новини

Дякуємо, що відвідали Nature. Версія веб-переглядача, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS. Для найкращого досвіду ми рекомендуємо вам використовувати новішу версію веб-переглядача (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Водночас , щоб забезпечити постійну підтримку, ми відображатимемо сайти без стилів і JavaScript.
Добавки та процеси низькотемпературного друку можуть інтегрувати різноманітні енергоємні електронні пристрої на гнучких підкладках за низькими витратами. Однак виробництво повних електронних систем із цих пристроїв зазвичай потребує силових електронних пристроїв для перетворення між різними робочими напругами пристроїв. Пасивні компоненти — котушки індуктивності, конденсатори та резистори — виконують такі функції, як фільтрація, короткочасне накопичення енергії та вимірювання напруги, що є важливими в силовій електроніці та багатьох інших застосуваннях. У цій статті ми представляємо котушки індуктивності, конденсатори, резистори та схеми RLC, надруковані трафаретним друком на гнучких пластикових підкладках, і повідомляють про процес проектування, щоб мінімізувати послідовний опір котушок індуктивності, щоб їх можна було використовувати в силових електронних пристроях. Потім надрукований індуктор і резистор включаються в схему регулятора підвищення. Виробництво органічних світлодіодів і гнучких літій-іонних батарей. Регулятори напруги використовуються для живлення діодів від батареї, демонструючи потенціал друкованих пасивних компонентів для заміни традиційних компонентів для поверхневого монтажу в програмах перетворювача постійного струму.
В останні роки було розроблено застосування різноманітних гнучких пристроїв у носимих і великогабаритних електронних виробах та Інтернеті речей1,2. До них належать пристрої збору енергії, такі як фотоелектричні 3, п’єзоелектричні 4 та термоелектричні 5; накопичувачі енергії, такі як батареї 6, 7; і енергоспоживаючі пристрої, такі як датчики 8, 9, 10, 11, 12 і джерела світла 13. Хоча великий прогрес був досягнутий в окремих джерелах енергії та навантаженнях, об’єднання цих компонентів у повну електронну систему зазвичай потребує силової електроніки для подолати будь-яку невідповідність між поведінкою джерела живлення та вимогами до навантаження. Наприклад, батарея генерує змінну напругу відповідно до свого стану заряду. Якщо навантаження потребує постійної напруги або вище напруги, яку може генерувати батарея, потрібна силова електроніка Силова електроніка використовує активні компоненти (транзистори) для виконання функцій перемикання та керування, а також пасивні компоненти (дроселі індуктивності, конденсатори та резистори). Наприклад, у схемі імпульсного регулятора індуктор використовується для накопичення енергії під час кожного циклу перемикання. , конденсатор використовується для зменшення пульсацій напруги, а вимірювання напруги, необхідного для керування зворотним зв’язком, здійснюється за допомогою резисторного дільника.
Силові електронні пристрої, які підходять для носіїв (наприклад, пульсоксиметр 9), вимагають кількох вольт і кількох міліампер, зазвичай працюють у діапазоні частот від сотень кГц до кількох МГц і вимагають кількох мкГн і кількох мкГн індуктивності та ємності мкФ. 14 відповідно. Традиційним методом виготовлення цих схем є припаювання дискретних компонентів до жорсткої друкованої плати (PCB). Хоча активні компоненти силових електронних схем зазвичай поєднуються в одну кремнієву інтегральну схему (IC), пасивні компоненти, як правило, зовнішні, або дозволяючи спеціальні схеми, або через те, що необхідні індуктивність і ємність занадто великі, щоб бути реалізованими в кремнії.
Порівняно з традиційною технологією виробництва на основі друкованих плат, виробництво електронних пристроїв і схем за допомогою процесу адитивного друку має багато переваг з точки зору простоти та вартості. По-перше, оскільки для багатьох компонентів схеми потрібні однакові матеріали, наприклад метали для контактів і взаємозв’язків, друк дозволяє виготовляти декілька компонентів одночасно з відносно невеликою кількістю етапів обробки та меншою кількістю джерел матеріалів15. Використання адитивних процесів для заміни субтрактивних процесів, таких як фотолітографія та травлення, ще більше зменшує складність процесу та матеріальні відходи16, 17, 18 і 19. Крім того, низькі температури, які використовуються під час друку, сумісні з гнучкими та недорогими пластиковими підкладками, що дозволяє використовувати високошвидкісні виробничі процеси з рулону в рулон для покриття електронних пристроїв 16, 20 на великих площах. Для застосувань які не можуть бути повністю реалізовані з друкованими компонентами, були розроблені гібридні методи, у яких компоненти технології поверхневого монтажу (SMT) з’єднуються з гнучкими підкладками 21, 22, 23 поруч із друкованими компонентами при низьких температурах. У цьому гібридному підході все ще необхідно замінити якомога більше компонентів SMT на друковані аналоги, щоб отримати переваги додаткових процесів і підвищити загальну гнучкість схеми. Щоб реалізувати гнучку силову електроніку, ми запропонували комбінацію активних компонентів SMT і пасивних з трафаретним друком. компонентів, з особливим наголосом на заміні громіздких індукторів SMT планарними спіральними індукторами. Серед різних технологій виробництва друкованої електроніки трафаретний друк особливо підходить для пасивних компонентів через велику товщину плівки (що необхідно для мінімізації послідовного опору металевих елементів). ) і високою швидкістю друку, навіть якщо охоплюють площі на рівні сантиметра. Часом те саме.Матеріал 24.
