 플렉시블 배터리; 및 플렉시블 배터리의 패키징 층에 부착되고/되거나, 패키징 층 상에 인쇄되고/되거나, 패키징 층 내에 매립되며 플렉시블 배터리에 의해 전력이 공급되는 전자 디바이스를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관한 것이다. 일부 태양에 따르면, 전자 디바이스는 센서들, 마이크로프로세서들, 무선 통신/전송 디바이스들, 회로 기판들, 전자 기기, 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
일부 태양에서, 플렉시블 배터리의 패키징 층은 웨어러블 디바이스를 위한 또는 센서를 위한 지지 기재(supporting substrate)를 제공한다. 일부 실시예에서, 센서들은 심박수 센서, 호흡수 센서, 혈압 센서, 혈액 산소 센서, 체온 센서, 근활성도(muscle activity) 센서, 발작 이벤트(seizure event) 센서, 뇌파(EEG) 센서, 간질 위기(epileptic crisis) 센서, 뇌전도(ECG) 센서, 근전도 데이터(EMG) 센서, 피부 전기 활성도(electrodermal activity, EDA) 센서, 오염물질 센서, 움직임(movement) 센서, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 송신기는 하나 이상의 센서가 임계값, 예를 들어 낮은 체온을 기록하면 신호를 전송할 수 있다.
일부 실시예에서, 패키징 층은 파우치 전지(pouch cell)이며, 파우치 전지는, 탄소 나노튜브의 3차원 가교결합 네트워크 내에 애노드 활성 재료 입자를 갖는 애노드 복합 재료를 포함하는 애노드; 탄소 나노튜브의 3차원 가교결합 네트워크 내에 캐소드 활성 재료 입자를 갖는 캐소드 복합 재료를 포함하는 캐소드; 및 애노드와 캐소드 사이의 가요성 세퍼레이터 막(separator membrane)을 포함한다. 일부 태양에서, 파우치 전지는 중합체를 포함한다. 일부 태양에서, 플렉시블 배터리는 편평하거나 접힌 구성으로 파우치 전지 내에 캡슐화되며, 예를 들어 플렉시블 배터리는 패키징 층 내에 1회 이상 접혀 있을 수 있다. 일부 태양에 따르면, 전자 디바이스용 통합 플랫폼(integration platform)으로서 플렉시블 배터리를 갖는 전자 디바이스의 제조 방법이 본 명세서에 개시된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일부 태양에 따른 배터리의 단일 전지(single-cell)(도 1a) 구성 및 다중 전지(multi-cell)(도 1b) 구성의 개략도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일부 태양에 따른 파우치 배터리를 도시하는데, 편평한 구성(도 2a) 및 감겨 있는 구성(도 2b)의 파우치 배터리가 둘 모두 개략적으로 도시된다(도 2a 및 도 2b).
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 태양에 따른 배터리의 단일 전지(도 3a) 구성 및 다중 전지(도 3b) 구성의 개략도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는, 양면(도 4a) 또는 오직 하나의 면(도 4b) 상에 세퍼레이터 막을 갖는, 본 발명의 일부 태양에 따른, 바람직한 전극 층 구조의 개략적인 단면을 도시한다.
도 5는 접힌 구성에서의 본 발명의 일부 태양에 따른 배터리를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일부 태양에 따른 플렉시블 배터리의 패키징 재료의 표면에 부착되고/되거나, 표면 상에 인쇄되고/되거나, 표면 상에 매립된 전자 구성 요소를 갖는 웨어러블 디바이스를 도시한다.
본 발명은, 탄소 나노튜브의 3차원 가교결합 네트워크 내에 애노드 활성 재료(흑연, 규소 등) 입자를 갖는 복합 재료를 포함하는 애노드; 탄소 나노튜브의 3차원 가교결합 네트워크 내에 캐소드 활성 재료 입자를 갖는 복합 재료를 포함하는 캐소드; 및 애노드와 캐소드 사이에 위치된 세퍼레이터를 포함하는 플렉시블 배터리에 관한 것이다. 일부 태양에서, 배터리에는 집전체가 없다. 일부 태양에서, 캐소드, 애노드, 및 세퍼레이터는 파우치 전지 내에 패킹된다. 이러한 파우치 전지 인클로저는 적합하게는 가요성이다. 일부 태양에서, 파우치 전지는 중합체 파우치 전지일 수 있다. 일부 태양에서, 플렉시블 배터리의 패키징 재료는 필요한 디바이스를 부착, 인쇄 또는 매립하기 위한 기재를 제공한다. 일부 태양에서, 플렉시블 배터리는 손목/발목 밴드, 스트랩, 또는 패치의 형태로 사용하도록 구성된다. 일부 태양에 따르면, 웨어러블 디바이스는 동물 또는 인간의 사지, 몸통 또는 머리에 부착하도록 구성될 수 있다. 일부 태양에서, 센서에 의해 수집된 데이터는 온보드(onboard) 프로세서에 의해 처리되거나, 처리 및 표시를 위한 모바일 디바이스로 유선 또는 무선으로 전송된다. 일부 태양에서, 모바일 디바이스는 스마트폰이다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 전자 디바이스가 가요성 패키징 재료의 내부에 위치되거나, 가요성 패키징 재료의 외부에 위치되거나, 또는 가요성 패키징 재료 내에 매립된다.
배터리 내의 전극들은 캐소드용 알루미늄 또는 애노드용 구리와 같은 집전체 포일에 의해 지지되지 않으며, 부스러지거나 벗겨질 수 있는 결합제를 함유하지 않을 수 있다. 대신에, 전극들은 자립형(self-standing)이다. 임의의 특정 이론에 구애되고자 함이 없이, 탄소 나노튜브 웨브(web)의 존재는 전극을 자립형 및 가요성으로 만들며; 가요성 전극은 플렉시블 배터리가 생성되게 한다. 본 발명에 따른 배터리는 직사각형 파우치 전지에서, 다양한 배터리 축을 따라 광범위한 굽힘, 감김, 및 접힘(180° 초과의 각도) 하에서 성공적으로 작동한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "가요성"인 전극은 균열 또는 파괴 없이 굽혀질 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 가요성은 조성 및 압축 정도를 포함하지만 이로 한정되지 않는 하나 이상의 화학적 요인 및/또는 재료 요인에 따라 좌우될 수 있다.
일부 변형예에서, 본 발명은 가요성 패키징 재료; 가요성 패키징 재료 내에 위치된 플렉시블 배터리로서, 플렉시블 배터리는 전극을 포함하고, 전극은 탄소 나노튜브의 3차원 가교결합 네트워크 내에 활성 재료 입자를 포함하는 복합 재료를 포함하는, 상기 플렉시블 배터리; 및 플렉시블 배터리에 의해 급전되는 하나 이상의 전자 디바이스를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "약"은 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 ~에 가까운 것으로 정의된다. 비제한적인 일 실시예에서, 용어 "약"은 10% 이내, 바람직하게는 5% 이내, 더욱 바람직하게는 1% 이내, 가장 바람직하게는 0.5% 이내인 것으로 정의된다.
