CN102934016A - 电化学处理器、电化学处理器的用途及构建方法 - Google Patents

电化学处理器、电化学处理器的用途及构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电化学处理器(1)，其包括通过电解液(401)桥接的具有不同电化学电位的两个电极(200，300)。经完成两个电极之间的电路，第二电极(300)被氧化并因而至少一个物理参数发生改变，例如，第二电极变得透明。所述电化学处理器的特征在于，第二电极(300)的与所述电解液(401)接触的表面用电绝缘材料(500)部分地覆盖，其中该材料邻近所述电解液(401)。此外，本发明还涉及所述电化学处理器的用途及构建所述电化学处理器的方法。

Description

电化学处理器、电化学处理器的用途及构建方法
技术领域
本发明涉及一种电化学处理器，其包括通过电解液桥接的具有不同电化学电位的两个电极。经完成两个电极之间的电路，第二电极被氧化并因而至少一个物理参数发生改变，例如，第二电极变得透明。所述电化学处理器的特征在于，第二电极的与所述电解液接触的表面用电绝缘材料部分地覆盖，其中该材料邻近所述电解液。此外，本发明还涉及所述电化学处理器的用途及构建所述电化学处理器的方法。
背景技术
US 5,930,023公开了一种电化学显示装置，其包括具有不同电极电位的第一和第二电极层，电解液层与第一电极层重叠，与第一电极层形成界面而且与第二电极层形成界面，从而在第一和第二电极层之间完成离子导电通路，并且响应于在第一和第二电极层之间的电流流动，电极界面连同第二电极层的界面一起可以移动，从第一电极层延伸离子导电通路，用于改变显示装置的可见外观。根据US 5,930,023的电化学显示装置的特定实施方案，两个电极层涂布在衬底上，并且间隔有间隙。存在注入两个电极之间的间隔间隙中并与电极的自由表面部分重叠的电解液层，用于将电极电连接。然而，在电路完成时将要被氧化的电极层的大部分表面暴露在电化学显示装置内部的腔室内。由于电解液层是离子导体并且以膏状或凝胶或类似的液体形式存在，所以电解液层并不是完全刚性的或固体的，而是表现出一定程度的粘弹性，因而可以在腔室内分布，例如，可能会以不受控制的方式在电极暴露于腔室的表面上铺展开。如果根据US 5,930,023的电化学显示装置排列成使得电解液可以流入到腔室中，那么电解液的这种不受控制的分布将受多种因素影响，甚至受到重力影响。然而，这将导致这种电化学显示装置的主要缺点，即，显示装置的反应时间取决于显示装置是如何空间排列的。此外，这种化学显示装置的反应时间不能确保恒定，例如，在机械冲击时。因此，这种***的校准几乎是不可能的，使得这种电化学显示装置很不可靠。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电化学处理器，例如，处于电化学显示装置的形式，其能够提供恒定的反应时间，因而可以获得比US5,930,023中所记载的更为可靠的处理器或显示装置。此外，本发明的另一个目的是说明根据本发明的电化学处理器的用途。本发明的再一个目的是提供一种组装根据本发明的电化学处理器的方法。
这些目的通过具有权利要求1的特征的电化学处理器、具有权利要求16的特征的所述电化学处理器的用途、具有权利要求17的特征的组装所述电化学处理器的方法得以解决。从属权利要求涉及本发明的有利特征。
根据本发明，提供了一种电化学处理器，其包括：
a)第一电极和第二电极，每个电极具有第一表面和相对排列的第二表面，其中，第一电极和第二电极具有不同的电极电位，并且在x方向上彼此物理分开，
b)电解液，所述电解液在y方向上至少覆盖第一电极的第一表面的一部分和第二电极的第一表面的一部分并且将第一电极与第二电极电连接，其中，至少第二电极的第一表面未被所述电解液覆盖的部分在y方向上用限定电解液的电绝缘材料覆盖，并且其中，所述电化学处理器的激活使得第二电极和所述绝缘材料在第二电极和所述绝缘材料的接触区域处开始侧向分层，从而在第二电极和所述绝缘材料之间提供通道。
根据本发明的原理实施方案，存在两个电极，其中第二电极被选择成与第一电极相比具有较低的电化学电位，即，这两个电极可以被称作局部元件，其中经完成第一电极和第二电极之间的电路，第二电极开始发生腐蚀。这两个电极并不直接彼此物理接触，即，而是由间隙彼此分开。这两个电极之间的电连接通过涂布在电极的第一表面上的电解液实现。也可以使电解液存在于这两个电极之间的间隙内。本发明的中心构思是将电绝缘材料涂布在第二电极的存在电解液的表面上。该绝缘材料可以是涂布在第二电极的第一表面上的涂层或者复合物涂层。利用该电绝缘材料，第二电极的第一表面可以与电解液接触的区域被限制到未被电绝缘材料覆盖的区域。根据这一特征，可以排除电解液在第二电极的整个第一表面上以不可控制的方式铺展。因此，经完成两个电极之间的电路，可以获得第二电极的可控腐蚀。由于第二电极与绝缘材料层压在一起，所以在激活处理器时，例如，发生第二电极的氧化，并因而发生绝缘材料与第二电极的可控的侧向分层。第二电极首先将在与电解液接触的地方腐蚀，然后腐蚀在绝缘材料的方向上侧向推进。在空间上，腐蚀在第二电极与电解液接触的地方开始。这将在第二电极和绝缘材料之间形成通道或者间隙，电解液渗透进其中并随着电极的腐蚀过程推进。然而，这种可控的腐蚀导致电化学处理器的可预测和可调节的反应时间，即，将第二电极腐蚀到预定程度所需的时间。因此，存在于第二电极的第一表面上的绝缘材料使得电化学处理器的完全结构非常可靠，并且导致电化学处理器的可重复的反应时间。处理器的激活可以通过接触第一电极和第二电极的外接电路(即，在处理器外面建立电接触)实现。