Втрати пасивних компонентів силового електронного обладнання повинні бути зведені до мінімуму, оскільки ефективність схеми безпосередньо впливає на кількість енергії, необхідної для живлення системи. Це особливо складно для друкованих котушок індуктивності, що складаються з довгих котушок, які, отже, чутливі до високих серій. Таким чином, незважаючи на те, що були зроблені деякі зусилля для мінімізації опору 25, 26, 27, 28 друкованих котушок, все ще бракує високоефективних друкованих пасивних компонентів для силових електронних пристроїв. На сьогоднішній день багато хто повідомляє про друковані пасивні компоненти на гнучких підкладках призначені для роботи в резонансних схемах для радіочастотної ідентифікації (RFID) або з метою збору енергії 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Інші зосереджені на розробці матеріалів або виробничих процесів і показують загальні компоненти 26, 32, 33, 34, які не оптимізовані для конкретних застосувань. Навпаки, силові електронні схеми, такі як регулятори напруги, часто використовують більші компоненти, ніж типові друковані пасивні пристрої, і не вимагають резонансу, тому потрібні інші конструкції компонентів.
Тут ми представляємо дизайн та оптимізацію друкованих індукторів у діапазоні мкГн для досягнення найменшого послідовного опору та високої продуктивності на частотах, пов’язаних із силовою електронікою. Виробляються друковані індуктивності, конденсатори та резистори з різними значеннями компонентів. на гнучких пластикових підкладках. Придатність цих компонентів для гнучких електронних виробів була вперше продемонстрована на простій схемі RLC. Друкований індуктор і резистор потім об’єднані з мікросхемою, щоб утворити регулятор посилення. Нарешті, органічний світловипромінюючий діод (OLED) ) і гнучкий літій-іонний акумулятор, а для живлення OLED від акумулятора використовується регулятор напруги.
Щоб розробити друковані котушки індуктивності для силової електроніки, ми спочатку спрогнозували індуктивність і опір постійному струму ряду геометрій котушок індуктивності на основі поточної листової моделі, запропонованої Моханом та ін. 35, і виготовлені котушки індуктивності з різною геометрією, щоб підтвердити точність моделі. У цій роботі для котушки індуктивності було обрано круглу форму, тому що вища індуктивність 36 може бути досягнута з меншим опором порівняно з полігональною геометрією. Вплив чорнила визначається тип і кількість циклів друку на опорі. Потім ці результати були використані з моделлю амперметра для розробки котушок індуктивності 4,7 мкГн і 7,8 мкГн, оптимізованих для мінімального опору постійному струму.
Індуктивність і опір постійному струму спіральних котушок індуктивності можна описати декількома параметрами: зовнішній діаметр do, ширина витка w і відстань s, кількість витків n і опір листа провідника Rsheet. На малюнку 1а показано фотографію круглого індуктора, надрукованого на шовкографії. з n = 12, що показує геометричні параметри, які визначають його індуктивність. Відповідно до моделі амперметра Мохана та ін. 35, індуктивність розраховується для ряду геометрій індуктора, де
(a) Фото трафаретного друку індуктора, що показує геометричні параметри. Діаметр становить 3 см. Індуктивність (b) і опір постійному струму (c) різних геометрій індуктора. Лінії та позначки відповідають розрахованим і виміряним значенням відповідно. (d,e) Опір постійному струму індукторів L1 і L2 надруковано сріблястими фарбами Dupont 5028 і 5064H відповідно. (f,g) Мікрофотографії плівок, надрукованих трафаретним способом Dupont 5028 і 5064H відповідно.
На високих частотах скін-ефект і паразитна ємність змінюватимуть опір і індуктивність індуктора відповідно до його значення постійного струму. Очікується, що індуктор працюватиме на досить низькій частоті, щоб ці ефекти були незначними, і пристрій поводиться як постійна індуктивність з постійним опором у послідовності. Тому в цій роботі ми проаналізували зв’язок між геометричними параметрами, індуктивністю та опором постійному струму та використали результати для отримання заданої індуктивності з найменшим опором постійному струму.