또한, 자립형 전극의 두께는 프레싱(pressing)에 의해 변경될 수 있으며, 이는 전체 두께를 5배만큼, 예를 들어 약 4배만큼, 약 3배만큼, 약 절반만큼, 약 1.5배만큼, 약 1.1배만큼, 또는 이들 사이의 임의의 범위로 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 두께가 100 um인 자립형 전극이 50 um의 두께로 프레싱될 수 있거나(즉, 전체 두께가 절반만큼 감소됨), 두께가 500 um인 자립형 전극이 100 um의 두께로 프레싱될 수 있다(즉, 전체 두께가 5배만큼 감소됨). 일부 태양에서, 프레싱은 전체 두께를 절반만큼 감소시킨다. 일부 태양에서, 프레싱은 전체 두께를 약 1.1배 내지 약 5배만큼 감소시킨다. 일부 태양에서, 프레싱은 전체 두께를 약 1.5배 내지 약 3배만큼 감소시킨다. 주어진 재료에 대한 프레싱의 최적 정도 및/또는 한계는 당업자에 의해 결정될 수 있다. 적합하게는, 프레싱은 활성 재료 입자/플레이크(flake)를 실질적으로 파괴하지 않는데, 즉 일반적인 지침으로서, 입자 또는 플레이크의 25% 이하가 손상된다. 허용 가능한 입자 손상의 정확한 백분율은 상이한 활성 재료에 따라 그리고 전극 복합체의 상이한 제형에 따라 달라질 수 있으며, 각각의 경우에 당업자에 의해 결정될 필요가 있다. 액체 또는 겔 전해질을 갖는 배터리의 경우, 적합하게는, 효율적인 전해질 접근을 위해 충분한 공극이 프레싱 후에 재료 내에 남아 있는데, 즉, 활성 재료의 각각의 입자 또는 플레이크의 표면의 50% 이상(바람직하게는, 표면의 100%)이 전해질에 의해 습윤된다. 추가적으로, 공극들은 적합하게는 프레싱 후에 여전히 상호연결되는데, 즉 포획된 접근 불가능한 공극이 없다. 일반적인 지침으로서, 프레싱된 재료의 밀도는 적합하게는 활성 재료 분말의 벌크 밀도(활성 재료의 밀도가 아니며, 이는 더 높음; 예를 들어, NMC(리튬 니켈 망간 코발트 산화물, LiNixMnyCozO2) 분말의 경우, 벌크 밀도는 약 2.35 g/㎤인 반면, NMC 그 자체의 밀도는 3.5 g/㎤ 초과임)보다 낮아야 한다. 전극 재료를 활성 재료 분말의 벌크 밀도에 근접하거나 이를 초과하는 밀도로 프레싱하는 것은, 쉽게 균열될 수 있으며 더 이상 가요성이 아닌 전극 재료를 야기할 수 있다.
프레싱은 본 발명의 태양에 따른 배터리에서의 가요성, 기계적 강도, 및/또는 전해질 접근성을 개선할 수 있다. 프레싱은 또한 전극의 밀도를 변경시킨다. 전극을 프레싱하기에 적합한 방법 및 장치는 본 기술 분야에 공지되어 있으며, 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된, 2017년 7월 31일자로 출원된, 발명의 명칭이 "자립형 전극 및 이의 제조 방법"(Self-Standing Electrodes and Methods for Making Thereof)인 미국 특허 출원 제15/665,171호에 개시된 것들을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 본 발명의 태양에 따르면, 존재하는 파우치 전지와 함께 또는 파우치 전지 없이, 개별 전극들이 프레싱될 수 있거나, 또는 세퍼레이터에 의해 분리된 다수의 전극의 전체 조립체가 집합적으로 프레싱될 수 있다. 일부 태양에서, 프레싱은 전체 두께를 약 1.1 내지 약 5배 감소시킨다. 일부 태양에서, 프레싱은 전체 두께를 약 1.5배 내지 약 3배 감소시킨다.
당업자에게 공지된 바와 같이, 프레싱 또는 압축은 배터리 탭(tab)과 복합체 사이의 전기적 및/또는 기계적 접촉을 개선할 수 있으며, 이는 또한 복합체를 기계적으로 더 강하게 만들 수 있다. 그러나, 너무 많은 압축 또는 프레싱은 전극의 내측 부분으로의 전해질 접근을 방해하고, 전극 안팎으로의 금속 이온의 이동을 복잡하게 하여 배터리의 동적 특성을 악화시킬 수 있다. 너무 많은 압축은 또한 쉽게 균열을 형성하며 붕해되는 강성 및 취성인 전극을 야기하며; 이는 배터리 용량을 감소시키거나, 그를 완전히 파괴할 수 있다. 대안적으로, 너무 적은 압축은 충분한 접촉을 제공하지 않아서 기계적으로 약한 전극 재료, 재료 내의 불충분한 전기 접점(및 이에 따른, 재료의 더 낮은 전기 전도도 및 활성 재료 입자로부터의 비효율적인 집전), 및/또는 나노튜브 네트워크 내의 활성 재료 입자의 불완전한 기계적 포획(활성 재료 입자가 전해질에 의해 씻겨나갈 수 있음)을 야기할 수 있다. 불충분한 프레싱은 또한 더 두꺼운 전극을 생성할 수 있어서, 이를 완전히 습윤시키는 데 더 많은 전해질이 필요로 하며, 따라서 배터리의 에너지 저장 밀도를 감소시킬 수 있다. 또한, 과도한 프레싱은 세퍼레이터 막 내에 천공을 야기할 수 있으며; 이는 바람직한 결과가 아니다. 또한, 압연 프레스(rolling press) 또는 캘린더링 기계(calendaring machine)에서 롤들 또는 롤러들 사이의 거리 또는 플래튼 프레스(platen press)의 플레이트들 사이의 거리를 조절하는 것이 바람직할 수 있다. 전극에서 요구되는 특성에 기초하여 최적의 프레싱 두께를 결정하는 것은 당업자의 지식 내에 있다. 본 발명의 전극 및/또는 배터리를 프레싱하기에 적합한 장치에는 롤러 밀(roller mill) 및 유압 프레스(hydraulic press)가 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "전극 활성 재료"는 전극에서 금속(예를 들어, 리튬)을 호스팅하는 재료를 지칭한다. 용어 "전극"은 이온 및 전자가 전해질 및 외부 회로와 교환되는 전기 전도체를 지칭한다. "양극" 및 "캐소드"는 본 설명에서 동의어로 사용되며, 전기화학 전지에서 더 높은 (즉, 음극보다 높은) 전극 전위를 갖는 전극을 지칭한다. "음극" 및 "애노드"는 본 설명에서 동의어로 사용되며, 전기화학 전지에서 더 낮은 (즉, 양극보다 낮은) 전극 전위를 갖는 전극을 지칭한다. 음극 환원은 화학종이 전자(들)를 얻는 것을 지칭하고, 양극 산화는 화학종이 전자(들)를 잃는 것을 지칭한다.