本发明涉及一种可以进行化学和/或电化学过程的电化学处理器。这些过程可以以电气方式在任意时间开始。所述处理器包含例如光学显示元件。它从层组成中接收电能并且不需要任何电池。可以实施功能基于纳米界面层的电化学发生的微观以及宏观***。
所述电化学处理器可以实现为层状***并且可以用于例如以下目的：
·微反应工程
·时间指示器
·温度-时间积分器。
根据本发明的优选实施方案，具有第一表面和相对排列的第二表面的第三电极与第二电极邻近设置、与第二电极物理分开并且在x方向上与第一电极相对设置。如果第一电极在外部与第三(或第二)电极电连接，则可以激活此器件。
除了在第一电极和第二电极之外存在的另一个电极可与第二电极电连接。这可以通过存在例如迁移层来实现，所述迁移层与第二电极的第一表面的一部分以及第三电极的至少一部分直接物理接触。有关迁移层的描述可以参考WO 2009/056591A1，其中详细描述了迁移层、迁移层所用的化合物以及在例如电极上制作迁移层的方法。WO 2009/056591A1中的有关迁移层的全部公开内容并入本发明中作为参考。特别地，WO2009/056591A1中描述的迁移层材料可用于本发明的迁移层。
另外，优选的是，所述电化学处理器包括衬底，第一电极、第二电极和存在时的第三电极的各自第二表面设置在所述衬底上。根据这一特定实施方案，这些电极都可以直接固定在衬底上。此外，衬底和各电极之间还可以存在其他层，例如，在衬底和例如第二电极之间，可以用作指示层，如图形层或者图像。这些层还可以存在于衬底的“下”侧上，即，在衬底的放置电极的相对侧。因此，优选的是，衬底是透明的。因此，所述电化学处理器构建成堆叠型的，其中各电极放置在衬底上，其上放置电解液，例如作为层。这种结构的侧向维度可以称作x方向，而这些不同层(例如，衬底、电极和电解液等)的堆叠方向可以称作y方向。
另外，优选的是，包括平行于所述衬底设置的封装层，其中第一电极、第二电极、存在时的第三电极、所述电解液以及所述绝缘材料在y方向上夹在所述衬底和所述封装层之间。优选地，该封装层在空间上完成了处理器，即，限定处理器。
该特定实施方案是上述在衬底上设置电极的实施方案的延伸。所述封装层位于前述结构的上面，即，限定例如电解液以及绝缘材料，与电解液邻近。
另外，还可以包括两个相对设置的间隔件，它们在x方向上限定所述电化学处理器，其中一个间隔件和所述绝缘材料形成容纳所述电解液的第一反应室的壁。
这些间隔件或间隔元件可以由与衬底和/或封装层相同的材料制成。另外，这些间隔件限定了例如衬底和封装层之间的空间距离，并因而与衬底和封装层一起限定了电化学处理器在y方向上的整个厚度。此外，邻近电解液的间隔件可以在x方向上用作可以容纳第一电解液的第一反应室的壁。在x方向上的相对壁由设置在第二电极的表面的一部分上的绝缘材料的边界形成。该反应室的其他边界或壁例如由第一电极的第一表面和封装层形成(两者都是在y方向上的壁)。为完成反应室，当然该室在z方向上也由相应的壁限定，例如可以由与衬底或封装层相同的材料来构建。
然而，形成第一或第二反应室的这些壁中的一个还可以包括开口，从而分别允许第一和/或第二反应室与电化学处理器的周边环境通讯。开口或窗口可以用于环境和相应反应室的内部之间的物质交换。例如，窗口可以用于将周边环境的水分引入反应室，使得水分可以被电解液吸收。如果干电解液放置在反应室内部，这种实施方案是特别有利的，干电解液通过吸收水而导电。因此，可以提供能够原位激活的处理器，即，处理器组装有干电解液，如聚乙烯醇，直到电化学处理器暴露在将要使用电化学处理器的环境中才导电。
根据另一个实施方案，在y方向上的第二间隔件设置成使得其在上述反应室的相对侧上限定设置在第二电极的第一表面上的绝缘材料。这意味着，第二间隔件直接邻近或限定绝缘材料，并且在x方向上在第一间隔件的相对侧上限定电化学处理器。
在可选实施方案中，第二间隔件与绝缘材料分开，即，在绝缘材料与第二间隔件之间(在x方向上)存在一定的腔室。这意味着，绝缘材料和第二间隔件在x方向上形成第二腔室的壁，即，第二反应室。第二反应室的其他壁与上述第一反应室的壁类似，即，在y方向上，这些壁例如是衬底和封装层，而在z方向上存在包围第二反应室的相应元件。
根据本发明的另一个有利实施方案，第二反应室至少部分地填充有第二电解液，第二电解液与第一电解液相同或者与第一电解液不同。此外，第二反应室可以填充有反应剂。
反应剂可以是与例如存在于第一反应室内的第一电解液发生物理或化学相互作用的物质。
根据另一个优选实施方案，膨胀层和/或至少一个膨胀元件设置在第二电极和所述绝缘材料之间。该膨胀层可以存在于所述绝缘材料覆盖第二电极的第一表面的整个区域之间。可选择地，该层也可以仅存在于第二电极的一定区域上。代替该层的是，也可以存在点状或二维膨胀元件。这些膨胀层或膨胀元件的材料被设计成使得它们的体积随着与例如包含在第一反应室中的电解液的接触而增大。
根据本发明的另一个优选实施方案，包括迁移层，所述迁移层设置在第二电极的第一表面的一部分以及第三电极的第一表面的至少一部分上。有关此迁移层，例如，迁移层的材料或尺寸等，请明确参见WO2009/056591A1，其内容并入本文作为参考。
该迁移层包含能够离子导电的材料或由能够离子导电的材料构成。由于该迁移层接触第二电极和第三电极，因此，如果在迁移层中存在离子，则可以在第二电极和第三电极之间建立导电通路。
根据本发明的另一个优选实施方案，第二电极和/或存在时的第三电极的第一表面至少部分地用覆盖层覆盖，或者覆盖元件嵌在所述电极的第一表面中。
