밀봉형 고체 상태 배터리{SEALED SOLID STATE BATTERY}

<관련 출원에 대한 상호 참조>

본 출원은 2014년 8월 13일자로 출원된 미국 가출원 제62/036,715호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본 명세서에서 그 전체가 참조로서 그리고 모든 목적을 위해 포함된다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 본 섹션에서 설명되는 자료들은 본 출원에서의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 본 섹션에서의 포함에 의해 종래 기술인 것으로 인정되지는 않는다.

배터리 기술의 진보는 작은 부피를 차지하면서 장시간 동안 첨단 디바이스에 전력을 공급할 수 있는 소형의, 고 에너지 밀도 전기화학 배터리의 제조를 가능하게 했다. 전기화학 배터리는 2개의 전극(애노드 및 캐소드) 사이에 개재된 전해질을 포함한다. 애노드와 전해질 사이 및 전해질과 캐소드 사이의 전기화학 반응은 전극들 사이에 전위를 발생시킬 수 있다. 계속되는 전기화학 반응은 하나의 전극에서 전극들에 연결된 디바이스를 통해 대향 전극으로 전류를 유도하여, 전류로 디바이스에 전원을 공급할 수 있다.

리튬 이온 배터리들은 리튬 이온을 전달하는 전해질에 의해 서로 분리된 캐소드 및 애노드를 포함한다. 방전 동안, 배터리가 전극들을 가로 질러 연결된 회로에 전류를 공급할 때, 2개의 전극에서 산화 환원 반응이 일어난다. 애노드에서의 산화 반응은 리튬을 이온화하고, 이는 애노드로부터 연결된 회로로 전자들을 방출하며, 이는 캐소드로부터 애노드로 연결된 회로를 통해 전류가 흐르게 한다(즉, 전자 이동 방향의 역전). 리튬 이온들은 전해질을 통해 애노드에서 캐소드로 이동하여 회로의 전자 흐름의 균형을 맞춘다. 캐소드에서는, 리튬 이온들과 전자들이 감소한다. 애노드와 캐소드에서의 리튬 사이의 에너지 포텐셜의 차이는 배터리의 화학적으로 저장된 에너지와 대응한다. 경우에 따라, 리튬 배터리는 전극들에 역 전류를 인가하여, 리튬 이온들이 반대 방향으로 전해질을 통과하게 하고 리튬을 애노드에 재공급함으로써 재충전될 수 있다.

전기화학 배터리는 전해질의 대향하는 면에 배열된 전극들(캐소드 및 전극)을 포함할 수 있다. 전극들 및 전해질은 각각 서로의 상부에 적층되어 기판 상에 배치된 적층 구조를 생성할 수 있는 고체 상태 막일 수 있다. 중합체 실란트 재료는 배터리 스택의 상부 및 주위에 도포될 수 있고 수분 장벽은 밀봉 재료 위에 형성되어 수분이 배터리에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 그 다음으로, 캐소드 및 애노드에 각각 전기적으로 연결된 도전성 단자가 제1 면에 대향한 기판의 제2 면 상에 형성될 수 있다. 이와 같이, 배터리는 대응하는 장착 패드에 플립-칩 장착될 수 있고, 이에 의해 배터리로부터 전력을 수신할 수 있는 다른 전자 장치에 접속될 수 있다.

본 개시내용의 일부 실시예는 밀봉형 배터리를 포함할 수 있다. 밀봉형 배터리는 기판, 배터리 스택, 중합체 실란트층, 제1 도전성 패드 및 제2 도전성 패드를 포함할 수 있다. 기판은 제1 면 및 제2 면을 가질 수 있다. 배터리 스택은 기판의 제1 면 상에 배치될 수 있다. 배터리 스택은 캐소드층, 애노드층 및 전해질층을 포함할 수 있다. 캐소드층 및 애노드층 중 첫번째 층은 기판의 제1 면 상에 배치될 수 있다. 전해질층은 캐소드층과 애노드층 사이에 배치될 수 있다. 중합체 실란트층은 배터리 스택 위에 및 그 주위에 형성될 수 있다. 제1 도전성 패드는 기판의 제2 면 상에 위치하며, 캐소드층에 전기적으로 결합될 수 있다. 제2 도전성 패드는 기판의 제2 면 상에 위치하며, 애노드층에 전기적으로 결합될 수 있다.

본 개시내용의 일부 실시예는 신체 장착형 디바이스를 포함할 수 있다. 신체 장착형 디바이스는 신체 장착형 표면을 갖도록 형성된 중합체 재료 및 중합체 재료 내에 내장된 밀봉형 배터리를 포함할 수 있다. 밀봉형 배터리는 기판, 배터리 스택, 중합체 실란트층, 제1 도전성 패드 및 제2 도전성 패드를 포함할 수 있다. 기판은 제1 면 및 제2 면을 가질 수 있다. 배터리 스택은 기판의 제1 면 상에 배치될 수 있다. 배터리 스택은 캐소드층, 애노드층 및 전해질층을 포함할 수 있다. 캐소드층 및 애노드층 중 첫번째 층은 기판의 제1 면 상에 배치될 수 있다. 전해질층은 캐소드층과 애노드층 사이에 배치될 수 있다. 중합체 실란트층은 배터리 스택 위에 및 그 주위에 형성될 수 있다. 제1 도전성 패드는 기판의 제2 면 상에 위치하며, 캐소드층에 전기적으로 결합될 수 있다. 제2 도전성 패드는 기판의 제2 면 상에 위치하며, 애노드층에 전기적으로 결합될 수 있다.

본 개시내용의 일부 실시예는 방법을 포함할 수 있다. 본 방법은 기판의 제1 면 상에 배터리 스택을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 배터리 스택을 형성하는 것은, (i) 캐소드 전류 컬렉터층이 기판의 제1 면의 제1 영역을 점유하도록 기판의 제1 면 상에 캐소드 전류 컬렉터층을 형성하는 것; (ii) 캐소드 전류 컬렉터층 상에 캐소드 활성층을 형성하는 것; (iii) 캐소드 활성층 상에 전해질층을 형성하는 것; (iv) 전해질층 상에 애노드 활성층을 형성하는 것; 및 (v) 애노드 활성층 상에 애노드 전류 컬렉터층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 애노드 전류 컬렉터층의 일부는 애노드 활성층을 넘어 연장되어 애노드 전류 컬렉터층이 기판의 제1 면의 적어도 제2 영역을 점유하도록 기판의 제1 면 상에 배치된다. 본 방법은 또한 배터리 스택 위에 및 그 주위에 중합체 실란트층을 도포하여 중합체 실란트층과 기판 사이에 배터리 스택을 캡슐화하는 것을 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 수분이 중합체 실란트층 및 배터리 스택에 도달하는 것을 방지하기 위해 중합체 실란트층 위에 수분 장벽을 도포하는 것을 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 기판에 제1 개구 및 제2 개구를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 제1 개구는 기판의 제2 면으로부터, 캐소드 전류 컬렉터의 적어도 일부를 노출시킬 수 있다. 제2 개구는 기판의 제2 면으로부터, 애노드 전류 컬렉터의 적어도 일부를 노출시킬 수 있다. 본 방법은 또한 제1 및 제2 개구 각각의 적어도 일부를 도전성 재료로 채워서 기판을 통해 각각의 전기적 경로를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 제1 도전성 패드가 캐소드 전류 컬렉터층에 전기적으로 결합되도록, 제1 개구 내의 도전성 재료에 전기적으로 결합되는 제1 도전성 패드를 기판의 제2 면 상에 형성하는 것을 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 제2 도전성 패드가 애노드 전류 컬렉터층에 전기적으로 결합되도록, 제2 개구 내의 도전성 재료에 전기적으로 결합되는 제2 도전성 패드를 기판의 제2 면 상에 형성하는 것을 포함할 수 있다.

본 개시내용의 일부 실시예는 기판의 제1 면 상에 배터리 스택을 형성하는 수단을 포함한다. 본 개시내용의 일부 실시예는 또한 배터리 스택 위에 및 그 주위에 중합체 실란트층을 도포하여 중합체 실란트층과 기판 사이에 배터리 스택을 캡슐화하는 수단을 포함한다. 본 개시내용의 일부 실시예는 또한 수분이 중합체 실란트층 및 배터리 스택에 도달하는 것을 방지하기 위해 중합체 실란트층 위에 수분 장벽을 도포하는 수단을 포함한다. 본 개시내용의 일부 실시예는 기판에 제1 개구 및 제2 개구를 형성하는 수단을 포함한다. 본 개시내용의 일부 실시예는 제1 및 제2 개구 각각의 적어도 일부를 도전성 재료로 채워서 기판을 통해 각각의 전기적 경로를 생성하는 수단을 포함한다. 본 개시내용의 일부 실시예는 제1 도전성 패드가 캐소드 전류 컬렉터층에 전기적으로 결합되도록, 제1 개구 내의 도전성 재료에 전기적으로 결합되는 제1 도전성 패드를 기판의 제2 면 상에 형성하는 수단을 포함한다. 본 개시내용의 일부 실시예는 제2 도전성 패드가 애노드 전류 컬렉터층에 전기적으로 결합되도록, 제2 개구 내의 도전성 재료에 전기적으로 결합되는 제2 도전성 패드를 기판의 제2 면 상에 형성하는 수단을 포함한다.

이들뿐만 아니라 다른 양태들, 이점들, 및 대안들이 적절한 경우에 첨부 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명을 검토함으로써 본 기술 분야의 통상의 기술자들에게 명백해질 것이다.

도 1은 외부 판독기와 무선 통신하는 신체 장착형 디바이스를 포함하는 예시적인 시스템의 블록도이다.
도 2a는 예시적인 눈 장착형 디바이스의 하면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시한 예시적인 눈 장착형 디바이스의 측면도이다.
도 2c는 눈의 각막 표면에 장착되는 동안의 도 2a 및 도 2b에 도시된 예시적인 눈 장착형 디바이스의 측단면도이다.
도 2d는 눈의 각막 표면에 장착되는 동안의 도 2a 및 도 2b에 도시된 예시적인 눈 장착형 디바이스의 인접한 측단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 고체 상태 배터리의 측단면도들이다.
도 4a는 기판의 상부 표면을 따라 종단하는 수분 장벽을 갖는 예시적인 고체 상태 배터리의 상부 종횡도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 예시적인 고체 상태 배터리의 하부 종횡도이다.
도 4c는 도 4a에 도시된 예시적인 고체 상태 배터리의 측 단면도이다.
도 5a는 기판의 측면을 따라 종단하는 수분 장벽을 갖는 예시적인 고체 상태 배터리의 상부 종횡도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 예시적인 고체 상태 배터리의 하부 종횡도이다.
도 5c는 도 5a에 도시된 예시적인 고체 상태 배터리의 측 단면도이다.
도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d, 도 6e, 도 6f, 및 도 6g는 예시적인 실시예에 따라, 밀봉형 고체 상태 배터리를 제조하는 단계 및 배터리를 플립-칩 장착하는 단계를 도시한다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e, 도 7f, 및 도 7g는 예시적인 실시예에 따라, 밀봉형 고체 상태 배터리를 제조하는 단계 및 배터리를 플립-칩 장착하는 단계를 도시한다.
도 8은 밀봉형 고체 상태 배터리를 제조하기 위한 예시적인 프로세스의 흐름도이다.

아래의 상세한 설명에서는, 그의 일부를 형성하는 첨부 도면들을 참조한다. 도면들에서, 유사한 기호는 일반적으로 상황이 달리 지시하지 않는 한 유사한 구성 요소를 식별한다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항에서 설명되는 실시예들은 한정되는 것으로 의도하지 않는다. 본 명세서에서 제시되는 주제의 범위로부터 벗어나지 않고서, 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 다른 변경들이 이루어질 수 있다. 본 명세서에 일반적으로 기술되고 도면들에 예시된 바와 같은 본 개시내용의 양태들은 다양한 다른 구성으로 배열, 대체, 결합, 분리 및 설계될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있으며, 이들 모두는 본 명세서에서 명백하게 고려된다.

I. 개요

전기화학 배터리는 전해질의 각각의 표면 상에 배열된 전극들(캐소드 및 전극)을 포함할 수 있다. 전극들 및 전해질은 각각 서로의 상부에 적층되어 기판 상에 배치된 적층 구조를 생성할 수 있는 고체 상태막들일 수 있다. 중합체 실란트 재료는 배터리 스택의 상부 및 주위에 도포될 수 있고 수분 장벽은 실란트 재료 위에 형성되어 수분이 배터리에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 캐소드 및 애노드에 전기적으로 결합된 도전성 단자들은 각각 기판의 제2 면 상에 형성될 수 있다. 이와 같이, 배터리는 대응하는 장착 패드에 플립-칩 장착될 수 있고, 이에 의해 배터리로부터 전력을 수신할 수 있는 다른 전자 장치에 연결될 수 있다.

적층된 캐소드, 전해질, 및 애노드는 실란트 재료와 기판 사이에 배터리를 캡슐화하기 위해 배터리 층 상부 및 주위에 부합하는 중합체 실란트 재료에 의해 둘러싸일 수 있다. 수분 장벽은 중합체 실란트 재료 위에 도포되어 수분이 적층된 배터리 층들 및 실란트 재료에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 이렇게 형성된 밀봉형 배터리는 수분 및/또는 오염물의 유해한 영향에 대해 실질적으로 내성을 갖는다. 밀봉형 배터리는 또한 파릴렌(parylene) 또는 다른 재료의 등각 층과 같은 생체 적합 재료로 코팅되고 생물학적 환경에서 사용되는 디바이스에 통합될 수 있다. 예를 들어, 밀봉형 배터리는 신체 장착형 디바이스 또는 이식형 디바이스에 사용될 수 있다. 일부 경우에, 개시된 배터리는 공통 기판 상에 전극 및 전해질 막들을 패터닝함으로써 벌크로 제조될 수 있다. 기판은 각 전극을 기판의 대향 측면 상의 각각의 도전 단자에 전기적으로 결합하는 도전성 비아를 포함할 수 있다.

다음으로, 위에 배터리 셀들을 구비한 기판은 개별 배터리 셀들을 분리하기 위해 다이싱(dicing)될 수 있고, 적층된 배터리 층 위에 그리고 주위에 실란트 재료를 도포함으로써 개별 배터리들이 밀봉될 수 있다. 다음으로, 밀봉형 배터리는 장착 패드를 대응하는 도전 단자 또는 전자 장치에 전기적 접속을 제공하는 트레이스에 본딩함으로써 다른 전자 장치에 접속하도록 플립-칩 장착될 수 있다. 다음으로, 장착된 배터리는 연결된 전자 장치에 전원을 공급할 수 있다. 일부 경우에, 밀봉형 배터리는 신체 장착형 디바이스 또는 이식형 디바이스에 통합되어 이러한 디바이스의 전자 장치에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 그러한 애플리케이션에서, 고체 상태 배터리의 제조는 디바이스의 다른 전자 장치의 제조로부터 분리될 수 있으며, 박막 배터리 제조와 관련된 제약없이 그러한 다른 전자 장치가 제조될 수 있게 한다.

예를 들어, 배터리를 제조하는 것은 캐소드 재료를 결정화하기 위해 약 800℃와 같은 비교적 고온에서 어닐링하는 것을 포함할 수 있거나, 또는 배터리 기판은 다양한 단계에서 독한 용매로 린스될 수 있다. 따라서, 배터리가 다른 전자 장치(예를 들어, 칩, 센서, 안테나 등)과 동일한 기판에 직접적으로 어셈블링되었다면, 재료 및/또는 공정 순서의 선택은 배터리 제조(예를 들어, 고온, 독한 용매, 등)에 대한 준수 필요성으로 인해 제한된다. 다른 인자들 중에서도, 이러한 제한으로 인해 예를 들어, 800℃를 견딜 수 있는 기판 재료를 선택해야 한다. 그러나, 본 명세서에 설명된 배터리는 대응하는 장착 패드 상에 플립-칩 본딩(flip-chip bonding)에 의해 디바이스에 통합될 수 있기 때문에, 배터리 이외의 디바이스 내의 모든 전자 장치는 그러한 제한없이 제조될 수 있다. 따라서, 이와 같은 다른 전자 장치가 배치되는 기판은 배터리 자체의 미세 제조에 사용되는 온도 및/또는 용매에 따를 필요가 없다. 예를 들어, 나머지 전자 장치를 지지하기 위한 기판은 중합체 재료와 같이 배터리 제조에 일반적으로 사용되지 않는 기판(예를 들어, 파릴렌 또는 폴리아미드 기판)일 수 있다. 또한, 배터리의 제조는 단일의 퇴적 동작의 시퀀스로 공통 기판 상에 다수의 배터리를 동시에 제조함으로써 벌크로 수행될 수 있다. 다음으로, 위에 배터리를 구비한 공통 기판은 개별 배터리를 분리하기 위해 다이싱될 수 있다. 그 결과, 향상된 설계 유연성을 제공할 뿐만 아니라, 개시된 배터리는 또한 증가된 효율 및 제조 비용 감소를 제공한다.

