Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

ГИБКИЙ ТОНКОСЛОЙНЫЙ ОТКРЫТЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ - Патент РФ 2193806
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ГИБКИЙ ТОНКОСЛОЙНЫЙ ОТКРЫТЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
ГИБКИЙ ТОНКОСЛОЙНЫЙ ОТКРЫТЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

ГИБКИЙ ТОНКОСЛОЙНЫЙ ОТКРЫТЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к электрохимическому элементу и питаемым им устройствам. Согласно изобретению гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент для миниатюрных портативных устройств содержит первый слой нерастворимого отрицательного электрода, второй слой нерастворимого положительного электрода и третий слой жидкого электролита, причем третий слой располагается между первым и вторым слоями и включает материал, впитывающий влагу из воздуха, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии, электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости, растворимый в воде полимер, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для соединения первого и второго слоев с третьим слоем. Техническим результатом изобретения является простота конструкции и низкая стоимость при массовом производстве. 8 с. и 43 з.п. ф-лы, 18 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2193806
Класс(ы) патента: H01M6/46, A61N1/30
Номер заявки: 2000100958/09
Дата подачи заявки: 09.06.1998
Дата публикации: 27.11.2002
Заявитель(и): ПАУЭР ПЭЙПЕР ЛТД. (IL)
Автор(ы): НИТЦАН Цви (IL)
Патентообладатель(и): ПАУЭР ПЭЙПЕР ЛТД. (IL)
Описание изобретения: Настоящее изобретение относится к электрохимическому элементу, который используется как батарея источника питания, работающая на принципе преобразования химической энергии в электрическую энергию. В частности, настоящее изобретение относится к первичному или перезаряжаемому электрохимическому элементу, который используется в качестве обычной или перезаряжаемой батареи, которая выполняет преобразование химической энергии в электрическую энергию с использованием влажного (например, находящегося в жидком состоянии) электролита, при этом сохраняется открытая конфигурация гибкого тонкого слоя. Настоящее изобретение, кроме того, относится к применению таких элементов.
Постоянное развитие миниатюрных и портативных устройств компактной конструкции с электрическим питанием, таких как, например, сотовые телефоны, устройства записи и воспроизведения голоса, часы, видеокамеры и фотоаппараты, устройства отображения на жидких кристаллах, электронные калькуляторы, карточки с интегральными схемами, датчики температуры, слуховые аппараты, датчики давления с зуммером и т.д., создает все возрастающую потребность в компактных батареях с тонким слоем, необходимых для их работы. Поэтому существует потребность в надежных тонкослойных электрохимических элементах, которые используются как батареи в таких устройствах.
Батареи могут быть обобщенно разделены на две категории, в которых батареи первой категории включают батареи с влажным электролитом (то есть, батареи с электролитом в жидком состоянии), в то время как батареи второй категории включают батареи с сухим электролитом. Хотя сухим батареям свойственно преимущество, состоящее в том, что они не высыхают и не протекают, они имеют целый ряд недостатков по сравнению с батареями с электролитом в жидком состоянии, поскольку, из-за ограниченной скорости диффузии ионов через твердое вещество, их работа в гораздо большей степени зависит от температуры, и многие из них хорошо работают только при повышенной температуре, и указанная выше ограниченная скорость диффузии приводит к тому, что батареи с сухим электролитом имеют низкое отношение вырабатываемой электроэнергии по сравнению с их потенциальной химической энергией.
Тонкослойные батареи с жидким электролитом обычно включают положительный и отрицательный активные слои из нерастворимого материала, соединенные с сепаратором, который располагается между ними, причем сепаратор пропитан жидким раствором электролита и, благодаря этому, функционирует как жидкий слой электролита. Такие батареи, примеры которых описаны, например в американском патенте 4623598 авторов Уоки и др. (Waki et al.) и в японском патенте JP 61-55866 авторов Фуминобу и др. (Fuminobu et al.), должны быть герметично закрыты пленкой оболочки, которая предотвращает испарение жидкости, и поэтому представляют собой закрытые электрохимические элементы.
Из-за того, что элементы закрыты, эти батареи имеют тенденцию к вздуванию при хранении из-за накопления газов, и эта проблема является пагубной для тонкослойных батарей, не имеющих механической опоры, поскольку давление, создаваемое накапливаемыми газами, приводит к разделению слоев, что выводит из строя батарею. Средства для предотвращения этой проблемы включают (i) использование полимерного вещества с повышенной вязкостью, такого как гидроксиэтилцеллюлоза, которая наносится для обеспечения прилипания (то есть, склеивания) слоев батареи вместе, благодаря чему преодолевается неотъемлемая проблема таких батарей, вызванная отсутствием твердой опоры; и (ii) добавление ртути для предотвращения формирования газов, особенно водорода.
Однако эффективность применения этого полимера ограничена, а ртуть является вредной для окружающей среды.
Способ преодоления вышеуказанных ограничений, был описан в американском патенте 3901732 авторов Кис и др. (Kis et al.), в котором используется проницаемый для газа и непроницаемый для электролита полимерный материал, который позволяет обеспечить вентиляцию нежелательных газов, формируемых в батарее, одновременно предотвращая какие-либо потери электролита из батареи, причем этот полимерный материал используется как пленка оболочки, которая закрывает элемент батареи.
Однако более непосредственный и эффективный подход к предотвращению нежелательного накопления газов в тонкослойных батареях с жидким электролитом представляет собой разработку батарей в виде открытых элементов, в которых обеспечивается облегченный выход газов, с одновременным применением средства, предназначенного для предотвращения испарения жидкости и высыхания батареи. Такая конструкция позволила бы наладить производство тонкослойных батарей без корпуса, причем такие батареи были бы более тонкими, более гибкими и простыми, а поэтому дешевле при массовом производстве.
Таким образом, существует широко признанная потребность и было бы весьма желательно иметь гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент, свободный как от накопления газов, так и от ограничений, связанных с испарением жидкости.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент с жидким электролитом, который может использоваться как первичный источник тока или перезаряжаемый источник энергии, предназначенный для различных миниатюрных и портативных устройств компактной конструкции с электрическим питанием. Кроме того, предлагается способ изготовления таких элементов.
Гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент в соответствии с настоящим изобретением включает влажный электролит при сохранении гибкой, тонкой и открытой конфигурации, в которой не происходит накопление газов при хранении.
В соответствии с другими признаками предпочтительных вариантов воплощения настоящего изобретения, описанных ниже, такой элемент включает первый слой нерастворимого отрицательного полюса, второй слой нерастворимого положительного полюса и третий слой жидкого электролита, причем третий слой располагается между первым и вторым слоями и включает:
(а) материал, впитывающий влагу из воздуха, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии; (b) электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости; и (с) полимер, растворимый в воде, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для приклеивания первого и второго слоев к третьему слою.
Такой элемент используется в различных вариантах применения в соответствии с настоящим изобретением, причем в этих вариантах требуется применение дешевого элемента, имеющего гибкую и тонкую конфигурацию.
Таким образом, в соответствии с другими признаками, в описанных предпочтительных вариантах воплощения предлагается вариант применения, содержащий устройство с электропитанием и гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент с жидким электролитом, предназначенный для снабжения этого устройства электроэнергией, необходимой для его работы, причем этот электрохимический элемент включает первый слой нерастворимого отрицательного полюса, второй слой нерастворимого положительного полюса и третий слой в виде жидкого электролита, причем третий слой располагается между первым и вторым слоями и включает (а) материал, впитывающий влагу из воздуха, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии; (b) электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости; и (с) полимер, растворимый в воде, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для приклеивания первого и второго слоев к третьему слою.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения указанное устройство включает материал подложки и по меньшей мере один электронный компонент, присоединенный к материалу подложки, причем этот по меньшей мере один электронный компонент предназначен для выполнения действия, воспринимаемого органами чувств.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения подложка выбирается из группы, содержащей поздравительную открытку, визитную карточку, билет в кино или театр, наклейку для компакт-диска (CD), упаковку продукта питания и печатный материал.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения действие, воспринимаемое органами чувств, представляет собой звуковое или визуальное действие, включая, но не ограничиваясь им, изменение цвета из-за эффекта воздействия электрического поля/электрического тока.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения звуковое действие выбирается из группы, содержащей мелодию, слова языка и тональный телефонный набор.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения устройство включает выключатель питания.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения по меньшей мере один электронный компонент выбирается из группы, содержащей аудиоустройство и устройство, излучающее свет.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения аудиоустройство включает звуковую микросхему и эхокамеру.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения устройство, излучающее свет, представляет собой светоизлучающий диод с низким током.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения указанный прибор представляет собой кредитную карточку с микропроцессором или этикетку.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения указанное устройство представляет собой интерактивную книгу.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения устройство представляет собой таймер.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения таймер включает материал подложки и микросхему таймера, прикрепленную к материалу подложки, причем микросхема таймера заранее установлена для отмеривания интервала времени и для подачи сигнала на исполнение действия, воспринимаемого органами чувств, по истечению этого интервала времени.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения это действие выполняется аудио- или светоизлучающим устройством.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения действие, воспринимаемое органами чувств, представляет собой звуковое или визуальное действие.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения звуковое действие выбирается из группы, состоящей из мелодии, слов языка или сигнала тревоги.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения микросхема таймера может программироваться.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения микросхема таймера может переустанавливаться.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения аудиоустройство включает аудиомикросхему и эхокамеру.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения светоизлучающее устройство представляет собой светоизлучающий диод с низким током.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения таймер представляет собой таймер, предназначенный для приема лекарства.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения устройство представляет собой активную прокладку для подачи соединения через кожу.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения для подачи соединения через кожу в активной прокладке применяется стратегия, выбранная из группы, содержащей ионтофорез, ультразвук и электропорацию.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения соединение выбирается из группы, содержащей фармацевтическое соединение, косметическое соединение и обезболивающее соединение.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения устройство представляет собой активную прокладку для извлечения соединения через кожу.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения для извлечения соединения через кожу в активной прокладке применяется стратегия, выбранная из группы, содержащей ионтофорез, ультразвук и электропорацию.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения соединение представляет собой глюкозу.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения указанное устройство выбирается из группы, содержащей измеритель кровяного давления, измеритель пульса и измеритель электрокардиограммы.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения устройство представляет собой термометр.