另外，还可以包括与第二电极物理连接的迁移电极或反应性子***。
此外，有利的是，第一电极、第二电极和/或第三电极设计为层状，层厚度优选为10~100,000nm，更优选20~1,000nm，特别是30~500nm。
在另一个有利实施方案中，存在外部导电通路，经由它第一电极可与第二电极、第三电极、所述迁移电极或所述子***连接。该外部导电通路包括用于完成电路的开关，用来启动电化学处理器内部的化学反应，例如，开始第二电极的腐蚀。
所述处理器的各部件的优选材料如下：
第一电极和/或第三电极包含选自以下的材料或者由以下材料构成：石墨炭黑、含有石墨和(甲基)丙烯酸树脂的双组分材料；导电聚合物，优选聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)、聚苯胺、掺杂聚苯胺(PANI)；和/或金属。
第二电极包含选自以下的材料或者由以下材料构成：金属，如铝、钽；或者导电聚合物，优选聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)、聚苯胺、掺杂聚苯胺(PANI)。
第一电解液和/或第二电解液包含无机盐，优选NaCl、CaCl2、LiClO4；和/或酸，优选弱酸，其中第一电解液优选是所述无机盐和/或所述酸的溶液或凝胶，其中所述溶液或凝胶可含有添加剂，如亚烷基二醇，例如乙二醇，或者水-乙二醇的混合物，和/或增稠剂，如聚乙烯醇和/或多糖，例如纤维素和/或淀粉，基于N,N-二甲基甲酰胺、N,N二甲基乙酰胺和/或γ-丁内酯的无水电解液。增稠剂允许电解液的印刷。电解液的增稠使得能够通过印刷技术涂布电解液，例如丝网印刷。在使用无水电解液的情况下，周边环境的水分可以用于润湿电解液而使其导电。
所述电绝缘材料和/或所述间隔件包含选自以下的材料或者由以下材料构成：聚酯、聚乙烯、聚丙烯和/或树脂的漆，优选(甲基)丙烯酸树脂、含有(甲基)丙烯酸酯的共聚树脂和/或聚氨酯。优选地，所述绝缘材料是透明的。
所述衬底包含选自以下的材料或者由以下材料构成：塑料材料，优选聚乙烯、聚丙烯、共挤出的聚乙烯、共挤出的聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和/或聚酰胺；纸；涂层纸；玻璃；或陶瓷材料。
所述封装层包含选自以下的材料或者由以下材料构成：塑料材料，优选聚乙烯、聚酯、基于(甲基)丙烯酸树脂、(甲基)丙烯酸酯共聚物和/或聚氨酯的漆，其中所述材料优选是透明的。
所述膨胀层和/或所述的至少一个膨胀元件包含选自以下的材料或者由以下材料构成：体积随着与水或所述电解液的接触而增大的材料，优选聚乙烯醇。
所述迁移层包含选自以下的材料或者由以下材料构成：体积随着与水或所述电解液的接触而增大的材料，优选聚乙烯醇。
所述覆盖层和/或至少一个覆盖元件包含选自以下的材料或者由以下材料构成：石墨炭黑、铝或导电聚合物，优选聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)、聚苯胺、掺杂聚苯胺(PANI)。
所述迁移电极包含含有与离子导电聚合物组合的至少一种导电聚合物的复合材料，优选聚苯胺和聚乙烯醇的复合材料、PEDOT:PSS和聚乙烯醇的复合材料、和/或它们的组合。
所述子***由随着与电解液和/或水溶液接触而表现出至少一种材料性能的物理变化或者发生化学反应的物质构成，优选颜色指示剂、导致放热反应的物质或组合物、或者导致体积增大的物质或组合物。
根据特定实施方案，所述电化学处理器可以构建作为指示器，例如，时间指示器或者时间-温度积分器。根据该实施方案，优选的是，包含至少一个图像和/或色彩信号的图形层设置在第二电极的第二表面的至少一部分上和/或衬底的与设置电极的表面相对的表面上。在后一种情况下，优选的是，绝缘材料和氧化的电极是透明的。
另外，本发明还提供了上述电化学处理器的用途。其中，特殊用途是所述电化学处理器作为时间指示器；温度-时间积分器；食品、调料和/或饮料、药物、医药品、化妆品和/或化学品的包装的一部分的用途，所述包装例如是容器、瓶子、四角纸箱、或者所述容器的盖子或螺帽。在优选实施方案中，当首先打开所述容器时，激活存在于上述容器上的外部开关，并且关闭处理器的电路。该开关可以是例如膜开关或片开关。
此外，本发明提供了一种构建、组装或制作上述电化学处理器的方法，其中：
a)第一电极和第二电极，每个电极具有第一表面和相对排列的第二表面，其中，第一电极和第二电极具有不同的电极电位，并且在x方向上彼此分开设置，
b)在y方向上至少第一电极的第一表面的一部分和第二电极的第一表面的一部分用电解液覆盖，其中，所述电解液将第一电极与第二电极连接，和
c)至少第二电极的第一表面未被所述电解液覆盖的部分在y方向上用限定所述电解液的电绝缘材料覆盖。
在根据本发明的方法的有利实施方案中，设置衬底，两个电极的第二表面设置在所述衬底上。
此外，所述衬底可以带有指示层，可以是指示层或图像等。该指示层可以设置在衬底的设有电极的表面上；在这种情况下，该指示层在将电极固定在衬底上之前设置。在可选实施方案中，该指示层也可以设置在衬底的外表面上，即，衬底的设有电极的相对表面。当第二电极(例如，铝电极)被氧化时，其变为透明的，可使底下的图像变得可见。
在电极为金属电极的情况下，这些电极可以通过金属化技术设置，即，通过将金属蒸发在所述衬底上，例如蒸发铝。此外，溅射技术也可用于将金属电极涂布在衬底上。制作所述处理器的起点也可以是半成品，如塑料膜，即，聚酯膜，使用例如铝来蒸发。这种半成品作为包装材料是已知的。
此外，可以通过激光烧蚀使蒸发的电极层结构化。