완전히 어셈블링된 배터리는 100 마이크로미터보다 작은 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 캐소드, 전해질, 및 애노드 층 각각은 약 2 내지 3 마이크로미터의 두께를 가질 수 있으므로, 배터리 스택은 약 6 내지 10 마이크로미터의 전체 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 캐소드는 리튬 코발트 산화물 또는 유사한 재료의 퇴적층을 포함할 수 있고; 전해질은 리튬 인 산질화물의 퇴적층을 포함할 수 있으며; 애노드는 증착된 리튬 금속의 층을 포함할 수 있다. 일 측면 상에 배치된 배터리 스택 및 다른 측면 상의 도전성 장착 패드를 갖는 기판은 약 20-40 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 이러한 기판은, 예를 들어 원하는 두께로 연마된 실리콘 칩일 수 있다. 마지막으로, 실란트층 및/또는 수분 장벽은 약 10-30 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 어셈블링된 배터리는 생물학적 호스트의 신체에 장착되거나 생물학적 호스트 내에 이식되는 것과 같이, 수분에 노출된 환경에서 사용하기에 적합하다. 일부 애플리케이션에서, 다양한 층의 전체 두께(및 다른 치수 변수)는 크기/중량 제한과 관련된 인자 이외에 타겟 에너지 저장 용량 및/또는 전력 전달을 제공하도록 부분적으로 선택될 수 있다.

일부 예에서, 개시된 배터리는 콘택트 렌즈와 유사한 눈 장착형 디바이스에 포함될 수 있다. 배터리는 눈 장착형 디바이스의 다양한 생체 상호작용 전자 장치에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 눈 장착형 디바이스는 눈물의 특성을 측정하기 위한 센서를 포함할 수 있다. 밀봉형 배터리는 기판 재료의 추가적인 전자 장치에 연결되는 도전성 패드에 플립-칩 장착될 수 있다. 기판은 눈 표면에 장착되도록 형성된 중합체 재료 내에 내장될 수 있다. 콘택트 렌즈 디바이스는 눈물 피분석물 농도의 측정치를 얻고나서 안테나를 사용하여 결과를 외부 판독기에 전달하도록 센서를 작동시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 칩은 배터리, 안테나, 및 센서에 연결될 수 있으며, 이들 모두는 콘택트 렌즈의 중합체 재료로 내장된 기판 상애 배치될 수 있다. 칩은 (i) 배터리로부터 전력을 수신하고; (ii) 측정치를 획득하기 위한 센서를 작동시키며, (iii) 안테나를 사용하여 측정치를 전달하도록 구성될 수 있다.

이러한 눈 장착형 디바이스(또는 다른 신체 장착형 디바이스)의 센서는 눈물의 피분석물 농도의 측정치를 획득하기 위한 전기화학 센서일 수 있다. 전기화학 센서는 눈물에 노출된 작동 전극 및 기준 전극(또는 상대 전극)을 포함할 수 있다. 측정하는 동안, 작동 전극은 기준 전극에 대해 대전되어 눈물 내의 피분석물이 작동 전극에서 전기화학 반응을 일으키게 한다. 이러한 반응으로 인해 피분석물이 작동 전극에서 전기화학적으로 소모되기 때문에 전극들 사이에 전류 측정 전류가 흐르게 된다. 따라서, 전류는 눈물 내의 피분석물 농도의 표시를 제공한다. 또한, 제어 칩은 전류 측정 전류의 표시와 같이, 센서 측정치를 무선으로 전달하기 위해 안테나를 작동시킬 수 있다.

또 다른 예에서, 배터리는 다른 디바이스 및/또는 애플리케이션에서 전자 장치들에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 개시된 밀봉형 고체 상태 배터리는 예를 들어, 크기 및/또는 중량 제한을 갖는 애플리케이션(예를 들어, 1 밀리미터 미만의 두께를 갖는 디바이스)에서 사용될 수 있다. 예들은 환경 센서, 이식형 디바이스 또는 기타 전자 장치를 포함할 수 있다. 소형 센서는 에어포일에 결합되어 미립자 농도, 온도 또는 공기 품질과 관련된 다른 측정치의 다른 위치에서 측정치를 획득하기 위해 분산될 수 있다. 어떤 경우에는, 다양한 표면에 부착될 수 있는 스티커와 유사하게, 센서 또는 다른 디바이스가 접착 기판에 통합될 수 있다. 이러한 접착 전자 장치는 예를 들어, 공기 품질 측정치 또는 자신의 의복 및/또는 신체에 접착 디바이스를 착용한 사람이 겪게 되는 다른 안전 관련 측정치를 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 접착 디바이스는 또한 물품에 부착될 수 있으며, 접착 디바이스에 통합된 배터리에 의해 구동되는 능동 RFID 칩을 제공함으로써 소포, 차량 등의 식별을 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 밀봉형 고체 상태 배터리에 대한 많은 다른 예시적인 애플리케이션이 가능하다.

II. 예시적인 신체 장착형 전자 장치 플랫폼

도 1은 외부 판독기(180)와 무선 통신하는 신체 장착형 디바이스(110)를 포함하는 시스템(100)의 블록도이다. 신체 장착형 디바이스(110)는 신체면에 장착되도록 형성된 중합체 재료(120)로 만들어진다. 예를 들어, 중합체 재료(120)는 눈의 각막 표면에 접촉 장착되도록 형성될 수 있다. 기판(130)은 전원(140), 제어기(150), 생체 상호작용 전자 장치(160), 및 통신 안테나(170)와 같은 전자 장치 컴포넌트를 위한 장착 위치를 제공하기 위해 중합체 재료(120)에 내장된다. 생체 상호작용 전자 장치(160)는 제어기(150)에 의해 작동된다. 전원(140)은 제어기(150) 및/또는 생체 상호작용 전자 장치(160)에 동작 전압을 공급한다. 안테나(170)는 제어기(150)에 의해 작동되어 신체 장착형 디바이스(110)에 및/또는 그로부터 정보를 전달한다. 안테나(170), 제어기(150), 전원(140), 및 생체 상호작용 전자 장치(160) 는 모두가 내장된 기판(130) 상에 위치할 수 있다. 신체 장착형 디바이스가 콘택트 렌즈와 유사하게 눈에 콘택트 장착되도록 배치되는 애플리케이션에서, 이는 본 명세서에서 안과용 전자 장치 플랫폼으로 지칭될 수도 있다.

A. 중합체 재료

중합체 재료(120)는 원하는 신체 장착 위치와 인터페이스하도록 구성된 외부 표면을 포함하도록 형상화될 수 있다. 예를 들어, 중합체 재료(120)는 치아 장착 가능 표면, 머리 장착 기능 표면, 귀 장착 가능 표면, 피부 장착 가능 표면, 눈 장착 가능 표면 등을 포함할 수 있다. 신체 장착형 디바이스(110)는 또한 이식 가능한 구성을 포함하여 생체 내 샘플 유체에 접근하도록 다른 신체 위치에 장착되도록 구성된 폼 팩터로 구현될 수 있다. 예를 들어, 중합체 재료(120)는 부드럽고 디바이스(110)가 피부 아래 및/또는 피부 내에 이식되는 애플리케이션에 적합한 생체에 적합한 코팅을 포함할 수 있다. 중합체 재료(120)는 디바이스(110) 내에 전자 장치를 부분적으로 또는 전체적으로 캡슐화할 수 있다. 일부 실시예에서, 신체 장착형 디바이스(110)는 치아, 피부 표면, 점막, 피하 영역, 간질 영역 내 또는 생체 내 유체 피분석물 농도가 측정될 수 있는 또 다른 영역에 장착되도록 구성된 장착 표면을 포함할 수 있다.

눈에 접촉 장착을 가능하게 하기 위해서, 중합체 재료(120)는 (예를 들어, 각막 표면을 코팅하는 눈물 막과의 모세관력에 의해) 수분화된 각막 표면에 접착("장착")하도록 구성된 오목면을 가질 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 신체 장착형 디바이스(110)는 오목한 만곡에 기인한 각막 표면과 중합체 재료 간의 진공력에 의해 접착될 수 있다. 눈에 대해 오목면으로 장착되는 동안, 중합체 재료(120)의 외향 표면은 신체 장착형 디바이스(110)가 눈에 장착되어 있는 동안 눈꺼풀 움직임에 간섭하지 않도록 형성되는 볼록한 만곡을 가질 수 있다. 예를 들어, 중합체 재료(120)는 콘택트 렌즈와 유사하게 성형된 실질적으로 투명한 만곡된 중합체 디스크일 수 있다.

중합체 재료(120)는 콘텐트 렌즈 또는 각막 표면과의 직접적 접촉을 수반하는 다른 안과적 애플리케이션에서 이용하기 위해 채용되는 것들과 같은, 하나 이상의 생체 적합 재료를 포함할 수 있다. 중합체 재료(120)는 선택적으로 이러한 생체 적합 재료로부터 부분적으로 형성될 수 있고 또는 이러한 생체 적합 재료에 의한 외부 코팅을 포함할 수 있다. 중합체 재료(120)는 하이드로겔 등과 같은, 각막 표면을 습윤화하도록 구성된 재료들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중합체 재료(120)는 착용자 편리성을 향상시키기 위해 변형가능한("비강성") 재료일 수 있다. 일부 실시예들에서, 중합체 재료(120)는 미리 결정된 시력 교정 광학 파워(예를 들어, 시력 교정 애플리케이션)를 제공하도록 성형될 수 있다.

B. 기판

기판(130)은 생체 상호작용 전자 장치(160), 제어기(150), 전원(140), 및 안테나(170)를 장착하기에 적합한 하나 이상의 표면을 포함한다. 기판(130)은 전극, 인터커넥트, 접속 패드, 안테나, 등을 만들기 위해 (예를 들어, 기판(130) 상에 패터닝된 도전성 단자들에 장착하기 위한 플립-칩에 의해) 칩 기반 회로를 위한 장착 플랫폼 및/또는 도전성 재료(예를 들어, 금, 백금, 팔라듐, 티타늄, 구리, 알루미늄, 은, 금속, 다른 도전성 재료, 이것들의 조합, 등)를 패터닝하기 위한 플랫폼으로서 둘다 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 실질적으로 투명 도전성 재료(예를 들어, 산화 인듐 주석)는 회로, 전극, 등을 형성하기 위해 기판(130) 상에 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 안테나(170)는 퇴적, 포토리소그래피, 전기 도금, 등에 의해 금 또는 또 다른 도전성 재료의 패턴을 기판(130) 상에 형성함으로써 제조될 수 있다. 마찬가지로, 제어기(150)와 생체 상호작용 전자 장치(160) 사이의, 그리고 제어기(150)와 안테나(170) 사이의 인터커넥트들(151, 157)은 각각, 도전성 재료의 적절한 패턴을 기판(130) 상에 퇴적함으로써 형성될 수 있다. 포토레지스트들, 마스크들, 피착 기술들, 및/또는 도금 기술들의 사용을, 제한 없이, 포함하는 미세 제조 기술들의 조합이 기판(130) 상에 재료들을 패터닝하는 데 사용될 수 있다.

기판(130)은 중합체 재료(120) 내의 회로 및/또는 칩 기반 전자 장치를 구조적으로 지지하도록 구성된 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET") 또는 다른 재료 등의, 비교적 강성 재료일 수 있다. 신체 장착형 디바이스(110)는 대안적으로 단일 기판이 아니라 비접속 기판들의 그룹으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 제어기(150)와 생체 상호작용 전자 장치(160)에 포함된 센서는 하나의 기판에 장착될 수 있지만, 안테나(170)는 다른 기판에 장착될 수 있고 이 둘은 인터커넥트들(157)을 통해 전기적으로 접속될 수 있다. 다른 예에서, 기판(130)은 안테나(170)의 분리된, 중첩된 코일형 부분을 각각 지지하는 별도의 구획을 포함할 수 있다. 예를 들어, 안테나 (170)가 각 반경에서 원주 방향으로 신체 장착형 디바이스(110)를 감싸는 다수의 권선으로 분할되고, 병렬 및/또는 직렬로 연결되는 실시예. 서로에 대한 개개의 권선의 이동을 용이하게 하고, 이에 따라 신체 장착형 디바이스(110)의 유연성을 향상시키고, 안테나의 결합 또는 다른 변형을 방지하는 것을 돕기 위해, 개별 권선은 각각 기판(130)의 분리된 부분 상에 장착될 수 있다.

눈 장착 가능 애플리케이션에서, 기판(130)(및 그 위의 생체 상호작용 전자 장치(160))은 빛이 동공(예를 들어, 디바이스의 중심)에 전달되는 디바이스(110)의 영역으로부터 떨어져서 위치될 수 있다. 이와 같이, 기판(130)은 눈의 중앙 감광 영역으로의 광 투과와의 간섭을 피할 수 있다. 예를 들어, 눈 장착형 디바이스(110)가 오목하게 만곡된 디스크로서 성형되는 경우, 기판(130)은 디스크의 주변(예를 들어, 외곽 원주 부근) 주위에 내장될 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 생체 상호작용 전자 장치(160)(및 기판(130))는 눈 장착형 디바이스(110)의 중심 영역 안이나 부근에 배치될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 생체 상호작용 전자 장치(160) 및/또는 기판(130)은 눈으로의 광 투과와의 간섭을 완화하도록 인입되는 가시광에 대해 실질적으로 투명할 수 있다. 게다가, 일부 실시예들에서, 생체 상호작용 전자 장치(160)는 디스플레이 명령에 따라 눈에 들어오는 광을 방출 및/또는 투과하는 화소 어레이(164)를 포함할 수 있다. 따라서, 생체 상호작용 전자 장치(160)는 예를 들어, 화소 어레이(164) 상에 정보(예를 들어, 문자들, 기호들, 번쩍이는 패턴들, 등)를 표시함으로써, 눈 장착형 디바이스의 착용자에게 지각할 수 있는 시각적 신호들을 생성하도록 선택적으로 배치될 수 있다.

기판(130)의 치수는 다양한 인자에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 눈 장착가능 애플리케이션에서, 기판(130)은 내장된 전자 장치 컴포넌트들을 위한 장착 플랫폼을 제공하기에 충분한 방사상 폭 치수를 갖는 납작한 링으로서 성형될 수 있다. 기판(130)은 눈 장착형 디바이스의 프로파일에 영향을 주지 않고 기판(130)이 중합체 재료(120)에 내장되는 것을 허용하기에 충분히 작은 두께를 가질 수 있다. 기판(130)은 그 위에 장착된 전자 장치를 지지하기 위해 적합한 구조적 안정성을 제공하기에 충분히 큰 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 기판(130)은 약 10밀리미터의 직경, 약 1밀리미터의 방사상 폭(예를 들어, 내경보다 1밀리미터 큰 외경), 및 약 50마이크로미터의 두께를 갖는 링으로서 성형될 수 있다. 기판(130)은 내경과 외경을 정의하는 2개의 원형 링들 사이에 가상 원추의 표면을 따라 성형될 수 있다. 이러한 예에서, 가상 원추의 표면을 따르는 기판(130)의 표면은 그 반경에서 눈 장착 표면의 만곡과 대략 정렬된 경사진 표면을 정의한다.

C. 전원

전원(140)은 제어기(150) 및 생체 상호작용 전자 장치(160)에 전력을 공급하기 위해 DC 전력(141)을 공급하는 배터리(146)를 충전하기 위해 주변 에너지를 수집하도록 구성된다. 예를 들어, 무선 주파수 에너지 수집 안테나(142)는 입사 무선 방사선으로부터 에너지를 포착할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 태양 전지(들)("광전 전지들")는 인입되는 자외선, 가시선, 및/또는 적외선 복사로부터 에너지를 포착할 수 있다. 또한, 신체 장착형 디바이스(110)의 움직임으로부터 에너지를 포착하기 위해 관성 전력 포집 시스템이 포함될 수 있다. 에너지 수집 안테나(142)는 선택적으로 외부 판독기(180)에 정보를 전달하는데 역시 사용되는 이중 목적 안테나일 수 있다. 즉, 통신 안테나(170)와 에너지 수집 안테나(142)의 기능들은 동일한 물리적 안테나(들)로 달성될 수 있다.