일부 태양에 따르면, 전자 디바이스를 위한 웨어러블 통합 플랫폼을 제조하는 방법이 본 명세서에서 개시되며, 이 방법은 패키징 층을 갖는 플렉시블 배터리를 제공하는 단계; 하나 이상의 전자 디바이스를 패키징 층 내에 매립하고/하거나, 패키징 층 상에 인쇄하고/하거나, 패키징 층에 부착하는 단계; 및 하나 이상의 전자 디바이스를 플렉시블 배터리에 전기 접속시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 전자 디바이스를 제조하는 방법이 본 명세서에 개시되는데, 이 방법은 플렉시블 배터리 패키징에 인쇄하는 것, 플렉시블 배터리 패키징 내에 매립하는 것, 플렉시블 배터리 패키징에 부착하는 것, 또는 이들의 조합을 포함하는 방법에 의해 전자 디바이스를 조립하는 단계; 및 플렉시블 배터리 패키징을 포함하는 플렉시블 배터리로부터 전자 디바이스에 전력을 제공하여 전자 디바이스를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 리튬 금속 산화물 내의 금속에는 하나 이상의 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속, 알루미늄, 또는 전이후 금속, 및 이들의 수화물이 포함될 수 있지만 이로 한정되지 않는다. 리튬 금속 산화물의 비제한적인 예에는 Ni, Mn, Co, Al, Mg, Ti, 및 이들의 임의의 혼합물의 리튬화된 산화물이 포함된다. 예시적인 예에서, 리튬 금속 산화물은 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(LiNixMnyCozO2, x+y+z=1), 예를 들어 Li(Ni,Mn,Co)O2, Li-Ni-Mn-Co-O, (LiNiMnCoO2)이다. 리튬 금속 산화물 분말은 약 1 나노미터 내지 약 100 마이크로미터의 범위, 또는 이들 사이의 임의의 정수 또는 하위범위 이내로 정의된 입자 크기를 가질 수 있다. 비제한적인 예에서, 리튬 금속 산화물 입자는 평균 입자 크기가 약 1 μm 내지 약 10 μm이다.
"알칼리 금속"은 원소 주기율표의 I족의 금속, 예를 들어 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 또는 프랑슘이다.
"알칼리 토금속"은 원소 주기율표의 II족의 금속, 예를 들어 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 또는 라듐이다.
"전이 금속"은 란타넘족 및 악티늄족 계열을 포함하는, 원소 주기율표의 d-블록의 금속이다. 전이 금속에는 스칸듐, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 테크네튬, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 은, 카드뮴, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 이리듐, 백금, 금, 수은, 악티늄, 토륨, 프로트악티늄, 우라늄, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘, 퀴륨, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄, 페르뮴, 멘델레븀, 노벨륨, 및 로렌슘이 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
"전이후 금속"에는 갈륨, 인듐, 주석, 탈륨, 납, 비스무트, 또는 폴로늄이 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 예를 들어, 배터리에 접속된 디바이스의 출력에 의해 측정할 때, 굽힌, 감긴, 또는 접힌 구성에서의 배터리의 충전-방전 용량이 굽히기, 감기기, 또는 접히기 전(즉, 원래의 또는 편평한 경우의 용량)의 배터리의 충전-방전 용량과 실질적으로 동일한 경우, 배터리는 굽힌, 감긴, 또는 접힌 구성에서 "성공적으로 작동한다". 굽힌, 감긴, 또는 접힌 경우의 용량은, 0.1 C-레이트(C-rate)에서 원래의 또는 편평한 경우의 충전-방전 용량의 75% 이내이면, 원래의 또는 편평한 경우의 충전-방전 용량과 "실질적으로 동일하다". 당업자에게 공지된 바와 같이, 0.1, 1, 10, 100 등의 "C-레이트"(들)는 배터리의 특성화에 작용하는 것들 중에서 잘 알려진 기술 용어이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "1 C-레이트"는 일정한 방전 전류가 1시간 만에 전체 배터리를 방전시키거나, 또는 일정한 충전 전류가 1시간 만에 배터리를 충전할 것임을 의미한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "0.1 C-레이트"는 전류가 10배 더 작으며 10시간 만에 배터리를 충전/방전시킬 것임을 의미한다. 실제로, 먼저 배터리의 A*h(또는 mA*h)의 "이론적 용량"을 배터리 내의 활성 재료의 양 및 재료의 비용량에 기초하여 계산한다. 이어서, 이것을 원하는 시간 수(1 C의 경우 1시간, 0.2 C의 경우 5시간, 0.1 C의 경우 10시간, 10 C의 경우 0.1 시간 등)로 나누어, 충전/방전 전류를 계산한다. 이어서, 이러한 전류를 사용하여 배터리 충전 또는 방전 용량을 측정하고, 이를 그 C-레이트에서의 충전 또는 방전 용량으로 지칭한다.
일부 태양에서, 배터리는 단일 전지 구성이다. 도 1a는 단일 전지 구성에서의 본 발명에 따른 배터리(100)의 개략도를 도시한다. 일부 그러한 태양에서, 제1 패키징 층(101)은 애노드 층(102)에 인접하고, 이는 세퍼레이터 층(103)에 인접하고, 이는 캐소드 층(104)에 인접하고, 이는 제2 패키징 층(101)에 인접한다. 애노드 층(102) 및/또는 캐소드 층(104)은 배터리 탭(106)을 위한 부착 지점을 포함하도록 구성될 수 있다.
일부 태양에서, 배터리는 다중 전지 구성이다. 도 1b는 다중 전지 구성에서의 본 발명에 따른 배터리(110)의 개략도를 도시한다. 일부 그러한 태양에서는, 다수의 교번하는 애노드 층(102)과 캐소드 층(104)이 세퍼레이터 층(103)들과 패키징 층(101)들 사이에 배열된다. 각각의 애노드 층(102) 및/또는 캐소드 층(104)은 배터리 탭을 위한 부착 지점을 포함하도록 구성될 수 있다. 애노드 층(102)의 경우, 배터리 탭은 적합하게는 구리 탭 또는 리드(lead)(105)이다. 캐소드 층(104)의 경우, 배터리 탭은 적합하게는 알루미늄 탭 또는 리드(106)이다. 다중 전지 구성에서, 다중 전지의 내측 부분들 내의 일부 전극은 양면에서 세퍼레이터 막(103)과 접촉한다(도 1b, 도 3b). 다중 전지 구성에서의 전극 층 및 세퍼레이터 층의 수는 특별히 제한되지 않으며, 다중 전지 구성 배터리(110)는, 선택적인 추가 층(111)으로 나타낸 바와 같이, 도 1b에 도시된 것 외에 추가적인 애노드, 캐소드, 및/또는 세퍼레이터 층들을 포함할 수 있다. 배터리(110)는 일부 태양에서 배터리(100)와 유사할 수 있다.
