(57)【要約】【課題】バッテリを使用していない時の放電を防止するバッテリを提供する。【解決手段】本発明は、バッテリは少なくとも１つのナノ構造化された表面を有する電極を含む。ナノ構造化された表面は、バッテリが使用されていない時にバッテリの電解質流体が電極と接触することを防止し、それによってバッテリの放電を防止するような方式で配置される。ナノ構造化された表面を電圧が横切ると、電解質流体がナノ構造化された表面に浸透させられて電極に接触させられ、その結果、バッテリを作動させる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質流体と、
第１の電極と、
前記電解質流体と前記電極の間のナノ構造化された表面とを含み、
前記ナノ構造化された表面が電解質流体と電極の接触を阻止する装置。
【請求項２】
前記ナノ構造化された表面を電圧が横切ると前記電解質流体が前記表面に浸透し、その結果、前記電極に接触することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電解質流体が前記表面に浸透すると電流を発生することが可能なバッテリが形成されるような方式で配置され、前記電解質流体と接触している第２の電極をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
電気的負荷を有する電気回路をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記電気的負荷が少なくとも１つのレーザであることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
標的を指示する装置であって、
バッテリとレーザを含むレーザ発生装置を含み、
前記バッテリが複数のナノ構造によって少なくとも一方の電極から分離された電解質流体を含み、さらに、
前記レーザ発生装置を前記標的に付着させる手段を含むことを特徴とする装置。
【請求項７】
付着させる前記手段が、複数の前記レーザ発生装置を含む液体を含み、前記液体が容器の内部に配置され、そして、
前記標的と接触すると前記複数の前記レーザ発生装置を含む前記液体が前記表面に付着することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記容器が銃から発砲されるように構成された発射物であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概してバッテリに関し、さらに特定すると少なくとも１つのナノ構造化された電極表面を有するバッテリに関する。
【背景技術】
【０００２】
数多い用途で多くの有用な装置および構造体が電源としてバッテリに頼っている。図１に示したように、具体例の液体セルバッテリ１０１は正電極１０４と負電極１０５の間を方向１０３で電荷が流れるメカニズムを提供する電解液１０２によって特徴付けられる。そのようなバッテリ１０１が具体例の負荷１０８を備えた電気回路１０６に挿入される時、それは回路１０６を方向１０７で一様に電子が流れることを可能にするループを完成させる。その結果、正電極は外部の回路１０６から電子を受け取る。その後、これらの電子は還元反応で正電極１０４の材料と反応し、それが電解液１０２中のイオンを経由した負電極１０５への電荷の流れを発生させる。負電極１０５では、負電極１０４の材料と電解液１０２を通って流れる電荷の間の酸化反応が結果的に余剰の電子を生じ、それらが外部の回路１０６へと放出される。
【特許文献１】米国特許第６，１８５，９６１号
【特許文献２】米国特許出願番号１０／４０３１５９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記の過程が続くと、正電極および負電極１０４および１０５の材料はそれぞれ消耗され、もはやバッテリが電子を供給することが不可能になるまで反応が減速する。この時点でバッテリは放電済みである。たとえ液体セルバッテリが電気回路に挿入されない時でも電極１０４および１０５との低レベルの反応が頻繁に生じ、それが最終的には電極の材料を消耗する可能性がある。したがって、バッテリはたとえ電気回路に使用中でなくても時間経過に伴って消耗済みとなる可能性がある。この時間的期間は使用される電解液および電極の材料によって決まる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