정류기/조절기(144)는 포착된 에너지를 제어기(150)에 공급되는 안정된 DC 공급 전압(141)으로 조절하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 에너지 수집 안테나(142)는 입사된 무선 주파수 방사선을 수신할 수 있다. 안테나(142)의 리드 상의 다양한 전기 신호는 정류기/조절기 (144)로 출력된다. 정류기/조절기(144)는 변화하는 전기 신호를 DC 전압으로 정류하고 정류된 DC 전압을 배터리(146)를 충전하기에 적합한 레벨로 조절한다. 디바이스(110)의 작동 중에, 배터리(146)는 제어기(150) 및 배터리(146)를 방전하는 다른 내장된 전자 장치(160)에 DC 전력(141)을 공급할 수있다. 따라서, 배터리 (146)는 캐소드 및 애노드의 각각의 화학적 에너지 상태에 따라 에너지를 저장하는 재충전 가능한 전기화학 셀일 수 있다. 배터리는 고체 상태 전해질, 예를 들어, 리튬 인 산질화물(LIPON)을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 배터리는 캐소드 재료, 전해질 재료, 및 애노드 재료의 막을 서로 적층함으로써 형성될 수 있다. 신체 장착형 디바이스(110)에 통합될 수 있는 고체 상태 배터리의 추가적인 예가 아래에 설명된다.

D. 제어기 및 생체 상호작용 전자 장치

제어기(150)는 DC 공급 전압(141)이 제어기(150)에 제공될 때 온으로 되고, 제어기(150) 내의 로직은 생체 상호작용 전자 장치(160)와 안테나(170)를 작동시킨다. 제어기(150)는 눈 장착형 디바이스(110)의 생물학적 환경과 상호작용하도록 생체 상호작용 전자 장치(160)를 작동시키도록 구성된 로직 회로를 포함한다. 예를 들어, 생물학적 환경으로부터 입력을 얻기 위해 하나 이상의 컴포넌트, 예를 들어 피분석물 생체 센서(162)가 사용될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 생물학적 환경에 출력을 제공하기 위해, 화소 어레이(164) 등의 하나 이상의 컴포넌트가 사용될 수 있다.

한 예에서, 제어기(150)는 피분석물 생체 센서(162)를 작동시키도록 구성된 센서 인터페이스 모듈(152)을 포함한다. 피분석물 생체 센서(162)는, 예를 들어 작동 전극과 기준 전극을 포함하는 전류 측정 전기화학 센서일 수 있다. 전압은 피분석물이 작동 전극에서 전기화학 반응(예를 들어, 환원 및/또는 산화 반응)을 겪게 하기 위해 작동 전극과 기준 전극 사이에 인가될 수 있다. 전기화학 반응은 작동 전극을 통해 측정될 수 있는 전류 측정 전류를 생성한다. 전류 측정 전류는 피분석물 농도와 관련된 전기화학 반응 속도와 관련된다. 따라서, 작동 전극을 통해 측정되는 전류 측정 전류는 피분석물 농도의 표시를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 인터페이스 모듈(152)은 작동 전극을 통해 전류를 측정하면서 작동 전극과 기준 전극 사이에 전압을 인가하도록 구성된 전위 가변기일 수 있다.

일부 예들에서, 시약은 하나 이상의 특별한 피분석물에 대해 전기화학 센서를 민감하게 하기 위해 또한 포함될 수 있다. 예를 들어, 작동 전극에 근접한 글루코스 옥시다제("GOx")의 층은 과산화수소(H ₂ O ₂ )를 발생하기 위해 글루코스 산화를 촉진시킬 수 있다. 과산화수소는 이후 작동 전극에서 전기 산화될 수 있고, 이것은 작동 전극에 전자들을 방출하여, 작동 전극을 통해 측정될 수 있는 전류 측정 전류를 초래하게 한다. 이러한 반응은 하기에 나타나 있다.

환원 또는 산화 반응에 의해 발생된 전류는 전기화학 반응 속도에 대략 비례한다. 또한, 반응 속도는 직접 또는 시약을 통한 촉매 반응에 의해, 반응을 촉진하기 위해 전기화학 센서 전극에 도달하는 피분석물 분자의 비율에 의존한다. 정상 상태에서, 피분석물 분자는 추가의 피분석물 분자가 샘플링된 영역에 확산되는 속도와 대략 동일한 속도로 전기화학 센서 전극에 확산되고, 반응 속도는 피분석물 분자의 농도에 대략 비례한다. 따라서, 작동 전극을 통해 측정된 전류는 피분석물 농도의 표시를 제공한다.

제어기(150)는 화소 어레이(164)를 작동시키기 위한 디스플레이 드라이버 모듈(154)을 선택적으로 포함할 수 있다. 화소 어레이(164)는 행과 열로 배열된 별개로 프로그램 가능한 광 투과, 광 반사, 및/또는 광 방출 화소들의 어레이일 수 있다. 개개의 화소 회로는 디스플레이 드라이버 모듈(154)로부터의 정보에 따라 광을 선택적으로 투과, 반사, 및/또는 방출하기 위해, 액정 기술, 마이크로전자기계 기술, 발광 다이오드 기술, 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 이러한 화소 어레이(164)는 시각적 콘텐츠를 컬러로 렌더링하기 위해 하나보다 많은 컬러의 화소(예를 들어, 적색, 녹색, 및 청색 화소)를 또한 선택적으로 포함할 수 있다. 디스플레이 드라이버 모듈(154)은, 예를 들어 화소 어레이(164) 내의 별개로 프로그램된 화소들에 프로그래밍 정보를 제공하는 하나 이상의 데이터 라인과 이러한 프로그래밍 정보를 수신하도록 화소의 그룹을 설정하기 위한 하나 이상의 어드레싱 라인을 포함할 수 있다. 눈 위에 위치한 이러한 화소 어레이(164)는 광을 눈이 인지할 수 있는 초점 면으로 향하게 하기 위한 하나 이상의 렌즈와 또한 관련될 수 있다.

제어기(150)는 안테나(170)를 통해 정보를 송신 및/또는 수신하기 위한 통신 회로(156)를 또한 포함할 수 있다. 통신 회로(156)는 안테나(170)에 의해 송신 및/또는 수신될 캐리어 주파수 상의 정보를 변조 및/또는 복조하기 위해 하나 이상의 발진기, 믹서, 주파수 인젝터, 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 일부 예에서, 눈 장착형 디바이스(110)는 외부 판독기(180)가 인지할 수 있는 방식으로 안테나(170)의 임피던스를 변조함으로써 생체 센서로부터의 출력을 표시하도록 구성된다. 예를 들어, 통신 회로(156)는 안테나(170)로부터의 후방산란(backscatter) 방사선의 진폭, 위상, 및/또는 주파수에서의 변동을 야기할 수 있고, 이러한 변동은 판독기(180)에 의해 검출될 수 있다.

제어기(150)는 인터커넥트(151)를 통해 생체 상호작용 전자 장치(160)에 연결된다. 예를 들어, 제어기(150)가 센서 인터페이스 모듈(152) 및/또는 디스플레이 드라이버 모듈(154)을 형성하기 위해 집적 회로에 구현된 로직 요소를 포함하는 경우, 패터닝된 도전성 재료(예를 들어, 금, 백금, 팔라듐, 티타늄, 구리, 알루미늄, 은, 금속, 이들의 조합, 등)는 칩 상의 단자를 생체 상호작용 전자 장치(160)에 연결할 수 있다. 유사하게, 제어기(150)는 인터커넥트(157)를 통해 안테나(170)에 연결된다.

도 1에 도시된 블록도는 설명의 편의를 위해 기능 모듈들과 관련하여 설명된다는 점에 유의한다. 그러나, 신체 장착형 디바이스(110)의 실시예들은 단일 칩, 집적 회로, 및/또는 물리적 컴포넌트로 구현된 기능 모듈들("서브 시스템들") 중 하나 이상으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 정류기/조절기(144)가 전원 블록(140) 내에 도시되어 있지만, 정류기/조절기(144)는 제어기(150)의 로직 요소들 및/또는 신체 장착형 디바이스(110) 내의 내장된 전자 장치의 다른 특징들을 또한 포함하는 칩 내에 구현될 수 있다. 따라서, 전원(140)으로부터 제어기(150)에 제공되는 DC 공급 전압(141)은 동일한 칩 상에 위치한 정류기 및/또는 조절기 컴포넌트들에 의해 칩 상의 컴포넌트들에 제공되는 공급 전압일 수 있다. 즉, 전원 블록(140)과 제어기 블록(150)으로서 도시한 도 1의 기능 블록들은 물리적으로 분리된 모듈들로서 구현될 필요는 없다. 게다가, 도 1에 설명된 기능 모듈들 중 하나 이상은 서로 전기적으로 연결되어 있는 별도로 패키징된 칩들에 의해 구현될 수 있다.

추가로 또는 대안적으로, 에너지 수집 안테나(142)와 통신 안테나(170)는 동일한 물리적 안테나로 구현될 수 있다. 예를 들어, 루프 안테나는 전력 발생을 위해 입사 방사선을 수집할 수 있으면서 후방산란 방사선을 통해 정보를 전달할 수 있다.

E. 판독기

외부 판독기(180)는 신체 장착형 디바이스(110)에 및 이로부터 무선 신호(171)를 송신 및 수신하기 위해 안테나(188)(또는 다수의 안테나의 그룹)를 포함한다. 외부 판독기(180)는 메모리(182)와 통신하는 프로세서(186)를 구비한 컴퓨팅 시스템을 또한 포함한다. 메모리(182)는 프로세서(186)에 의해 판독 가능한 자기 디스크, 광 디스크, 유기 메모리, 및/또는 임의의 다른 휘발성(예를 들어, RAM) 또는 비휘발성(예를 들어, ROM) 저장 시스템을, 제한 없이, 포함할 수 있는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체일 수 있다. 메모리(182)는 (예를 들어, 피분석물 생체 센서(162)로부터의) 센서 판독값들, (예를 들어, 신체 장착형 디바이스(110) 및/또는 외부 판독기(180)의 거동을 조절하기 위한) 프로그램 설정들 등과 같은, 데이터의 표시들을 저장하기 위해 데이터 스토리지(183)를 포함할 수 있다. 메모리(182)는 외부 판독기(180)가 명령어들(184)에 의해 지정된 프로세스들을 수행하게 하기 위해 프로세서(186)에 의한 실행을 위한 프로그램 명령어들(184)을 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로그램 명령어들(184)은 외부 판독기(180)로 하여금 신체 장착형 디바이스(110)로부터 전달된 정보(예를 들어, 피분석물 생체 센서(162)로부터의 센서 출력)를 회수하는 것을 허용하는 사용자 인터페이스를 제공하게 할 수 있다. 외부 판독기(180)는 무선 신호들(171)을 신체 장착형 디바이스(110)에 및 이로부터 송신 및 수신하기 위해 안테나(188)를 동작시키기 위한 하나 이상의 하드웨어 컴포넌트를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 발진기, 주파수 인젝터, 인코더, 디코더, 증폭기, 필터, 등은 프로세서(186)로부터의 명령어들에 따라 안테나(188)를 구동할 수 있다.

외부 판독기(180)는 무선 통신 링크(171)를 제공하기에 충분한 무선 접속을 구비한 스마트폰, 디지털 어시스턴트, 또는 다른 휴대형 컴퓨팅 디바이스일 수 있다. 외부 판독기(180)는 통신 링크(171)가 휴대형 컴퓨팅 디바이스에 보통 채용되지 않는 캐리어 주파수에서 동작하는 예에서와 같이, 휴대형 컴퓨팅 디바이스 내에 플러그될 수 있는 안테나 모듈로서 또한 구현될 수 있다. 일부 예에서, 외부 판독기(180)는 비교적 착용자의 눈 가까이에 착용되어 무선 통신 링크(171)가 더 낮은 전력 예산으로 동작하는 것을 허용하도록 구성된 특수 목적 디바이스이다. 예를 들어, 외부 판독기(180)는 목걸이, 귀걸이 등의 보석류의 일부분에 통합되거나, 또는 모자, 머리띠, 스카프, 안경 등의 머리 부근에 착용하는 의류 제품 또는 액세서리에 통합될 수 있다.

일부 실시예들에서, 시스템(100)은 제어기(150) 및 센서 전자 장치(160)에 전력을 공급하기 위해 신체 장착형 디바이스(110)에 비연속적으로("간헐적으로") 에너지를 공급하도록 동작할 수 있다. 예를 들어, 무선 주파수 방사선(171)은 센서 전자 장치(160)를 작동시키고 그러한 동작의 결과를 전달하기에 충분히 긴 신체 장착형 디바이스(110)에 전력을 공급하도록 공급될 수 있다. 이러한 예에서, 공급된 무선 주파수 방사선(171)은 피드백을 요구하기 위해 외부 판독기(180)로부터 신체 장착형 디바이스(110)로의 질의 신호로 간주될 수 있다(예를 들어, 센서 측정). (예를 들어, 디바이스를 일시적으로 온시키기 위해 무선 주파수 방사선(171)을 공급함으로써) 신체 장착형 디바이스(110)에 주기적으로 질문함으로써, 외부 판독기(180)는 신체 장착형 디바이스(110)에 계속 전력을 공급하지 않고도 센서 전자 장치(160)로부터 시간에 따른 한 세트의 측정치(또는 다른 피드백)를 누적할 수 있다.

F. 예시적인 동작

실제로, 전원(140)은 에너지 수집 안테나(142) 및 정류기/조절기(144)를 사용하여 수신된 무선 주파수 방사선으로부터 에너지를 수집하도록 기능할 수 있고, 수집된 에너지는 배터리(146)를 충전하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 무선 주파수 방사선은 안테나(142)의 리드 상에 무선 주파수 전기 신호를 유발할 수 있다. 정류기(146)는 안테나 리드에 연결될 수 있으며, 무선 주파수 전기 신호를 배터리(146)에 인가되어 충전 전류를 생성할 수있는 DC 전압으로 변환할 수 있다. 배터리(146)는 제어기(150)의 하드웨어 로직을 동작시키고 또한 전기화학 센서(162)에 전력을 공급하기 위해 공급 전압(즉, DC 전력(141))을 출력할 수 있다. DC 공급 전압(들)(141)은 대략 1.2 볼트, 대략 3 볼트 등과 같은 디지털 논리 회로를 구동하는데 적합한 전압일 수있다. 일부 예에서, 외부 판독기(180)로부터의 무선 주파수 방사선(또는 주위 방사선 등과 같은 다른 소스)의 수신은 공급 전압(141)이 센서(162) 및 제어기(150)의 하드웨어 로직에 공급되도록 하여, 신체 장착형 디바이스(110)를 작동시킨다. 전력이 공급되는 동안, 제어기(150)의 센서 (162) 및 센서 인터페이스(152)는 피분석물 농도를 나타내는 전류를 생성 및 측정하고 그 결과를 전달하도록 구성된다.

외부 판독기(180)는 후방산란 신호(171)를 (예를 들어, 룩업 테이블, 교정 정보 등을 사용하여 안테나(170)의 임피던스를 센서(162)로부터의 출력과 연관시키는 미리 프로그램된 관계에 따라) 센서 결과와 연관시킨다. 판독기(180)는 표시된 센서 결과들(예를 들어, 피분석물 농도값들)을 (예를 들어, 네트워크를 통해 통신함으로써) 로컬 메모리 및/또는 외부 데이터 스토리지에 이후 저장할 수 있다.