본 발명에 따른 전극은 당업자에게 공지된 임의의 적합한 수단에 따라 제조될 수 있다. 예를 들어, 애노드 및/또는 캐소드는 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "자립형 전극 및 이의 제조 방법"인 미국 특허 출원 제15/665,171호에 개시된 방법 및 장치를 사용하여 제조될 수 있다. 매립된 탭을 갖는 자립형 전극의 제조 방법은 2018년 9월 6일자로 출원된 발명의 명칭이 "집전체 또는 결합제가 없이 자립형 전극에 배터리 탭 부착물을 매립하는 방법"(Method For Embedding A Battery Tab Attachment In A Self-Standing Electrode Without Current Collector Or Binder)인 미국 특허 출원 제16/123,872호에 개시되어 있다. 본 명세서에 도시된 탭 구성을 제조하는 방법은, 다른 구성들 중에서도, 2018년 9월 6일자로 출원된 발명의 명칭이 "플렉시블 Li-이온 배터리를 위한 오직 탄소 나노튜브 지지된 자립형 전극의 제조"(Production Of Solely Carbon Nanotubes Supported Self-Standing Electrodes For Flexible Li-Ion Batteries)인 미국 특허 출원 제16/123,935호에 개시되어 있다. 전술한 출원들의 각각의 개시 내용은 본 명세서에 명백히 참고로 포함된다. 본 발명의 방법에 사용하기에 적합한 탄소 나노튜브에는 단일벽 나노튜브, 소수벽(few-walled) 나노튜브, 및 다중벽 나노튜브가 포함된다. 일부 태양에서, 탄소 나노튜브는 단일벽 나노튜브이다. 소수벽 나노튜브 및 다중벽 나노튜브는 단일벽 나노튜브에 사용되는 것을 포함하는 당업자에게 공지된 임의의 적합한 방법 및 장치를 사용하여 합성되고, 특성화되고, 공-침착되고(co-deposited), 수집될 수 있다.
적합한 세퍼레이터 재료에는, 막성 장벽(membranous barrier) 또는 세퍼레이터 막과 같이, 한쪽 면으로부터 다른 쪽 면으로의 금속 이온의 교환을 가능하게 하면서 애노드와 캐소드 사이의 장벽을 제공하기 위한 배터리 애노드와 캐소드 사이에서의 사용에 대해 당업자에게 공지된 것들이 포함된다. 적합한 세퍼레이터 재료에는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 이들의 복합체뿐만 아니라 PTFE와 같은 중합체가 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 세퍼레이터 막은 금속 이온에 대해 투과성이어서, 금속 이온이 충전-방전 사이클 동안 캐소드 측으로부터 애노드 측으로 그리고 다시 반대로 이동하게 한다. 그러나, 세퍼레이터 막은 애노드 재료 및 캐소드 재료에 대해서는 불투과성이어서, 이들이 혼합되는 것, 닿는 것 및 배터리를 단락시키는 것을 방지한다. 세퍼레이터 막은 또한 배터리의 금속 부분(리드, 탭, 집전체, 인클로저의 금속 부분 등)을 위한 전기 절연체로서의 역할을 하여 금속 부분이 닿는 것 및 단락시키는 것을 방지한다. 세퍼레이터 막은 또한 전해질의 유동을 방지한다.
일부 태양에서, 세퍼레이터는 본 기술에 의해 제조된 2개의 비교적 두꺼운(20 내지 1000 μm) 다공성 전극 시트들 사이의 얇은(15 내지 25 μm) 중합체 막(3층 복합체: 폴리프로필렌-폴리에틸렌-폴리프로필렌, 구매가능함)이다. 얇은 중합체 막은 15 내지 25 μm의 두께일 수 있다. 2개의 비교적 두꺼운 다공성 전극 시트는 각각 독립적으로 50 내지 500 μm의 두께일 수 있다.
중합체 파우치 전지에 사용되는 중합체는, 예를 들어 외부 환경으로부터 전기화학 전지를 보호하기 위해 또는 웨어러블 디바이스에 사용되는 플렉시블 배터리의 경우에는 또한 전기화학 전지로부터 사용자를 보호하기 위해 전기화학 전지에 사용하기에 적합한 임의의 중합체일 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 파우치 전지는 내부에 전극들 및 세퍼레이터(들), 그리고 전해질을 보유하는 외부 패키징 재료를 지칭한다. 적합한 재료에는 당업자에게 공지된 것들, 예를 들어 폴리에틸렌(폴리에틸렌- 또는 폴리프로필렌-코팅된 알루미늄을 포함함, 예를 들어, 폴리아미드(JIS Z1714): 0.025 mm(±0.0025 mm), 접착제(폴리에스테르-폴리우레탄): 4 내지 5 g/m2, 알루미늄 포일(JIS A8079, A8021): 0.040 mm(±0.004 mm), 접착제(우레탄-무함유 접착제): 2 내지 3 g/m2, 폴리프로필렌: 0.040 mm(± 0.004 mm)), PTFE, PDMS 등이 포함된다. 본 발명에 따른 배터리는 당업자에게 공지된 것들을 포함하는 임의의 적합한 방법을 사용하여 조립될 수 있다.
배터리 탭들은 전극들에 부착될 수 있는데, 본 발명의 태양에 따라, 세퍼레이터 막을 지나도록 각각의 전극의 본체로부터 연장되며 다른 전극과 중첩되지 않는 돌출부에, 또는 반대편 전극 및 세퍼레이터 막의 절개부(cutout)에서 각각의 전극의 본체에 부착될 수 있다. 적합한 배터리 탭 재료 및 부착 방법에는 당업자에게 공지된 것들이 포함된다. 본 명세서에 개시된 배터리 탭은 집전체가 아닌 것으로 이해되어야 한다.
일부 태양에서, 본 발명에 따른 배터리는 임의의 추가의 재프레싱(repressing) 없이 완전히 제조된 애노드와 완전히 제조된 캐소드 사이에 세퍼레이터를 배치함으로써 조립된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "완전히 제조된" 애노드 또는 캐소드는 프레싱되었고 탭에 부착되어 있는 것이다. 일부 태양에서, 본 발명의 태양에 따른 배터리는 예비-프레싱된 애노드와 예비-프레싱된 캐소드 사이에 세퍼레이터를 배치하고 이들을 함께 프레싱함으로써 조립된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "예비-프레싱된" 전극은 프레싱되었지만 탭에 부착될 수 있거나 부착되지 않을 수 있거나, 탭 부착물 내에 매립되어 있을 수 있거나 매립되어 있지 않을 수 있는 것이다. 일부 태양에서, 배터리는 하나의 프레싱되지 않은 제1 전극(애노드 또는 캐소드)과 예비-프레싱된 전극(애노드 또는 캐소드) 사이에 세퍼레이터를 배치함으로써 조립될 수 있으며, 전체 조립체가 함께 프레싱될 수 있다.