バッテリを使用していない時にバッテリの放電を阻止することが可能になると極めて有利になることを実現化した。付け加えると、バッテリの放電が始まった時、抑えることが可能であると好都合であろう。
【０００５】
したがって、少なくとも１つのナノ構造化された表面を有する電極をバッテリが有する方法と装置を考案した。ナノ構造化された表面は、バッテリの電解質流体が電極と接触することを阻止し、したがってバッテリが使用されていない時のバッテリの放電を阻止するような方式で配置される。電圧がナノ構造化された表面を横切ると、電解質流体がナノ構造化表面に浸透して電極に接触し、その結果バッテリを作動させる。したがって、作動したバッテリが電気回路に挿入されると電子が回路に沿って流れるであろう。
【０００６】
１つの具体例の実施形態では、バッテリは電子機器パッケージの１つの集積部分である。別の実施形態では、バッテリは独立した装置として製造され、その後、電子機器パッケージと接触させられる。さらに別の実施形態では、電子機器パッケージと付属のバッテリは軍事用標的装置として使用される発射物内に配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図２は具体例のナノポスト・パターン（ｎａｎｏｐｏｓｔ  ｐａｔｔｅｒｎ）２０１を示しており、各々のナノポスト２０９が１マイクロメートル未満の直径を有する。図２はいくぶん円錐形に形成されたナノポスト２０９を示しているが、他の形状およびサイズもやはり実現可能である。実際では、円筒状のナノポスト・アレーが作製され、各々のナノポストが１０ｎｍ未満の直径を有していた。特に、図３Ａ〜３Ｅは様々な方法を使用して生成された、異なる具体例のナノポスト配列を示しており、さらにそのような様々な直径のナノポストが程度の異なる規則性で作られ得ることも示している。さらに、これらの図は様々な距離で分離された様々な直径を有するナノポストを作り出すことが可能であることも示している。ナノポストの具体的な作製方法は、２００１年２月１３日にＴｏｎｕｃｃｉらに発行され、その全文を本明細書に参照で組み入れる「Ｎａｎｏｐｏｓｔ  ａｒｒａｙｓ  ａｎｄ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｍａｋｉｎｇ  ｓａｍｅ」という表題の米国特許第６，１８５，９６１号に見出される。ナノポストは、テンプレートを使用してポストを形成すること、様々なリソグラフィ、および様々なエッチング方法といった様々な方法で作製されてきた。
【０００８】
図４は図３Ｃの具体例の知られている表面４０１を示しており、ナノポスト４０２のナノ構造特徴パターンが基板上に配置されている。本明細書の説明全体を通じて、ナノポストもしくはナノ構造の使用法に適用される原理が特徴パターン内のマイクロポストもしくは他のさらに大きい特徴に同等に適用されることが可能であることを当業者は認識するであろう。図４の表面４０１およびナノポスト４０２は具体例を挙げるとシリコンから作製される。図４のナノポスト４０２は具体例を挙げると直径約３５０ｎｍ、高さ約６μｍであり、中心間で約４μｍの間隔を置かれている。そのようなアレーが規則的な間隔、または場合によっては不規則な間隔で作製され得ることは当業者にとって明らかであろう。
【０００９】
特に指定しない限り、ここで使用するような「ナノ構造」は１マイクロメートル未満の少なくともある寸法を有する所定の構造であり、「ミクロ構造」は１ミリメートル未満の少なくともある寸法を有する所定の構造である。「特徴パターン」という用語はミクロ構造のパターンまたはナノ構造のパターンのいずれかに関する。「液体」、「小滴」、および「液滴」という用語はここでは交換可能に使用される。それらの用語の各々は、液滴の形状であってもなくても液体または液体の一部に関する。
【００１０】