Індуктивність і опір розраховуються для серії геометричних параметрів, які можна реалізувати за допомогою трафаретного друку, і очікується, що буде створена індуктивність у діапазоні мкГн. Зовнішні діаметри 3 і 5 см, ширина лінії 500 і 1000 мікрон , і порівнюються різні витки. Під час розрахунку припускається, що опір пластини становить 47 мОм/□, що відповідає шару провідника зі срібла Dupont 5028 із срібла 5028 товщиною 7 мкм, надрукованого на трафареті 400 меш і налаштування w = s. Розраховані значення індуктивності та опору показані на малюнках 1b і c відповідно. Модель передбачає, що і індуктивність, і опір збільшуються зі збільшенням зовнішнього діаметра та кількості витків або зі зменшенням ширини лінії.
Щоб оцінити точність прогнозів моделі, котушки індуктивності різної геометрії та індуктивності були виготовлені на підкладці з поліетилентерефталату (PET). Виміряні значення індуктивності та опору показано на рисунках 1b і c. Хоча опір показав деякі відхилення від очікуване значення, головним чином через зміни товщини та рівномірності нанесеного чорнила, індуктивність показала дуже хорошу відповідність із моделлю.
Ці результати можна використати для розробки індуктивності з необхідною індуктивністю та мінімальним опором постійному струму. Наприклад, припустимо, що потрібна індуктивність 2 мкГн. На малюнку 1b показано, що цю індуктивність можна реалізувати із зовнішнім діаметром 3 см, шириною лінії 500 мкм і 10 витків. Таку саму індуктивність також можна створити, використовуючи зовнішній діаметр 5 см, ширину лінії 500 мкм і 5 витків або ширину лінії 1000 мкм і 7 ​​витків (як показано на малюнку). Порівняйте опори цих трьох можливих геометрій на малюнку 1c, можна виявити, що найменший опір 5-сантиметрової котушки індуктивності з шириною лінії 1000 мкм становить 34 Ом, що приблизно на 40% менше, ніж у двох інших. Загальний процес проектування для досягнення заданої індуктивності з мінімальним опором підсумовується наступним чином: спочатку виберіть максимально допустимий зовнішній діаметр відповідно до обмежень простору, що накладаються застосуванням. Потім ширина лінії має бути якомога більшою, але при цьому потрібно досягти необхідної індуктивності для отримання високої швидкості заповнення. (рівняння (3)).
Збільшуючи товщину або використовуючи матеріал з вищою провідністю для зменшення опору пластини металевої плівки, опір постійному струму можна додатково зменшити, не впливаючи на індуктивність. Дві котушки індуктивності, геометричні параметри яких наведено в таблиці 1, називаються L1 і L2, виготовляються з різною кількістю покриттів, щоб оцінити зміну опору. Зі збільшенням кількості покриттів чорнилом опір зменшується пропорційно, як і очікувалося, як показано на малюнках 1d і e, які є індукторами L1 і L2 відповідно. Малюнки 1d і e показують, що шляхом нанесення 6 шарів покриття стійкість можна зменшити до 6 разів, а максимальне зниження стійкості (50-65%) відбувається між шаром 1 і шаром 2. Оскільки кожен шар чорнила є відносно тонким, Для друку цих котушок індуктивності використовується екран із відносно невеликим розміром сітки (400 рядків на дюйм), що дозволяє нам вивчати вплив товщини провідника на опір. Поки елементи візерунка залишаються більшими за мінімальну роздільну здатність сітки, Подібну товщину (і стійкість) можна досягти швидше, надрукувавши меншу кількість покриттів із більшим розміром сітки. Цей метод можна використовувати для досягнення такого ж опору постійному струму, що й обговорюваний тут індуктор із 6 покриттями, але з вищою швидкістю виробництва.
На малюнках 1d і e також показано, що завдяки використанню більш провідних чорнил DuPont 5064H із сріблястими пластівцями опір зменшується в два рази. З мікрофотографій SEM плівок, надрукованих двома фарбами (рис. 1f, g), можна видно, що нижча провідність чорнила 5028 зумовлена ​​його меншим розміром частинок і наявністю багатьох пустот між частинками в надрукованій плівці. З іншого боку, 5064H має більші, тісніше розташовані пластівці, що робить його поведінку ближчою до маси срібло. Хоча плівка, створена цим чорнилом, тонша, ніж чорнило 5028, з одним шаром 4 мкм і 6 шарами 22 мкм, підвищення провідності достатньо для зменшення загального опору.