바람직하게는, 세퍼레이터를 향하는 전극의 표면 상의 탄소 나노튜브의 농도는 전극의 벌크에서의 농도(0.5 내지 10 중량%의 나노튜브)보다 더 높지만(5 내지 100 중량%의 나노튜브), 세퍼레이터를 향하지 않는 전극의 표면 상의 탄소 나노튜브의 농도는 전극의 벌크에서의 농도보다 더 낮다(0 내지 1 중량%의 나노튜브)(도 3). 약 5% 초과의 나노튜브를 포함하는 복합 재료는 당업자에 의해 매우 점착성(sticky)인 것으로 고려되며, 세퍼레이터 막 및 스테인리스강(롤러 밀의 롤러를 제조하는 전형적인 재료임)뿐만 아니라 많은 다른 재료에 점착할 것이다. 예를 들어, (특히 새로 제조된 때에) 5% 나노튜브, 95% NMC(리튬 니켈 망간 코발트 산화물, LiNixMnyCozO2)를 포함하는 복합 재료는 롤러에 잘 점착하여서, 복합체를 찢지 않고서는 롤러로부터 분리하기가 어렵다. 그러나, NMC 분말로 "더스팅된(dusted)" 동일한 재료는 롤러에 임의의 감지 가능한 양으로 점착하지 않을 것이다. 이러한 "경계층"(border layer)은 활성 재료 입자/플레이크의 평균 크기보다 2 내지 5배 더 두꺼울 수 있으며; 예를 들어, 평균 직경이 약 10 μm인, 캐소드에 사용되는 NMC 입자의 경우, 나노튜브 함량이 증가되거나 감소된 20 내지 30 μm 두께의 "경계층"이 충분할 수 있다. 본 발명의 태양에 따르면, 전극 상의 또는 전극 내의 탄소 나노튜브의 이러한 분포는 세퍼레이터 막에 대한 전극의 접착성을 촉진하면서, (프레싱된 전극 및 프레싱된 배터리를 위한) 프레싱 장치의 롤러 및 다른 요소에 대한 접착성을 감소시킬 것이다. 이러한 분포는 전극 재료의 성장 동안 나노튜브 에어로졸 대 활성 재료 에어로졸(들)의 비(들)(즉, 단위 시간당 침착된 나노튜브의 중량 대 동일한 단위 시간당 침착된 활성 재료의 중량의 비)를 변화시킴으로써 달성될 수 있다(예를 들어, 합성의 시작 시의 100% 활성 재료 에어로졸, 대부분의 합성 동안 97% 활성 재료 에어로졸 및 3% 나노튜브 에어로졸, 그리고 합성의 종료 시의 100% 나노튜브 에어로졸). 예를 들어, 본 발명에 따르면, 나노튜브 합성 반응기는 시간당 약 2 mg의 에어로졸화된 나노튜브(프릿(frit)/필터 상에 침착된 양)를 생성하도록 구성될 수 있다. 동일한 셋업에서, NMC 공급기는 시간당 약 2 내지 600 mg의 NMC 입자(역시, 동일한 필터 상에 침착된 양)를 에어로졸화하도록 설정될 수 있다. 따라서, NMC 공급기에 대한 설정에 따라, 50% 나노튜브(2 mg + 2 mg) 내지 약 0.3% 나노튜브(2 mg + 600 mg)를 함유하는 재료를 침착시킬 수 있다. 오직 나노튜브 반응기만 작동시키면(NMC 공급기는 끔) 100% 나노튜브 재료를 생성하는 반면, 오직 NMC 공급기만 작동시키면(나노튜브 반응기는 끔), 0% 나노튜브 재료(NMC 분말)를 생성한다. 성장 동안 나노튜브 에어로졸과 활성 나노튜브 에어로졸(들)의 비를 변화시키는 적합한 방법은 2017년 7월 31일자로 출원된 발명의 명칭이 "자립형 전극 및 이의 제조 방법"인 미국 특허 출원 제15/665,171호에 개시된 것들이 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
배터리는 임의의 크기, 즉 임의의 길이, 폭 및 높이를 가질 수 있다. 일부 태양에서, 배터리의 두께는 0.01 mm 내지 10 mm이다. 일부 태양에서, 길이 및 폭은 각각 독립적으로 0.1 mm 내지 10000 mm이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 배터리를 도시한다. 완전한 파우치 배터리 전지는 3x4 cm 전극을 포함한다. 배터리 두께는 3 mm이다. 편평한 구성(도 2a)에서, 배터리(200)는 전자 기기 및 전자 디바이스에 급전하도록 작동한다. 다양한 각도 및 다양한 방향으로 다수회 굽힌 후에도, 배터리(200)는 여전히 전자 디바이스에 전력을 공급할 수 있었다. 감긴 구성(도 2b)에서, 배터리(200)는 일부 태양에서 배터리(100)와 유사할 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같은 구성의 배터리(300)에 대해, 모든 전극(예를 들어, 도 3a의 애노드(102) 및 캐소드(104))뿐만 아니라, 도 3b에 도시된 다중 전지 구성에서의 배터리(310)의 내부 전극(102, 104)들이 양면에서 세퍼레이터 막(103)과 접촉하는 경우, 전극의 양 표면 상에서(즉, 세퍼레이터 막(103)과 둘 모두 접촉하는 애노드(102)의 양측 면 상에서, 그리고 세퍼레이터 막(103)과 둘 모두 접촉하는 캐소드(104)의 양측 면 상에서) (전극 내에서) 증가된 나노튜브 함량(402)을 갖는 것이 유리하다(도 4a). 도 4a에서, 전극의 중심은 0.5 내지 10 중량%의 나노튜브를 포함하는 벌크 전극 재료(401)를 포함한다. 전극 중심으로부터 세퍼레이터 막(103)을 향해 바깥쪽으로 이동하면, 밴드(402)는 5 내지 100 중량%의 나노튜브와 같은 증가된 나노튜브 함량을 갖는 전극 재료를 포함한다. 밴드(402)는 그의 외측 에지 상에서 세퍼레이터 막(103)과 접촉하고, 세퍼레이터 막(103)은 밴드(402)를 향하는 면으로부터 제조 시 롤러 또는 프레스를 향하는 면까지 방향(405)으로 연장된다. 배터리(300, 310)는 일부 태양에서 배터리(100)와 유사할 수 있다.
도 3a 내지 도 3b와 도 1a 내지 도 1b 사이의 차이는 여분의 세퍼레이터 막 층(103)이 전지의 양측 외부 면 상에 추가되어(단일 전지 구성 또는 다중 전지 구성 둘 모두), 전지의 기계적 완전성(integrity)을 개선하고 패키징과 관련하여 전지의 더 양호한 슬라이딩을 허용한다는 것이다. 세퍼레이터 막(103)의 이러한 여분의 층은 심지어 조립된 전지 주위에 감싸질 수 있다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 배터리(단일 전지 구성 또는 다중 전지 구성 둘 모두)의 모든 전극은 도 4a에 도시된 구성일 것인 한편, 도 1a 및 도 1b에 도시된 배터리의 외부 전극은 도 4b에 도시된 구성일 것이다. 도 4b에서, 세퍼레이터 막(103)의 외측 면은 롤러 또는 프레스를 향해 방향(405)으로 향하고, 내측 면은 증가된 나노튜브 함량, 예를 들어 5 내지 100 중량%의 나노튜브를 갖는 전극의 밴드(402)를 향한다. 밴드(402)를 가로질러 안쪽으로 계속 가면, 밴드(402)의 반대편 면은 0.5 내지 10 중량%의 나노튜브를 함유하는 벌크 전극 재료(401)의 영역을 향한다. 이어서, 벌크 전극 재료(401)의 영역의 반대편 면은 0 내지 1 중량%의 나노튜브를 포함하는 감소된 나노튜브 함량의 영역(404)을 향한다. 더욱 더 안쪽으로 이동하면, 감소된 나노튜브 함량의 영역(404)의 반대편 면은 롤러 또는 프레스를 향하여 방향(405)으로 내측을 향한다.