所有的附加层、化合物，如覆盖层、间隔件、绝缘材料或指示层可以通过机械方法涂布，如印刷方法。可以使用丝网印刷方法和/或柔性版印刷方法或者定量配料机方法。
根据本发明的制作处理器的有利例子如下：
第一电极由石墨制成。将石墨层沉积在蒸发有铝的薄片上。在沉积电解液后，在石墨层下方并处于石墨层和衬底之间的铝层自动氧化而形成Al2O3和/或氧化铝-氢氧化物，从而形成堆叠组件，包括薄片(衬底)、氧化铝或氧化铝-氢氧化物层，其上沉积有作为第一电极的石墨。
附图说明
结合附图的以下说明对本发明进行了更详细的描述。然而，这些附图不应被理解为是对本发明的一般原理的限制。
图1为根据本发明的电化学处理器的第一实施例。
图2为包括两个反应室的电化学处理器的第二实施例的不同立体图。
图3为包括填充有电解液和/或反应剂的两个反应室的电化学处理器的另一个实施例。
图4为包括膨胀层的电化学处理器。
图5为根据本发明的包括膨胀元件的电化学处理器。
图6为根据本发明的包括两个反应室和三个电极的电化学处理器。
图7为根据本发明的包括三个电极和迁移层的电化学处理器。
图8为本发明的具有两个电极和迁移层的电化学处理器的实施例。
图9为根据本发明的具有三个电极的电化学处理器的另一个实施例，其中第二和第三电极由迁移层桥接，并且第三电极包括覆盖层。
图10为具有三个电极的电化学处理器的可选实施例，其中第二和第三电极由迁移层桥接，并且第三电极包括覆盖层或覆盖元件。
图11为具有迁移电极的电化学处理器的另一个实施例，其中迁移电极与第二电极直接电接触。
图12为根据本发明的另一个实施例，其中电化学处理器具有子***，子***与第二电极直接电接触。
具体实施方式
优选的材料及制作方法
衬底由例如聚乙烯膜、聚酯膜、聚丙烯膜(PP)或PPC膜(共挤出的聚丙烯)、聚酰亚胺膜构成，或者由针对预期应用具有充分的机械、化学和热稳定性以及电绝缘性质的任何其他材料构成。膜厚度可以为几微米，然而，也可以是几毫米。实用值为约例如200μm。
电极由例如下列材料构成：
Figure BDA00002351983000101
石墨：
石墨层可以例如从下列材料制备：丙烯酸树脂和丙醇中的胶体石墨，Graphit 33 of Kontaktchemie,CRC Industries Deutschland GmbH,Südring 9DE-76473 Iffezheim。
Figure BDA00002351983000111
导电“PEDOT”(聚(3,4-亚乙基二氧噻吩))：
拜耳(Bayer)公司提供该聚合物，掺入有在聚合过程中加入的聚苯乙烯磺酸，在水中作为悬浮液，商品名为Baytron P。此材料被称为PEDOT:PSS。[http://www.hcstarck.de/index.php?page_id=292&prod_service_id=310&anw_id=97&showlogin=no&suchstart=call:5th January,2010]。
Figure BDA00002351983000112
导电聚苯胺：
其可以从Panipol Company(Finland)作为PANIPOL T(甲苯中的聚苯胺)购得。[http://www.panipol.fi/call:5th January 2010]。
Figure BDA00002351983000113
然而，也可以使用所有其他的导电聚合物。
由导电聚合物或石墨制成的电极层的沉积可以例如通过以下所列方式进行：定量配料机、丝网印刷、柔性版印刷、喷洒、辊涂、旋涂、喷墨印刷、使用不同刮刀的膜铺展法，或者通过任何其他合适的方法进行。典型的层厚度为50nm~500μm。
由铝薄膜制成的电极可以通过将铝气相沉积到塑料膜获得。作为工业主要产品，例如，可以使用从Nawrot公司获得的具有气相沉积的铝膜且铝膜厚度<1μm的聚酯膜[http://www.nawrot.de/de/ueberblick.html.]。
电解液膜：
例如，NaCl、CaCl2或LiClO4在乙腈中的水溶液以及任何其他电解液可以用作电解液。
电解液可以沉积为凝胶层。对于这一点，例如，可以使用琼脂糖凝胶。
沉积可以例如通过以下所列方式进行：定量配料机、丝网印刷、柔性版印刷、喷洒、辊涂、旋涂、喷墨印刷、使用不同刮刀的膜铺展法，或者通过任何其他合适的方法进行。典型的层厚度为几μm到1cm，优选几十μm到几百μm。
封装层：
封装层由例如聚乙烯、聚酯、丙烯酸树脂系漆、丙烯酸酯共聚物、聚氨酯瓷漆构成。然而，也可以使用具有充分的粘附性和封装性的任何其他材料。
封装层的沉积可以例如通过以下所列方式进行：定量配料机、丝网印刷、柔性版印刷、喷洒、辊涂、旋涂、喷墨印刷，或者通过任何其他合适的方法进行。典型的层厚度为几μm到1cm，优选几十μm到几百μm。
也可以通过热层压法沉积该层。
电绝缘材料和间隔件：
它们由例如丙烯酸树脂系漆、丙烯酸酯共聚物、聚氨酯瓷漆构成。然而，也可以使用具有充分的粘附性的任何其他材料。
电绝缘材料和/或间隔件的沉积可以例如通过以下所列方式进行：定量配料机、丝网印刷、柔性版印刷或层压法。典型的层厚度为几μm到1mm，优选几十μm到几百μm。
也可以例如通过热层压法将这些化合物沉积作为例如由聚酯或聚乙烯制成的层或作为膜。
迁移层：
不同的迁移层及其制作方法已经在专利申请PCT/EP2008/064712中公开。就该层的可能化合物或材料而言，请明确参照此专利申请。
用聚乙烯醇(PVAL)制作迁移层的实施例：