本発明人らは、ナノ構造化またはミクロ構造化された所定の表面内への所定の液体の浸透を制御し得ること、したがって液体とその下でナノ構造もしくはミクロ構造を支えている基板の接触を制御し得ることが望ましいことを認識した。図５Ａおよび５Ｂは本発明の原理による一実施形態を示しており、ナノ構造の表面への液体の浸透を制御するためにエレクトロウェッティングが使用される。エレクトロウェッティングの原理は概して、２００３年３月３１日出願され、その全文を本明細書に参照で組み入れる「Ｍｅｔｈｏｄ  Ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ｆｏｒ  Ｖａｒｉａｂｌｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｔｈｅ  Ｍｏｖｅｍｅｎｔ  Ｏｆ  Ａ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｏｎ  Ａ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ」という表題の米国特許出願番号１０／４０３１５９号に述べられている。
【００１１】
図５Ａを参照すると、（液体セルバッテリ内の電解質溶液のような）導電性液体の液滴５０１が上述したような円筒状のナノポスト５０２のナノ構造特徴パターン上に配置され、それにより、液滴５０１の表面張力が結果的に液滴をナノポスト５０２の上側部分に懸架することにつながる。この配置では、液滴は各ナノポストの表面領域ｆ１だけを覆う。ナノポスト５０２は導電性基板５０３の表面によって支えられる。液滴５０１は具体例を挙げると電源５０５を有するリード５０４を経由して基板５０３に電気的に接続される。具体例のナノポストは図６にさらに詳細に示されている。その図では、ナノポスト５０２は誘電体材料の絶縁層のような材料６０１によって液体（図５Ａでは５０１）から電気的に絶縁される。ナノポストはさらに、よく知られているフッ素系ポリマーといった低表面エネルギー材料６０２によって液体から引き離される。そのような低表面エネルギー材料は液体とナノポスト表面の間の適切な初期的接触角度を得ることを可能にする。異なる材料の２層の分離層を使用する代わりに、充分に低い表面エネルギーと充分に高い絶縁特性を有する材料の単層が使用され得ることは当業者にとって明らかであろう。
【００１２】
図５Ｂは、液体５０１の導電性小滴に電圧（例えば１０〜２０ボルト）を印加することによって液体５０１とナノポスト５０２の間に結果的に電位差が生じることを示している。液体とナノポスト表面の間の接触角が小さくなり、充分に低い接触角になると液滴５０１はナノポスト５０２の各々を取り巻き終えて基板５０３の上側表面と接触するに至るまでｙ方向にナノポスト５０２の面に沿って下がり、ナノ構造特徴パターンに浸透する。この構成では、液滴は各ナノポストの表面領域ｆ２を覆う。ｆ２＞＞ｆ１であるので、液滴５０１とナノポスト５０２の間の合計の接触面積は液滴５０１が基板５０３に接触するほどに相対的に大きい。
【００１３】
図７は、閉じ込め用の壁７０３を有するハウジング内に電解質流体７０２が含まれる、本発明の原理による具体例のバッテリ７０１を示している。電解質流体７０２は正電極７０４と接触しているがナノ構造化された表面７０７によって負電極７０８から引き離されている。ナノ構造化された表面７０７は負電極の表面であってもよく、場合によっては負電極に接着された表面であってもよい。ナノ構造化された表面が正電極に付随して使用されることもやはり可能であり、同様の好都合な結果につながることを当業者は認識するであろう。図７では、電解質流体は図５Ａの液滴と同様にナノポスト表面の最上部に懸架される。バッテリ７０１は、例えば負荷７０６を有する電気回路７０５に挿入される。電解液が負電極と接触していない時、バッテリ７０１の電解質と電極７０４および７０５の間の反応は実質的にない。したがって、バッテリを放電済みにさせることなく比較的長い時間的期間についてバッテリ７０１を保存することが可能である。
【００１４】
図８は電気回路７０５に挿入された図７のバッテリ７０１を示しており、上述のエレクトロウェッティングの原理を利用して電圧がナノ構造化された表面７０７を横切り、それによって電解質流体７０２が表面７０７に浸透して負電極７０８と接触するに至る原因となる。この電圧が、例えばＲＦエネルギーの１つまたは複数のパルスをバッテリに通すことによるといったどのような数の電源から作り出されることも可能であることを当業者は認識するであろう。ナノ構造への電解質の浸透が生じると、上述したように電子が回路７０５に沿って方向８０１で流れ始め、負荷７０６が電力供給される。こうして、図７および８の実施形態は比較的長い時間的期間について消耗することなくバッテリがどのようにして保存され得るか、およびその後、電気回路内の１つまたは複数の負荷に電力供給することを望まれた時点でどのようにして「作動させられる」ことが可能であるかを示している。