본 발명에 따른 전지 조립체(즉, 단일 전지 구성에서의 애노드, 세퍼레이터, 및 캐소드; 또는 다중 전지 구성에서 세퍼레이터 층, 하나 이상의 애노드, 하나 이상의 세퍼레이터, 및 하나 이상의 캐소드의 교번하는 층들)는 파우치 전지 내에 편평하게 캡슐화될 수 있거나(즉, 도 1a, 도 1b, 및 도 2a에 도시된 바와 같음) 또는 파우치 전지 내에 캡슐화되기 전에 1회 이상 접힐 수 있다(도 5에 도시된 바와 같음). 파우치 전지 배터리(500)에서, 세퍼레이터 막(103), 애노드(102), 세퍼레이터 막(103), 캐소드(1-4), 및 세퍼레이터 막(103)의 층들을 포함하는 배터리는 패키징 층(101)으로 제조된 파우치 전지에 의해 캡슐화되기 전에 1회 이상 접힌다. 전해질(107)이 또한 적합하게는 캡슐화 동안 파우치 전지에 포함된다. 애노드 층(102) 및 캐소드 층(104)은 각각 배터리 탭을 위한 부착 지점을 포함하도록 구성될 수 있다. 애노드 층(102)의 경우, 배터리 탭은 적합하게는 구리 탭 또는 리드(105)이다. 캐소드 층(104)의 경우, 배터리 탭은 적합하게는 알루미늄 탭 또는 리드(106)이다. 배터리(500)는 일부 태양에서 배터리(100)와 유사할 수 있다.
이전에 접은 후에 파우치 전지 내에, 예를 들어 패키징 층(101) 내에 캡슐화하는 것은 배터리 용량을 증가시킬 수 있지만 배터리의 가요성을 또한 감소시킬 수 있다. 접힌 구성에서, 전극들이 서로 닿는 것을 방지하기 위해 (또는 그들의 전기 리드들 중 임의의 것이 서로 닿는 것을 방지하기 위해) 추가의 세퍼레이터 막이 필요할 수 있다. 일부 그러한 태양에서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 다중 전지 구성이 부분적으로 교번하도록 세퍼레이터 막의 하나 또는 2개의 여분의 층을 포함하는 것이 유리할 수 있다: 세퍼레이터(103), 애노드(102), 세퍼레이터(103), 캐소드(104), 세퍼레이터(103). 그러한 조립체는 도 5에 도시된 접힌 구성을 단순화할 뿐만 아니라, 배터리가 기계적으로 더 강해지게 하여, 배터리가 추가의 굽힘, 접힘, 감김, 휨(flexing), 및/또는 마모 및 인열을 견디게 하는데; 그 이유는, 추가된 세퍼레이터 층이 전지 조립체를 파우치 전지 내로 슬라이딩시키는 것을 용이하게 하고, 더욱 더 중요하게는, 전지 구성 요소들의 서로에 대한 움직임을 최소화하면서 굽힘, 접힘, 휨 등의 동안에 패키징/캡슐화에 관련하여 전지 조립체가 전체적으로 슬라이딩하게 하기 때문이다. 서로에 대한 내부 전지 구성 요소들의 그러한 움직임은 전지 성능에 해로울 수 있다. 전극(캐소드 또는 애노드 또는 둘 모두) 재료에 대한 이러한 구성은 양측 면, 즉 세퍼레이터 막과 접촉하는 전극의 양측 면 상에서 증가된 나노튜브 농도를 갖는 것이 바람직하다. 전극 면에서 나노튜브의 증가된 농도를 가짐으로써, 전극이 둘 모두의 세퍼레이터 막에 잘 점착하여서 전체 5층 전지 조립체의 조립 및/또는 프레싱을 용이하게 할 것인데, 그 이유는 오직 세퍼레이터 막(들)만이 롤러 또는 다른 장비에 닿을 것이기 때문이다. 단지 하나의 여분의 세퍼레이터 막이 사용되는 경우, 세퍼레이터 막과 접촉하거나 이를 향하여 있지 않은 전극 재료 면은 바람직하게는 세퍼레이터 막과 접촉하지 않는 면 상에서 감소된 나노튜브 함량을 갖는다.
일 실시예에서, 본 발명의 플렉시블 배터리는 웨어러블 센서 또는 디바이스를 위한 전원뿐만 아니라 전자 디바이스, 예를 들어 센서의 통합을 위한 플랫폼도 제공한다. 구체적으로, 플렉시블 배터리의 패키징 층(101)의 표면은 전자 디바이스를 부착, 인쇄 및/또는 매립하기 위한 기재로서 사용된다. 적합한 전자 디바이스의 예에는 다양한 유형의 센서, 마이크로프로세서, 무선 통신 디바이스/전송 디바이스(예를 들어, 안테나), 회로 기판, 및 다른 전자 기기(예를 들어, 가속도계, 자이로스코프)가 포함된다. 적합한 센서의 예에는 심박수, 호흡수, 혈압, 혈액 산소 포화도, 체온, 근활성도, 발작 이벤트, 뇌파(EEG), 간질 위기, 뇌전도(ECG), 근전도 데이터(EMG), 및 피부 전기 활성도(EDA)를 검출하기 위한 것들이 포함된다. 적합한 센서의 추가의 예에는 오염물질의 농도 및 물체의 움직임을 모니터링하기 위한 것들이 포함된다. 일 실시예에서, 플렉시블 배터리와 통합된 웨어러블 디바이스는 환경 오염의 모니터링, 우주 탐사, 국토 안보, 생물학 및 의학을 포함하는 광범위한 응용을 갖는다. 웨어러블 센서/디바이스의 바람직한 응용 중 하나는 인간의 생리학적 파라미터의 실시간 모니터링이다.
도 6은 플렉시블 배터리(2) 및 통합형 전자 디바이스(1)를 포함하는 웨어러블 디바이스를 예시한다. 플렉시블 배터리(2)는 도 2b의 배터리(200)와 유사하다. 선택적으로 도시된 바와 같이, 3 및 4는 전도성 배터리 탭으로서의 급전 디바이스용 부착물일 수 있다. 도 6의 전자 디바이스(1)는 복수의 센서(5), 회로 기판/전자 기기(6), 마이크로프로세서(7), 및 안테나(8)를 포함한다. 도 6의 구성 요소 1 내지 구성 요소 8은 단지 예시를 위한 것이며, 단일의 바람직한 실시예로 제한하고자 하는 것은 아니다. 예를 들어, 구성 요소 5 내지 구성 요소 8은 개별적으로 전자 디바이스(1) 내에 매립될 수 있거나, 또는 임의의 유용한 조합으로 함께 통합되어 특정 목적을 위한 센서 복합체를 형성할 수 있다. 마이크로프로세서의 통합은 다양한 유형의 센서들에 의해 수집된 데이터의 온보드 처리를 가능하게 한다. 대안적으로, 센서들에 의해 수집된 데이터는 안테나를 통해 스마트폰과 같은 별개의 모바일 처리 디바이스 상에서 구동되는 앱으로 업로드될 수 있다. 모바일 처리 디바이스는 수집된 데이터의 빠른 계산 및 동시 디스플레이를 가능하게 한다. 또한, 센서 복합체의 구조에 따라, 온보드 처리 및 모바일 디바이스에 의한 원격 처리 둘 모두가 동시에 수행될 수 있다.