Нарешті, хоча індуктивність (рівняння (1)) залежить від кількості витків (w + s), опір (рівняння (5)) залежить лише від ширини лінії w. Отже, при збільшенні w відносно s, опір можна додатково зменшити. Дві додаткові індуктори L3 і L4 розроблені таким чином, щоб мати w = 2s і великий зовнішній діаметр, як показано в таблиці 1. Ці індуктори виготовлені з 6 шарами покриття DuPont 5064H, як показано раніше, щоб забезпечити найвища продуктивність. Індуктивність L3 становить 4,720 ± 0,002 мкГн, а опір — 4,9 ± 0,1 Ом, а індуктивність L4 — 7,839 ± 0,005 мкГн і 6,9 ± 0,1 Ом, що добре узгоджується з прогнозом моделі. Завдяки збільшення товщини, провідності та w/s, це означає, що співвідношення L/R зросло більш ніж на порядок відносно значення на малюнку 1.
Хоча низький опір постійному струму є багатообіцяючим, оцінка придатності котушок індуктивності для силового електронного обладнання, що працює в діапазоні кГц-МГц, вимагає визначення характеристик на частотах змінного струму. На малюнку 2а показано частотну залежність опору та реактивного опору L3 і L4. Для частот нижче 10 МГц , опір залишається приблизно постійним при значенні постійного струму, тоді як реактивний опір лінійно зростає з частотою, що означає, що індуктивність є постійною, як і очікувалося. Частота власного резонансу визначається як частота, на якій імпеданс змінюється з індуктивного на ємнісний, з L3 становить 35,6 ± 0,3 МГц, а L4 — 24,3 ± 0,6 МГц. Частотна залежність добротності Q (дорівнює ωL/R) показана на рисунку 2b. L3 і L4 досягають максимальних коефіцієнтів якості 35 ± 1 і 33 ± 1 на частотах 11 і 16 МГц відповідно. Індуктивність у кілька мкГн і відносно висока Q на частотах МГц роблять цих індукторів достатніми для заміни традиційних індукторів для поверхневого монтажу в малопотужних перетворювачах постійного струму.
Виміряний опір R і реактивний опір X (a) і добротність Q (b) котушок індуктивності L3 і L4 пов’язані з частотою.
Щоб мінімізувати площу, необхідну для певної ємності, найкраще використовувати конденсаторну технологію з великою питомою ємністю, яка дорівнює діелектричній проникності ε, поділеній на товщину діелектрика. У цій роботі ми вибрали композит титанату барію. як діелектрик, оскільки він має більший епсилон, ніж інші органічні діелектрики, оброблені розчином. Шар діелектрика нанесено трафаретним друком між двома срібними провідниками, щоб утворити структуру метал-діелектрик-метал. Конденсатори з різними розмірами в сантиметрах, як показано на малюнку 3a , виготовляються з використанням двох або трьох шарів діелектричного чорнила для підтримки хорошого ресурсу. На малюнку 3b показано мікрофотографія поперечного перерізу SEM типового конденсатора, виготовленого з двох шарів діелектрика, із загальною товщиною діелектрика 21 мкм. Верхній і нижній електроди є одношаровими та шестишаровими 5064H відповідно. Частинки титанату барію мікронного розміру видно на SEM-зображенні, оскільки яскравіші ділянки оточені темнішою органічною сполучною речовиною. Діелектричне чорнило добре змочує нижній електрод і утворює чітку межу з друковану металеву плівку, як показано на ілюстрації з більшим збільшенням.
(a) Фотографія конденсатора з п’ятьма різними областями. (b) Мікрофотографія поперечного розрізу SEM конденсатора з двома шарами діелектрика, що показує діелектрик з титанату барію та срібні електроди. (c) Ємності конденсаторів з титанатом барію 2 і 3 діелектричні шари та різні площі, виміряні на 1 МГц. (d) Співвідношення між ємністю, ESR і коефіцієнтом втрат 2,25 см2 конденсатора з 2 шарами діелектричного покриття та частотою.