일부 실시예에서, 개별 기능 블록으로 도시된 하나 이상의 특징은 단일 칩 상에 구현( "패키징")될 수 있다. 예를 들어, 신체 장착형 디바이스(110)는 정류기(144), 전압 조절기, 센서 인터페이스(152), 및 단일 칩 또는 제어기 모듈 내에 함께 패키징된 다른 하드웨어 로직으로 구현될 수 있다. 일부 경우에, 배터리(146)는 배터리(146)가 플립-칩 장착될 수 있는 장착 패드를 종단하는 도전성 트레이스를 통해 그러한 칩에 전기적으로 결합될 수 있다. 제어기 칩은 또한 루프 안테나(170)에 연결된 인터커넥트( "리드")를 가질 수 있고, 예를 들어 도전성 장착 패드 위로 플립-칩 장착된 센서 칩 상에 배치될 수 있는 피분석물 생체 센서(162)가 배치될 수 있다. 그러한 제어기는 루프 안테나(170)에서 수신된 에너지를 수집하고, 전류 측정 전류를 발생시키에 충분한 센서(162)의 전극들 간에 전압을 인가하고, 전류 측정 전류를 측정하고, 측정된 전류를 안테나(170)를 통해(예를 들어, 후방산란 방사선(171)을 통해) 표시하도록 동작한다.

G. 예시적인 눈 장착형 전자 장치 플랫폼

도 2a는 예시적인 눈 장착형 디바이스(210)(또는 안과용 전자 장치 플랫폼)의 상면도이다. 도 2b는 도 2a에 도시한 예시적인 눈 장착형 디바이스의 종횡도이다. 도 2a 및 도 2b의 상대적 치수는 반드시 축척 비율대로 그려진 것은 아니고, 예시적인 디바이스(210)의 배열을 기술하는데 단지 설명의 목적을 위해 제공되었다는 점에 유의한다. 눈 장착형 디바이스(210)는 만곡된 디스크로서 성형된 중합체 재료(220)로 형성될 수 있다. 눈 장착형 디바이스(210)는 루프 안테나(270), 제어기(250), 및 중합체 재료(220)에 내장된 기판(230) 상에 장착된 전기화학 배터리(260)를 포함한다. 눈 장착형 디바이스(210)는 또한 디바이스(210)를 둘러싸는 눈물 막의 피분석물 농도의 측정치를 얻기 위해 사용되는 전기화학 센서를 포함할 수 있다.

중합체 재료(220)는 눈 장착형 디바이스(210)가 눈에 장착되어 있는 동안 입사 광이 눈으로 투과되게 하는 실질적으로 투명한 재료일 수 있다. 중합체 재료(220)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET"), 폴리메틸 메타크릴레이트("PMMA"), 폴리하이드록시에틸메타크릴레이트("polyHEMA"), 실리콘 하이드로겔, 이들의 조합 등과 같은, 시력에서의 시야 교정 및/또는 미용 콘택트 렌즈들을 형성하기 위해 사용된 것들과 유사한 생체 적합 재료일 수 있다. 중합체 재료(220)는 오목면(226)을 갖는 한 측면이 눈의 각막 표면 위에 적합하게 잘 맞도록 형성될 수 있다. 디스크의 대향 측면은 눈 장착형 디바이스(210)가 눈에 장착되어 있는 동안 눈꺼풀 움직임에 간섭하지 않는 볼록면(224)을 가질 수 있다. 원형 외측 에지(228)는 오목면(226)과 볼록면(224)을 연결시킨다. 중합체 재료(220)는 다양한 방식으로 만곡된 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 열 몰딩, 주입 몰딩, 스핀 캐스팅, 등과 같은, 시야 교정 콘택트 렌즈를 형성하기 위해 사용된 것들과 유사한 기술이 중합체 재료(220)를 형성하기 위해 사용될 수 있다.

눈 장착형 디바이스(210)는 약 1센티미터의 직경 및 약 0.1 내지 약 0.5밀리미터의 두께 등, 시야 교정 및/또는 미용 콘택트 렌즈와 유사한 치수를 가질 수 있다. 그러나, 직경 및 두께 값들은 단지 설명의 목적을 위해 제공된다. 일부 실시예에서, 눈 장착형 디바이스(210)의 치수는 착용자의 눈의 각막 표면의 크기 및/또는 형상에 따라, 중합체 재료(220)에 내장된 하나 이상의 컴포넌트를 수용하도록, 및/또는 타겟의 광학 교정을 달성하도록 선택될 수 있다.

눈 장착형 디바이스(210)가 눈에 장착되어 있는 동안, 볼록면(224)은 주위 환경 쪽으로 밖으로 향하는 반면에 오목면(226)은 각막 표면 쪽으로 안으로 향한다. 따라서, 볼록면(224)은 눈 장착형 디바이스(210)의 외측 상부면으로 간주될 수 있고 반면에 오목면(226)은 내측 하부면으로 간주될 수 있다. 도 2a에 도시된 "상부"도는 볼록면(224) 쪽으로 향하고 있는 예시이다.

기판(230)은 중심 영역(221)으로부터 멀리, 중합체 재료(220)의 바깥 둘레(222)를 따라 위치하도록 중합체 재료(220) 내에 내장될 수 있다. 기판(230)은 납작한 원형 링(예를 들어, 중심 홀을 갖는 디스크)으로서 성형될 수 있다. (예를 들어, 방사상 폭을 따르는) 기판(230)의 평평한 표면은 (예를 들어, 플립-칩 장착을 통해) 칩 등의 전자 장치를 장착하고 (예를 들어, 포토리소그래피, 퇴적, 도금 등의 미세 제조 기술을 통해) 도전성 재료를 패터닝하여 전극들, 안테나(들), 장착 패드들 및/또는 인터커넥션들을 형성하기 위한 플랫폼으로서 기능한다. 기판(230) 및 중합체 재료(220) 양측 모두는 공통의 중심 축에 관해 대략 원통 대칭일 수 있다. 기판(230)은, 예를 들어 약 10밀리미터의 직경, 약 1밀리미터의 방사상 폭(예를 들어, 내경보다 1밀리미터 큰 외경), 및 약 50마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 치수는 단지 예의 목적을 위해 제공되고, 결코 본 개시 내용을 제한하지 않는다. 기판(230)은 위에 도 1과 관련한 기판(130)의 논의와 유사하게, 다양한 다른 폼 팩터로 구현될 수 있다.

제어기(250)는 전기화학 센서 및 루프 안테나(270)를 작동시키도록 구성된 로직 요소를 포함하는 칩일 수 있다. 제어기 칩(250) (및 기판(230) 상의 임의의 다른 전자 장치)은 배터리(260)로부터 전력을 수신할 수 있다. 제어기(250)는 기판(230) 상에 또한 위치한 인터커넥트들(257)에 의해 루프 안테나(270)에 전기적으로 연결된다. 유사하게, 제어기(250)는 인터커넥트(251)에 의해 배터리(260)에 전기적으로 접속된다. 인터커넥트(251, 257), 루프 안테나(270), 및 센서(260)에 포함된 도전성 전극들은 정확히 퇴적, 포토리소그래피, 등과 같은, 그러한 재료을 패터닝하기 위한 프로세스에 의해 기판(230) 상에 패터닝된 도전성 재료로부터 형성될 수 있다. 배터리(260)를 칩(250)에 전기적으로 결합시키는 인터커넥트(251)는 한 쌍의 도전성 장착 패드를 종단하는 트레이스를 포함할 수 있다. 다음으로, 배터리(260)는 장착 패드 위로 플립-칩 본딩되어 배터리(260)를 디바이스(210) 내의 전자 장치에 전기적으로 결합시킬 수 있다. 기판(230) 상에 패터닝된 도전성 재료는 예를 들어, 금, 백금, 팔라듐, 티타늄, 탄소, 알루미늄, 구리, 은, 은-염화물, 귀금속(noble materials)으로부터 형성된 도전체, 금속, 이들의 조합, 등일 수 있다.

루프 안테나(270)는 평평한 도전성 링을 형성하기 위해 기판의 평평한 표면을 따라 패터닝된 도전성 재료의 층이다. 일부 예에서, 중합체 재료의 곡률을 따라 부가적인 가요성을 허용하기 위해, 루프 안테나(270)는 전기적으로 병렬 또는 직렬로 함께 연결된 다수의 실질적으로 동심인 섹션을 포함할 수 있다. 다음으로, 각 섹션은 눈 장착형 디바이스(210)의 오목/볼록 곡률을 따라 독립적으로 구부러질 수 있다. 일부 예에서, 루프 안테나(270)는 완전한 루프를 만들지 않고서도 형성될 수 있다. 예를 들어, 안테나(270)는 도 2a에 도시한 바와 같이, 제어기(250) 및 센서(260)를 위한 공간을 허용하는 컷아웃을 가질 수 있다. 그러나, 루프 안테나(270)는 또한 기판(230)의 평평한 표면을 1회 이상 완전히 감싸는 도전성 재료의 연속하는 스트립으로서 배열될 수 있으며, 그러한 스트립은 원하는 신호 성능을 달성하기 위해 병렬 및/또는 직렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수의 권선을 갖는 도전성 재료의 스트립은 제어기(250) 및 센서(260)의 반대측 기판(230) 측 상에 패터닝될 수 있다. 이러한 권선형 안테나의 단부들(예를 들어, 안테나 리드들) 간의 인터커넥트들은 그리고 나서 기판(230)을 통해 제어기(250)까지 통과할 수 있다.

도 2c는 눈(10)의 각막 표면(22)에 장착되어 있는 동안의 예시적인 눈 장착형 전자 디바이스(210)의 측단면도이다. 도 2d는 예시적인 눈 장착형 디바이스(210)의 표면들(224, 226)을 둘러싸는 눈물 막 층들(40, 42)을 보여주도록 확대된 근접 측단면도이다. 도 2c 및 도 2d의 상대적 치수는 반드시 축척 비율대로 그려진 것은 아니고, 예시적인 눈 장착형 전자 디바이스(210)의 배열을 기술하는데 있어서 단지 설명의 목적을 위해 제공되었다는 점에 유의한다. 예를 들어, 눈 장착형 디바이스의 총 두께는 약 100-200 마이크로미터일 수 있는 반면, 눈물 막 층들(40, 42)의 두께는 각각 약 10마이크로미터일 수 있지만, 이러한 비율은 도면들에서 반영되지 않을 수도 있다. 일부 양태들은 예시를 가능하게 하고 설명을 용이하게 하기 위해 과장된다.

눈(10)은 눈(10)의 상부 위로 상부 눈꺼풀(30) 및 하부 눈꺼풀(32)을 함께 가져오는 것에 의해 덮인 각막(20)을 포함한다. 입사광은 각막(20)을 통해 눈(10)에 의해 수신되는데, 이 경우 시각적 인식을 자극하기 위해 눈(10)의 광 감지 요소(예를 들어, 막대 및 원추 등)에 광이 광학적으로 지향된다. 눈꺼풀(30, 32)의 움직임은 눈(10)의 노출된 각막 표면(22)을 가로 질러 눈물 막을 분배한다. 눈물 막은 눈(10)을 보호하고 윤활하기 위해 눈물샘에 의해 분비되는 수용액이다. 눈 장착형 디바이스(210)가 눈(10)에 장착되면, 눈물 막은 (오목면(226)을 따라) 내부 층(40) 및(볼록층(224)을 따라) 외부 층(42)으로 오목면 및 볼록면(224, 226) 양측 모두를 코팅한다. 눈물 막 층(40, 42)은 약 5 내지 10 마이크로미터의 두께일 수 있고, 함께 약 5 내지 10 마이크로리터를 차지한다.

눈물 막 층들(40, 42)은 눈꺼풀(30, 32)의 움직임에 의해 각막 표면(22) 및/또는 볼록면(224)에 걸쳐 분포된다. 예를 들어, 눈꺼풀(30, 32)은 각각 열리거나 닫혀서, 각막 표면(22) 및/또는 눈 장착형 디바이스(210)의 볼록면(224)에 걸쳐 소량의 눈물 막을 확산시킨다. 각막 표면(22) 상의 눈물 막 층(40)은 또한 오목면(226)과 각막 표면(22) 간의 모세관력에 의해 눈 장착형 디바이스(210)의 장착을 용이하게 한다.

도 2c 및 2d의 단면도에 도시된 바와 같이, 기판(230)은 기판(230)의 평평한 장착 표면들이 대략 볼록면(224)의 인접한 부분과 평행하도록 기울어질 수 있다. 기판(230)은 내향 표면(232)(중합체 재료(220)의 오목면(226)에 더 가까움)과 외향 표면(234)(볼록면(224)에 더 가까움)을 갖는 납작한 링일 수 있다. 기판(230)은 장착 표면(232, 234)의 한쪽 또는 양쪽에 장착된 전자 컴포넌트들 및/또는 패터닝된 도전성 재료들을 가질 수 있다. 도 2d에 도시된 바와 같이, 전기화학 배터리(260), 제어기(250) 및 도전성 인터커넥트(251)는 외향 표면(234) 상에 장착된다. 특히, 배터리(260)는 외향 표면(234) 상에 배치된 한 쌍의 도전성 장착 패드 상에 장착된다. 장착 패드는 배터리(260)상의 대응 단자와 정렬되고, 그 중 하나는 배터리(260)의 애노드에 전기적으로 결합되고, 다른 하나는 배터리(260)의 캐소드에 전기적으로 결합된다. 기판(230) 상에 위치된 다른 전자 장치, 전극 등은 내향 측(232) 또는 외향 측(234) 중 어느 하나에 장착될 수있다. 게다가, 일부 실시예에서, 일부 전자 장치 컴포넌트들은 일 측(예를 들어, 232) 상에 장착될 수 있는 반면, 다른 전자 장치 컴포넌트들은 대향측(예를 들어, 234)에 장착될 수 있으며, 이들 2개의 측들 간의 연결은 기판(230)을 통과하는 도전성 재료를 통해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전기화학 피분석물 센서는 기판(230) 상에 배치될 수 있고 기판(230) 상에 패터닝된 인터커넥트를 통해 제어기(250)에 전기적으로 결합될 수 있다. 제어기(250)는 전기화학 센서를 사용하여, 전기화학 센서의 전극에 전압을 인가하고 작동 전극을 통해 결과적인 전류 측정 전류를 모니터링함으로써 눈물 막 피분석물 농도의 측정치를 구한다. 다음으로, 제어기(250)는 안테나(270)를 사용하여 측정된 전류를 표시할 수 있다.

배터리(260)는 2개의 전극: 애노드 및 캐소드를 포함한다. 애노드와 캐소드는 배터리(260)의 충전 또는 방전 중에 이온을 전달하는 전해질에 의해 분리될 수 있다. 전해질을 통한 이온의 전달은 연결된 회로를 통해 전극들 사이에서 운반되는 전자들에 의해 균형을 이룬다. 배터리 방전 중에 외부 회로를 통해 결과적인 전류가 흐른다. 충전 동작 중에, 배터리는 외부 회로로부터 전류를 소모한다. 배터리(260)는 기판(230)과 별도의 배터리 기판 상에 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리(260)는 배터리 기판의 일 측면 상에 패터닝된 전해질에 의해 개재된 전극들을 가질 수 있고, 각각의 전극은 배터리 기판의 뒷면 상의 도전성 패드에 연결될 수 있다. 다음으로, 배터리(260)는 기판(230) 상에 형성된 대응하는 도전성 패드 위에 장착될 수 있다. 다른 예들에서, 배터리는 기판(230) 상에 직접적으로 형성되고 동일한 기판 상의 다른 전자 장치와 상호 연결될 수 있다.