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения термометр включает датчик на основе термистора и электронную микросхему, причем датчик предназначен для считывания степени нагрева, преобразования степени нагрева в электрический параметр с величиной, соответствующей степени нагрева, причем микросхема предназначена для количественного отображения этого параметра и для перевода этого параметра в выходной сигнал, представляющий величину температуры.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения термометр дополнительно включает отображающее устройство, предназначенное для отображения величины температуры.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения устройство представляет собой датчик глюкозы.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения указанный датчик глюкозы извлекает глюкозу через кожу пациента, например, с помощью обратного ионтофореза.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения датчик глюкозы включает иглу для прокалывания кожи и для получения пробы крови, датчик глюкозы на основе оксидазы глюкозы, регулятор напряжения и электронную микросхему, предназначенную для количественного отображения уровня глюкозы в пробе крови.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения устройство представляет собой игру.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения игра включает распределенные компоненты головоломки, причем компоненты головоломки открываются, если ток из элемента питания приходит на эти компоненты одновременно или в заранее определенном порядке, причем приход тока активизируется игроком.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения предлагается способ изготовления гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента с жидким электролитом, содержащий этапы (а) нанесения влажных чернил на внутренние стороны первой и второй подложек, причем эти чернила являются электропроводными; (b) до их высыхания нанесения порошка положительного полюса на влажные чернила первой подложки и порошка отрицательного полюса на влажные чернила второй подложки; (с) смачивания пористого вещества водным раствором, содержащим материал, впитывающий влагу из воздуха, электрически активный растворимый материал и растворимый в воде полимер; и (d) присоединения первой и второй подложек к пористому веществу таким образом, чтобы внутренние стороны были обращены к веществу так, чтобы сформировался трехслойный элемент.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения этот способ дополнительно содержит этап (е), выполняемый перед этапом (d), состоящий в нанесении клея на внутренние стороны подложки или на обе стороны вещества, причем нанесение этого клея выполняется в соответствии с определенной геометрической конфигурацией.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения этот способ дополнительно содержит этап (f), выполняемый после этапа (d), состоящий в вырезании трехслойного элемента в соответствии с этой геометрической конфигурацией.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения вырезание выполняется с помощью лазера.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения этот способ дополнительно содержит этап (е) нанесения декоративной аппликации по меньшей мере на одну из подложек.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения предлагается способ печати гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента с жидким электролитом, содержащий этап (а) печати первого слоя влажными чернилами на подложку, причем эти чернила являются электропроводными; (b) до их высыхания нанесения на первый слой слоя порошка положительного полюса; (с) печати на слой порошка положительного полюса слоя водного раствора, содержащего волокна, впитывающий влагу из воздуха материал, электрически активный растворимый материал и растворимый в воде полимер; (а) до его высыхания нанесения на слой водного раствора слоя порошка отрицательного полюса; (е) печати на слое порошка отрицательного полюса второго слоя чернил.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения способ дополнительно содержит этап (f), выполняемый перед этапом (а), печати на подложке проводящего слоя.
В соответствии с другими признаками в описываемых предпочтительных вариантах воплощения способ дополнительно содержит этап (f), выполняемый после этапа (е), печати проводящего слоя поверх второго слоя чернил.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предлагается цилиндрическая батарея, содержащая свернутый в рулончик гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент с жидким электролитом, включающий первый слой нерастворимого отрицательного полюса, второй слой нерастворимого положительного полюса и третий слой жидкого электролита, причем этот третий слой располагается между первым и вторым слоями и включает (а) впитывающий влагу из воздуха материал, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии; (b) электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости; и (с) растворимый в воде полимер, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для приклеивания первого и второго слоев к третьему слою.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предлагается батарея в виде книги, содержащая множество гибких тонкослойных открытых электрохимических элементов с жидким электролитом, которые собраны с возможностью отсоединения в сборку в виде книги, причем каждый из этих гибких тонкослойных открытых электрохимических элементов с жидким электролитом включает первый слой в виде нерастворимого отрицательного полюса, второй слой в виде нерастворимого положительного полюса и третий слой в виде жидкого электролита, причем третий слой располагается между первым и вторым слоями и включает (а) впитывающий влагу из воздуха материал, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии; (b) электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости; и (с) растворимый в воде полимер, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для склеивания первого и второго слоев с третьим слоем.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предлагается гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент с жидким электролитом, содержащий первый слой в виде нерастворимого отрицательного полюса, второй слой в виде нерастворимого положительного полюса и третий слой в виде жидкого электролита, причем этот третий слой располагается между первым и вторым слоями и включает (а) впитывающий влагу из воздуха материал, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии; (b) электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости; и (с) растворимый в воде полимер, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для склеивания первого и второго слоев с третьим слоем; причем это элемент дополнительно содержит датчик рН, находящийся в контакте с одним из слоев.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предлагается складка батареи, содержащая множество гибких тонкослойных открытых электрохимических элементов с жидким электролитом, собранных друг за другом в виде сложенной сборки, причем каждый из гибких тонкослойных открытых электрохимических элементов с жидким электролитом включает первый слой нерастворимого отрицательного полюса, второй слой нерастворимого положительного полюса и третий слой из жидкого электролита, причем третий слой располагается между первым и вторым слоями и включает (а) поглощающий влагу из воздуха материал для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии; (b) электрически активный растворимый материал для обеспечения требуемой ионной проводимости; и (с) растворимый в воде полимер, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для приклеивания первого и второго слоев к третьему слою.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предлагается контейнер для компакт-диска, содержащий контейнер и наклейку, присоединенную к нему, причем эта наклейка работает таким образом, что она производит воспринимаемую органами чувств индикацию звукового содержания компакт-диска, для которого предназначен данный контейнер.
В соответствии с другими свойствами описываемых предпочтительных вариантов воплощения эта воспринимаемая органами чувств индикация представляет собой звуковую индикацию и включает звуковое представление, которое идентифицируется с указанным звуковым содержанием.
Настоящее изобретение позволяет успешно решить недостатки известных в настоящее время конфигураций благодаря применению гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента, в котором не накапливаются газы при хранении и который сохраняется во влажном и нетронутом состоянии благодаря применению материала, впитывающего влагу из воздуха, предназначенного для постоянного поддержания его во влажном состоянии, и растворимого в воде полимера, предназначенного для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для склеивания слоев полюсов со слоем жидкого электролита. Другие преимущества данного элемента включают отсутствие внешнего жесткого корпуса, благодаря чему он является тонким, легким и гибким и может производиться любых размеров, формы, цвета и с нанесенным рисунком, благодаря чему он пригоден для целого ряда различный вариантов применения; является эффективным с точки зрения затрат; изготовлен из материалов, не опасных для окружающей среды и человека; является самоприклеивающимся благодаря наличию клейкой подложки.
Настоящее изобретение будет описано только на примере, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает вид в перспективе основной конфигурации гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента в соответствии с описанием настоящего изобретения;
фиг.2 изображает вид в перспективе другой возможной конфигурации гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента;
фиг. 3а и 3b изображают вид в перспективе двух возможных конфигураций устройства электропитания, сформированных при биполярном соединении двух элементов, изображенных на фиг. 1 и фиг.2, соответственно для совместного увеличения электроэнергии, получаемой благодаря сформированным таким образом устройствам электропитания;
фиг.4 изображает график, представляющий напряжение гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента в соответствии с настоящим изобретением, измеряемое вольтметром, в функции от времени, при условиях комнатной температуры;
на фиг.5 изображена схема устройства, которое включает материал подложки и по меньшей мере один электронный компонент, предназначенный для выполнения действия, воспринимаемого органами чувств, в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 6 представляет собой схематическое изображение поперечного сечения выключателя и эхокамеры, применяемых в устройстве, изображенном на фиг.5;
на фиг.7 схематически изображен таймера в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 8 схематически изображена активная прокладка для передачи через кожу соединения в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 9 схематически изображен термометр в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.10 схематически изображен датчик глюкозы в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.11 схематически изображена игра в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.12 изображен вид в перспективе цилиндрической батареи, сформированной при сворачивании в рулончик в виде цилиндра гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 13 изображен вид в перспективе батареи в виде книжки, сформированной с помощью сборки с возможностью отсоединения множества гибких тонкослойных открытых электрохимических элементов в соответствии с настоящим изобретением в сборку в виде книжки;
на фиг. 14 схематически изображен звуковой билет, который работает на гибком тонкослойном открытом электрохимическом элементе в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.15 схематически изображена наклейка аудиокомпакт-диска (CD), которая работает на гибком тонкослойном открытом электрохимическом элементе в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.16 изображен вид в перспективе измерителя пульса/давления крови, который работает на гибком тонкослойном открытом электрохимическом элементе в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.17 схематически изображена кредитная карточка/этикетка с микропроцессором в соответствии с настоящим изобретением; и
на фиг.18 изображено схематическое представление множества открытых элементов, установленных в конфигурации друг за другом, при которой выводы положительных и отрицательных полюсов расположенных рядом друг с другом элементов соединены с образованием электрического контакта друг с другом в соответствии с настоящим изобретением.
Настоящее изобретение относится к гибкому тонкослойному открытому электрохимическому элементу, который может использоваться как первичный или перезаряжаемый источник питания для различных миниатюрных и портативных электрических устройств компактной конструкции. Гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент в соответствии с настоящим изобретением содержит влажный электролит при сохранении гибкой, тонкой и открытой конфигурации, для в котором не происходит накопление газов при хранении. Настоящее изобретение, кроме того, относится к различным устройствам, работающим с использованием гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента.
Принципы и работа гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента и вариантов его применения в соответствии с настоящим изобретением могут быть лучше поняты со ссылкой на чертежи и прилагаемое описание.