Ємність пропорційна очікуваній площі. Як показано на малюнку 3c, питома ємність двошарового діелектрика становить 0,53 нФ/см2, а питома ємність тришарового діелектрика становить 0,33 нФ/см2. Ці значення відповідають діелектричній проникності 13. ємність і коефіцієнт розсіювання (DF) також були виміряні на різних частотах, як показано на малюнку 3d, для конденсатора 2,25 см2 з двома шарами діелектрика. Ми виявили, що ємність була відносно рівною в цікавому діапазоні частот, збільшившись на 20% від 1 до 10 МГц, тоді як у тому ж діапазоні DF збільшився з 0,013 до 0,023. Оскільки коефіцієнт дисипації є відношенням втрат енергії до енергії, збереженої в кожному циклі змінного струму, DF 0,02 означає, що 2% потужності обробляється Ці втрати зазвичай виражаються як залежний від частоти еквівалентний послідовний опір (ESR), з’єднаний послідовно з конденсатором, який дорівнює DF/ωC. Як показано на малюнку 3d, для частот понад 1 МГц, ESR нижчий за 1,5 Ом, а для частот понад 4 МГц ESR нижчий за 0,5 Ом. Незважаючи на використання цієї конденсаторної технології, конденсатори класу мкФ, необхідні для перетворювачів постійного струму, потребують дуже великої площі, але 100 пФ- Діапазон ємності в нФ і низькі втрати цих конденсаторів роблять їх придатними для інших застосувань, таких як фільтри та резонансні контури. Для збільшення ємності можна використовувати різні методи. Вища діелектрична проникність збільшує питому ємність 37; наприклад, цього можна досягти шляхом збільшення концентрації частинок титанату барію в чорнилі. Можна використовувати діелектрик меншої товщини, хоча для цього потрібен нижній електрод із нижчою шорсткістю, ніж у срібних пластівців, надрукованих трафаретним друком. Тонкий конденсатор із меншою шорсткістю шари можуть бути нанесені струминним друком 31 або глибоким друком 10, який можна поєднати з процесом трафаретного друку. Нарешті, кілька шарів металу та діелектрика, що чергуються, можна укладати, друкувати та з’єднувати паралельно, таким чином збільшуючи ємність 34 на одиницю площі .
Дільник напруги, що складається з пари резисторів, зазвичай використовується для вимірювання напруги, необхідного для керування регулятором напруги зі зворотним зв’язком. Для цього типу застосування опір друкованого резистора має бути в діапазоні кОм-МОм, а різниця між Пристрої невеликі. Тут було виявлено, що опір листа одношарового вугільного чорнила з трафаретним друком становив 900 Ом/□. Ця інформація використовується для розробки двох лінійних резисторів (R1 і R2) і змієподібного резистора (R3 ) з номінальним опором 10 кОм, 100 кОм і 1,5 МОм. Опір між номінальними значеннями досягається шляхом друку двох або трьох шарів фарби, як показано на малюнку 4, і фотографій трьох опорів. Зробіть 8- 12 зразків кожного типу; у всіх випадках стандартне відхилення опору становить 10% або менше. Зміна опору зразків з двома або трьома шарами покриття має тенденцію бути трохи меншою, ніж у зразків з одним шаром покриття. Невелика зміна виміряного опору і близька відповідність номінальному значенню вказують на те, що інші опори в цьому діапазоні можуть бути безпосередньо отримані шляхом зміни геометрії резистора.
Три різні геометрії резисторів із різною кількістю вуглецевих резистивних чорнильних покриттів. Фото трьох резисторів показано праворуч.
Схеми RLC є класичними прикладами комбінацій резисторів, котушок індуктивності та конденсаторів, які використовуються для демонстрації та перевірки поведінки пасивних компонентів, інтегрованих у справжні друковані схеми. У цій схемі індуктивність 8 мкГн і конденсатор 0,8 нФ з’єднані послідовно, а Паралельно з ними з’єднаний резистор 25 кОм. Фото гнучкої схеми показано на малюнку 5а. Причина вибору цієї спеціальної послідовно-паралельної комбінації полягає в тому, що її поведінка визначається кожною з трьох різних частотних складових, так що продуктивність кожного компонента можна висвітлити та оцінити. Враховуючи послідовний опір котушки індуктивності 7 Ом і ESR конденсатора 1,3 Ом, було розраховано очікувану частотну характеристику схеми. Схема схеми показана на малюнку 5b, а розраховані амплітуда опору, фаза та виміряні значення показані на малюнках 5c і d. На низьких частотах високий опір конденсатора означає, що поведінка схеми визначається резистором 25 кОм. Зі збільшенням частоти імпеданс шлях LC зменшується; вся поведінка схеми є ємнісною, доки резонансна частота не становитиме 2,0 МГц. Вище резонансної частоти домінує індуктивний опір. На малюнку 5 чітко показано чудове узгодження між обчисленими та виміряними значеннями в усьому діапазоні частот. Це означає, що використана модель тут (де котушки індуктивності та конденсатори є ідеальними компонентами з послідовним опором) є точним для прогнозування поведінки схеми на цих частотах.
(a) Фотографія надрукованої трафаретним друком схеми RLC, яка використовує послідовну комбінацію котушки індуктивності 8 мкГн і конденсатора 0,8 нФ паралельно з резистором 25 кОм. (b) Модель схеми, включаючи послідовний опір індуктивності та конденсатора. (c) ,d) Амплітуда опору (c) і фаза (d) кола.