将0.2g CaCl2·6H2O溶于10ml去离子水中，将0.6g聚乙烯醇(PVAL)加到电解液中，并在80℃下搅拌约2小时。冷却后，搅拌下加入0.35g异丙醇。沉积可以例如通过定量配料机、丝网印刷、柔性版印刷或者任何其他印刷方法或膜铺展法进行。典型的层厚度为几μm到1mm，优选几μm到几百μm。
在沉积后，干燥聚乙烯醇层。
膨胀层及膨胀元件：
它们能够由例如聚乙烯醇或者在分别吸收水和电解液期间体积增大的任何其他材料构成。其沉积可以例如通过以下所列方式进行：定量配料机、丝网印刷、柔性版印刷、喷洒、辊涂、旋涂或者任何其他印刷方法。典型的层厚度为几μm到1mm，优选几μm到几百μm。在沉积后，干燥聚乙烯醇层。
应用：
电化学处理器能够用在例如微反应工程等这类应用中，其中，在预先设定的时间时，将反应剂与电解液接触，从而开始化学或者电化学反应。这里，涉及到广泛的并且新的应用领域。
然而，本发明也可以用作时间指示器或者用作温度-时间积分器。它们可以是产品包装的一部分，尤其是食品包装。例如，当通过在电化学处理器的两层之间建立电短路而打开包装时，可以开启时间指示器。由此，时间指示器指示打开包装后的时间流逝。
此外，可以按此方式开启温度-时间积分器。其可以用作电子保质期。此类应用在较早的专利申请PCT/EP2008/064712中是已知的。使用电化学处理器，还具有***的电激活的可能性(例如，打开)。这两个发明可以相互结合成一个产品。
图1示出了根据本发明的处理器的原理实施例。在衬底100上，设置具有第一电极200(起始电极)的第一反应室400。第一反应室400填充有电解液401。第二电极300(分层电极)与第一反应室400电连接。第二电极300和绝缘复合物涂层500形式的绝缘材料相互固定在一起。如果第二电极300与复合物涂层500接触，则可防止电解液与第二电极300接触。电化学处理器在x方向上由间隔件800和801限制。间隔件800和801分别将第一电极200或衬底100与封装层700相连接，并因而决定了处理器1在y方向上的厚度或大小。
第一电极200和第二电极300在x方向上相邻放置，并由不同的材料构成，与电解液401一起组成电化学电池。通过在第一电极200和第二电极300之间建立短路(例如，经由设置在处理器1外部的外部开关(图未示))，在电极上开始发生电化学过程，尤其是在第二电极300上。
在第二电极300上的电化学反应引起复合物涂层和第二电极300之间的材料化合物分离，从而形成纳米夹层，下面将详细讨论。
在图1中，第一电极200例如由石墨构成，第二电极300由铝薄膜构成，厚度为几十纳米。在激活处理器1时，电解液401将由于在氧化铝膜(图未示)和夹层展开时第二电极300和复合物涂层500之间的材料化合物分离而迁移到复合物涂层500，下面的实施例将进行解释。由于电极300的侧面转化为氧化铝和/或氧化铝-氢氧化物，所以该电极也可以用作光学显示元件。
第一反应室400由在x方向上的间隔件801和绝缘复合材料500以及在y方向上的第一电极200和封装层700限定。当然，第一反应室400在z方向上也由相应壁件限定，然而，这些元件并没有在图1的截面中示出。
在根据本发明的处理器1的另一个实施例中，还给出了可能性，即，限定第一反应室400(或者如同以下实施例中的第二反应室600)的壁件之一包括允许与处理器1的周围环境进行物质交换的开口。这个开口可以例如位于封装层700中、位于壁件801中或者位于在z方向上的各壁件中。在这种情况下，反应室400填充有能够从周围环境中吸收水蒸汽的物质，例如，聚乙烯醇，或者含有吸湿添加剂(例如，吸湿盐，如氯化钙)的聚乙烯醇。如果该吸湿物质经由上述开口与水蒸气接触，则其吸收水分并在第一反应室400内形成电解液401。当然，这种原理也可以适用于以下实施例以及第二反应室600。
图2a示出了具有第一电极200(起始电极)、第二电极300(分层电极)、在第一反应室400中的电解液401、第二反应室600、间隔件800，801以及覆盖层700的衬底100的截面图。图2b示出了俯视图。
在第一反应室400中的电解液401与第一电极200以及第二电极300的一部分接触(与这些电极的第一表面接触)。
第一电极200由例如PEDOT:PSS构成，第二电极由铝薄膜构成。这两个电极可以从外部进行短路连接，例如，它们在左边缘保持露出(图2a和图2b)。由于不同电极电位的原因，这将在短路的电化学电池1中导致铝薄膜300的电化学氧化。氧化在铝300与电解液401接触的地方开始。铝300被转化为氧化铝900。
然后，在复合物涂层500的左边缘上，由于以电化学方式产生的氧化铝900在铝膜300和复合物涂层500之间产生纳米夹层，因此复合物涂层和第二电极300的铝之间的固体层接触变得疏松。
上述过程将在复合物涂层500下面侧向继续进行，并且氧化铝900到达第二反应室600。如图2c所示，可以将第二电极300的表面转化为氧化铝900。然而，在使用非常薄的铝膜的情况下(例如，几十纳米)，还可以将整个电极层氧化直到衬底100(图2d)。由于氧化铝膜900的侧向扩展，因此电解液薄膜401迁移直到第二反应室600。如果在第二反应室600中存在反应剂，则由于与电解液401的接触而可以发生化学反应。
图3示出根据图2的***，其中反应剂1100占据第二反应室600的空间。图3a和图3b分别示出第二电极300的化学氧化发生之前和之后的***。
由于氧化铝膜900的侧向扩展，所以这里薄的电解液膜401从左到右迁移，直到与第二反应室600中的反应剂1100发生接触。由于发生材料的接触，所以可以开始化学反应。这种应用可以用在例如微反应工程中。