Перед подробным пояснением по меньшей мере одного варианта воплощения настоящего изобретения отметим, что следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается вариантом его применения в отношении деталей конструкции и расположения компонентов, описанных в приведенном ниже описании или изображенных на чертежах. Настоящее изобретение выполнимо в других вариантах воплощения и может применяться или осуществляться самыми разными путями. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, применяемые здесь, предназначены для описания и не должны рассматриваться как ограничение.
Рассмотрим теперь чертежи, на которых фиг.1 изображает основную конфигурацию гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента в соответствии с настоящим изобретением, который ниже обозначается как элемент 10.
Элемент 10 включает следующие три слоя. Первый слой представляет собой нерастворимый отрицательный полюс 14, второй слой представляет собой нерастворимый положительный полюс 16 и третий слой представляет собой слой жидкого электролита 12. Как используется в данном документе, разряжаемый отрицательный полюс - это тот полюс, на котором происходит окисление, в то время как положительный полюс представляет собой полюс, на котором происходит восстановление. Слой 12 жидкого электролита включает впитывающий влагу из воздуха (то есть гигроскопичный) материал, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента 10 во влажном состоянии, электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости, и растворимый в воде полимер, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для склеивания слоев 14 и 16 полюсов со слоем 12 жидкого электролита. Ниже приведем подробное описание роли каждого из слоев 14, 16 и 12 при работе открытого элемента 10.
Слой 12 жидкого электролита обычно включает пористое нерастворимое вещество, такое как, но не ограничиваясь им, фильтровальная бумага, пластиковая мембрана, мембрана из целлюлозы, ткань, нетканый материал (например, волокна хлопка) и т. д. , причем это пористое вещество пропитано водным раствором, включающим три компонента: поглощающий влагу из воздуха материал, электрически активный растворимый материал и растворимый в воде полимер.
Материал, поглощающий влагу из воздуха, будучи гигроскопичным, постоянно поддерживает элемент 10 в увлажненном состоянии. Уровень влажности в открытом элементе 10 может изменяться в зависимости от выбора материала, поглощающего влагу из воздуха, его концентрации и влажности окружающей среды. Подходящие материалы, поглощающие влагу из воздуха, включают, но не ограничиваются ими, хлористый кальций, бромистый кальций, бифосфат калия, гиарулоновую кислоту, ацетат калия и их комбинации. Электрически активный растворимый материал выбирается в соответствии с материалами, из которых изготовляются слои положительного и отрицательного полюсов. Список наиболее часто используемых электрически активных растворимых материалов, подходящих для целей настоящего изобретения, включает, например, хлористый цинк, бромистый цинк, фтористый цинк для различных первичных источников тока и гидроокись калия, а также серную кислоту для перезаряжаемых элементов.
Растворимый в воде полимер применяется в качестве клеящего вещества, необходимого для соединения (то есть склеивания) слоев 14 и 16 полюсов со слоем 12 жидкого электролита. Могут применяться различные типы полимеров, такие как, например, поливиниловый спирт, полиакриламид, полиакриловая кислота, поливинилпиролидон, полиэтиленоксид, агар-агар, крахмал, гидроксиэтилцеллюлоза и их комбинации и сополимеры.
Каждый из слоев 14 и 16 отрицательного и положительного полюсов включает смесь подходящих (отрицательных или положительных, соответственно) активных нерастворимых порошковых материалов вместе с водным раствором, аналогичным раствору, описанным выше, который включает материал, поглощающий влагу из воздуха, электрически активный растворимый материал и растворимый в воде полимер.
Как понятно для специалиста среднего уровня в данной области, в то время как электрически активный растворимый материал не должен меняться, материал, поглощающий влагу из воздуха, и растворимый в воде полимер, могут быть выбраны по-разному в водном растворе, другими словами, электрически активный растворимый материал должен быть одинаков во всех трех слоях 12, 14 и 16, в то время как материал, впитывающий влагу из воздуха, и растворимый в воде полимер, могут изменяться от слоя к слою, в соответствии с конкретным вариантом применения.
Соответствующий выбор активных нерастворимых порошковых материалов для слоев отрицательного 14 и положительного 16 полюсов с подходящим для них электрически активным растворимым материалом, как показано в примерах, приведенных в секции Примеры, позволяет получить гибкий тонкослойный элемент, который может использоваться как источник питания (то есть батарея), в которой элемент является открытым и поэтому в нем не накапливаются газы при хранении, в то время как гигроскопичность материала впитывающего влагу из воздуха обеспечивает то, что этот элемент будет постоянно поддерживаться во влажном состоянии, хотя он и имеет открытую конструкцию.
Подходящие пары материалов, которые могут использоваться как отрицательные 14 и положительные 16 полюса, включают, но не ограничиваются ими, двуокись марганца/цинк, окись серебра/цинк, кадмий/окись никеля и железо/окись никеля (двуокись марганца и окись серебра в случае необходимости смешиваются с электропроводным порошком углерода, как известно в данной области техники). Цинк может применяться в виде слоя порошка цинка, который прессуется для формирования слоя. Для укрепления цинкового слоя могут использоваться склеивающие или электропроводные чернила. Такой слой может также работать как коллектор, аналогично углероду или электропроводным чернилам, как более подробно описано ниже.
Для специалиста среднего уровня в данной области техники будет понятно, что отдельные материалы могут работать как материалы, впитывающие влагу из воздуха, так и как электрически активный растворимый материал. Однако такой материал должен иметь подходящую электрическую активность и гигроскопические характеристики. Подходящие материалы такого типа включают, но не ограничиваются ими, хлористый цинк и бромистый цинк.
Кроме того, для специалиста среднего уровня в данной области техники будет понятно, что отдельные материалы могут работать как материал, впитывающий влагу из воздуха, и как растворимый в воде полимер. Однако такой материал должен обладать подходящими характеристиками гигроскопичности и клеящие свойства. Подходящие материалы такого типа включают, но не ограничиваются ими, декстран, сульфат декстрана и их комбинации и сополимеры.
Три слоя 12, 14 и 16, изображенные на фиг.1 и описанные выше, могут изготовляться тонкими и гибкими, и поэтому элемент 10 получается тонким и гибким, толщиной от 0,3 мм и меньше, до 1,5 мм. В настоящее время является предпочтительным и далее это будет более подробно описано, чтобы элемент 10 изготовлялся с применением подходящей технологии печати. Подходящие технологии печати включают, но не ограничиваются ими, шелкографию, офсетную печать, струйную печать, нанесение слоев, испарение материалов и порошковую дисперсию.
Другая возможная конфигурация изображена на фиг.2, на которой изображен элемент, в общем обозначенный цифрой 20. Как и элемент 10, элемент 20 также включает слои 12, 14 и 16 (область, обозначенная полосками), которые формируют основной элемент. Элемент 20, кроме того, включает дополнительный один или два проводящих слоя 22 и 24, необходимых для улучшения электронной проводимости слоев отрицательного 14 и/или положительного 16 полюсов. Подходящие проводящие слои представляют собой графитовую бумагу, углеродную ткань и проводящие чернила, такие как, но не ограничиваясь ими, содержащие металл чернила, включающие золото, серебро и медь и т.д. Элемент 20 также содержит отрицательные 26 и положительные 28 выводы, причем эти выводы 26 и 28 находятся в электрическом контакте или с соответствующими слоями 14 и 16 полюсов, соответственно, или с соответствующими проводящими слоями 22 и 24, соответственно, или с обоими из них. Выводы 26 и 28 изготовлены из любого подходящего материала, такого как, но не ограничиваясь ими, графит или металлы, такие как железо, никель, титан, медь, нержавеющая сталь или смеси их, и предпочтительно наносятся на элемент 20 с помощью подходящей технологии печати, как перечислено выше.
Выводы 26 и 28 используются для электрического соединения элемента 20 с нагрузкой, такой как электрическое устройство. Выводы 26 и 28 могут размещаться в любом требуемом месте элемента 20, могут принимать любую подходящую форму и размеры и, в зависимости от конкретного применения, выводы 26 и 28 могут выходить за пределы поверхности и размеров элемента 20. Элемент 20 может дополнительно включать по меньшей мере одну, расположенную снаружи, клеящую подложку 29, позволяющую присоединять элемент 20 к различным поверхностям, и/или по меньшей мере один защитный слой 30 из слоистого пластика, предназначенный для физической защиты всех других слоев.
Еще одна конфигурация изображена на фиг.3а-b. Два или большее количество элементов 10, таких, как изображены на фиг.3а, или элементов 20, как показано на фиг.3b, могут быть электрически соединены с обеспечением биполярного соединения для суммарного повышения электрической энергии, получаемой в формируемом таким образом электрическом источнике питания 40 и 50, соответственно. С этой целью два или большее количество элементов склеиваются друг с другом с ориентацией друг за другом, как показано на фиг 3а-b, при расположении в конфигурации слоев 22, 14, 12, 16 и 24, с помощью электропроводной двухсторонней липкой ленты или с помощью слоя 42 электропроводного клея, который наносится, например, с помощью подходящей технологии печати, и при обеспечении прохода электронов между расположенными рядом друг с другом элементами.
Очевидно, что источники 40 и/или 50 электроэнергии могут дополнительно включать расположенные снаружи клеящую подложку (подложки), аналогичную поверхности 29, изображенной на фиг.2, и/или расположенный снаружи защитный слой (слои) из слоистого пластика, аналогичный слою 30, изображенному на фиг. 2. Кроме того, очевидно, что источники 40 и 50 электроэнергии могут включать отрицательный и положительный выводы, аналогичные выводам 26 и 28 соответственно, изображенным на фиг.2.
Рассмотрим теперь фиг.12, в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения, на которой изображен элемент 300 в соответствии с любой из конфигураций, описанных здесь, и который свернут в батарею 301 в форме цилиндра. Предпочтительно для поддержания данной цилиндрической формы используется клей.
Рассмотрим теперь фиг.13, в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения, на которой изображено множество элементов 300 в соответствии с любой из конфигураций, описанных здесь, которые собраны с возможностью отсоединения в сборку 302 в виде книги, из которой отдельные элементы или батареи 300 могут отсоединяться для использования. Элементы 300 могут иметь требуемые размеры. Один из примеров использования батареи 300 представляет собой аварийные одноразового использования батареи для сотовых телефонов и других электрических устройств, в особенности портативных устройств, включая компьютеры типа ноутбук.