Нарешті, друковані котушки індуктивності та резистори реалізовані в регуляторі підвищення. У цій демонстрації використовується мікросхема Microchip MCP1640B14, яка є синхронним стабілізатором підвищення частоти на основі ШІМ з робочою частотою 500 кГц. Принципова схема показана на малюнку 6a.A Котушка індуктивності 4,7 мкГн і два конденсатори (4,7 мкФ і 10 мкФ) використовуються як елементи накопичення енергії, а пара резисторів використовується для вимірювання вихідної напруги керування зворотним зв’язком. Виберіть значення опору, щоб налаштувати вихідну напругу до 5 В. Схема виготовляється на друкованій платі, і її продуктивність вимірюється в межах опору навантаження та діапазону вхідної напруги від 3 до 4 В для імітації літій-іонної батареї в різних станах зарядки. Ефективність друкованих індукторів і резисторів порівнюється з Ефективність індукторів і резисторів SMT. Конденсатори SMT використовуються в усіх випадках, оскільки ємність, необхідна для цього застосування, занадто велика, щоб доповнити їх друкованими конденсаторами.
(a) Діаграма схеми стабілізації напруги. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw і (d) Хвилини струму, що протікає в котушці індуктивності, вхідна напруга 4,0 В, опір навантаження 1 кОм, і для вимірювання використовується друкований індуктор. Для цього вимірювання використовуються резистори та конденсатори для поверхневого монтажу. (e) Для різних опорів навантаження та вхідної напруги ефективність схем регулятора напруги з використанням усіх компонентів для поверхневого монтажу та друкованих індукторів і резисторів. (f) ) Коефіцієнт ефективності поверхневого монтажу та друкованої схеми, показаний у (e).
Для вхідної напруги 4,0 В і опору навантаження 1000 Ом форми сигналів, виміряні за допомогою надрукованих котушок індуктивності, показані на рисунку 6b-d. На малюнку 6c показано напругу на клемі Vsw IC; напруга індуктора становить Vin-Vsw. На малюнку 6d показано струм, що протікає в індукторі. Ефективність схеми з SMT і друкованими компонентами показана на малюнку 6e як функція вхідної напруги та опору навантаження, а на малюнку 6f показано коефіцієнт ефективності друкованих компонентів до компонентів SMT. Ефективність, виміряна за допомогою компонентів SMT, подібна до очікуваного значення, наведеного в технічному паспорті виробника 14. За високого вхідного струму (низький опір навантаження та низька вхідна напруга) ефективність друкованих індукторів значно нижча, ніж у індукторів SMT через вищий послідовний опір. Однак із вищою вхідною напругою та вищим вихідним струмом втрати опору стають менш важливими, і продуктивність друкованих індукторів починає наближатися до показників індукторів SMT. Для опору навантаження >500 Ом і Vin = 4,0 В або >750 Ом і Vin = 3,5 В, ефективність друкованих індукторів перевищує 85% індукторів SMT.
Порівняння форми струму на малюнку 6d з виміряними втратами потужності показує, що втрата опору в індукторі є основною причиною різниці в ефективності між друкованою схемою та схемою SMT, як і очікувалося. Вхідна та вихідна потужність виміряна при 4,0 В. вхідна напруга та опір навантаження 1000 Ом становлять 30,4 мВт і 25,8 мВт для схем з компонентами SMT і 33,1 мВт і 25,2 мВт для схем з друкованими компонентами. Таким чином, втрати друкованої схеми становлять 7,9 мВт, що на 3,4 мВт вище, ніж ланцюга з компонентами SMT. Середньоквадратичний струм індуктора, розрахований за формою сигналу на малюнку 6d, становить 25,6 мА. Оскільки його послідовний опір становить 4,9 Ом, очікувана втрата потужності становить 3,2 мВт. Це становить 96% від виміряної різниці потужностей постійного струму в 3,4 мВт. Крім того, схема виготовлена ​​з друкованими котушками індуктивності та друкованими резисторами та друкованими котушками індуктивності та резисторами SMT, і істотної різниці в ефективності між ними не спостерігається.
Потім регулятор напруги виготовляється на гнучкій друкованій платі (друк схеми та продуктивність компонентів SMT показано на додатковому малюнку S1) і підключається між гнучкою літій-іонною батареєю як джерелом живлення та масивом OLED як навантаженням. За даними Lochner et al. 9 Для виробництва OLED кожен піксель OLED споживає 0,6 мА при напрузі 5 В. Акумулятор використовує літій-кобальт-оксид і графіт як катод і анод відповідно, і виготовляється за допомогою ракельного леза, що є найпоширенішим методом друку акумуляторів.7 ємність батареї становить 16 мАг, а напруга під час тестування – 4,0 В. На малюнку 7 показано фотографію схеми на гнучкій друкованій платі, що живить три OLED-пікселі, підключені паралельно. Демонстрація продемонструвала потенціал друкованих компонентів живлення для інтеграції з іншими гнучкі та органічні пристрої для формування більш складних електронних систем.