시계와 같은 일부 일반적인 상업적 웨어러블 디바이스에 비해, 플렉시블 배터리와 통합된 본 발명의 웨어러블 디바이스는 인간의 생리학적 상태의 실시간 모니터링에서 분명한 이점을 나타낸다. 기재로서의 플렉시블 배터리는 패키징 층 내에 매립된 센서 및 다른 전자 기기에 전력을 직접 제공하며, 별도의 전원을 필요로 하지 않는다. 기재로서의 플렉시블 배터리는 많은 수의 매립된 센서 및 다른 전자 기기를 위한 충분한 공간을 추가로 제공하여 매우 큰 접촉 면적을 생성하는 반면, 시계는 모든 것을 통합하는 공간이 상당히 제한되어 있으며 단일 지점에 근접하지 않은 경우 센서의 접촉 면적도 제한된다. 본 발명의 웨어러블 디바이스에 의해 도시된 바와 같이 큰 접촉 면적과 함께 더 많은 센서는 생리학적 파라미터를 더 정확하고 더 빠르게 판독할 것이다. 플렉시블 배터리는 스트랩, 손목 밴드, 및 패치와 같은 다수의 형태를 취할 수 있다. 따라서, 플렉시블 배터리와 통합된 본 발명의 웨어러블 디바이스는 필요한 경우 손목/발목 밴드 또는 스트랩과 같이 인간 또는 동물의 사지에 부착될 수 있고, 스트랩 또는 패치로서 몸통 또는 머리에 부착될 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명의 웨어러블 디바이스는 생리학적 파라미터의 더 정확하고 빠른 판독을 얻기 위해 동물 또는 인간과 같은 대상의 가장 바람직한 위치에 배치될 수 있다.
도 6의 구성 요소 5 내지 구성 요소 8의 치수는 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터의 범위이다. 매립된 센서 및 전자 기기의 작은 풋프린트(footprint)로 인해, 플렉시블 배터리와 통합된 본 발명의 웨어러블 디바이스는 착용이 편안하고, 가요성이며, 가볍고, 소형이고, 세척 가능하다.
이러한 기재된 설명은 예를 사용하여, 바람직한 실시예를 비롯한 본 발명을 개시하며, 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조하고 사용하는 것 및 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 비롯하여, 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는, 청구범위의 문자 언어와 상이하지 않은 구조 요소를 갖는 경우 또는 청구 범위의 문자 언어와 거의 차이가 없는 등가의 구조 요소를 포함하는 경우, 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 기술된 다양한 실시예로부터의 태양 및 각각의 이러한 태양에 대한 다른 공지된 등가물은 본 출원의 원리에 따라 추가의 실시예 및 기술을 구성하기 위해 당업자에 의해 혼합 및 매칭될 수 있다.
본 명세서에 기술된 태양이 상기에 약술된 예시적인 태양과 함께 기술되었지만, 공지되어 있든 또는 현재 예측되지 않거나 예측되지 않을 수 있든, 다양한 대안, 수정, 변형, 개선, 및/또는 실질적인 등가물이 당업자에게 명백할 수 있다. 따라서, 상기에 기술된 바와 같은 예시적인 태양은 예시적인 것으로 의도되며, 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 모든 공지된 또는 이후 개발되는 대안, 수정, 변형, 개선, 및/또는 실질적인 등가물을 포함하고자 의도된다.
일부 태양에 따르면, 패키징 층을 갖는 플렉시블 배터리; 플렉시블 배터리가 전자 디바이스에 전력을 제공하도록 패키징 층 내에 매립되고/되거나, 패키징 층에 부착되고/되거나, 패키징 층 상에 인쇄된 전자 디바이스를 포함하는, 플렉시블 배터리 조립체가 본 명세서에 개시된다. 플렉시블 배터리 조립체는 사용자에 의해 착용 가능하도록 구성될 수 있다. 비제한적인 예에서, 플렉시블 배터리는 동물 또는 인간의 사지, 몸통, 또는 머리에 부착하도록 작동되는 형상일 수 있다. 플렉시블 배터리 조립체는 손목 밴드, 발목 밴드, 헤드 밴드, 스트랩, 헤드폰, 신발, 패치, 보철물, 의류, 모자, 보청기, 및 이들의 조합의 형태일 수 있다. 예를 들어, 전자 디바이스는 센서들, 프로세서들, 무선 통신/전송 디바이스들, 회로 기판들, 발전 디바이스들(예를 들어, 태양 전지, 나노발전기(nanogenerator), 열전 발전기, 전기 발전기), 전자 기기, GPS, 디스플레이들, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전자 디바이스는 플렉시블 배터리의 패키징 층에 탈부착 가능할 수 있다. 예를 들어, 센서들은 심박수 센서, 호흡수 센서, 혈압 센서, 혈액 산소 센서, 체온 센서, 근활성도 센서, 발작 이벤트 센서, 뇌파(EEG) 센서, 간질 위기 센서, 뇌전도(ECG) 센서, 근전도 데이터(EMG) 센서, 피부 전기 활성도(EDA) 센서, 오염물질 센서, 움직임 센서, 및 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 센서들은 데이터를 제공하도록 작동되고, 데이터는 전자 디바이스로부터 전송된다. 일부 실시예에서, 센서들은 센서들 중 하나 이상과 통신하는 비상 송신기를 추가로 포함하며, 비상 송신기는 센서들 중 하나 이상이 임계 측정치, 예를 들어, 발작 이벤트 임계치, 저체온 임계치, 또는 저 심박수 임계치에 도달하면 신호를 전송하도록 작동된다.
일부 실시예에서, 전자 디바이스를 위한 통합 플랫폼으로서의 플렉시블 배터리는 다른 배터리를 위한 통합 플랫폼을 제공한다.
따라서, 청구범위는 본 명세서에 나타나 있는 태양들에 한정되는 것으로 의도되는 것이 아니라, 청구범위의 언어와 일치하는 전체 범위에 따라야 하는 것이며, 여기서 단수의 요소에 대한 언급은 구체적으로 그렇게 언급되지 않는 한 "오직 하나만"을 의미하는 것으로 의도되지 않고 오히려 "하나 이상"을 의미하도록 의도된다. 당업자에게 공지되어 있거나 나중에 공지 될 본 개시 내용 전반에 걸쳐 기술된 다양한 태양의 요소에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물은 본 명세서에 명백히 참고로 포함되고 청구범위에 의해 포괄되도록 의도된다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 어떠한 것도 그러한 개시 내용이 청구범위에서 명시적으로 언급되는지와는 무관하게 공중에게 전용되는 것으로 의도되지 않는다. "~을 위한 수단"이라는 어구를 사용하여 요소를 명백하게 언급하지 않는 한, 어떠한 청구 요소도 수단+기능으로서 해석되어서는 안 된다.
또한, 단어 "예"는 본 명세서에서 "예, 경우, 또는 예시의 역할을 하는"을 의미하도록 사용된다. "예"로서 본 명세서에 기술된 임의의 태양이 반드시 다른 태양에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다. 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 용어 "일부"는 하나 이상을 지칭한다. "A, B, 또는 C 중 적어도 하나", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, C, 또는 이들의 임의의 조합"과 같은 조합은 A, B, 및/또는 C의 임의의 조합을 포함하며, 다수의 A, 다수의 B, 또는 다수의 C를 포함할 수 있다. 구체적으로, "A, B, 또는 C 중 적어도 하나", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, C, 또는 이들의 임의의 조합"과 같은 조합은 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B, A와 C, B와 C, 또는 A와 B와 C일 수 있으며, 여기서 임의의 그러한 조합은 A, B, 또는 C의 하나 이상의 구성원 또는 구성원들을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 어떠한 것도 그러한 개시 내용이 청구범위에서 명시적으로 언급되는지와는 무관하게 공중에게 전용되는 것으로 의도되지 않는다.