III. 예시적인 박막 배터리

도 3a는 박막 배터리(300)에 대한 예시적인 배열을 도시한다. 도 3b는 박막 배터리(340)에 대한 또 다른 예시적인 배열을 도시한다. 내부 구조를 설명하기 위해, 도 3a 및 도 3b는 배터리들(300, 340)의 단면도를 도시한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 배열은 축척 비율대로 그려진 것은 아니며 이해를 용이하게 하기 위해 표현되어 있다. 예를 들어, 일부 양태들은 설명을 용이하게 하기 위해 과장될 수 있다. 배터리들(300, 340)은 피분석물의 눈물 막 농도를 검출하기 위한 눈 장착형 디바이스(예를 들어, 상기 도 2a-2d와 관련하여 설명된 눈 장착형 디바이스(210))에, 신체 장착형 디바이스 또는 이식형 디바이스에, 또는 비교적 얇은 폼 팩터 및/또는 크기/중량 제한을 갖는 또 다른 전자 장치에 포함될 수 있다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 배터리들(300, 340)은 전해질 막에 의해 분리된 전극 재료들의 막들에 의해 형성된 고체 상태 배터리들일 수 있다. 적층 막들은 퇴적, 증착 및/또는 다른 미세가공 기술에 의해 형성될 수 있으며, 각 막의 조성은 특정 배터리 화학을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온 고체 상태 배터리에서, 전해질 층은 (예를 들어, 리튬 오르토인산염 타겟으로 스퍼터링에 의해 형성된) 리튬 인 산질화물(LIPON)로 형성될 수 있고; 캐소드는 리튬 코발트 산화물(LiCoO ₂ )로 형성될 수 있으며 애노드는 리튬 금속으로 형성될 수 있다. 전극 및 전해질 막 재료의 다른 예도 가능하다. 또한, 2개의 전극 막은 전극과 외부 회로 사이에서 전류를 도전시하기 위해 전해질 막에 대향하는 도전층을 가질 수 있다. 이러한 박막 배터리들은 (도 3a에서와 같이) 캐소드로 시작하거나 (도 3b에서와 같이) 애노드로 시작하는 기판 위에 재료들을 적층함으로써 형성될 수 있다. 어셈블링된 배열이 다른 제조 기술에 의해 형성될 수 있고 개시된 배터리 배열이 임의의 하나의 특정 제조 기술에 제한되지 않더라도, 배터리들(300, 340)은 예시적인 형성 프로세스를 참조하여 이하에서 설명된다. 또한, 배터리의 각 층의 치수 범위 및/또는 두께는 원하는 에너지 저장 용량 및/또는 전력 전달 용량을 달성하기 위해 적어도 부분적으로 선택될 수 있다. 일부 경우에서, 본 명세서에 개시된 배터리들은 약 1 μAh 내지 약 5 μAh를 제공하도록 설계될 수 있지만, 다른 값들도 가능하다. 또한, 일부 애플리케이션에서, 하나 이상의 배터리 셀은 원하는 에너지 저장 용량 및/또는 전력 전달 용량을 달성하기 위해 직렬 또는 병렬로 서로 연결될 수 있다. 따라서, 아래에서 언급된 예시적인 층 두께는 단지 예시 목적으로 제공된다.

도 3a를 참조하면, 배터리(300)는 제1 면(322) 및 제2 면(324)을 갖는 기판(320) 상에 배치된다. 기판(320)은 실리콘 웨이퍼 또는 운모 기판, 세라믹 또는 금속 기판, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리이미드, 파릴렌(parylene)과 같은 중합체 기판, 또는 또 다른 플라스틱 기판과 같은 실리콘 기반 재료일 수 있다. 제조 제약에 따라, 기판(320)은 800℃까지의 온도와 같은 다양한 어닐링 온도에 대한 내성을 기초로 선택될 수 있다. 기판(320)은 취급 및 제조 중에 배터리에 구조적 안정성을 제공하기에 충분한 두께를 가질 수 있지만, 두께가 100 마이크로미터 미만일 수 있다. 예를 들어, 기판은 약 20 마이크로미터와 약 50 마이크로미터 사이의 두께로 연마된 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 일부 애플리케이션에서, 기판(320)의 두께는 제조된 배터리의 전체 두께가 예를 들어, 100 마이크로미터 미만이 되도록 선택된다.

캐소드 전류 컬렉터층(302)은 기판(320)의 제1 면(322) 상에 배치될 수 있다. 일부 예에서, 기판(320)의 제1 면(322)은 제1 면(322)을 연마 및/또는 세정하여 오염물이 없는 표면 및 (예를 들어, 실질적으로 평평한) 원하는 폼 팩터를 제공함으로써 준비될 수 있다. 제1 면(322)은 선택적으로 절연막과 같은 패시베이션 층으로 코팅될 수 있다. 패시베이션 층은 도전성 또는 반도전성 기판 재료에서 발생할 수있는 바와 같이, 기판 (320)을 통한 전위 도전을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 캐소드 전류 컬렉터층(302)은 제1 면(322)의 제1 영역을 점유하기 위해 원하는 패턴으로(예를 들어, 포토레지스트, 마스크 등을 사용하여) 스퍼터 퇴적될 수 있다. 캐소드 전류 컬렉터층은 티타늄, 코발트, 금, 몰리브덴, 백금, 팔라듐, 또 다른 금속, 이들의 조합 등의 도전성 재료로 형성될 수 있다. 캐소드 전류 컬렉터층(302)은 약 300 옹스트롬 내지 약 500 옹스트롬(즉, 30 내지 50 나노미터)의 두께를 가질 수 있다.

캐소드 재료(304)의 막은 캐소드 전류 컬렉터층(302) 위에 배치될 수 있다. 캐소드 재료(304)는 (예를 들어, 레지스트, 마스크 등을 사용하여) 실질적으로 캐소드 전류 컬렉터층(302) 위에만 존재하도록 (예를 들어, 퇴적 프로세스에서) 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 캐소드 전류 컬렉터층(302)이 제1 면(322)의 특정 영역을 차지하면, 캐소드 재료(304)는 그 동일한 영역 내에 전체적으로 배치될 수 있다. 캐소드 재료(304)는 애노드로부터 전달된 리튬 이온을 감소시키는 재료일 수 있다. 예를 들어, 캐소드 재료(304)는 리튬 코발트 산화물(LiCoO ₂ ), 또는 또 다른 리튬 염, 금속염 또는 코발트 산화물 염을 포함할 수 있다. 캐소드 재료(304)는 약 1 마이크로미터와 약 10 마이크로미터 사이의 두께를 가질 수 있다. 캐소드 재료의 에너지 밀도는 캐소드 재료(304)(및 기판)를 어닐링함으로써 퇴적 후에 증가될 수 있으며, 이는 리튬을 수용하기에 바람직한 배열로 재료를 결정화하게 한다. 예를 들어, LiCoO ₂ 막은 약 500℃ 내지 약 800℃의 온도에서 어닐링될 수 있다. 결정화를 달성하기 위해 다른 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 기판 재료(320)가 높은 어닐링 온도를 견딜 수 없는 예에서, 캐소드 재료(304)는 레이저 어닐링을 사용하거나 또는 캐소드 재료를 아르곤 및 산소 플라즈마에 노출시킴으로써 결정화될 수 있고; 반응성 산소 이온에 의한 충격은 기판(320)을 가열하지 않고 캐소드 재료(304)를 결정화할 수 있다.

전해질 재료(306)의 막은 캐소드 재료(304) 위에 배치될 수 있다. 전해질 재료의 막은 캐소드 재료(304) 위에 스퍼터 퇴적될 수 있다. 전해질 재료(306)는 리튬 인 산질화물(lithium phosphorous oxynitride; LIPON)과 같은 재료의 층일 수 있다. 전해질 재료(306)는 약 1.5 마이크로미터와 약 3 마이크로미터 사이의 두께를 가질 수 있다. 전해질은 또한 어닐링되어 전해질의 타겟 에너지 상태를 달성할 수 있다(예를 들어, LIPON은 약 250℃에서 어닐링될 수 있다). 전해질막을 형성하기 위해, LIPON은 리튬 오르토인산염의 타겟을 사용하여 스퍼터 퇴적될 수 있고, 캐소드 재료(304)와 중첩되는 영역에서 패터닝될 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 전해질 재료(306)는 캐소드 전류 컬렉터층(302)과 전해질 재료(306) 사이에 캐소드 재료(304)를 완전히 캡슐화할 수 있다. 예를 들어, 전해질 재료(306)는 캐소드 재료(304) 전체를 포함하는 영역에서 패터닝될 수 있고 또한 캐소드 재료(304)의 측면 에지를 넘어 연장된다. 이와 같이, 캐소드층(304)은 전해질층(306)을 통해 또는 캐소드 전류 컬렉터층(302)을 통해서만 전기적 접속을 수용할 수 있다.

애노드 재료(308)의 막은 전해질 재료(306) 위에 배치될 수 있다. 애노드 재료(308)는 증착된 리튬 금속일 수 있고 약 2 내지 약 3 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 애노드 재료(308)는 전해질 재료(306)에 의해 점유된 영역 내에 전체가 있는 영역 위에 패터닝될 수 있다. 전해질 재료(306)가 전해질 재료(304)와 중첩되기 때문에, 캐소드층(304)은 전해질 재료(306)에 의해 모든 위치에서 애노드 재료(308)로부터 분리되고, 애노드 및 캐소드 재료들(304, 308) 사이에 직접적인 접촉이 이루어지지 않는다.

애노드 전류 컬렉터층(310)은 애노드층 (308) 위에 배치될 수 있다. 애노드 전류 컬렉터층은 도전성 재료의 층(캐소드 전류 컬렉터층과 유사함)일 수 있지만, 애노드 전류 컬렉터층(310)은 애노드(308), 전해질(306), 캐소드(304), 및 캐소드 전류 컬렉터(302)에 의해 점유된 영역을 넘어서 연장될 수 있다. 따라서, 애노드 전류 컬렉터층(310)은 애노드 재료(308) 위에 배치되고 또한 캐소드 전류 컬렉터층(302)에 의해 점유되지 않은 기판(320)의 제1 면(322)의 영역과 접촉하는 도전성 재료의 연속적인 스트립으로서 패터닝될 수 있다. 바람직하게는, 캐소드 전류 컬렉터층(302) 및 애노드 전류 컬렉터층(310)에 의해 점유된 기판(320)의 제1 면(322) 상의 영역은 (예를 들어, 캐소드 전류 컬렉터와 애노드 전류 컬렉터 사이의 방향성 도전을 방지하기 위해) 절연체에 의해 서로 분리되어야 한다. 도 3a에서, 2개의 전류 컬렉터층(302, 310)은 기판(320)의 제1 면(322)과 접촉하는 전해질층(306)의 일부에 의해 분리된다.

적층형 전극 및 전해질 재료의 어셈블링된 배터리 스택은 각각의 단자(312, 314)에서 2개의 전류 컬렉터층(302, 310)과의 연결을 통해 외부 회로에 결합될 수 있다. 단자들(312, 314)은 배터리와의 상호접속을 형성하기에 편리하게 접근할 수 있는 전류 컬렉터층의 부분들과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전성 트레이스 또는 다른 인터커넥트가 캐소드 단자(312) 및 애노드 단자(314)에서 제1 면(322) 상에서 연결될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 비아들(330, 334)은 접속 단자들 (312, 314) 각각과 정렬된 기판(320)을 통해 형성될 수 있다. 비아들(330, 334)은 레이저 어블레이션(laser ablation), 깊은 반응성 이온 에칭, 또는 다른 프로세스에 의해 형성된 기판을 관통하는 개구일 수 있으며, 이 개구는 도전성 재료로 적어도 부분적으로 채워진다. 따라서, 비아들(330, 334) 내의 도전성 재료는 각각의 단자들(312, 314)과 기판(320)의 제2 면(324) 사이에 전기적 경로를 제공한다.

도전성 장착 패드들(332, 336)은 각각의 비아들(330, 334) 위의 기판 (324)의 제2 면(324) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, (제2 면(324) 상의) 제1 장착 패드(332)는 제1 비아(330)를 통해 (제1 면(322) 상의) 캐소드 전류 컬렉터층(302)에 전기적으로 결합될 수 있고, (제2 면(324) 상의) 제2 장착 패드(336)는 제2 비아(334)를 통해 (제1 면(322) 상의) 애노드 전류 컬렉터층(310)에 전기적으로 결합될 수 있다. 장착 패드들(332, 336)은 임의의 중첩되지 않는 방식으로 제2 면(324) 상에 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 장착 패드들(332, 336) 각각은 실질적으로 기판(320)의 제2 면(324)의 절반을 점유할 수 있다. 다음으로, 어셈블링된 배터리(300)는 대응하는 단자들 위에 장착 패드들(332, 336)을 플립-칩 장착함으로써 다른 회로에 전기적으로 결합될 수 있다.

도 3b를 참조하면, 배터리(340)는 제1 면(362) 및 제2 면(364)을 갖는 기판(360) 상에 배치된다. 애노드 전류 컬렉터층(342)은 기판(360)의 제1 면(362) 상에 배치될 수 있다. 애노드 재료(344)의 막은 애노드 전류 컬렉터층(342) 위에 배치된다. 전해질 재료(346)의 막은 애노드 재료(344) 위에 배치된다. 캐소드 재료(348)의 막은 전해질 재료(346) 위에 배치된다. 그리고 캐소드 전류 컬렉터층(350)은 캐소드 재료(348) 위에 배치된다. 도 3b의 전류 컬렉터층, 전극 막 및 전해질막은 도 3a와 관련하여 기술된 전류 컬렉터층, 전극 막 및 전해질막과 동일하거나 유사할 수있다. 그러나, 애노드 재료(344) 및 전해질 재료(346)가 캐소드 재료(348) 이전에 기판(360) 상에 배치되기 때문에, 캐소드 재료(348)는 고온 어닐링 프로세스를 거치지 않을 수 있다. 예를 들어, 캐소드 재료(348)는 아르곤 산소 플라즈마 및/또는 레이저 어닐링에서 산소 충격을 수반하는 프로세스에 의해 결정화될 수 있다.

어셈블링된 배터리 스택은 기판(360)의 제1 면(362) 상에 배치된 애노드 단자(352) 및 캐소드 단자(354)를 포함한다. 기판(360)을 통한 비아들(370, 374)은 애노드 단자(352) 및 캐소드 단자(354)를 기판(360)의 제2 면(364) 상에 형성된 각각의 도전성 장착 패드들(372, 376)에 전기적으로 결합시킨다.

도 3a 및 도 3b와 관련하여 설명된 예시적인 배열은 단일 배터리 셀(예를 들어, 캐소드와 접촉하는 단일 전해질 및 전해질과 접촉하지만 캐소드와는 접촉하지 않는 애노드)을 도시한다. 일부 예에서, 배터리(300) 또는 배터리(340)에 따라 배열된 다수의 고체 상태 배터리 셀들은 (예를 들어, 전류 컬렉터층, 전극 막 및 전해질막의 각각의 층을 패터닝함으로써) 공통 기판 상에 형성될 수 있다. 비아 및 도전성 장착 패드는 배터리 셀의 형성 전 또는 형성 후에 공통 기판의 대향 측면 상에 형성될 수 있다. 다음으로, 기판을 다이싱하거나 또는 기판을 레이저 스크라이빙하여 개별 배터리 셀들을 서로 분리할 수 있다. 다음으로, 개별 배터리들은 대응하는 도전성 패드에 배터리들을 플립-칩 장착하여 전자 디바이스에 통합될 수 있다.

공통 기판 상에 다수의 배터리를 형성하는 것은 디바이스 제조 중에 몇 가지 이점을 제공한다. 첫번째로, 단일의 일련의 진공 퇴적 동작이 다수의 배터리를 제조하는데 사용될 수 있기 때문에, 다이싱된 공통 기판을 사용하여 다수의 배터리가 동시에 형성되는 경우 배터리 제조가 더 효율적이다. 두번째로, 배터리가 전력을 공급할 전자 장치와 별도로 제조되기 때문에, 다른 전자 장치의 제조는 배터리 형성에 수반하는 제약에 영향을 받지 않는다. 예를 들어, 배터리 제조는 고온, 독한 용매 등의 사용을 수반할 수 있다. 배터리가 다른 전자 장치와 함께 기판 상에 직접적으로 형성되는 애플리케이션에서, 다른 전자 장치 및 기판은 배터리 제조에 수반되는 동일한 조건을 적용받게 되고, 재료의 선택, 처리 단계의 순서, 또는 다른 인자를 제한할 수 있다. 배터리 제조를 다른 전자 장치의 제조와 분리한 다음, 픽 앤 플레이스(pick and place) 동작을 통해 개별적인 배터리를 플립-칩 장착하는 것이 더 효율적이며 재료 및 동작의 선택에 있어 더 큰 유연성을 제공한다.

IV. 예시적인 밀봉형 박막 배터리

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 예시적인 밀봉형 배터리(400)를 도시한다. 도 5a, 도 5b 및 도 5c는 또 다른 예시적인 밀봉형 배터리(500)를 도시한다. 도 4a 내지 도 5c에 설명된 예시적인 밀봉형 배터리 각각은 기판 상에 배치된 배터리 셀을 포함한다. 배터리 셀은 캐소드막과 접촉하는 전해질막과, 전해질과 접촉하지만 캐소드막과는 접촉하지 않는 애노드막을 포함한다. 배터리 스택은 도 3a 및 도 3b와 관련하여 설명된 예시적인 박막 배터리들(300, 340) 중 어느 하나의 형태를 취할 수 있다. 밀봉형 배터리들 각각은 또한 배터리가 배치되는 측면으로부터 기판의 대향 측면 상에 위치되는 한 쌍의 도전성 장착 패드를 포함하는데, 하나는 캐소드에 전기적으로 결합되고 다른 하나는 애노드에 전기적으로 결합된다. 또한, 밀봉형 배터리의 예는 실란트 재료와 기판 사이에 배터리 스택을 캡슐화하는 중합체 실란트 재료 및 실란트 재료 상에 배치된 수분 장벽을 포함한다.