Фото схеми регулятора напруги на гнучкій друкованій платі з використанням друкованих котушок індуктивності та резисторів із використанням гнучких літій-іонних батарей для живлення трьох органічних світлодіодів.
Ми показали індуктори, конденсатори та резистори, надруковані трафаретним друком, із діапазоном значень на гнучких підкладках з ПЕТ з метою заміни компонентів поверхневого монтажу в силовому електронному обладнанні. Ми показали, що, розробляючи спіраль із великим діаметром, швидкість заповнення , і співвідношення ширини лінії до ширини простору, а також за допомогою товстого шару чорнила з низьким опором. Ці компоненти інтегровані в повністю надруковану гнучку схему RLC і демонструють передбачувану електричну поведінку в діапазоні частот кГц-МГц, який є найбільшим інтерес до силової електроніки.
Типовими випадками використання друкованих силових електронних пристроїв є гнучкі електронні системи, які можна носити або інтегровані в продукт, що живляться від гнучких акумуляторних батарей (таких як літій-іонні), які можуть генерувати змінну напругу відповідно до стану заряду. Якщо навантаження (включаючи друк і органічне електронне обладнання) вимагає постійної напруги або вище, ніж вихідна напруга батареї, потрібен регулятор напруги. З цієї причини друковані котушки індуктивності та резистори інтегровані з традиційними кремнієвими мікросхемами в стабілізатор підсилення для живлення OLED постійною напругою. 5 В від джерела живлення від батареї зі змінною напругою. У певному діапазоні струму навантаження та вхідної напруги ефективність цієї схеми перевищує 85% ефективності схеми керування з використанням індукторів і резисторів для поверхневого монтажу. Незважаючи на оптимізацію матеріалів і геометричних параметрів, резистивні втрати в індукторі все ще є обмежуючим фактором для продуктивності схеми за високих рівнів струму (вхідний струм понад приблизно 10 мА). Однак при менших струмах втрати в індукторі зменшуються, а загальна продуктивність обмежується ефективністю. Оскільки багато друкованих і органічних пристроїв вимагають відносно низьких струмів, таких як невеликі OLED, які використовуються в нашій демонстрації, друковані силові котушки індуктивності можна вважати придатними для таких застосувань. Використовуючи мікросхеми, розроблені для найвищої ефективності при нижчих рівнях струму, може бути досягнута більш висока загальна ефективність перетворювача.
У цій роботі регулятор напруги побудовано на традиційній друкованій платі, гнучкій друкованій платі та технології паяння компонентів для поверхневого монтажу, тоді як друкований компонент виготовляється на окремій підкладці. Однак низькотемпературні та високов’язкі чорнила, які використовуються для виготовлення екрану, друковані плівки повинні дозволяти друкувати пасивні компоненти, а також з’єднання між пристроєм і контактними майданчиками компонентів для поверхневого монтажу на будь-якій підкладці. Це, у поєднанні з використанням існуючих низькотемпературних провідних клеїв для компонентів для поверхневого монтажу, дозволить вся схема повинна бути побудована на недорогих підкладках (таких як ПЕТ) без необхідності субтрактивних процесів, таких як травлення друкованих плат. Тому пасивні компоненти з трафаретним друком, розроблені в цій роботі, допомагають прокласти шлях для гнучких електронних систем, які інтегрують енергію та навантаження з високопродуктивною силовою електронікою, використанням недорогих підкладок, переважно адитивними процесами та мінімальною кількістю компонентів для поверхневого монтажу.
За допомогою трафаретного принтера Asys ASP01M і сита з нержавіючої сталі, наданого Dynamesh Inc., усі шари пасивних компонентів були надруковані трафаретним друком на гнучкій ПЕТ-підкладці товщиною 76 мкм. Розмір осередків металевого шару становить 400 ліній на дюйм і 250 рядків на дюйм для шару діелектрика та шару опору. Використовуйте ракель із силою 55 Н, швидкість друку 60 мм/с, відстань розриву 1,5 мм і ракель Serilor із твердістю 65 (для металу та резистивних шарів) або 75 (для діелектричних шарів) для трафаретного друку.
Провідні шари — котушки індуктивності та контакти конденсаторів і резисторів — надруковані чорнилом DuPont 5082 або DuPont 5064H silver microflake. Резистор надруковано вуглецевим провідником DuPont 7082. Для діелектрика конденсатора використано провідну сполуку BT-101, діелектрик з титанату барію. використовується. Кожен шар діелектрика виготовляється за допомогою двопрохідного (мокрий-мокрий) циклу друку для покращення рівномірності плівки. Для кожного компонента досліджувався вплив кількох циклів друку на продуктивність і мінливість компонентів. Зразки, зроблені з кілька покриттів одного матеріалу сушили при 70 °C протягом 2 хвилин між нанесеннями. Після нанесення останнього шару кожного матеріалу зразки випікали при 140 °C протягом 10 хвилин, щоб забезпечити повне висихання. Функція автоматичного вирівнювання екрану принтер використовується для вирівнювання наступних шарів. Контакт із центром індуктора досягається шляхом вирізання наскрізного отвору в центральній прокладці та трафаретного друку на зворотному боці підкладки чорнилом DuPont 5064H. Для з’єднання між друкарським обладнанням також використовується Dupont Трафаретний друк 5064H. Для відображення друкованих компонентів і компонентів SMT на гнучкій друкованій платі, показаній на малюнку 7, друковані компоненти з’єднані за допомогою провідної епоксидної смоли Circuit Works CW2400, а компоненти SMT з’єднані традиційною пайкою.