在氧化铝膜900和复合物涂层500之间的电解液膜401的膜厚度可以被增大，因为在复合物涂层500和第二电极300之间，***有例如由聚乙烯醇(PVAL)制成的膨胀层1000(图4a)。此膨胀层能够吸收电解液并因而膨胀。如根据图4a的实施方案所示，这里，由于第二电极300的铝和复合物涂层500之间的材料化合物的分离，氧化铝膜也侧向扩展。它拖拉其后的电解液膜401。在电解液和膨胀层1000之间的接触过程中，膨胀层的厚度膨胀，形成针对电解液401的更大通道截面。(在图中，膜厚度比例不是按比例绘制的。为图示的简化起见，这里，膨胀层1000的膜厚度的增加代表了复合物涂层500的损失。实际上不是这种情况，而是***的整个膜厚度发生改变。)
然而，代替膨胀层1000，还可以使用膨胀元件1001(图5)。这些膨胀元件1001排列在复合物涂层500和第二电极300之间。它们可以形成为岛状图案或者形成为条状(与电解液401迁移方向平行或垂直)。为简化起见，膨胀层和膨胀元件在以下实施方案中没有示出。它们可以相似地用在之前或之后的实施例中。
图6a示出了包括与第二电极300邻近设置的第三电极1200的***。这里，电解液402占据第二反应室600的空间。另外，第三电极1200接触第二反应室600中的电解液402。如同上述实施例所示那样，当第二电极300和复合物涂层500之间的材料化合物疏松时，也将形成电解液通道401(图6b)。由此，与第三电极1200形成电化学电池。在形成电解液通道401之后，当第一电极200和第三电极1200电连接时，在第一电极和第三电极之间可以开始在第三电极上的电化学反应。第三电极可以由例如电色(electrochromous)材料构成，例如，PEDOT:PSS、PANI.DBSA或者其他材料。当第一电极和第三电极由不同材料构成并且被短路时，则由于第一电极和第三电极之间的电位差将在第三电极上产生电化学效应。
第三电极1200相似地可以由铝薄膜构成。当第三电极1200与第一电极200(例如，由PEDOT:PSS制成)连接时，在电解液通道401形成后将在第三电极1200上发生电化学氧化，并将该电极转化为氧化铝，从而在铝之前与电解液接触的地方变得透明。按此方式，第三电极1200可以用作光学显示元件。
图7a示出具有第三电极1200和附加迁移层1300的结构。迁移层***从专利申请PCT/EP2008/064712中是已知的。其中公开的整个发明内容将包含在本专利申请中。在本实施例中，第一电极200由PEDOT:PSS构成，第二电极300和第三电极1200由膜厚度为几百纳米的铝薄膜构成。迁移层1300例如由聚乙烯醇构成并且与第二电极300和第三电极1200接触。第二电极300和第三电极与第一电极200电连接。
如同上述实施方案所示那样，当电解液通道401形成时，电解液401与迁移层1300接触(图7b)。聚乙烯醇层能够吸收在接触区上的电解液。如PCT/EP2008/064712中详细描述的那样，电解液发生侧向迁移。通过制作过程中的迁移层的厚度、类型及组成可以调节迁移速度以及迁移速度的温度相关性。在图7c中，迁移层1300中的电解液发生迁移，其下方的电极1200在与电解液接触的地方发生电化学氧化(电极1200的一部分变为1201)。按此方式，迁移层1300中的迁移前面1302向前移动，造成氧化前面1202向前移动，从而将铝膜1200转化为达到该氧化前面的氧化铝1201，并由此变得透明。这里，第三电极1200也可以在时间指示器或温度-时间积分器中用作光学显示元件。
在可选实施方案中，图7a中的电极300和1200组合成贯通电极300(图8)。这种结构以与根据图7a的实施例所示相同的方式发挥功能。
可选择地，在根据图7和图8的实施例中，第一电极200也可以例如由石墨构成。
图9示出具有由石墨制成的第一电极200、由铝制成的第二电极300和由铝制成的第三电极1200的结构。第三电极的铝膜与由石墨制成的电极涂膜1400组合。(第一电极200和电极涂膜1400的石墨膜也可以具有相同的膜厚度，因此可以在同一制作工艺中生成。)图9中示出了不同的膜厚度。
当如同上述实施方案那样形成电解液通道401时，电解液401与迁移层1300接触(图9b)。迁移层1300，例如聚乙烯醇层，能够吸收在接触区上的电解液。如同上述实施例所示，电解液401发生侧向迁移。电解液401在迁移层1300中迁移，直到迁移前面1302。(渗透有电解液的迁移层的附图标记为1301)。然后，电解液与下方的由石墨制成的电极涂膜1400接触，并穿过它而与第三电极1200的铝膜接触。在铝和石墨之间，将形成局部的电化学电池。电化学电池一方面形成在铝膜和石墨颗粒之间，电解液在中间，另一方面，石墨颗粒与铝电接触。由于石墨和铝具有不同的电极电位，这将导致铝膜的电化学氧化，直到氧化前面1202，氧化前面由电解液的迁移前面1302决定。由于铝被转化为氧化铝，因此当从下面观察该结构时，反射金属层不再可见，而是可看见黑色的石墨层。这里，具有作为光学显示元件的电极涂层的第三电极1200也可以用在时间指示器或温度-时间积分器中。在本实施方案中或者在其他实施方案中，电极涂层1400也可以由其他材料构成。例如，其可以是聚苯胺。
在根据图10a的实施方案中，图7的结构被改进，使得迁移层1300缩短，并且整个第三电极1200和电极涂层1400未被覆盖。当电解液如上面示出那样渗透到迁移层1300中时，其将与电极涂层1400以及与下方的第三电极1200的左端接触。此外，在没有迁移层1300的情况下，这里，电解液能够分别在电极涂层1400的石墨和由第三电极1200的电化学氧化而形成的氧化铝中迁移以及在这些层之间迁移。同样，这种效应可以用作时间指示器或温度-时间积分器中的光学显示元件。