Рассмотрим теперь фиг.18, в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения, на которой изображено множество элементов 300 в соответствии с любой из конфигураций, описанных здесь, которые установлены рядом друг за другом, причем выводы 339 положительных и отрицательных полюсов соседних элементов находятся в электрическом контакте друг с другом, работая как выводы, соединенные последовательно, в результате чего общее напряжение складывается. Такая конструкция батареи в виде складки может быть легко выполнена с использованием печатной технологии. Получаемая в результате конструкция батареи в виде складки может быть сложена в виде гармошки с тем, чтобы занимать минимальное пространство. Выводы 339 предпочтительно включают коллектор, такой как, но не ограничиваясь ими, коллектор в виде угольного порошка, разделяющего соседние элементы 300.
Рассмотрим снова фиг. 1, на которой, в соответствии с предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения, элемент 10 дополнительно включает датчик 400 рН, присоединенный к нему. Датчик 400 измеряет уровень рН
элемента 10 и с ним происходит изменение (например, изменение цвета), которое информирует об уровне рН элемента 10. Таким образом пользователь может получать от датчика 400 информацию, относящуюся к работоспособности элемента 10. Датчики рН хорошо известны в данной области техники и не требуют здесь никакого дополнительного описания. Такие датчики могут наноситься на элемент 10 с использованием технологии печати.
В настоящем изобретении, кроме того, предлагается способ изготовления гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента с жидким электролитом, аналогичного элементам, описанным выше, причем этот способ включает этапы (а) смачивания пористого вещества водным раствором, содержащим материал, впитывающий влагу из воздуха, электрически активный растворимый материал и растворимый в воде полимер; смачивание может выполняться с помощью технологии погружения или печати; (b) нанесения на одну сторону пористого вещества слоя отрицательного полюса; и (с) нанесения на вторую сторону пористого вещества слоя положительного полюса. Слои отрицательного и положительного полюсов включают активные нерастворимые порошковые вещества, смешанные с материалом, впитывающим влагу из воздуха, электрически активным растворимым материалом и растворимым воде полимером, предпочтительно, такого же типа, который применяется на этапе (а), и, предпочтительно, наносится с использованием подходящей технологии печати, выбранной, например, из технологий, список которых приведен выше.
Способ может дополнительно включать добавление к элементу дополнительных слоев и частей, таких, как, но не ограничиваясь ими, расположенные вместе клеящую подложку (подложки) и/или защитный слой (слои) из слоистого пластика и отрицательный и положительный выводы.
Кроме того, способ может включать биполярное соединение двух или большего количества элементов, например, с помощью проводящей двусторонней липкой ленты или слоя электропроводного клея, который наносится, например, с использованием подходящей технологии печати для формирования источника электроэнергии с повышенной мощностью (например, по существу удвоенной, утроенной и т. д. ). В соответствии с настоящим изобретением такое биполярное соединение может выполняться при соединении друг с другом, с ориентацией друг за другом, двух или большего количества заранее изготовленных ячеек, или, в качестве альтернативы, путем непосредственного изготовления двух или большего количества ячеек, ориентированных требуемым образом, путем нанесения подходящих слоев друг после друга, предпочтительно используя подходящую технологию печати, как описано выше.
Гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент в соответствии с настоящим изобретением имеет главное преимущество по сравнению с тонкослойными элементами известного уровня техники. Поскольку он представляет собой открытый элемент, в нем при хранении не накапливаются газы, одновременно он поддерживается во влажном и неповрежденном состоянии при использовании материала, впитывающего влагу из воздуха, предназначенного для постоянного поддержания во влажном состоянии, и с помощью растворимого в воде полимера, который предназначен для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для склеивания слоев полюсов со слоем жидкого электролита.
Гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент в соответствии с настоящим изобретением имеет другие преимущества. Во-первых, он не имеет внешнего жесткого корпуса и поэтому он является тонким, легким и гибким и может изготовляться любых размеров, формы, цвета и с нанесением различного рисунка, при этом он является пригодным для целого ряда вариантов применения. Во-вторых, благодаря использованию подходящей технологии печати при его производстве его стоимость понижается, и поэтому его можно просто выбрасывать после использования, частично благодаря тому что могут производиться большие листы и вырезаться до любого требуемого размера после печати, и, частично, в связи с тем, что неотъемлемым свойством этой технологии является эффективное использование затрат при производстве. В-третьих, он предпочтительно изготавливается из материалов, которые не представляют опасность для окружающей среды и человека (предпочтительно он не содержит ртуть или тяжелые металлы). И, наконец, благодаря применению клеящей подложки он может быть изготовлен с самоклеящейся поверхностью.
Теперь рассмотрим нижеприведенные примеры, которые, вместе с приведенным выше описанием, поясняют настоящее изобретение.
ПРИМЕР 1
Приготовили раствор, содержащий 120 мг поливинилового спирта (растворимый в воде полимер) и 1680 мг хлористого цинка (материал, впитывающий влагу из воздуха, и электрически активный растворимый материал) в 1,2 мл воды. Этот раствор имел клееобразный вязкий вид. Лента фильтровальной бумаги размерами 4,5 см•1 см была полностью смочена этим раствором, с помощью технологии печати или погружения. Приготовили смесь из 300 мг порошка цинка с вышеописанным раствором, и она была нанесена способом печати на одну сторону бумажной ленты, которая служила в качестве отрицательного слоя полюса. На другой ее стороне была отпечатана смесь из 250 мг двуокиси марганца и 50 мг электропроводного угольного порошка, вместе с вышеописанным раствором, который служил в качестве слоя положительного полюса. Когда с обеих сторон были подключены электрические контакты, которые соединили с нагрузкой, было измерено значение электрического тока. Ток величиной 12 мА на см2 при напряжении 1,7-1,2 В легко поддерживался непрерывно в течение пяти дней при условиях комнатной температуры.
ПРИМЕР 2
Открытый элемент был приготовлен, как описано в примере 1, и к нему был подключен вольтметр. Как показано на фиг.4, измерения напряжения, производимого элементом в комнатных условиях, показали явно выраженное напряжение, равное 1,7÷1,2 В, которое поддерживалось непрерывно в течение девяти последовательных дней.
ПРИМЕР 3
Насыщенный раствор гидроокиси калия приготовили и довели до вязкости клея благодаря подмешиванию водорастворимого полимера. Пористое вещество (например, фильтровальная бумага) полностью смачивали этим раствором, и смесь раствора с порошком окиси никеля в виде пасты наносили на одну сторону пористого вещества для формирования слоя положительного полюса и аналогичную смесь кадмиевого порошка наносили в виде пасты на другую сторону пористого вещества для формирования слоя отрицательного полюса. При присоединении вольтметра к обеим сторонам было измерено напряжение 1,2 В, и высокое значение тока было измерено при соединении этих двух слоев с нагрузкой. Это элемент не высыхает в открытом состоянии и в случае необходимости может перезаряжаться.
ПРИМЕР 4
Приготовили такой же раствор гидроокиси калия, как и в примере 3, и в нем смачивали пористое вещество. Смесь раствора с цинковым порошком наносили в виде пасты на одну сторону пористого вещества для формирования слоя отрицательного полюса и аналогичную смесь порошка окисла серебра, содержащую некоторое количество угольного порошка, если это необходимо, в виде пасты наносили на другую сторону пористого вещества для формирования слоя положительного полюса. При присоединении вольтметра к двум сторонам измерялось напряжение 1,2 В, и значительная величина тока измерялась при присоединении этих двух слоев к нагрузке. Элемент не высыхает в открытом состоянии и может перезаряжаться, если это необходимо.
ПРИМЕР 5
Приготовили такой же раствор гидроокиси калия, как и в примере 3, и пористое вещество смачивали в нем. Смесь раствора с цинковым порошком наносили в виде пасты на одну сторону пористого вещества для формирования слоя отрицательного полюса и аналогичную смесь с порошком двуокиси марганца, содержащую некоторое количество угольного порошка, если это необходимо, наносили виде пасты на другую сторону пористого вещества для формирования слоя положительного полюса. При присоединении вольтметра к двум сторонам измеряли напряжение 1,5 В, и измерялась значительная величина тока, когда два слоя присоединяли к нагрузке. Этот элемент не высыхает в открытом состоянии. Таким образом, сформированный элемент с трудом поддается перезарядке.
ПРИМЕР 6
Приготовили такой же раствор гидроокиси калия, как и в примере 3, и смачивали им пористое вещество. Смесь раствора с порошком окиси никеля наносили в виде пасты на одну сторону пористого вещества для формирования слоя положительного полюса и аналогичную смесь с порошком железа наносили в виде пасты на другую сторону пористого вещества для формирования слоя отрицательного полюса. При присоединении вольтметра к двум сторонам измеряли напряжение 0,9 В, и можно было измерить ток, когда эти два слоя присоединялись к нагрузке. Это элемент не высыхает в открытом состоянии, и, в случае необходимости, он может быть в некоторой степени перезаряжен.
ПРИМЕР 7
Приготовили 30% раствор серной кислоты и довели его до вязкости клея путем подмешивания водорастворимого полимера. Пористое вещество (например, фильтровальная бумага) полностью смачивали этим раствором, и смесь раствора с окислом свинца наносилась виде пасты на обе стороны пористого вещества. Обе стороны соединялись с источником питания, и на них подавалось напряжение выше 2 В, благодаря чему элемент заряжался. Циклы зарядки и разрядки можно было повторять без высыхания элемента в открытом состоянии.
Следующий пример относится к вариантам применения с использованием открытого элемента, описанного выше в качестве источника питания.
ПРИМЕР 8
Элемент, описанный выше и приведенный в качестве примера, может использоваться в различных вариантах применения, в которых используются его преимущества, связанные с его малой толщиной, малым весом, гибкостью и низкими затратами производства. Эти преимущества делают его в чрезвычайной степени пригодным для применения в качестве источника питания для устройств однократного применения и устройств, которые должны сохранять некоторую гибкость при обеспечении хорошей работы.