Літій-кобальт-оксид (LCO) і електроди на основі графіту використовуються як катод і анод батареї відповідно. Суспензія катода являє собою суміш 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% графіту (KS6, Timcal), 2,5% % сажі (Super P, Timcal) і 10 % полівініліденфториду (PVDF, Kureha Corp.). ) Анод являє собою суміш 84% мас. графіту, 4% мас. сажі та 13% мас. PVDF. N-Метил-2-піролідон (NMP, Sigma Aldrich) використовується для розчинення зв’язуючого PVDF і диспергування суспензії. Суспензію гомогенізували за допомогою Фольга з нержавіючої сталі товщиною 0,0005 дюйма та нікелева фольга товщиною 10 мкм використовуються як струмоприймачі для катода та анода відповідно. Чорнило друкується на струмознімнику за допомогою ракеля зі швидкістю друку 20 мм/с. Нагрійте електрод у духовці при 80 °C протягом 2 годин, щоб видалити розчинник. Висота електрода після висихання становить приблизно 60 мкм, і виходячи з ваги активного матеріалу, теоретична ємність становить 1,65 мАг. /см2. Електроди розрізали на розміри 1,3 × 1,3 см2 і нагрівали у вакуумній печі при 140 °C протягом ночі, а потім їх закривали алюмінієвими ламінованими пакетами в заповненому азотом бардачку. Розчин поліпропіленової плівки-основи з анод і катод, а 1M LiPF6 в EC/DEC (1:1) використовується як електроліт акумулятора.
Зелений OLED складається з полі(9,9-діоктилфлуорен-ко-н-(4-бутилфеніл)-дифеніламіну) (TFB) і полі((9,9-діоктилфлуорен-2,7- (2,1,3-бензотіадіазол- 4, 8-диил)) (F8BT) згідно з процедурою, описаною в Lochner et al.
Для вимірювання товщини плівки використовуйте профайлер зі стилусом Dektak. Плівку було розрізано, щоб підготувати зразок поперечного перерізу для дослідження за допомогою скануючої електронної мікроскопії (SEM). FEI Quanta 3D польова емісійна гармата (FEG) SEM використовується для визначення структури надрукованого матеріалу. плівки та підтвердьте вимірювання товщини. Дослідження SEM проводилося при прискорювальній напрузі 20 кеВ і типовій робочій відстані 10 мм.
Використовуйте цифровий мультиметр для вимірювання постійного опору, напруги та струму. Імпеданс змінного струму індукторів, конденсаторів і ланцюгів вимірюється за допомогою вимірювача Agilent E4980 LCR для частот нижче 1 МГц, а аналізатор мережі Agilent E5061A використовується для вимірювання частот вище 500 кГц. Осцилограф Tektronix TDS 5034 для вимірювання форми сигналу регулятора напруги.
Як цитувати цю статтю: Ostfeld, AE та ін. Пасивні компоненти трафаретного друку для гнучкого силового електронного обладнання.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Натан, А. та інші. Гнучка електроніка: наступна повсюдна платформа. Процес IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Місце, де групи зустрічаються з людьми. Стаття, опублікована на Європейській конференції та виставці з проектування, автоматизації та тестування 2015 року, Гренобль, Франція. Сан-Хосе, Каліфорнія: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 березня- 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Алі, М., Пракаш, Д., Зіллгер, Т., Сінгх, П. К. і Хюблер, друковані п’єзоелектричні пристрої збору енергії змінного струму. Передові енергетичні матеріали.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Термоелектричний генератор із плоскою товстою плівкою на диспенсері.J. Мікромеханіка Мікроінженерія 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL. Гнучка друкована батарея з високим потенціалом, яка використовується для живлення друкованих електронних пристроїв. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Останні розробки в друкованих гнучких батареях: механічні проблеми, технологія друку та майбутні перспективи. Енергетичні технології. 3, 305–328 (2015).
Hu, Y. тощо. Великомасштабна сенсорна система, яка поєднує електронні пристрої великої площі та мікросхеми CMOS для структурного моніторингу здоров’я. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).