在图10b中，图10a的结构被改进，使得电极涂层1400分隔为嵌在第三电极1200之中的各个元件1401，即，它们没有完全覆盖整个第三电极1200，而是以结构化方式沉积。结果，可以制作与迁移方向(在图中从左到右)平行或者垂直的岛状结构或者条状结构。此外，在第三电极1200的铝膜上用石墨覆盖的各表面之间，由于局部电化学元件也与石墨层有效地组合，因此使铝的氧化持续发生。尽管当从下方观察时铝膜的覆盖有电极涂层1401的部分变为黑色，然而，铝膜的没有被覆盖的部分变得透明。此外，这种效应可以用作时间指示器或温度-时间积分器中的光学显示元件。
图10c示出其中将第二电极和第三电极组合成一个电极300的结构。同样，这个电极由铝构成并且在一些表面元件上用电极涂层1401覆盖。在复合物涂层500和具有电极涂层1401的电极300之间，设有迁移层1300。激活此***，使得电极300在外部与第一电极200被短路。由此，如上所述，复合物涂层500和电极300的铝之间的材料化合物分离。然后，电解液进入到迁移层1300中，并且随着氧化前面的推进而将电极300的铝膜氧化。
图11示出具有第一电极200和第二电极300的结构。第二电极300与迁移电极1500接触。通过将导电聚合物层(例如，聚苯胺)和迁移层(例如，聚乙烯醇)的功能结合来形成该迁移电极。其涉及到例如由聚苯胺和聚乙烯醇制成的“聚合物-聚合物复合材料”。当在第二电极和复合层500之间的材料化合物分离之后电解液从第一反应室400进入到迁移电极1500中时，电解液将如在迁移层中那样在迁移电极中迁移。当迁移电极1500与第一电极200电连接时，在迁移电极中发生电化学反应以及电色效应，其中电色效应取决于第一电极和迁移电极之间的电位差。
图12示出类似于图11中的结构。然而，这里的迁移电极1500被子***1600代替。子***允许是从专利申请PCT/EP2008/064712中已知的所有这类装置。其中公开的整个发明内容将包含在本专利申请中。
另一个实施方案得自于上述类型的单个装置的级联连接。

Claims (17)

1.一种电化学处理器(1)，其包括：
a)第一电极(200)和第二电极(300)，每个电极具有第一表面和相对排列的第二表面，其中，第一电极(200)和第二电极(300)具有不同的电极电位，并且在x方向上彼此物理分开，
b)电解液(401)，所述电解液在y方向上至少覆盖第一电极(200)的第一表面的一部分和第二电极(300)的第一表面的一部分并且将第一电极(200)与第二电极(300)电连接，
其特征在于，
至少第二电极(300)的第一表面未被所述电解液(401)覆盖的部分在y方向上用限定所述电解液(401)的电绝缘材料(500)覆盖，其中，所述电化学处理器(1)的激活使得第二电极(300)和所述绝缘材料(500)在第二电极(300)和所述绝缘材料(500)的接触区域处开始侧向分层，从而在第二电极(300)和所述绝缘材料(500)之间提供通道。
2.按权利要求1所述的电化学处理器(1)，其特征在于，具有第一表面和相对排列的第二表面的第三电极(1200)与第二电极(300)邻近设置、与第二电极(300)物理分开并且在x方向上与第一电极(200)相对设置。
3.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，包括衬底(100)，第一电极(200)、第二电极(300)和存在时的第三电极(1200)的各自第二表面设置在所述衬底上。
4.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，包括平行于所述衬底(100)设置的封装层(700)，其中第一电极(200)、第二电极(300)、存在时的第三电极(1200)、所述电解液(401)以及所述绝缘材料(500)在y方向上夹在所述衬底(100)和所述封装层(700)之间。
5.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，包括两个相对设置的间隔件(801，802)，它们在x方向上限定所述电化学处理器(1)，其中间隔件(801)和所述绝缘材料(500)形成容纳所述电解液(401)的第一反应室(400)的壁。
6.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，所述间隔件(800)：
a)在所述反应室(400)的相对侧上限定所述绝缘材料(500)，或
b)与所述绝缘材料(500)分开设置，使得所述绝缘材料(500)和所述间隔件(800)形成第二反应室(600)的壁。
7.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，第二反应室(600)至少部分地填充有第二电解液(402)或反应剂(1100)，第二电解液(402)与第一电解液(401)相同或者与第一电解液(401)不同。
8.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，膨胀层(1000)和/或至少一个膨胀元件(1001)设置在第二电极(300)和所述绝缘材料(500)之间。
9.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，包括迁移层(1300)，所述迁移层设置在第二电极(300)的第一表面的一部分以及第三电极(1200)的第一表面的至少一部分上。
10.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，第二电极(300)和/或存在时的第三电极(1200)的第一表面分别：