예들은 당업자에게 본 발명을 제조하고 사용하는 방법에 대한 완전한 개시 및 설명을 제공하기 위해 제안되고, 본 발명자들이 그들의 발명으로 간주하는 것의 범주를 제한하려는 의도도 아니고 하기 실험이 수행된 전부의 또는 유일한 실험임을 나타내려는 의도도 아니다. 사용된 수치(예를 들어, 양, 치수 등)와 관련하여 정확성을 보장하기 위한 노력이 이루어졌지만, 일부 실험 오차 및 편차가 고려되어야 한다.
더욱이, 본 출원 전체에 걸친 모든 참고 문헌, 예를 들어 발행되거나 등록된 특허 또는 등가물을 포함하는 특허 문헌; 특허 출원 공보; 및 비특허 문헌 문서 또는 다른 출처 자료는, 개별적으로 참고로 포함되는 것처럼, 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다.
전술된 그리고 다른 특징 및 기능, 또는 이들의 대안 또는 변형의 다양한 구현예가 바람직하게는 많은 다른 상이한 시스템 또는 응용에 조합될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 현재 예측되지 않거나 예상되지 않는 다양한 대안, 수정, 변형 또는 개선이 당업자에 의해 후속적으로 이루어질 수 있으며, 이는 또한 하기 청구범위에 의해 포괄되도록 의도된다.
본 발명의 특징인 것으로 여겨지는 신규한 특징이 첨부된 청구범위에 기술되어 있다. 하기의 설명에서, 본 명세서 및 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분은 각각 동일한 도면 부호로 표기된다. 도면은 반드시 축척대로 그려진 것은 아니며, 소정 도면은 명확성 및 간결성을 위해 과장되거나 일반화된 형태로 도시될 수 있다. 그러나, 본 발명 그 자체뿐만 아니라 그의 바람직한 사용 모드, 추가의 목적 및 진보는 첨부 도면과 함께 읽을 때 본 발명의 예시적인 태양의 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다.

Claims (16)

  1. 플렉시블 배터리 조립체(flexible battery assembly)로서,
    패키징 층을 갖는 플렉시블 배터리;
    전자 디바이스로서, 상기 플렉시블 배터리가 상기 전자 디바이스에 전력을 제공하도록 상기 패키징 층 내에 매립되고/되거나, 상기 패키징 층에 부착되고/되거나, 상기 패키징 층 상에 인쇄된, 상기 전자 디바이스
    를 포함하는, 플렉시블 배터리 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플렉시블 배터리 조립체는 사용자에 의해 착용 가능하도록 구성되는, 플렉시블 배터리 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전자 디바이스는 센서들, 프로세서들, 무선 통신/전송 디바이스들, 회로 기판들, 전자 기기(electronics), GPS, 디스플레이들, 및 이들의 조합을 포함하는, 플렉시블 배터리 조립체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 센서들은 심박수 센서, 호흡수 센서, 혈압 센서, 혈액 산소 센서, 체온 센서, 근활성도(muscle activity) 센서, 발작 이벤트(seizure event) 센서, 뇌파(EEG) 센서, 간질 위기(epileptic crisis) 센서, 뇌전도(ECG) 센서, 근전도 데이터(EMG) 센서, 피부 전기 활성도(electrodermal activity, EDA) 센서, 오염물질 센서, 움직임(movement) 센서, 및 이들의 조합을 포함하는, 플렉시블 배터리 조립체.
  5. 제2항에 있어서, 상기 플렉시블 배터리는 손목 밴드, 발목 밴드, 헤드 밴드, 스트랩, 헤드폰, 신발, 패치, 의류, 모자, 보청기, 및 이들의 조합의 형태인, 플렉시블 배터리 조립체.
  6. 제2항에 있어서, 상기 플렉시블 배터리는 동물 또는 인간의 사지, 몸통, 또는 머리에 부착하도록 작동되는 형상인, 플렉시블 배터리 조립체.
  7. 제3항에 있어서, 상기 센서들은 데이터를 제공하도록 작동되고, 상기 데이터는 상기 전자 디바이스로부터 전송되는, 플렉시블 배터리 조립체.
  8. 제4항에 있어서, 상기 센서들 중 하나 이상과 통신하는 비상 송신기를 추가로 포함하며, 상기 비상 송신기는 센서들 중 하나 이상이 임계 측정치에 도달하면 신호를 전송하도록 작동되는, 플렉시블 배터리 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전자 디바이스는 발전 디바이스(electric power generation device)를 포함하는, 플렉시블 배터리 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 발전 디바이스는 태양 전지, 나노발전기(nanogenerator), 열전 발전기, 전기 발전기(electrical generator), 또는 이들의 조합인, 플렉시블 배터리 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전자 디바이스는 상기 플렉시블 배터리의 상기 패키징 층에 탈부착 가능한, 플렉시블 배터리 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 패키징 층은 파우치 전지(pouch cell)이고, 상기 파우치 전지는,
    탄소 나노튜브의 3차원 가교결합 네트워크 내에 애노드 활성 재료 입자를 갖는 애노드 복합 재료를 포함하는 애노드;
    탄소 나노튜브의 3차원 가교결합 네트워크 내에 캐소드 활성 재료 입자를 갖는 캐소드 복합 재료를 포함하는 캐소드; 및
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 가요성 세퍼레이터 막(separator membrane)
    을 포함하는, 플렉시블 배터리 조립체.
  13. 제1항에 있어서, 상기 플렉시블 배터리는 상기 패키징 층 내에 접혀 있는, 플렉시블 배터리 조립체.
  14. 전자 디바이스를 위한 웨어러블 통합 플랫폼(wearable integration platform)을 제조하는 방법으로서,
    패키징 층을 갖는 플렉시블 배터리를 제공하는 단계;
    하나 이상의 전자 디바이스를 상기 패키징 층 내에 매립하고/하거나, 상기 패키징 층 상에 인쇄하고/하거나, 상기 패키징 층에 부착하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 전자 디바이스를 상기 플렉시블 배터리에 전기 접속시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  15. 전자 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    플렉시블 배터리 패키징에 인쇄하는 것, 플렉시블 배터리 패키징 내에 매립하는 것, 플렉시블 배터리 패키징에 부착하는 것, 또는 이들의 조합을 포함하는 방법에 의해 전자 디바이스를 조립하는 단계; 및
    상기 플렉시블 배터리 패키징을 포함하는 플렉시블 배터리로부터 상기 전자 디바이스에 전력을 제공하여 전자 디바이스를 형성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 전자 디바이스, 상기 플렉시블 배터리 패키징, 및 상기 플렉시블 배터리는 사용자에 의해 착용 가능한, 방법.
KR1020200005929A 2019-01-30 2020-01-16 웨어러블 센서 및 처리/전송 디바이스를 위한 통합 플랫폼으로서의 플렉시블 배터리 KR102363780B1 (ko)

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