【００１５】
図９Ａおよび９Ｂは小型の電子機器パッケージ内での図７および８のバッテリの具体的使用例の断面を示している。特に、図９Ａを参照すると、パッケージ９０１は（レーザ９０６を有する）具体例のレーザ部分に電気的に接続された（正電極９０４、負電極９０８、ナノ構造化された表面９０７、および電解質流体９０２を有する）バッテリ部分を有する。パッケージ９０１がシリコン・ウェハのような１つの材料から完全に形成された集積デバイスである可能性があり、あるいは場合によってはバッテリ部分が独立して形成され、後になって製造工程でパッケージ９０１のレーザ部分に接続される可能性があることを当業者は認識するであろう。図９Ａおよび９Ｂに断面で示されたパッケージ９０１は具体例を挙げるとどのような幾何学形状（例えば正方形、円形、長方形など）でどのようなサイズのデバイスとして作製される可能性もある。都合のよいことに、パッケージ９０１は表面９１０が１ｍｍ２から１００ｍｍ２の表面積を有するように作製されることが可能である。多様な表面積を有する多様な形状が様々な用途で好都合であることを当業者は認識するであろう。
【００１６】
前述したように、図９Ｂを参照すると、電圧がナノ構造化された表面９０７を横切ると電解質流体９０２が表面９０７に浸透して電極９０８に接触する。今度の場合も、この電圧はバッテリの外部で作り出されたＲＦパルスによって作られる可能性がある。電極９０４と９０８の間の反応が始まり、バッテリをレーザ９０６に接続する電気回路に沿って電流が流れ始める。その結果、レーザ９０６が発光し始める。
【００１７】
図１０Ａおよび１０Ｂおよび１１は図９Ａおよび９Ｂの電子機器パッケージに関する１つの具体例の使用法を示している。特に、図１０Ａを参照すると、発射物といった容器１００１が接着液１００２で満たされ、そこに図９Ａおよび９Ｂの複数の電子機器パッケージ９０１が配置される。接着液は、具体例を挙げると長い在庫寿命を有し（すなわち比較的長い時間的期間にわたって変化しないであろう粘度を有し）、複数の電子機器パッケージ９０１の間の分離距離を維持するように機能するゲルである。具体例を挙げると発射物は一般的なＰＶＣまたはＡＢＳプラスティックのようなポリマー材料から形成される。図１０Ａおよび１０Ｂの実施形態での使用に適した具体例の液体はウレタンを主原料とするエラストマー接着剤系統の軟接着剤である。使用前では、電子機器パッケージ９０１のバッテリ部分は非作動状態であり、上述した図９Ａの実施形態と同様にレーザは発光しない。しかしながら、図１０Ｂを参照すると、レーザが発光し始めることが所望されると、装置１００５が１つまたは複数のＲＦエネルギー・パルスを発生し、それが容器１００１を通過し、その結果図９Ｂのナノ構造化された表面を電圧が横切り、パッケージ９０１のバッテリ内の電解質を図９Ｂの両方の電極９０４と９０８に接触させる。したがって、図９Ｂの実施形態のようにレーザ９０６が発光し始める。もし図１０Ａおよび１０Ｂの発射物が銃から発砲される発射物であれば、装置１００５はパッケージ９０１のレーザを作動させるためのパルスを発生する銃の部品である可能性があることを当業者は認識するであろう。ここで使用される銃は拳銃、ライフル、大砲、スリングショット（ｓｌｉｎｇｓｈｏｔ）、または標的に向けて発射物を発射することに適した他のどのような装置としても規定される。場合によっては、例えば発射物が手で投げられる場合には、どのような適切なＲＦエネルギー発生装置も電子機器パッケージ９０１を作動させるために使用される可能性がある。
【００１８】
図１１は、図１０Ａおよび１０Ｂの発射物１００１が表面１１０１、具体例を挙げると車両の表面に接触すると発射物がどのようにして粉々に砕け、液体１００２が表面１１０１に付着するかを示している。それゆえに、液体内の発光パッケージもやはり車両の表面１１０１に付着する。いくつかの軍事大砲(military ordinance)、特に空輸プラットホームから投下される爆弾および／またはミサイルは特定の周波数のレーザ光を自動追尾するように構成される。したがって、これら爆弾またはミサイルが自動追尾することの可能な軍事用レーザ標的装置として発光パッケージ９０６が使用される可能性があることを当業者は認識するであろう。当業者はまた、レーザ標的装置のこの形式が現在使用されているレーザ標的システムを上回る利点を有することも認識するであろう。例えば、ある現在のシステムはレーザを伴う標的の手作業の「塗装」に頼る。このケースでは、地上の人員が標的の近くに留まり、標的上にレーザを光らせなければならず、したがって発見されるかまたは殺傷される危険に人員を置く。別の現在のシステムは標的をレーザで塗装するために航空機に頼る。しかしながらこれもやはり爆弾またはミサイルが標的に命中するまで標的の近くに航空機が留まることを必要とする。これも同様に望ましくない。