도 4a는 기판(410)의 상부 표면(412)을 따라 종단하는 수분 장벽(420)을 갖는 예시적인 고체 상태 배터리(400)의 상부 종횡도이다. 도 4b는 예시적인 고체 상태 배터리(400)의 하부 종횡도이다. 도 4c는 예시적인 고체 상태 배터리(400)의 측단면도이다. 배터리(400)는 기판(410), 기판(410) 상에 배치된 배터리 스택(402), 배터리 스택(402) 위에 및 그 주위에 배치된 중합체 실란트 재료(404), 및 중합체 실란트 재료(404) 상에 배치된 수분 장벽(420)을 포함한다. 배터리 스택(402)은 기판(410)의 제1 면(412) 상에 형성되는 반면, 배터리 스택(402)의 애노드 및 캐소드에 각각 전기적으로 결합되는 도전성 장착 패드들(430, 432)은 기판(410)의 제2 면(414) 상에 형성된다.

중합체 실란트 재료(404)는 특정 온도(예를 들어, 약 100℃ 내지 약 200℃) 이상으로 변형될 수 있는 중합체와 같은, 저온 중합체 제제(low temperature polymeric formulation)일 수 있다. 예를 들어, 중합체 실란트 재료(404)는 폴리에틸렌 재료, 폴리아미드 재료, 폴리 프로필렌 재료, 또는 임의의 다른 열가소성 또는 열경화성 중합체일 수 있다. 중합체 실란트 재료(404)는 배터리 스택(402) 위에 및 그 주위에 실란트 재료(404)를 확산시키는 애플리케이터에 의해 배터리 스택(402) 위에 및 그 주위에 도포될 수 있다. 다음으로, 중합체 실란트 재료(404)는 (예를 들어, 흐름에 의해) 배터리 스택(402)의 측면 위에 및 그 주위에 따를 수 있으며, 기판(410) 상에 배치되는, 배터리 스택(402)을 완전히 둘러싸는 기판(410)의 제1 면(412)을 따라 연속적인 밀봉(seal)을 생성한다. 중합체 실란트 재료(404)는 또한 실란트 재료(404)를 스핀 코팅 또는 스프레잉함으로써 도포하여 배터리 스택(402) 위에 및 그 주위에 연속적인 층을 형성할 수 있다. 중합체 실란트 재료(404)가 배터리 스택(402)의 모든 측면 상의 기판(410)에 대해 밀봉하는 연속적인 층을 형성할 수 있기 때문에, 중합체 실란트 재료는 실란트 재료(404)와 기판(410)의 제1 면(412) 사이에 배터리 스택(402)을 캡슐화할 수 있다. 중합체 실란트 재료(410)는 또한 그 위에 배치되는 수분 장벽(420)에 대한 지지부를 제공한다. 따라서, 중합체 실란트 재료(404)는 배터리 스택(402)과 수분 장벽(420) 사이의 분리를 생성한다. 또한, 일부 경우에, 수분 장벽이 생략될 수 있고, 중합체 실란트 재료(404)는 수분이 배터리 스택(402)에 도달하는 것을 억제할 수 있다. 이러한 예들에서, 중합체 실란트 재료(404)는 파릴렌과 같은 생체 적합 재료 또는 또 다른 생체 적합 재료, 및/또는 물 팽창에 실질적으로 내성이 있을 수 있다.

수분 장벽(420)은 수분이 중합체 실란트 재료(404) 및 배터리 스택(402)에 도달하는 것을 방지하기 위해 중합체 실란트 재료(404) 상에 배치된다. 일부 예에서, 수분 장벽(420)은 스퍼터링 프로세스에 의해 중합체 실란트 재료(404) 위에 퇴적되는 금속 또는 세라믹층일 수 있다. 일부 예에서, 수분 장벽(420)은 중합체 실란트 재료(404) 위에 도포되는 가요성 포일일 수 있다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 수분 장벽(420)은 기판(410)에 대략 평행한 상승된 상부 영역(422), 상승된 상부 영역(422)으로부터 기판(410)을 향하여 추이하는 전이 영역(426), 및 수분 장벽(420)이 기판(410)에 가장 인접한 측면 에지(424)를 구비할 수 있다. 수분 장벽은 외부 에지(428)에서 기판(410)의 제1 면(412)을 따라 종단된다. 상승된 상부 영역(422)은 기판(410) 상의 배터리 스택(402)에 걸친 영역에 대략 대응할 수 있다. 수분 장벽(420)은 수분에 대해 실질적으로 불투과성인 연속적인 막 또는 포일이며, 따라서 중합체 실란트 재료(404)에 도달할 수 있는 유일한 수분은 외부 에지(428) 바로 아래의 기판(410)의 제1 면(412)을 따라 진입해야만 한다.

배터리(400)의 일부 구현은 제조 제한 내에서 기판(410)의 외부 에지(428)와 제1 면(412) 사이의 거리를 감소시키도록 제조될 수 있다. 일부 기술은 기판(410)에 대해 측면 에지(424)를 압축하는 것을 포함할 수 있다. 일부 기술은 수분 장벽(420)을 스퍼터링하기 전에, 배터리 스택(402)을 전체적으로 둘러싸는 기판(410)의 제1 면(412)상의 연속적인 링을 노출시키도록 기판(410)으로부터 중합체 실란트 재료(404)의 일부를 제거하는 것을 포함할 수 있다. 스퍼터링된 수분 장벽은 연속적인 링 내의 기판(410)의 제1 면(412)에 직접적으로 부착될 수 있다.

일부 예에서, 수분 장벽(420)은 측면 에지(424) 주위에 압력을 가함으로써 기판(410)에 대해 압축될 수 있다. 형상은 중합체 실란트 재료(404)가 경화되도록 하는 열가소성 중합체 실란트 재료(404)를 냉각함하고, 이로써 수분 장벽(420)의 형상을 고정함으로써 적어도 부분적으로 유지될 수 있다. 일부 예에서, 중합체 실란트 재료(404)는 스퍼터링된 수분 장벽 재료를 수용하기에 적합한 형상을 갖도록(예를 들어, 실란트 재료(404)에 몰드를 적용함으로써) 형성될 수 있고, 이어서 수분 장벽(420)은 형성된 실란트 재료(404) 상에 스퍼터링될 수 있다. 수분 장벽을 적용하기 위한 대안적인 기술도 가능하다. 또한, 일부 경우에, 수분 장벽은 배터리 스택이 배치되는 기판의 평면에 실질적으로 평행한 층에서 수분 장벽의 상부 표면에만 적용될 수 있다.

도 5a는 기판(510)의 측면(516)을 따라 종단하는 수분 장벽(520)을 갖는 예시적인 고체 상태 배터리(500)의 상부 종횡도이다. 도 5b는 예시적인 고체 상태 배터리(500)의 하부 종횡도이다. 도 5c는 예시적인 고체 상태 배터리(500)의 측단면도이다. 배터리(500)는 기판(510), 기판(510) 상에 배치된 배터리 스택(502), 배터리 스택(502) 위에 및 그 주위에 배치된 중합체 실란트 재료(504), 및 중합체 실란트 재료(504) 상에 배치된 수분 장벽(520)을 포함한다. 배터리 스택(502)은 기판(510)의 제1 면(512) 상에 형성되는 반면, 배터리 스택(502)의 애노드 및 캐소드에 각각 전기적으로 결합되는 도전성 장착 패드들(530, 532)은 기판(510)의 제2 면(514) 상에 형성된다. 중합체 실란트 재료(504)는 도 4a 내지 도 4c와 관련하여 기술된 중합체 실란트 재료(404)와 동일하거나 유사할 수 있다.

수분 장벽(520)은 중합체 실란트 재료(504) 상에 배치되어 수분이 중합체 실란트 재료(504) 및 배터리 스택(502)에 도달하는 것을 방지한다. 수분 장벽(520)은 도 4a 내지 도 4c에 설명된 수분 장벽(420)을 성형하는 것과 관련하여 기술된 기술들 중 임의의 것을 사용하여 성형될 수 있다. 그러나, 도 4a 내지 도 4c에 설명된 수분 장벽(420)과 달리, 수분 장벽(520)은 기판(510)의 측벽(516)의 적어도 일부를 따라 연장되는 연속적인 수분 불투과성 장벽을 형성한다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 수분 장벽(520)은 기판(510)에 대략 평행한 상승된 상부 영역(522), 상승된 상부 영역(522)으로부터 기판(510)을 향하여 추이하는 전이 영역(528), 수분 장벽(520)이 기판(510)에 다시 대략 평행한 측면 에지들(524), 및 기판(510)의 측벽(516)을 따라 연장되는 횡단 영역(526)을 구비할 수 있다. 수분 장벽(520)은 외부 에지(529)에서 기판(510)의 측벽(516)을 따라 종단된다. 상승된 상부 영역(522)은 기판(510) 상의 배터리 스택(502)에 걸친 영역에 대략 대응할 수 있다. 수분 장벽(520)은 수분에 대해 실질적으로 불투과성인 연속적인 막 또는 포일이며, 따라서 중합체 실란트 재료(504)에 도달할 수 있는 유일한 수분은 측벽(516)과 외부 에지(529) 사이의, 기판(510)의 측벽(516)을 따라 진입해야만 한다.

배터리(500)의 일부 구현은 제조 제한 내에서 기판(510)의 외부 에지(529)와 측벽(516) 사이의 거리를 감소시키도록 제조될 수 있다. 일부 기술은 기판(510)의 측벽(516)에 대해 횡단 영역(526)를 압축하는 것을 포함할 수 있다. 일부 기술은 수분 장벽(520)을 스퍼터링하기 전에, 배터리 스택(502)을 전체적으로 둘러싸는 기판(510)의 측벽(516) 상의 연속적인 링을 노출시키도록 기판(510)으로부터 중합체 실란트 재료(504)의 일부를 제거하는 것을 포함할 수 있다. 다음으로, 스퍼터링된 수분 장벽은 연속적인 링 내의 기판(510)의 측벽(516)에 직접적으로 부착될 수 있다.

밀봉형 박막 배터리의 2가지 예시적인 배열은 단지 예시적인 목적으로 제공된다. 밀봉형 박막 배터리의 많은 다른 폼 팩터가 가능하다. 예를 들어, 일부 실시예는 비평면 기판(예를 들어, 곡면 또는 불규칙한 표면을 갖는 기판)의 사용을 포함할 수 있다. 그러한 기판 상에 형성된 배터리 스택은 중합체 실란트 재료의 등각 층에 의해 둘러싸일 수 있고, 수분 장벽은 수분이 중합체 실란트 재료 및 배터리 스택에 도달하는 것을 방지하도록 중합체 실란트 재료 상에 배치될 수 있다.

V. 예시적인 밀봉형 배터리 제조 프로세스

본 명세서에 기술된 밀봉형 박막 배터리들은 다양한 제조 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 2개의 예시적인 프로세스는 도 6a 내지 도 7g와 관련하여 설명된다. 이들 도면에 도시된 제조 단계는 축적 비율대로 그려진 것은 아니고, 일부 단계의 순서는 일부 예에서 상호 교환될 수 있고 및/또는 일부 단계는 완전히 생략될 수 있음에 유의한다. 밀봉형 박막 배터리들은 신체 장착형 및/또는 이식형 디바이스 또는 원격 센서, 접착제, 의류 등과 같은 기타 제약된 폼 팩터 디바이스에 통합될 수 있다. 추가로 아래 언급되는 바와 같이, 밀봉형 박막 배터리들은 수분이 배터리 전극 및/또는 전해질을 열화시킬 수 있는 배터리 스택으로 침투하는 것을 수분 장벽이 방지하기 때문에, 수분이 있는 환경에서 특히 유리할 수 있다. 예를 들어, 이들 배터리는 도 2에 기술된 눈 장착형 디바이스(210)와 같은 눈 장착형 디바이스 또는 다른 신체 장착형 디바이스에 통합될 수 있다.

도 6a 내지 도 6g는 배터리가 기판의 대향 측면 상에 이미 배치된 후에 기판 상에 그리고 기판 내에 도전성 비아들 및 장착 패드들이 형성되는 프로세스를 기술한다. 도 7a 내지 도 7g는 배터리가 기판 상에 형성되기 전에 기판 상에 그리고 기판 내에 도전성 비아들 및 장착 패드들이 형성되는 프로세스를 기술한다. 이들 접근법의 변형 및/또는 조합이 또한 사용될 수 있다.

A. 배터리 스택 형성후 후속 기판 관통 비아 형성

도 6a, 도 6b, 도 6c, 도 6d, 도 6e, 도 6f, 및 도 6g는 밀봉형 배터리를 형성하고 디바이스에 배터리를 장착하기 위한 예시적인 제조 프로세스의 단계들을 도시한다. 도 6a에 도시된 밀봉형 배터리는 기판(610) 상에 배치된 배터리 스택(620)을 포함한다. 배터리 스택(620)은 전해질 재료의 막에 의해 서로 분리된 애노드 재료 및 캐소드 재료의 막들을 포함하는 박막 배터리일 수 있다. 예를 들어, 배터리 스택(620)은 도 3a 및 도 3b와 관련하여 설명된 배터리 스택들 중 어느 하나와 동일하거나 유사할 수 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 배터리 스택(620)은 기판(620) 상에 배치되고 중합체 실란트 재료(630)에 의해 캡슐화된다. 중합체 실란트 재료(630)는 배터리를 제조한 후에 배터리 스택(620) 위에 도포되는 저온 중합체일 수 있다. 중합체 실란트 재료(630)는 애플리케이터를 사용하여 실란트 재료(630)를 물리적으로 도포함으로써, 중합체 실란트를 스핀-코팅함으로써, 중합체 실란트를 스프레잉함으로써, 및/또는 다른 기술들에 의해 배터리 스택(620) 위에 코팅될 수 있다. 다수의 배터리가 공통 기판 상에 형성되고 나서 기판의 다이싱 또는 스크라이빙에 의해 분리되는 예에서, 배터리들은 중합체 실란트 재료(630)를 도포하기 전에 분리될 수 있다.

중합체 실란트 재료(630)는 중합체 실란트 재료(630)와 기판(610) 사이에 배터리 스택(620)을 실질적으로 캡슐화하는 배터리 스택(620) 위의 등각 포위체를 형성한다. 특히, 배터리 스택(620)이 (도 6d 및 도 6e에 도시된 바와 같이) 기판(610)의 대향 측면 상에 위치한 장착 패드에 전기적으로 결합되는 경우, 중합체 실란트층(630)은 전극에 연결되는 리드선의 침투없이 배터리 스택(620)을 완전히 캡슐화할 수있다. 대신에, 기판(610)을 관통하는 비아가 기판(610)의 배터리 스택(620)과 같은 측면 상에 단자 또는 리드선에 대한 필요성을 제거하기 때문에, 중합체 실란트 재료(630)는 배터리 스택(620)을 완전히 둘러싸고 기판(610)에 연속적인 밀봉을 제공하여, 오염물이 배터리 스택(620)에 도달하는 것을 방지할 수 있다.

도 6b에서, 중합체 실란트 재료(630)는 수분 장벽(640)에 의해 피복된다. 수분 장벽(640)은 중합체 실란트 재료(630) 위에 스퍼터링되는 금속 또는 세라믹 코팅일 수 있다. 배터리 스택(620)을 캡슐화하는 것 이외에, 중합체 실란트 재료(630)는 배터리 스택(620)을 수분 장벽(640)으로부터 분리시킨다. 수분 장벽(640)은 수분에 대해 실질적으로 불투과성인 수분 및 오염물에 대한 장벽을 제공한다. 따라서, 수분 장벽(640)은 수분이 중합체 실란트 재료(630) 및 배터리 스택(620)에 도달하는 것을 방지하는데 도움을 준다. 따라서, 수분 장벽(640)은 수분 노출과 관련된 유해한 영향을 방지하는데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 중합체 실란트층(630)은 적어도 부분적으로 물 투과성일 수 있지만, 금속 또는 세라믹 재료의 수분 장벽(640)은 실질적으로 물에 대해 불투과성일 수 있으며, 따라서 수분이 수분 장벽(640)으로 피복된 영역을 통해 실란트 재료(630)에 진입하는 것을 방지할 수 있다.