В общем случае, любой вариант применения в соответствии с настоящим изобретением включает электрическое устройство и гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент с жидким электролитом, как описано выше. Элемент служит для снабжения устройства электроэнергией во время его работы. В зависимости от конкретных вариантов применения устройства, описанные ниже, получающие энергию от открытого элемента в соответствии с настоящим изобретением, могут быть произведены с использованием технологии печати, в которой как слои открытого элемента, так и электронные компоненты наносятся с помощью этой технологии. В частности, если конфигурация элемента включает проводящие слои, такие как слой металлосодержащих чернил, также известные в области электрических батарей как коллекторы, эти металлические слои, непосредственно наносимые способом печати, могут служить как выводы для обеспечения контакта с другими нанесенными способом печати электронными компонентами.
После изготовления способом печати устройства, в соответствии с настоящим изобретением, оно имеет определенную топографию, которая может быть защищена с помощью подходящего корпуса. Корпус может быть сформирован из формованного материала, такого, как, но не ограничиваясь им, вспененный полиэтилен или поливиниловый спирт и т.д. Форма может представлять непосредственно само устройство или его точную копию. Другие производители для формирования корпуса, повторяющего топографию, которая соответствует конкретному устройству, применяют вырезание, горячее прессование или отливку в форме, которая представляет собой точную копию устройства, или какой-либо другой способ, эффективный для формирования топографии, соответствующей существующей заранее заданной топографии. В любом случае, элемент может быть в последующем помещен внутрь слоев внешней подложки, такой как, но не ограничиваясь ею, миларовая, Лексановая (Lexan) полиэтиленовая пленка или бумага, на которую может наносится аппликация с применением способа печати. Эти слои могут наноситься с использованием холодного или горячего прессования, в зависимости от конкретного варианта применения.
Рассмотрим теперь фиг.5, на которой изображено устройство в одном из вариантов применения, которое включает материал подложки, такой как бумага, картон или пластиковая пластинка 200 и по меньшей мере один электронный компонент 202. Электронный компонент (компоненты) 202 присоединяются к материалу 200 подложки либо способом приклеивания, или путем непосредственной печати электронного компонента (компонентов) 202, или их частей на подложке 200.
Электронный компонент 202 предназначен для выполнения действия, воспринимаемого органами чувств, которое определяется здесь как действие, которое может ощущаться одним из органов чувств человека.
Материал 200 подложки может принимать любую подходящую форму и может использоваться в качестве, например, поздравительной открытки, визитной карточки, упаковки продукта питания или любого типа печатного материала, такого, как, но не ограничиваясь им, журнал, записная книжка, дневник и т.д. Один интересный вариант применения настоящего изобретения состоит в создании интерактивных книг для детей. Такие книги хорошо известны специалистам в данной области, и они включают батарею, от энергии которой работают визуальные и звуковые экраны изображения. Благодаря малой толщине и гибкости элемент в соответствии с настоящим изобретением применим для использования в интерактивных книгах. В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения книга и батарея поставляются в отдельной форме, в которой при использовании книги батарея приклеивается к ней и работает в качестве источника питания. После истощения заряда батарея заменяется новой батареей. Дополнительные варианты применения описаны ниже со ссылкой на фигуры 14 и 15.
Действие, воспринимаемое органами чувств, может, таким образом, использоваться для создания сообщения любого типа информации пользователю или может служить для развлечения в форме, например, мелодии или светящегося изображения. Могут быть также использованы элементы изображения и/или графический электронный информационный экран 231, как хорошо известно специалистам в данной области.
Таким образом, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения действие, воспринимаемое органами чувств, представляет собой аудио и/или визуальное действие. Звуковое действие может быть любого типа и может, поэтому, включать мелодию, слова языка и/или тональный телефонный набор. Визуальное действие может, например, представлять собой свет, движущийся объект или изменение цвета благодаря воздействию электрического поля/тока, как, например, описано в американском патенте 4779962, который приведен здесь как ссылка, как если бы полностью был изложен здесь.
Воспроизводимый тональный телефонный набор может использоваться в комбинации с устройством двухтонального многочастотного набора (DTMF), присоединенном к телефонному аппарату для тонального набора телефонного номера, как хорошо известно в области техники телефонной связи.
Электронный компонент 202 предпочтительно наносится способом печати на материал 200 подложки, так же, как и открытый элемент 206, его выводы 208 и требуемые соединения 210 цепи. Способы печати электронных компонентов хорошо известны в данной области. Один из примеров описан в американских патентах 4353954 и 4562119, причем оба они приведены здесь в качестве ссылки, как если бы полностью были изложены здесь. Способы печати открытого элемента в соответствии с настоящим изобретением на подложку описаны ниже.
В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения устройство включает выключатель 204 питания. Выключатель 204 используется для включения устройства и для прекращения его работы, если это требуется.
Как показано на фиг.6, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения, выключатель 204 формируется в пределах двух слоев 212 материала 200, в котором один из слоев формируется благодаря подъему 214, который покрыт изнутри проводящим материалом, например, слоем электропроводного углерода или чернил (например, металлосодержащих чернил), который располагается выше выводов 218 так, что при нажатии на подъем 214 замыкается электрическая цепь. Фактически благодаря гибкости открытого элемента в соответствии с настоящим изобретением любое отверстие, сформированное через его слои, причем это отверстие закрыто проводником с одной стороны и на другой стороне его находятся выводы, может служить как переключатель с положениями включено/выключено, в соответствии с настоящим изобретением, который работает при простом нажатии на проводник, при котором он входит в контакт с выводами. Таким образом, гибкость элемента используется для создания обратимого разделения выводов выключателя.
Как, кроме того, видно на фиг.5, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения электронный компонент 202 представляет собой аудиоустройство 220, которое включает аудио (голосовую) микросхему 221 (например, голосовую микросхему "CHIP ON BOARD", которая выпускается фирмой КоМедиа Лтд. , Гонконг, категория А53915 (CoMedia LTD, Hong Kong, Cat. # A53915)) и предпочтительно эхокамеру 224 (например, эхокамеру "пьезоэлектрический звуковой элемент/громкоговоритель", который поставляется фирмой муРата, Холбейнштрассе 21-23 D 8500 Нюрнберг 70, Германия (muRata, Holbeinstrasse 21-23 D 8500 Nurenberg 70, Germany)) и/или светоизлучающее устройство 222. В предпочтительном варианте воплощения светоизлучающее устройство 222 представляет собой светоизлучающий диод 223 малого тока. Голосовая микросхема 221 может записывать звуки и воспроизводить записанные звуки по команде.
Как дополнительно показано на фиг.6, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения камера 224 формируется аналогично выключателю 204, в пределах слоев 212, в которых один из слоев формируется с подъемом 226 и, предпочтительно, с отверстием 228. В пустоте 229, сформированной таким образом, располагается вибрирующая мембрана 230, которая соединена с пьезоэлектрическим компонентом 232, который вибрирует в соответствии с командами, получаемыми от аудиомикросхемы 221 (показанной на фиг.5). Комбинация мембраны 230 и компонента 232 известна в данной области техники как пьезокерамическая пластина.
Вышеописанный вариант в соответствии с любой из его конфигураций может использоваться, например, как звуковая поздравительная открытка, которая при работе воспроизводит звуковое поздравление (например, когда ее открывают), как звуковой билет в театр/кино, который воспроизводит хорошо распознаваемую часть, например, мелодии, текста и т.д. соответствующего шоу/кинофильма и как звуковая наклейка на компакт-диск, которая играет часть звукового содержания компакт-диска. Такой билет 304 изображен на фиг.14, в то время как такая наклейка 306 изображена на фиг.15 в приклеенном к контейнеру 308 компакт-диска виде. Фактически, любая маленькая/тонкая батарея пригодна для работы в звуковых наклейках.
Рассмотрим фиг. 7, на которой изображено устройство в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения, которое представляет собой таймер 240. Предпочтительно, таймер 240 включает подложку 242, на которую прикрепляется открытый элемент 206 в соответствии с настоящим изобретением с помощью клея либо путем печати. Таймер 240 дополнительно включает микросхему 244 таймера, которая может быть повторно установлена для отсчета периода времени и для подачи команды на выполнение действия, воспринимаемого органами чувств, после истечения этого периода времени. Подходящая микросхема таймера поставляется фирмой Нэйшнл Семикодактор Корп., СА, Кат. СОР888 (National Semiconductor Corp., СА, Cat. # COP888).
Как и ранее, действие, воспринимаемое органами чувств, предпочтительно выполняется аудио и/или светоизлучающим устройством 246 таким образом, что это действие, воспринимаемое органами чувств, представляет собой звуковое (например, мелодию, слова языка или сигнал тревоги) и/или визуальное действие.
В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения микросхема 244 таймера программируется, то есть период времени, который проходит между повторной установкой и выдачей сигнала на выполнение действия, воспринимаемого органами чувств, программируется.
Программирование предпочтительно выполняется внешним программирующим устройством 249 (например, компьютером), который может быть подсоединен через подходящее соединение 248, которое сформировано в таймере 240 в отношении к микросхеме 244. Для специалиста среднего уровня в данной области техники будет известно, как выбрать требуемое соединение между программирующим устройством и устройством 240 так, чтобы обеспечить программирование, как описано выше.
В одном из вариантов воплощения таймер служит для применения в электронных автоматах, предназначенных для оплаты парковки автомобилей.
В другом варианте воплощения таймер служит в качестве таймера для приема лекарства, то есть он указывает, что пришло время принять лекарство. В этом случае подложка 242 предпочтительно формируется как наклейка, которая может быть присоединена к упаковке лекарства. При этом фармацевт должен запрограммировать микросхему 244, как требуется для приема конкретного лекарства, с помощью программирующего устройства 249 и должен прикрепить таймер 240 к контейнеру лекарства.
В этом случае программирующее устройство предпочтительно дополнительно включает принтер для печати различной подробной информации, такой как название лекарства, дата, имя пациента, а также графика, согласно которому следует принимать это лекарство.
Предпочтительно таймер 240 для приема лекарства содержит два выключателя 204, с помощью которых устанавливается таймер 240, при этом оба выключателя необходимо нажимать одновременно, чтобы избежать случайной начальной установки.