a)至少部分地用覆盖层(1400)覆盖，或
b)覆盖元件(1401)嵌在所述电极的第一表面中。
11.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，包括与第二电极(300)物理连接的
a)迁移电极(1500)，或
b)反应性子***(1600)。
12.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，第一电极(200)、第二电极(300)和/或第三电极(1200)设计为层状，层厚度优选为10~100,000nm，更优选20~1,000nm，特别是30~500nm。
13.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，第一电极(200)经由包括用于完成电路的开关的外部导电通路可与第二电极(300)、第三电极(1200)、所述迁移电极(1500)或所述子***(1600)电连接。
14.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，
a)第一电极(200)和/或第三电极(1200)包含选自以下的材料或者由以下材料构成：石墨炭黑、含有石墨和(甲基)丙烯酸树脂的双组分材料；导电聚合物，优选聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)、聚苯胺、掺杂聚苯胺(PANI)；和/或金属，
b)第二电极(300)包含选自以下的材料或者由以下材料构成：金属，如铝、钽；或者导电聚合物，优选聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)、聚苯胺、掺杂聚苯胺(PANI)，
c)所述电解液(401)和/或所述电解液(402)包含无机盐，优选NaCl、CaCl2、LiClO4；和/或酸，优选弱酸，其中所述电解液(401)优选是所述无机盐和/或所述酸的溶液或凝胶，其中所述溶液或凝胶可含有添加剂，如亚烷基二醇，例如乙二醇，或者水-乙二醇的混合物，和/或增稠剂，如聚乙烯醇和/或多糖，例如纤维素和/或淀粉，基于N,N-二甲基甲酰胺、N,N二甲基乙酰胺和/或γ-丁内酯的无水电解液，
d)所述电绝缘材料(500)和/或所述间隔件(800，801)包含选自以下的材料或者由以下材料构成：聚酯、聚乙烯、聚丙烯和/或树脂的漆，优选(甲基)丙烯酸树脂、含有(甲基)丙烯酸酯的共聚树脂和/或聚氨酯，
e)所述衬底(100)包含选自以下的材料或者由以下材料构成：塑料材料，优选聚乙烯、聚丙烯、共挤出的聚乙烯、共挤出的聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和/或聚酰胺；纸；涂层纸；玻璃；或陶瓷材料，
f)所述封装层(700)包含选自以下的材料或者由以下材料构成：塑料材料，优选聚乙烯、聚酯、基于(甲基)丙烯酸树脂、(甲基)丙烯酸酯共聚物和/或聚氨酯的漆，其中所述材料优选是透明的，
g)所述膨胀层(1000)和/或所述的至少一个膨胀元件(1001)包含选自以下的材料或者由以下材料构成：体积随着与水或所述电解液(401)的接触而增大的材料，优选聚乙烯醇，
h)所述迁移层(1300)包含选自以下的材料或者由以下材料构成：体积随着与水或所述电解液(401)的接触而增大的材料，优选聚乙烯醇，
i)所述覆盖层(1400)和/或至少一个覆盖元件(1401)包含选自以下的材料或者由以下材料构成：石墨炭黑、铝或导电聚合物，优选聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT:PSS)、聚苯胺、掺杂聚苯胺(PANI)，
j)所述迁移电极(1500)包含含有与离子导电聚合物组合的至少一种导电聚合物的复合材料，优选聚苯胺和聚乙烯醇的复合材料、PEDOT:PSS和聚乙烯醇的复合材料、和/或它们的组合，
k)所述子***(1600)由随着与电解液和/或水溶液接触而表现出至少一种材料性能的物理变化或者发生化学反应的物质构成，优选颜色指示剂、导致放热反应的物质或组合物、或者导致体积增大的物质或组合物。
15.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)，其特征在于，包含至少一个图像和/或色彩信号的图形层设置在第二电极(300)的第二表面的至少一部分上。
16.按前述权利要求中任一项所述的电化学处理器(1)作为时间指示器；温度-时间积分器；食品、调料和/或饮料、药物、医药品、化妆品和/或化学品的包装的一部分的用途，所述包装例如是容器、瓶子、四角纸箱、或者所述容器的盖子或螺帽。
17.一种构建按权利要求1~15中任一项所述的电化学处理器的方法，其中：
a)第一电极(200)和第二电极(300)，每个电极具有第一表面和相对排列的第二表面，其中，第一电极(200)和第二电极(300)具有不同的电极电位，并且在x方向上彼此分开设置，
b)在y方向上至少第一电极(200)的第一表面的一部分和第二电极(300)的第一表面的一部分用电解液(401)覆盖，其中，所述电解液(401)将第一电极(200)与第二电极(300)连接，和
c)至少第二电极(300)的第一表面未被所述电解液(401)覆盖的部分在y方向上用限定所述电解液(401)的电绝缘材料(500)覆盖。
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