도 6c에서, 수분 장벽(640)은 배터리 스택(620) 위에 형성된다. 수분 장벽(640)은 수분 장벽(640)을 압축함으로써(예를 들어, 스탬핑 프로세스 또는 압력의 적용을 통해) 형성될 수 있다. 수분 장벽을 압축하는 것은 도 6c에 도시된 바와 같이, 수분 장벽(640)의 외부 에지가 기판(610)을 향하여 눌리는 결과를 초래할 수 있다. 수분 장벽(640)의 압축은 또한 중합체 실란트 재료(630)에 대한 압력을 증가시켜, 과도하게 실란트 재료(630)가 수분 장벽(640)의 외부 에지 아래에 힘을 가하도록 할 수 있다. 수분 장벽(640)의 외부 영역을 기판(610)에 더 가깝게 압착하면, 중합체 실란트 재료(630)의 노출된 표면적이 감소되어, 수분이 배터리 스택(620)에 도달할 수 있는 통로를 더욱 감소시킨다. 수분 장벽(640)을 형성하는 것 이외에, 수분 장벽(640)을 압축하는 것은 또한 배터리 스택(620)에 보다 잘 부합하고 실란트 재료(630)를 경화시키는 것을 돕기 위해 중합체 실란트 재료(630)를 압축할 수있다. 따라서, 실란트 재료(630)는 배터리 스택(620)과 수분 장벽(640) 사이에 분리(버퍼)를 생성할 수 있고, 어셈블링된 디바이스의 구조적 완전성을 증가시키며, 또한 오염물이 배터리 스택(620)에 도달하는 것을 방지하는데 도움을 준다.

일부 예에서, 수분 장벽(640)은 등방성 퇴적 프로세스 또는 수분 장벽(640)을 압축하는 것 이외에 또는 이에 대한 대안으로서 또 다른 기술에 의해 배터리 스택(620) 및/또는 기판(610)의 측면을 따라 형성될 수 있다. 기판(610)의 측면들을 따라 수분 장벽(640)을 연장시키는 것은 배터리 스택(620)에 도달하는 수분에 대해 보다 견고한 밀봉을 생성할 수 있다. 더욱이, 일부 예는 수분 장벽을 전혀 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 배터리 스택(620)은 실란트 재료(630)를 피복하는 어떠한 것도 없이 중합체 실란트 재료(630)에 의해 캡슐화될 수 있다. 그리고 일부 예에서, 수분 장벽은 (예를 들어, 도 6b에 도시된 도면에서와 같이) 실란트 재료(630)의 상부 표면 위에만 형성될 수 있다.

배터리 스택(620)은 배터리 스택(620) 내의 캐소드막에 전기적으로 결합된 패터닝된 도전성 재료의 층의 일부일 수 있는 캐소드 단자(622)를 포함할 수 있다. 배터리 스택(620)은 또한 배터리 스택(620) 내의 애노드막에 전기적으로 결합된 패터닝된 도전성 재료의 층의 일부일 수 있는 애노드 단자(624)를 포함할 수 있다. 도 6d에서, 2개의 개구(650, 652)가 기판(610)을 통해 형성되어 배터리 스택(620)에 대향하는 기판(610)의 측면으로부터 2개의 단자(622, 624)를 노출시킨다. 개구(650, 652)는 깊은 반응성 이온 에칭, 레이저 어블레이션, 또는 또 다른 프로세스에 의해 형성될 수있다. 예를 들어, 개구(650, 652)가 기판(610)을 통한 깊은 반응성 이온 에칭에 의해 형성되는 경우, 단자(622, 624)는 에칭 정지로서 사용될 수 있다. 개구(650, 652)는 각각이 배터리의 전극들 중 하나(또는 전극들 중 하나에 전기적으로 결합된 전류 컬렉터)를 노출시키도록 정렬된다. 예를 들어, 개구(650)는 캐소드 단자(622)를 노출시키도록 정렬될 수 있고 개구(652)는 애노드 단자(624)를 노출시키도록 정렬될 수 있다. 일부 예에서, 개구(650, 652)는 중합체 실란트 재료(630) 및/또는 수분 장벽(640)의 적용 전에 형성될 수 있다.

도 6e는 기판(610)의 대향 측면 상에 형성된 도전성 재료(654, 656) 및 장착 패드(658, 660)에 의해 점유된 개구(650, 652)를 도시한다. 도전성 재료(654, 656)는 개구(650, 652)의 측벽을 따라 시드층을 퇴적하고 도전성 재료를 전기 도금하여 기판(610)을 통해 연속적인 도전성 경로를 형성함으로써 형성될 수 있다. 장착 패드(658, 660)는 기판(610)의 대향 측면의 중첩되지 않는 영역 상에 패터닝될 수 있고, 각각의 장착 패드는 도전성 비아들(654, 656) 중 하나에 전기적으로 결합될 수 있다. 도전성 재료(654)는 캐소드 단자(622)를 도전성 패드(658)에 전기적으로 결합하고; 도전성 재료(656)는 애노드 단자(624)를 도전성 패드(660)에 전기적으로 결합한다.

도 6f는 또 다른 기판(661) 상의 본딩 단자들(662, 664)에 장착되는 어셈블링된 배터리를 도시한다. 본딩 단자들(662, 664)은 기판(661) 상에 패터닝된 트레이스 및 인터커넥트를 통해 제어 칩 등과 같은 기판(661) 상에 배치된 다른 전자 장치에 전기적으로 결합될 수 있다. 이방 도전성 페이스트 또는 이방 도전성 막과 같은 이방 도전성 접착 재료(670)는 본딩 단자(662, 664) 위에 도포될 수 있고, 배터리는 본딩 패드(662, 664) 위에 배치될 수 있다. 이방 도전성 재료(670)는 접착제 매트릭스 내에 분포된 다수의 도전성 입자(672)를 포함할 수 있다. 도 6g에 도시된 바와 같이, 배터리가 기판(661)에 대해 가압될 때, 도전성 입자(672) 중 적어도 하나는 장착 패드(658)와 본딩 패드(662) 사이에 위치되고, 다른 도전성 입자(672) 중 적어도 하나는 장착 패드(660)와 본딩 패드(664) 사이에 위치된다. 도전성 입자(672)는 도전성 입자(672)가 서로 너무 멀리 떨어져서 도전성 경로를 생성하기 때문에, 2개의 단자가 함께 가압되는 방향을 따라 전기 도전성을 제공하지만, 그렇지 않은 경우에는 제공하지 않는다.

본딩 패드(662, 664) 위에 배터리를 배치하고 정렬하는 것은, 예를 들어, 캐소드-연결 장착 패드(658)가 제1 본딩 패드(662)와 정렬되고 애노드-연결 장착 패드(660)가 장착 패드(664)와 정렬되도록 배터리를 위치시키는 도구를 사용하여 달성될 수 있다. 다음으로, 배터리는 이방 도전성 재료(670)를 변형시키고 장착 패드(658, 660)를 장착 패드(662, 664)에 전기적으로 결합시키기 위해 본딩 패드(662, 664)를 향해 이동될 수 있다. 압력 및/또는 열의 인가는 배터리를 제 위치에 고정시키고 플립-칩 본딩 프로세스를 완료하는 이방 도전성 접착제(670)를 경화시킬 수 있다.

B. 기판 관통 비아 형성후 후속 배터리 스택 형성

도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e, 도 7f 및 도 7g는 밀봉형 배터리의 또 다른 예시적인 제조 프로세스를 도시한다. 도 7a는 제1 면(712) 및 제2 면(714)을 갖는 기판(710)을 나타낸다. 기판(710)의 제1 면(712)에 한 쌍의 구멍(720, 722)(또는 한 쌍의 함몰부)이 형성된다. 구멍(720, 722)은 레이저 어블레이션, 깊은 반응성 이온 에칭, 또는 또 다른 기술에 의해 형성될 수 있다. 구멍(720, 722)은 씨닝(thinning) 후에 기판(710)의 최종 두께보다 큰 깊이까지 관통될 수 있다. 따라서, 일단 얇아지면, 2개의 구멍(720, 722)은 기판(710)의 전체 두께를 통해 연장될 것이다. 구멍(720, 722)은 또한 기판(710)을 통해(즉, 제2 면(714)까지) 연장될 수 있다. 구멍(720, 722)은 기판(710)을 통해 최단 경로를 제공하는 제1 면(712)(및 제2 면(714))에 실질적으로 수직인 측벽을 가질 수 있다.

도 7b는 도전성 재료(730, 732)로 채워진 후의 2개의 구멍(720, 722)을 나타낸다. 예를 들어, 은, 주석, 금, 구리 또는 또 다른 금속이 기판(710)의 제1 면(712)으로부터 구멍(720, 722) 각각의 말단부까지 연속적인 전기적 경로를 생성하도록 측벽 상에 전기 도금될 수 있다. 도 7c는 도전성 재료(730, 732)에 의해 점유된 구멍(720, 722)의 단면도를 나타낸다. 구멍(720, 722)을 도전성 재료(730, 732)로 채운 후에, 도전성 재료의 각각의 상부 측면은 기판(710)의 제1 면(712)의 평면(예를 들어, 돌출부(731,733))을 넘어 연장될 수 있다. 도 7d는 기판(710)의 돌출부(731, 733) 및/또는 제1 면(712)을 연마한 후의 단면도를 나타낸다. 연마는 돌출부를 제거하고 기판(710)의 제1 면(712)과 동일 평면인 한 쌍의 단자(734, 736)를 생성한다.

도 7e는 기판(710)을 대향 측면으로부터 연마한 후의 단면도를 나타낸다. 예를 들어, 기판(710)은 제1 면(712)을 따라 캐리어 기판에 접착될 수 있고, 그 다음으로 기판은 연마된 표면(716)을 생성하기 위해 씨닝될 수 있다. 씨닝 작업은 도전성 재료(730, 732)를 2개의 구멍 내에 노출시키도록 수행된다. 따라서, 씨닝 후의, 기판(710)의 전체 두께는 구멍(720, 722)의 깊이보다 작다. 씨닝 후에, 도전성 재료(730, 732)는 기판 (710)을 관통한 전기 경로(즉, 제1 면(712)으로부터 연마된 표면(716)까지)를 제공한다. 연마 후의, 기판(710)의 전체 두께("h")는 100 마이크로미터 미만일 수 있다. 예를 들어, 기판 두께는 약 20 마이크로미터와 약 70 마이크로미터 사이일 수 있다. 예를 들어, 기판(710)은 초기에 약 700 마이크로미터의 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼일 수 있고, 연마 후에, 기판(710)은 구멍에 의해 얇은 기판을 통한 전기적 경로를 갖는 약 70 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.

그러나, 일부 예에서, 씨닝 프로세스는 완전히 생략될 수 있다. 대신에, 기판은 구멍(720, 722)을 형성하기 전에 원하는 두께일 수 있으며, 따라서 구멍은 이러한 기판의 전체 두께를 통과하는 개구일 수 있다.

도 7f에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 장착 패드(740, 742)가 연마된 표면(716) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 장착 패드(740) 중 하나는 전기 재료(730)에 전기적으로 결합되도록 배열될 수 있고, 장착 패드(742) 중 다른 하나는 전기적 재료(732)에 전기적으로 결합되도록 배열될 수 있다. 따라서, 장착 패드(740)는 도전성 재료(730)의 동일 평면 상부 표면(734)에 전기적으로 결합되고, 장착 패드(742)는 도전성 재료(732)의 동일 평면 상부 표면(736)에 전기적으로 결합된다. 장착 패드(740, 742)는 연마된 표면(716) 상의 비중첩 영역의 임의의 패턴을 점유하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 장착 패드(740, 742)는 장착 패드(740)가 연마된 표면(716)의 대략 절반을 점유하고, 장착 패드(742)가 연마된 표면(716)의 나머지 절반을 차지하도록 형성될 수 있다. 이러한 배열은 또 다른 기판 상의 본딩 패드 위로 배터리를 플립-칩 장착할 때 정렬 허용 오차를 최대화할 수 있다. 다른 많은 패턴도 가능하다. 일부 경우에, 장착 패드(740, 742)는 완전히 생략될 수 있다.

도 7g는 배터리 스택(보이지 않음)이 기판(710)의 제1 면(712) 상에 형성되고 수분 장벽(750)에 의해 피복된 실란트 재료에 의해 밀봉된 후에 완성된 밀봉형 배터리를 도시한다. 상술한 바와 같이, 일부 구현에서는 수분 장벽(750)을 생략하거나 수정할 수 있다. 배터리 스택은 그의 캐소드 단자가 도전성 재료(730)의 상부 표면(734)과 중첩되도록 정렬되고 그의 애노드 단자가 도전성 재료(732)의 상부 표면(736)과 중첩되도록 정렬되게 패터닝될 수 있다. 다음으로, 도 6f 및 도 6g와 관련한 설명과 유사하게, 도 7g에 도시된 배터리는 대응하는 본딩 패드에 플립-칩 장착될 수 있다.

밀봉형 박막 배터리는 기판의 일 측면(예를 들어, 기판(710)의 제1 면(712)) 상에 배치된 배터리 스택, 및 기판의 다른 측면(예를 들어, 기판 (710)의 연마된 측면 (716) 상에 배치된 장착 패드(740,742)) 상에 배치된 도전성 장착 패드를 포함할 수 있다. 배터리 스택은 애노드막, 캐소드막, 및 애노드막과 캐소드막을 분리하는 전해질막을 포함한다. 장착 패드들 중 하나는 애노드에 전기적으로 결합될 수 있고, 다른 장착 패드는 (예를 들어, 기판을 통과하는 각각의 전기 경로에 의해) 캐소드에 전기적으로 결합될 수 있다. 배터리 스택은 또한 배터리 스택 위에 및 그 주위에 배치되는 중합체 실란트 재료로 피복될 수 있다. 중합체 실란트 재료는 배터리 스택을 완전히 둘러싸는 기판에 대해 연속적인 밀봉을 형성할 수 있으며, 이에 의해 배터리 스택을 실란트층과 기판 사이에 캡슐화한다.

상술한 바와 같이, 도 6a 내지 도 7g와 관련하여 기술된 제조 프로세스는 공통 기판 상에 다수의 배터리 칩을 형성하도록 수행될 수 있다. 다음으로, 공통 기판을 다이싱하여 개별 배터리를 분리하고, 분리된 배터리를 밀봉한 다음 다양한 전자 디바이스에 통합할 수 있다.

일단 완성되면, 센서 칩(640)은 신체 장착형 디바이스에 통합될 수 있다. 예를 들어, 센서 칩(640)은 (도 5c 내지 도 5d의 센서 칩(560)의 설명과 유사하게) 도전성 장착 패드(634, 636)를 그러한 디바이스에 내장된 기판 상의 대응하는 단자에 플립-칩 장착함으로써 상술한 눈 장착형 디바이스(210)와 유사한 눈 장착형 디바이스에 통합될 수 있다. 제어기는 인터커넥트를 통해 센서 칩(640)에 전기적으로 결합될 수 있고, 전극(626, 628)에 전압을 인가하고, 작동 전극(626)을 통해 전류를 측정하며, 안테나를 사용하여 전류 측정치를 무선으로 표시함으로써 센서 칩(640)을 구동할 수 있다.

C. 예시적인 배터리 제조 프로세스

도 8은 밀봉형 박막 배터리를 제조하기 위한 예시적인 제조 프로세스(800)의 흐름도이다. 프로세스(800)는 공통 기판 상에 병렬로 다수의 배터리를 제조하는 것을 포함할 수 있다.