【００１９】
図１０Ａおよび１０Ｂの発射物は、それらが車両で発砲され、かつ自己発生型レーザ発光器としてはたらくことが可能であるという利点を有する。したがって人員または航空機のいずれも標的をレーザで塗装することを要求されない。付け加えると、図１０Ａおよび１０Ｂのレーザ発光器が発射物を発砲する前に作動させられる必要がないことを当業者は認識するであろう。そうではなく、発射物が発射されて作動していない発光器が図１１に示したように表面１１０１に付着してもよい。その後、後の時間にＲＦエネルギーがいずれかの適切な供給源によって作り出され、それがレーザ発光器を作動させることもあり得る。当業者はまた、例えば多様な暗号化を使用することにより、多様な発射物内のレーザ・パッケージによって多様なレーザ信号が発光されることが可能であり、その結果、多様な大砲(ordinance)による標的に差別化を可能にすることも認識するであろう。
【００２０】
以上は単に本発明の原理を具体的に示しているに過ぎない。したがって、本明細書に明確に説明または提示されていないけれども本発明の原理を具現化し、その精神と範囲内にある様々な配列を当業者が工夫することが可能であろうことは理解されるであろう。例えば、本明細書の様々な実施形態の説明を考慮に入れて当業者は本発明の原理が異なる分野および用途で広範に利用される可能性があることを認識するであろう。本明細書に引用されたすべての範例および条件付の専門用語は読者が本発明の原理を理解することを補助するための教示の目的に過ぎないことを明確に意図されており、そのような特に引用された範例および条件に限定されないものとして解釈されるべきである。さらに、本発明の態様および実施形態、ならびにその特定の範例を引用する本明細書のすべての記述はその機能的に同等の例を包含するように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】電気回路に使用される先行技術の液体セルバッテリを示す図である。
【図２】先行技術のナノポスト表面を示す図である。
【図３】図３Ａ乃至図３Ｅは、本発明での使用に適した所定のナノ構造の様々な先行技術のナノ構造特徴を示す図である。
【図４】図３Ｃの先行技術のナノ構造特徴のさらに詳細を示す図である。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の原理による装置を示す図であって、これにより、液滴をナノ構造特徴パターンに浸透させるためにエレクトロウェッティングの原理が使用される。
【図６】図５Ａおよび５Ｂのナノ構造特徴パターンの具体例のナノポストの詳細を示す図である。
【図７】本発明の原理による具体例の液体セルバッテリを示す図であって、バッテリ内の電解質はナノ構造体によって負電極から分離されている。
【図８】バッテリ内の電解質がナノ構造体に浸透させられ、その結果、負電極に接触させられる図７の具体例のバッテリを示す図である。
【図９】図９Ａおよび図９Ｂは、１つまたは複数のレーザを有する電気回路内で図７および８それぞれのバッテリを使用する具体例の実施形態を示す図である。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは、図９Ａおよび９Ｂの具体例の実施形態の複数の装置が発射物のような容器内にどのように配置され得るかを示す図である。
【図１１】図１０Ａおよび１０Ｂの発射物がどのようにしてレーザ照準標的として使用され得るかを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2005150119.tif 000010
【図９】
2005150119.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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