Другой вариант использования открытого элемента в соответствии с настоящим изобретением представляет собой случай активного приема соединений, таких как фармацевтические, косметические и обезболивающие соединения, через кожу.
На фиг. 8 представлена активная прокладка или пластырь 250, предназначенный для передачи соединения через кожу. Прокладка 250 имеет одну сторону 252, которая может приклеиваться к коже пользователя. Прокладка 250 включает соединение, которое должно быть передано через кожу.
Активная передача соединений через кожу в тело хорошо известна в данной области техники. При этом для активной передачи лекарства через кожу применяется несколько стратегий.
Ионтофорез применяется для передачи малых заряженных молекул через кожу. В этом случае молекулы соединения проходят по пути, который определяется их собственным зарядом и зарядом, прилагаемым на прокладку от источника питания.
При электропорации используются короткие и сильные электрические импульсы, которые создают временные отверстия в коже, через которые могут проходить крупные молекулы.
При ультразвуковой технологии высокочастотный звук используется для временного нарушения структуры кожи, с помощью чего создаются микроскопические отверстия, через которые могут проходить крупные молекулы.
В соответствии с применяемой стратегией прокладка 250 содержит требуемый электронный и/или ультразвуковой генератор 254. Другие подробности, относящиеся к работе и точной конструкции активных прокладок, хорошо известны в данной области техники и не требуют дополнительного описания. Такие детали можно найти, например, в публикации "Breaking the skin barrier" автора Ингрид Викелгрен (Ingrid Wickelgren), издательство Popular Science, декабрь 1996, стр. 86-89; "Controlled drug delivery fundamentals and applications". Второе издание, Дж.Р.Робинсон (J.R. Robinson) и В.Х.Л. Ли редакторы (V.H.L. Lee), Маккельдеккер Инк. (Marceidekker Inc. ), Нью-Йорк, 1987 и в американских патентах 5169384; 4763660; 5443441 и 3447537, причем все они приведены здесь как ссылки, как если бы полностью были изложены здесь.
Открытый элемент, описанный выше, имеет преимущества при использовании для прокладок, предназначенных для приема лекарства через кожу, благодаря его малой толщине, гибкости и малому весу. Поэтому, в соответствии с настоящим изобретением, прокладка 250 снабжается таким элементом 206, который служит в качестве источника питания для выработки ионтофореза, ультразвука или электропорации, которые требуются для активного приема лекарства через кожу.
Поставляемые в настоящее время продукты для приема лекарств через кожу включают торговые марки "ЛЕКТРП ПАРЧ" и "Е-ТРАНС-ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТ" ("LECTRP PARCH" and "E-TRANS -ELECTROTRANSPORT").
Рассмотрим теперь фиг. 8, на которой изображена активная прокладка или пластырь 250', предназначенная для изъятия вещества из тела через кожу. Как и прокладка 250, прокладка 250' имеет одну сторону 252', которая может прикрепляться к коже пользователя. Работа прокладки 250' устанавливается в таком направлении, чтобы она впитывала вещество из тела.
Активное изъятие веществ через кожу из тела хорошо известно в данной области техники, и в нем могут применяться обратный ионтофорез, обратная электропорация и обратный ультразвук. Например, обратный ионтофорез используется при изъятии глюкозы через кожу для контроля за уровнем глюкозы в крови, например, в случае применения пациентами, больными диабетом. Устройство контроля за уровнем глюкозы в крови с помощью обратного ионтофореза производится компанией СпектрРэкс (SpectRx) в сотрудничестве с Аббот/МедиСенс (Abbott/MediSense). Другое устройство производится компанией Цигнус Инк. (Cygnus Inc.), известное под торговой маркой ГЛЮКОВОТЧ (GLUCOWATCH). В обзоре "Факторы, влияющие на электроосмотическое извлечение глюкозы" (Factors affecting electroosmotic extraction of glucose") обсуждались авторами Дж.А.Тамада, К.Коминс и Р.О.Поттс из компании Цигнус Инк., 400 Пенобскот Драйв, Редвуд Сити, штат Калифорния 94063, США (J. A. Tamada, К. Comyns и R. О. Potts, of Cygnus Inc., 400 Penobscot Drive, Redwood City, CA 94063, USA) на "Симпозиуме по трансдермальному приему в случае изучения ионтофореза", проведенного в Париже, 2-4 марта, 1997 г. ("Symposium of transdermal administration, a case study iontiphoresis" held in Paris, March 2-4, 1997)
В соответствии с применяемой стратегией в прокладке 250' устанавливается требуемый электронный и/или ультразвуковой генератор 254'.
Дополнительные подробности, касающиеся функционирования и точной конструкции активных прокладок, извлекающих вещества, хорошо известны в данной области техники и не требуют дополнительного описания. Прокладки, извлекающие вещества, известного уровня техники изготавливаются компанией Цигнус Инк. , штат Калифорния, США (Cygnus Inc. CA, USA).
Открытый элемент, описанный выше, имеет преимущества при использовании для прокладок, извлекающих вещества через кожу, благодаря его гибкости и малому весу. Кроме того, все электронные компоненты таких прокладок могут наносится с помощью технологии печати непосредственно на прокладку, включая батарею, необходимую для ее работы. Таким образом, электронные компоненты будут интегрированы с резервуаром, предназначенным для накопления лекарства или передаваемого соединения.
Поэтому в соответствии с настоящим изобретением прокладка 250' снабжена таким элементом 206, который служит в качестве источника питания для выработки эффектов ионтофореза, ультразвука или электропорации, которые требуются для активного изъятия вещества через кожу.
Другой вариант использования открытого элемента в соответствии с настоящим изобретением представляет собой определение температуры. На фиг.9 изображен электрический термометр 260, в котором используется открытый элемент в соответствии с настоящим изобретением в качестве источника 206 питания для термисторного датчика 262, который используется для измерения степени нагрева и который преобразует его в электрический параметр (например, сопротивление, напряжение и т.д.), величина которого соответствует степени нагрева. Подходящий термометр поставляется фирмой Бета Терм Кат. 1К7A1 (Beta Therm Cat. # 1К7А1). Термометр 260 дополнительно включает электронную микросхему 264, предназначенную для количественного измерения электрического параметра и для перевода его в выходной сигнал, представляющий собой величину температуры.
Термометр 260 дополнительно включает экран 266 индикатора, предназначенный для отображения значения температуры. Экран 260 индикатора может включать набор маленьких светоизлучающих диодов, которые установлены вдоль температурной шкалы таким образом, что при свечении определенного светоизлучающего диода пользователь может считывать температуру со шкалы.
Другой вариант использования открытого элемента в соответствии с настоящим изобретением представляет собой определение уровня глюкозы.
Диабет представляет собой хроническую болезнь, требующую лечения в течение всей жизни, причем этому заболеванию подвержено более 100 миллионов человек во всем мире. Болезнь характеризуется неспособностью организма человека должным образом управлять метаболизмом глюкозы, чаще всего из-за неадекватного выделения гормона инсулина поджелудочной железой. В нормальном организме, когда уровень глюкозы в крови начинает повышаться, непрерывный физиологический механизм обратной связи подает команду поджелудочной железе на выработку соответствующего количества инсулина и, таким образом, уровень глюкозы понижается. Диабетики не обладают этой способностью и, если не будет проводиться лечение, страдают от неуправляемого уровня сахара в крови, что приводит к последующим метаболическим проблемам и проблемам кровообращения, которые часто наносят вред или приводят к смертельному исходу.
При диабетах, зависящих от инсулина, недостаток естественного инсулина компенсируется с помощью инъекций, которые обычно выполняются несколько раз в день. Дозы инсулина, однако, должны тщательно регулироваться, и избыточный инсулин приведет к гипогликемии, низкому уровню глюкозы в крови, который может вызывать приступ, повреждение мозга и смерть. Поэтому большинство пациентов, проходящих инсулинотерапию, должны также контролировать свой уровень глюкозы в крови с тем, чтобы должным образом регулировать баланс между поступлением сахара и дозировкой инсулина.
Предпочтительный и наиболее часто употребляющийся способ амбулаторного отслеживания уровня глюкозы в крови в настоящее время представляет собой анализ крови. Портативные устройства анализа крови включают три элемента: игла, ферментный биочувствительный материал и электрическое считывающее устройство (основанное на оптическом эффекте или сопротивлении). Пациент укалывает свой палец иглой и наносит капельку крови на ленту для анализа. Биочувствительный материал, пропитывающий ленту, изменяет цвет или производит электрохимический ток, пропорциональный концентрации глюкозы в образце. Такие комплекты являются широко применимыми, включая измерители с цифровым считывающим устройством.
На фиг. 9 изображен датчик 270 глюкозы. Датчик 270 включает иглу 272, предназначенную для прокола кожи (например, кожи пальца) пользователя и для получения пробы крови из него. Игла 272 предпочтительно представляет собой платиновую иглу. Датчик 270 дополнительно включает датчик 274 глюкозы, который работает на основе оксидазы глюкозы, регулятор 276 напряжения и электронную микросхему 277, предназначенную для количественного определения уровня глюкозы в пробе крови. Датчик 270 дополнительно включает устройство отображения 278, предназначенное для представления уровня глюкозы, измеренного в пробе крови в обычно употребляемых единицах концентрации (например, мг/дл).
Работа каждого из компонентов, упомянутых при определении уровня глюкозы, хорошо известна в данной области техники. Датчики глюкозы известного уровня техники поставляются, например, фирмой ЛайфСкен Инк. (LifeScan Inc.) и МедиСенс Инк. (MediSense Inc.), США.
В соответствии с настоящим изобретением для работы датчика 270 глюкозы в качестве источника питания используется открытый элемент 206.
Открытый элемент в соответствии с настоящим изобретением находит другие варианты использования в измерителях пульса, кровяного давления и/или электрокардиограммы. Для контроля за пульсом и давлением крови в настоящее время используются различные способы. Они включают контроль колебаний давления, акустических и оптических колебаний, связанных с пульсацией тела человека.