블록(802)에서, 배터리 스택은 기판의 제1 면 상에 형성된다. 배터리 스택을 형성하기 위한 예시적인 프로세스는 기판의 제1 면 상에 캐소드 전류 컬렉터층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 캐소드 전류 컬렉터층은 기판의 제1 면의 제1 영역을 적어도 점유할 수 있다. 배터리 스택 형성은 또한 캐소드 전류 컬렉터층 상에 캐소드 활성층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 배터리 스택 형성은 또한 캐소드 활성층 상에 전해질층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 배터리 스택 형성은 또한 전해질층 상에 애노드 활성층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 배터리 스택 형성은 또한 애노드 활성층 상에 애노드 전류 컬렉터층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 애노드 전류 컬렉터층의 일부는 캐소드 전류 컬렉터층과 중첩하지 않고 기판의 제1 면 상에 배치되도록 애노드 활성층을 넘어 연장될 수 있다. 결과적으로, 애노드 전류 컬렉터층은 기판의 제1 면의 제2 영역(예를 들어, 제1 영역과 중첩하지 않는 영역)을 적어도 점유할 수 있다. 따라서, 캐소드 전류 컬렉터가 배치되는 기판의 제1 영역의 일부는 배터리 스택의 캐소드 단자를 정의할 수 있고, 애노드 전류 컬렉터가 배치되는 기판의 제2 영역의 일부는 배터리 스택의 애노드 단자를 정의할 수 있다.

배터리 스택 형성은 또한 (예를 들어, 캐소드막을 결정화하기위한) 하나 이상의 어닐링 프로세스를 포함할 수 있다. 또한, 캐소드막 전에 애노드막이 형성되는 프로세스를 포함하여, 기판의 제1 면 상에 배터리 스택을 형성하기 위해 다른 제조 프로세스가 사용될 수 있다. 일단 형성되면, 배터리 스택은 적어도 전해질막, 전해질막과 접촉하는 캐소드막 및 전해질막과 접촉하지만 캐소드 막과는 접촉하지 않는 애노드막을 포함할 수 있다. 막들은 평면 기판 상에 서로의 상부에 막들을 적층시킴으로써 발생하는 것과 같이 동일 평면일 수 있지만, 애노드 및 캐소드막이 전해질막의 국부적으로 대향된 표면과 접촉하는 다양한 폼 팩터가 가능하다. 이러한 폼 팩터는 다른 인자들 중 특정 애플리케이션에서 크기/중량 제약에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 폼 팩터는 전해질막이 각각의 전극 막과 접촉하는 만곡된 표면을 포함할 수 있다.

블록(804)에서, 제1 및 제2 개구가 기판을 통해 형성될 수 있다. 개구는 배터리 스택의 애노드 및 캐소드를 기판의 대향 측면 상의 도전성 장착 패드에 전기적으로 결합할 수 있는 도전성 비아를 위한 공간을 제공한다. 개구는 배터리의 애노드 및 캐소드 단자를 노출시키기 위해 배터리의 대향 측면으로부터 기판을 통해 에칭하는 이방성 에칭 프로세스에 의해 배터리의 형성 후에 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판의 배터리 스택 측은 캐리어 기판에 접착될 수 있고, 개구는 기판을 통해 이면 측으로부터 에칭될 수 있다. 블록(806)에서, 개구는 도전성 재료로 채워진다. 예를 들어, 은, 금, 백금 또는 또 다른 금속은 개구 상의 측벽 상에 형성된 시드층 위에 전기 도금될 수 있다. 도전성 재료는 개구의 측벽을 따라 기판을 통해 연속적으로 연장될 수 있고, 그로 인해 기판을 관통하는 전기 경로를 정의할 수 있는데, 그 중 하나는 캐소드에 전기적으로 결합되고 다른 하나는 애노드에 전기적으로 결합된다. 도전성 재료로 채워진 개구에 의해 정의된 기판을 통한 전기 경로는 본 명세서에서 비아(via)로도 지칭된다.

또한, 개구는 배터리의 형성 이전에, 레이저 어블레이션 및/또는 이방성 에칭에 의해 형성될 수 있다. 이러한 예에서, 개구는 또한 기판 상에 배터리 스택을 형성하기 전에 도전성 재료로 채워질 수 있다. 다음으로, 캐소드 단자가 비아들 중 하나(즉, 개구에 의해 정의된 기판을 통한 도전 경로)와 정렬되고 애노드 단자가 다른 비아와 정렬되도록 배터리 스택이 형성될 수 있다.

블록(808)에서, 제1 및 제2 도전성 패드는 기판의 제2 면 상에 패터닝될 수 있다. 도전성 패드들 각각은 제1 도전성 패드가 배터리 스택의 캐소드에 전기적으로 결합되고 제2 도전성 패드가 배터리 스택의 애노드에 전기적으로 결합되도록 비아들 중 하나 위에 패터닝될 수 있다. 따라서, 기판의 제2 면 상의 2개의 도전성 단자는 기판의 제1 면 상에 형성된 배터리에 전기적으로 접속하는데 사용될 수 있다. 개구를 기판을 통해 형성하고, 개구를 도전성 재료로 적어도 부분적으로 채우고, 및/또는 도전성 장착 패드를 형성하는 것은, 캐리어 기판에 (상부에 형성된 배터리를 구비하거나 구비하지 않은) 기판의 제1 면을 접착시켜서 기판의 제2 면 상에서의 프로세싱을 용이하게 하는 것을 포함할 수 있다.

블록(810)에서, 기판을 다이싱하여, 개별 배터리 셀을 서로 분리시킬 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 다수의 배터리 셀은 공통 기판 상에 동시에 형성될 수 있고, 이들 배터리 셀을 위한 비아 및 장착 단자는 기판이 다이싱되기 전에 공통 기판의 대향 측면 상에 형성될 수 있다. 물론, 경우에 따라, 공통 기판은 더 일찍 다이싱될 수 있고, 비아 및/또는 장착 패드는 개개의 배터리 셀의 기판에 제조될 수 있다.

블록(812)에서, 중합체 실란트 재료는 분리된 배터리의 배터리 스택 위에 및 그 둘레에 도포될 수 있다. 상술한 바와 같이, 중합체 실란트 재료는 특정 온도(예를 들어, 약 100℃ 내지 약 200℃) 이상으로 변형될 수 있는 중합체와 같은 저온 중합체 제제일 수 있다. 예를 들어, 중합체 실란트 재료는 폴리에틸렌 재료, 폴리아미드 재료, 폴리 프로필렌 재료, 또는 임의의 다른 열가소성 또는 열경화성 중합체일 수 있다. 중합체 실란트 재료는 배터리 스택 위에 및 그 주위에 실란트 재료를 확산시키는 애플리케이터에 의해 도포될 수 있다. 다음으로, 중합체 실란트 재료는 (예를 들어, 흐름에 의해) 배터리 스택의 측면 위에 및 그 주위에 따를 수 있으며, 배터리 스택을 완전히 둘러싸는 기판을 따라 연속적인 밀봉을 생성한다. 중합체 실란트 재료는 또한 실란트 재료를 스핀 코팅 또는 스프레잉함으로써 도포하여 배터리 스택 위에 및 그 주위에 연속적인 층을 형성할 수 있다. 중합체 실란트 재료가 배터리 스택의 모든 측면 상의 기판에 대해 밀봉하는 연속적인 층을 형성할 수 있기 때문에, 중합체 실란트 재료는 실란트 재료와 기판 사이에 배터리 스택을 캡슐화할 수 있다.

블록(814)에서, 수분 장벽은 중합체 실란트층 위에 도포될 수 있다. 수분 장벽은 수분이 중합체 실란트 재료 및 배터리 스택에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 일부 예에서, 수분 장벽은 스퍼터링 프로세스에 의해 실란트층 위에 퇴적되는 금속 또는 세라믹층일 수 있다. 일부 예에서, 수분 장벽은 중합체 실란트 재료 위에 도포되고, 그 다음으로 압축 및/또는 가열되어 포일 및 중합체 실란트가 원하는 형상을 취하게 할 수 있는 가요성 포일일 수 있다. 예를 들어, 수분 장벽은 측면 에지 주위에 압력을 가함으로써 기판에 대해 압축될 수 있다. 압축은 수분 장벽에 의해 형성된 공동 아래에서 중합체 실란트 재료에 과도하게 힘을 가하여 이를 흘려보내서, 수분 장벽의 측면 에지를 기판에 가깝게 가져올 수 있다. 냉각에 의해 적어도 부분적으로 유지될 수 있는 형상은 열가소성 중합체 실란트 재료를 경화시켜 압축된 포일의 형상을 고정시킨다. 일부 예에서, 중합체 실란트 재료는 스퍼터링된 수분 장벽을 수용하기에 적합한 형상을 취하도록(예를 들어, 실란트 재료에 몰드를 적용함으로써) 형성될 수 있고, 이어서 수분 장벽은 형성된 실란트 재료 상에 스퍼터링될 수 있다. 수분 장벽을 적용하기 위한 다른 기술도 가능하다. 일부 경우에서, 수분 장벽은 배터리 스택이 배치되는 기판의 측벽을 따라 연장되도록 변형 및/또는 형성될 수 있다. 연장된 측면은 최종 디바이스의 내습성을 향상시킨다. 또한, 일부 경우에, 수분 장벽은 배터리 스택이 배치되는 기판의 평면에 실질적으로 평행한 층의 수분 장벽의 상부 표면에만 적용될 수 있다.

블록(716)에서, 배터리 칩은 전자 디바이스의 또 다른 기판에 장착될 수 있다. 기판은 기판 상에 배치된 전자 장치에 전기적으로 결합되는 본딩 패드를 포함할 수 있어서, 장착시 배터리가 이들 전자 장치에 전력을 공급하도록 사용될 수 있다. 일부 예에서, 배터리가 통합된 디바이스는 신체 장착형 디바이스 또는 피분석물 농도를 측정하는데 사용되는 이식형 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 센서 칩은 도 1 및 도 2와 관련하여 기술된 눈 장착형 및/또는 신체 장착형 센서 플랫폼과 유사한 제어기 및 안테나를 포함하는 기판 상의 도전 단자에 플립-칩 장착될 수 있다. 신체 장착형 디바이스용 기판은 신체 표면에 장착되거나 또는 호스트 내에 이식되도록 구성된 생체 적합 중합체 재료에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 캡슐화될 수 있다. 일부 경우에, 배터리가 플립-칩 장착되는 기판은 배터리 제조에 사용되는 어닐링 온도 및/또는 용매를 견디지 못하는 중합체 기판(예를 들어, 파릴렌 기판)과 같은, 전형적으로 배터리 제조에 채택되지 않는 기판일 수도 있다.

다양한 장착 기술이 채택될 수 있지만, 적어도 일부 예는 기판 상의 본딩 패드 위에 이방 도전성 접착제를 도포하는 것을 포함할 수 있다. 도전성 장착 패드 배터리는 본딩 패드와 정렬될 수 있고, 압력 및/또는 열은 장착 패드를 본딩 패드에 가압하여 전기적 연결을 생성하도록 적용될 수 있다. 냉각될 때, 이방 도전성 접착제는 경화되어, 배터리를 기계적으로 제 위치에 본딩시킨다. 결과적으로, 배터리는 본딩 패드에 단단히 결합될 수 있다.

VI. 추가 실시예들

다양한 전자 장치 플랫폼이 예를 들어 눈 장착형 디바이스 또는 안과용 디바이스로서 본 명세서에서 설명되었지만, 밀봉형 박막 배터리의 구성을 위한 개시된 시스템 및 기술은 다른 상황에서 잘 적용될 수 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 측정이 생체 내에서 및/또는 상대적으로 작은 샘플 체적에서 이루어지거나, 또는 소형 폼 팩터(예를 들어, 이식 가능한 바이오 센서 또는 기타 전자 장치 플랫폼)로 제한되는 컨텍스트는 본 명세서에서 설명된 배터리 시스템 및 프로세스를 채택하여 그러한 측정에 사용되는 디바이스에 전력을 공급할 수 있다. 또한, 일부 예는 밀봉형 박막 배터리를 의류, 접착제 패치 또는 무선 신호를 통해 아이템을 태깅 및/또는 식별하고, 측정을 하고, 및/또는 다른 디바이스와 통신하기 위해 사용되는 다른 소형 폼 팩터 디바이스에 통합하는 것을 포함할 수 있다. 일 예에서, 이식 가능한 의료 디바이스는 생체 적합 재료로 캡슐화되고 호스트 유기체 내에 이식된 밀봉형 배터리를 포함할 수 있다. 이식 가능한 의료 디바이스는 피분석물 농도 측정(예를 들어, 전류 측정 전류 판독)의 표시를 출력하도록 구성된 회로를 포함할 수 있다. 판독 및/또는 제어 디바이스는 측정을 위해 이식 가능한 의료 디바이스와 통신할 수 있다.

예를 들어, 일부 실시예에서, 전자 장치 플랫폼은 치아 장착형 디바이스와 같은 신체 장착형 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 치아 장착형 디바이스는 신체 장착형 디바이스(110) 및/또는 눈 장착형 디바이스(210)의 형태를 취하거나 형태가 유사할 수 있다. 예를 들어, 치아 장착형 디바이스는 생체 적합 중합체 재료 또는 본 명세서에 기술된 중합체 재료 또는 투명 중합체 중 임의의 것과 동일한 또는 유사한 투명 중합체 및 본 명세서에 기술된 임의의 기판 또는 구조와 동일하거나 유사한 기판 또는 구조를 포함하지만, 중합체 재료의 외부 표면은 눈 장착보다는 치아 장착에 용이하게 하도록 형성될 수 있다. 이러한 배열에서, 치아 장착형 디바이스는 치아 장착형 디바이스를 착용한 사용자의 유체(예를 들어, 타액)의 피분석물 농도를 측정하도록 구성될 수 있다. 다른 신체 장착 위치도 가능하다.

또한, 일부 실시예에서, 신체 장착형 디바이스는 피부 장착형 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 피부 장착형 디바이스는 신체 장착형 디바이스(110) 및/또는 눈 장착형 디바이스(210)의 형태를 취하거나 형태가 유사할 수 있다. 예를 들어, 피부 장착형 디바이스는 생체 적합 중합체 재료 또는 본 명세서에 기술된 중합체 재료 또는 투명 중합체 중 임의의 것과 동일한 또는 유사한 투명 중합체 및 본 명세서에 기술된 임의의 기판 또는 구조와 동일하거나 유사한 기판 또는 구조를 포함하지만, 중합체 재료의 외부 표면은 눈 장착보다는 피부 장착에 용이하게 하도록 형성될 수 있다. 이러한 배열에서, 신체 장착형 디바이스는 신체 장착형 디바이스를 착용한 사용자의 유체(예를 들어, 땀, 혈액 등)의 피분석물 농도를 측정하도록 구성될 수 있다.

예시적인 실시예들에서, 예시적인 시스템은 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 형태들의 메모리, 하나 이상의 입력 디바이스/인터페이스, 하나 이상의 출력 디바이스/인터페이스, 및 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 시스템으로 하여금 전술한 다양한 기능들, 작업들, 능력들 등을 수행하게 하는 머신 판독 가능 명령어들을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 개시된 기술들은 머신 판독 가능 포맷으로 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 상에, 또는 다른 비일시적인 매체 또는 제조 물품 상에 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령어들에 의해 구현될 수 있다. 이러한 컴퓨팅 시스템(및 비일시적 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어들)은 도 8과 관련하여 도시되고 설명된 프로세스를 포함하여, 본 명세서에 제시된 적어도 일부 실시예에 따라 구성될 수 있다.

프로그래밍 명령어들은, 예를 들어, 컴퓨터 실행 가능 및/또는 논리 구현 명령어들일 수 있다. 일부 예에서, 컴퓨팅 디바이스는 컴퓨터 판독 가능 매체, 컴퓨터 기록 가능 매체, 및/또는 통신 매체 중 하나 이상에 의해 컴퓨팅 디바이스로 전달된 프로그래밍 명령어들에 응답하여 다양한 동작들, 기능들, 또는 조치들을 제공하도록 구성된다. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체는 서로로부터 원격 배치될 수 있는 복수의 데이터 저장 요소들 사이에 분산될 수도 있다. 저장된 명령어들 중 일부 또는 모두를 실행하는 컴퓨팅 디바이스는 미세 제조 제어기, 또는 다른 컴퓨팅 플랫폼일 수 있다. 대안적으로, 저장된 명령어들 중 일부 또는 모두를 실행하는 컴퓨팅 디바이스는 서버와 같은, 원격 배치된 컴퓨터 시스템일 수 있었다.

다양한 양태 및 실시예가 본 명세서에 개시되었지만, 다른 양태 및 실시예는 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 분명할 것이다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시예는 예시의 목적을 위한 것이고, 제한을 의도하지 않으며, 다음의 청구항에 의해 진정한 범위가 지시된다.