Такие устройства в формах однократного и многократного применения изготавливаются некоторыми производителями, включая Нонин Мэдикал Инк. из 2605 Фембрук Лэйн Hopс Плимут, штат Миннесота 55447-4755, США; и Сэйн Электроник Ко. , Лтд. # 133-3, Пюнгчен-донг, Донган-гу, Аньян-сити, Квингки-ду, Корея (Nonin Medical Inc. Of 2605 Fembrook Lane North, Plymouth, MN 55447-4755, USA; and Sein Electronics Co., Ltd. of # 133-3, Pyungchon-dong, Dongan-gu, Anyang-city, Kyungki-do, Korea). Измерители, изготовляемые этими компаниями, включают обычные батареи типа ААА или маленькие дисковые батареи. Большое преимущество, особенно в случае форм одноразового применения, такие измерители получат при применении открытых элементов в соответствии с настоящим изобретением.
Портативные миниатюрные измерители электрокардиограммы изготавливаются фирмой КАДлтек АГ Мэдикал Инструменте, СН-1632 Риаз, Швейцария (CADltec AG, Medical Instruments of CH-1632 Riaz, Switzerland). Такой измеритель электрокардиограммы может использовать преимущества батареи в виде открытых элементов в соответствии с настоящим изобретением, причем эти преимущества описаны здесь.
На фиг. 16 изображен измеритель 310 пульса, давления крови и электрокардиограммы, который включает корпус 312, причем этот корпус необходим для размещения в нем требуемых датчиков/электродов. Измеритель 310 дополнительно включает открытый элемент 314 в соответствии с настоящим изобретением, который снабжает измеритель 310 электроэнергией, необходимой для его работы. Измеритель 310 дополнительно включает кнопки 315 управления/включения, предназначенные для включения измерителя и выключения его и для управления его работой. Кроме того, измеритель 310 включает экран индикатора 316, предназначенный для показа результатов измерения. Для специалиста в данной области будет понятно, как модифицировать существующие измерители и датчики с тем, чтобы включить в них открытый элемент в соответствии с настоящим изобретением.
Другое использование открытого элемента в соответствии с настоящим изобретением представляет собой активная кредитная карточка с микропроцессором и этикетка с микропроцессором. Кредитная карточка/этикетка с микропроцессором представляет собой устройство, которое включает закодированную электронным образом информацию, и во многих случаях используется для электронной идентификации личности ее обладателя. Благодаря свойствам, описанным здесь, открытый элемент в соответствии с настоящим изобретением представляет собой чрезвычайно удобный источник питания для активных карточек/этикеток с микропроцессором. Такая карточка/этикетка 350 с микропроцессором изображена на фиг.17, в которую включен тонкий элемент 352, который покрывает полностью всю ее поверхность. Такая карточка/этикетка может быть изготовлена с использованием технологии печати, в которой все электронные компоненты и источник питания будут напечатаны. Кредитная карта/этикетка с микропроцессором в соответствии с настоящим изобретением может включать криптограмму или код, используемые для идентификации.
Другое использование открытого элемента в соответствии с настоящим изобретением представляет игры. На фиг.11 изображена игра 280, которая включает распределенные компоненты 282 головоломки, расположенные на подложке 283. Компонент 282 головоломки будет показан, если ток из открытого элемента 206, как описано выше, приходит одновременно или в заранее определенном порядке к компонентам 282. Приход тока включается игроком. С этой целью компоненты 282, которые должны быть показаны, включают скрытый выключатель, такой, что, когда игрок нажимает компонент своим пальцем, выключатель замыкает электрическую цепь.
Эта игра может дополнительно включать эффект (эффекты) выигрыша, который может представлять собой какое-либо полезное звуковое или визуальное действие. Для специалиста со средним уровнем квалификации в данной области техники будет понятно, как сконструировать компоненты 282 и как генерировать эффект (эффекты) выигрыша.
Стоимость производства открытого элемента, описанного здесь, будет очень низкой, поскольку, как более подробно описано ниже, открытый элемент может быть изготовлен при массовом производстве с использованием технологии печати, а также поскольку для него не требуется корпус. Элемент может быть прикреплен к любому устройству путем приклеивания его к устройству или может быть изготовлен печатью на самом устройстве. Устройства, в которых используется такой элемент, поэтому будут относительно дешевыми в производстве и могут, поэтому, быть одноразового использования. Таким образом, в свою очередь, во многих аспектах будут проявляться преимущества, особенно когда устройство используется для медицинских целей, таких как анализ крови, при измерении температуры во рту и при приеме лекарств через кожу или при удалении из организма соединений. В последнем случае гибкость элемента также является решающим фактором, так как активные прокладки должны быть прикреплены на кожу в различных местах тела. Так как элемент в соответствии с настоящим изобретением является тонким и может покрывать любую поверхность, он будет полезен в рекламе, как часть среды, которая подает информацию, для игры или для любого другого "раздаваемого" продукта, который требует применения источника питания для работы. С этой целью было бы полезно, чтобы элемент мог быть изготовлен из недорогостоящих, широко доступных и не опасных для окружающей среды материалов.
Нижеприведенный пример относится к способам производства тонкослойного гибкого открытого элемента в соответствии с настоящим изобретением.
ПРИМЕР 9
В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ изготовления гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента с жидким электролитом. Этот способ включает следующие этапы. Первый: влажные чернила наносятся на внутренние стороны первой и второй подложек. Подходящие подложки включают, но не ограничиваются ими, бумагу, пленки из полиэфира или полипропилена. Чернила являются электропроводными. Подходящие электропроводные чернила доступны под торговым названием "ЭЛЕКТРОДАЙ" ("ELECTRODYE"), производства фирмы Ачесон Коллоиден Б. В., Нидерланды, кат. 423SS и 109В (Acheson Colloiden В. V. , the Netherlands, Cat. # 423SS and 109B). Второй: прежде, чем чернила высохнут, наносится порошок положительного полюса на влажные чернила на первой подложке и порошок отрицательного полюса наносится на влажные чернила на второй подложке. Так как чернила влажные, порошок прилипает к чернилам и, так как чернила являются электропроводными, соответствующие частицы порошка находятся в электрическом контакте. Нанесение порошка может быть выполнено таким образом, что будет сформирован отдельный слой из частиц порошка. Элемент, произведенный таким образом, получается поэтому чрезвычайно тонким. Третий: пористое вещество смачивается водным раствором, содержащим материал, впитывающий влагу из воздуха, электрически активный растворимый материал и растворимый в воде полимер. Четвертый: первая и вторая подложки присоединяются к пористому веществу таким образом, что их внутренние боковые поверхности будут обращены к веществу так, что будет сформирован трехслойный элемент.
В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения способ дополнительно включает следующие этапы. Пятый: клей наносится на внутренние стороны подложек или на обе стороны вещества. Нанесение клея предпочтительно выполняется в соответствии с геометрической конфигурацией, такой как звезда, круг, в форме цветка и т.д. Шестой: трехслойный элемент вырезается (например, с помощью лазера) в соответствии сгеометрической конфигурацией. Клей, который помещается по краям геометрической конфигурации, обеспечивает то, что слои не будут отделяться с течением времени и при дальнейшей обработке.
В предпочтительном варианте воплощения данного способа декоративная аппликация наносится на по меньшей мере одну из подложек.
Затем в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ печати гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента с жидким электролитом. Этот способ включает следующие этапы. Первый: первый слой влажных чернил печатается на подложке. Чернила являются токопроводящими чернилами. Второй: до высыхания чернил слой порошка положительного полюса распределяется поверх первого слоя влажных чернил. Третий: слой водного раствора,
содержащего волокна, материал, впитывающий влагу из воздуха, электрически активный растворимый материал и растворимый в воде полимер печатается поверх слоя порошка положительного полюса. Волокна могут быть любого типа. Подходящие волокна включают, например, нетканые волокна хлопка. Волокна и их концентрация выбираются таким образом, что при высыхании они формируют пористое вещество. Четвертый: до его высыхания слой порошка отрицательного полюса распределяется поверх слоя водного раствора. Пятый: второй слой чернил печатается поверх слоя порошка отрицательного полюса. В результате получается трехслойная батарея, по существу такая, как изображена на фиг.1.
В предпочтительном варианте воплощения способ дополнительно включает печать токопроводящего слоя (например, из углерода или токопроводящих чернил) на подложке перед тем как будет выполнен первый этап, приведенный выше, и затем печать токопроводящего слоя поверх второго слоя чернил. Токопроводящий слой включает токопроводящий порошок углерода или токопроводящие чернила, такие как металлосодержащие чернила.
На любом этапе электрические соединения могут быть напечатаны таким образом, что они будут в контакте с положительным или отрицательным полюсом.
Хотя настоящее изобретение было описано совместно с конкретными вариантами его воплощения, очевидно, что могут быть выполнены различные альтернативы, модификации и вариации, которые очевидны для специалистов в данной области техники. В соответствии с этим предполагается охватить все такие альтернативы, модификации и вариации, которые входят в сущность и широкий объем приложенной формулы изобретения.
Формула изобретения: 1. Гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент для миниатюрных портативных устройств компактной конструкции с электрическим питанием, содержащий положительный и отрицательный электроды, выполненные из нерастворимого материала, в виде двух слоев, разделенных третьим слоем жидкого электролита, причем указанный третий слой включает: (а) материал, впитывающий влагу из воздуха, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии; (b) электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости; и (с) полимер, растворимый в воде, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для приклеивания указанного первого и второго слоев к указанному третьему слою.
2. Электрохимический элемент по п. 1, для устройства, которое содержит материал подложки и, по меньшей мере, один электронный компонент, присоединенный к указанному материалу подложки, причем указанный, по меньшей мере, один электронный компонент предназначен для выполнения действия, воспринимаемого органами чувств.
3. Электрохимический элемент по п. 2, где указанная подложка выбирается из группы, содержащей поздравительную открытку, визитную карточку, билет в кино или театр, наклейку для компакт-диска, упаковку для продукта питания и печатный материал.
4. Электрохимический элемент по п. 2, где указанное действие, воспринимаемое органами чувств, представляет собой звуковое или визуальное действие.
5. Электрохимический элемент по п. 4, где указанное звуковое действие выбирается из группы, содержащей мелодию, слова языка и тональный набор телефона.
6. Электрохимический элемент по п. 2, где указанное устройство включает выключатель питания.
7. Электрохимический элемент по п. 2, где указанный, по меньшей мере, один электронный компонент выбирается из группы, состоящей из аудиоустройства и светоизлучающего устройства.
8. Электрохимический элемент по п. 7, где указанное аудиоустройство включает аудиомикросхему и эхокамеру.
9. Электрохимический элемент по п. 7, где указанное светоизлучающее устройство представляет собой светоизлучающий диод с низким током.
10. Электрохимический элемент по п. 1, где указанное устройство представляет собой таймер.
11. Электрохимический элемент по п. 10, где указанный таймер включает материал подложки и микросхему таймера, прикрепленную к указанному материалу подложки, причем указанная микросхема таймера заранее установлена для того, чтобы она отмеряла период времени, и для подачи сигнала на выполнение действия, воспринимаемого органами чувств, после истечения указанного периода времени.
12. Электрохимический элемент по п. 11, где указанное действие выполняется аудиоустройством или светоизлучающим устройством.
13. Электрохимический элемент по п. 11, где указанное действие, воспринимаемое органами чувств, представляет собой аудио- или визуальное действие.
14. Электрохимический элемент по п. 13, где указанное звуковое действие выбирается из группы, содержащей мелодию, слова языка и сигнал тревоги.
15. Электрохимический элемент по п. 11, где указанная микросхема таймера является программируемой.
16. Электрохимический элемент по п. 11, где указанная микросхема таймера имеет возможность повторной установки.
17. Электрохимический элемент по п. 12, где указанное аудиоустройство включает аудиомикросхему и эхокамеру.
18. Электрохимический элемент по п. 12, где указанное светоизлучающее устройство представляет собой светоизлучающий диод с низким током.
19. Электрохимический элемент по п. 11, где указанный таймер представляет собой таймер для приема лекарства.
20. Электрохимический элемент по п. 1, где указанное устройство представляет собой активную прокладку для подачи соединения через кожу.
21. Электрохимический элемент по п. 20, где для указанной подачи указанного соединения через кожу указанная активная прокладка использует стратегию, выбранную из группы, содержащей ионтофорез, ультразвук и электропорацию.
22. Электрохимический элемент по п. 20, где указанное соединение выбирается из группы, содержащей фармацевтическое соединение, косметическое соединение и обезболивающее соединение.
23. Электрохимический элемент по п. 1, где указанное устройство представляет собой активную прокладку для изъятия соединения через кожу из тела человека.
24. Электрохимический элемент по п. 1, где указанное устройство представляет собой термометр.
25. Электрохимический элемент по п. 24, где указанный термометр включает датчик термистора и электронную микросхему, причем указанный датчик предназначен для считывания степени нагрева и преобразования указанной степени нагрева в электрический параметр с величиной, соответствующей указанному нагреву, причем указанная микросхема предназначена для числового представления указанного параметра и для перевода указанного параметра в выходной сигнал, представляющий величину температуры.
26. Электрохимический элемент по п. 25, где указанный термометр дополнительно включает индикатор для показа указанной величины температуры.
27. Электрохимический элемент по п. 1, где указанное устройство представляет собой кредитную карточку с микропроцессором или этикетку.
28. Электрохимический элемент по п. 1, где указанное устройство представляет собой интерактивную книгу.
29. Электрохимический элемент по п. 1, где указанное устройство представляет собой активную прокладку для изъятия соединения через кожу.
30. Электрохимический элемент по п. 29, где для указанного изъятия через кожу указанного соединения указанная активная прокладка использует стратегию, выбранную из группы, состоящей из ионтофореза, ультразвука и электропорации.
31. Электрохимический элемент по п. 29, где указанное соединение представляет собой глюкозу.
32. Электрохимический элемент по п. 1, где указанное устройство выбирается из группы, содержащей измеритель кровяного давления, измеритель пульса и измеритель электрокардиограммы.
33. Электрохимический элемент по п. 1, где указанное устройство представляет собой датчик глюкозы.
34. Электрохимический элемент по п. 33, где указанный датчик глюкозы извлекает глюкозу из тела пациента через кожу.
35. Электрохимический элемент по п. 33, где указанный датчик глюкозы включает иглу, предназначенную для прокалывания кожи и для получения пробы крови, датчик глюкозы, основанный на оксидазе глюкозы, регулятор напряжения и электронную микросхему для числового выражения уровня глюкозы в указанной пробе крови.
36. Электрохимический элемент по п. 1, где указанное устройство представляет собой игру.
37. Электрохимический элемент по п. 36, где указанная игра включает распределенные компоненты головоломки, причем указанные компоненты головоломки становятся показанными, если ток из указанного элемента приходит одновременно или в заранее определенном порядке к указанным компонентам, причем приход тока включается игроком.
38. Способ изготовления гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента с жидким электролитом, содержащий этапы: (а) нанесения влажных чернил на внутренние стороны первой и второй подложек, причем указанные чернила являются электропроводными; (b) до их высыхания нанесения порошка положительного полюса на указанные влажные чернила на указанной первой подложке и порошка отрицательного полюса на указанные влажные чернила на указанной второй подложке; (с) смачивания пористого вещества водным раствором, содержащим материал, впитывающий влагу из воздуха, электрически активный растворимый материал и растворимый в воде полимер; и (d) присоединения указанных первой и второй подложек к указанному пористому веществу, причем указанные внутренние стороны обращены к указанному веществу, так, что формируется трехслойный элемент.
39. Способ по п. 38, дополнительно включающий этап: (е) выполняемый до этапа (d) нанесения клея на указанные внутренние стороны указанной подложки или на обе стороны указанного вещества, причем указанное нанесение клея выполняется в соответствии с геометрической конфигурацией.
40. Способ по п. 39, дополнительно включающий этап: (f) выполняемый после этапа (d) вырезание указанного трехслойного элемента в соответствии с указанной геометрической конфигурацией.
41. Способ по п. 40, в котором указанное вырезание выполняется с помощью лазера.
42. Способ по п. 38, дополнительно содержащий этап: (е) нанесения декоративной аппликации, по меньшей мере, на одну из сторон указанной подложки.
43. Способ печати гибкого тонкослойного открытого электрохимического элемента с жидким электролитом, содержащий этапы: (а) печати первого слоя влажных чернил на подложку, причем указанные чернила являются электропроводными; (b) до высыхания чернил распределения слоя порошка положительного полюса поверх указанного первого слоя; (с) печати поверх указанного слоя порошка положительного полюса слоя водного раствора, содержащего волокна, материал, впитывающий влагу из воздуха, электрически активный растворимый материал и растворимый в воде полимер; (d) до его высыхания распределения поверх указанного слоя водного раствора слоя порошка отрицательного полюса; (е) печати поверх указанного слоя порошка отрицательного полюса второго слоя указанных чернил.
44. Способ по п. 43, дополнительно содержащий этап: (f) выполняемый пред этапом (а), печати электропроводного слоя на указанной подложке.
45. Способ по п. 43, дополнительно содержащий этап: (f) выполняемый после этапа (е), печати электропроводного слоя поверх указанного второго слоя указанных чернил.
46. Цилиндрическая батарея, содержащая свернутый в рулон гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент с жидким электролитом, включающий первый слой нерастворимого отрицательного полюса, второй слой нерастворимого положительного полюса и третий слой водного электролита, причем указанный третий слой располагается между указанными первым и вторым слоями и включает: (а) материал, впитывающий влагу из воздуха, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии; (b) электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости; и (с) растворимый в воде полимер, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для соединения указанных первого и второго слоев с указанным третьим слоем.
47. Батарея в виде книги, содержащая множество гибких тонкослойных открытых электрохимических элементов с жидким электролитом, которые собраны в виде сборки книги с возможностью отсоединения, причем каждый из указанных гибких тонкослойных открытых электрохимических элементов с жидким электролитом включает первый слой нерастворимого отрицательного полюса, второй слой нерастворимого положительного полюса и третий слой жидкого электролита, причем указанный третий слой располагается между указанными первым и вторым слоями и включает: (а) материал, впитывающий влагу из воздуха, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии; (b) электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости; и (с) растворимый в воде полимер, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для соединения указанных первого и второго слоев с указанным третьим слоем.
48. Гибкий тонкослойный открытый электрохимический элемент с жидким электролитом, содержащий первый слой нерастворимого отрицательного полюса, второй слой нерастворимого положительного полюса и третий слой жидкого электролита, причем указанный третий слой располагается между указанными первым и вторым слоями и включает: (а) материал, впитывающий влагу из воздуха, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии; (b) электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости; и (с) растворимый в воде полимер, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для соединения указанных первого и второго слоев с указанным третьим слоем, причем этот элемент дополнительно содержит датчик рН, находящийся в контакте с одним из указанных слоев.
49. Складка батареи, содержащая множество гибких тонкослойных открытых электрохимических элементов с жидким электролитом, которые собраны друг за другом в виде складываемой сборки, причем каждый из указанных гибких тонкослойных открытых электрохимических элементов с жидким электролитом включает первый слой нерастворимого отрицательного полюса, второй слой нерастворимого положительного полюса и третий слой жидкого электролита, причем указанный третий слой располагается между указанными первым и вторым слоями и включает: (а) материал, впитывающий влагу из воздуха, предназначенный для постоянного поддержания открытого элемента во влажном состоянии; (b) электрически активный растворимый материал, предназначенный для обеспечения требуемой ионной проводимости; и (с) растворимый в воде полимер, предназначенный для обеспечения требуемой вязкости, необходимой для соединения указанных первого и второго слоев с указанным третьим слоем.
50. Контейнер компакт-диска, содержащий контейнер и наклейку, приклеенную к нему и содержащую электрохимический элемент, охарактеризованный в п. 1, причем указанная наклейка работает таким образом, что производит полезную индикацию, представляющую собой звуковое содержание компакт-диска, который предполагается помещать в указанный контейнер.
51. Контейнер компакт-диска по п. 50, в котором указанная полезная индикация представляет собой звуковую индикацию и включает аудиопредставление, которое идентифицируется как указанное аудиосодержание.