vijesti

Hvala vam što ste posjetili Nature. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite noviju verziju preglednika (ili isključite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). Istovremeno , kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranice bez stilova i JavaScripta.
Aditivi i procesi niskotemperaturnog štampanja mogu integrisati različite elektronske uređaje koji troše i troše energiju na fleksibilnim podlogama po niskoj ceni. Međutim, proizvodnja kompletnih elektronskih sistema od ovih uređaja obično zahteva energetske elektronske uređaje za pretvaranje između različitih radnih napona od uređaji. Pasivne komponente—induktori, kondenzatori i otpornici—obavljaju funkcije kao što su filtriranje, kratkoročno skladištenje energije i mjerenje napona, koji su neophodni u energetskoj elektronici i mnogim drugim aplikacijama. otpornici i RLC kola štampana na sito na fleksibilnim plastičnim podlogama i izveštavaju o procesu projektovanja kako bi se minimizirao serijski otpor induktora kako bi se mogli koristiti u energetskim elektronskim uređajima. Štampani induktor i otpornik se zatim ugrađuju u krug regulatora pojačanja. organskih dioda koje emituju svjetlost i fleksibilnih litijum-jonskih baterija. Regulatori napona se koriste za napajanje dioda iz baterije, demonstrirajući potencijal tiskanih pasivnih komponenti da zamjene tradicionalne komponente za površinsku montažu u aplikacijama DC-DC pretvarača.
Poslednjih godina razvijena je primena različitih fleksibilnih uređaja u nosivim elektronskim proizvodima i elektronskim proizvodima velike površine i Internetu stvari1,2. To uključuje uređaje za prikupljanje energije, kao što su fotonaponski 3, piezoelektrični 4 i termoelektrični 5; uređaji za skladištenje energije, kao što su baterije 6, 7; i uređaji koji troše energiju, kao što su senzori 8, 9, 10, 11, 12 i izvori svjetlosti 13. Iako je postignut veliki napredak u pojedinačnim izvorima energije i opterećenjima, kombinovanje ovih komponenti u kompletan elektronski sistem obično zahtijeva energetsku elektroniku da prevladati bilo kakvu neusklađenost između ponašanja napajanja i zahtjeva opterećenja. Na primjer, baterija generiše promjenjivi napon u skladu sa svojim stanjem napunjenosti. Ako opterećenje zahtijeva konstantan napon ili veći od napona koji baterija može generirati, potrebna je energetska elektronika .Energetska elektronika koristi aktivne komponente (tranzistori) za obavljanje funkcija prebacivanja i upravljanja, kao i pasivne komponente (induktori, kondenzatori i otpornici). , kondenzator se koristi za smanjenje mreškanja napona, a mjerenje napona potrebno za kontrolu povratne sprege se vrši pomoću otporničkog razdjelnika.
Električni elektronski uređaji koji su prikladni za nosive uređaje (kao što je pulsni oksimetar 9) zahtijevaju nekoliko volti i nekoliko miliampera, obično rade u frekvencijskom rasponu od stotina kHz do nekoliko MHz i zahtijevaju nekoliko μH i nekoliko μH induktivnost i Kapacitivnost μF je 14. Tradicionalna metoda proizvodnje ovih kola je lemljenje diskretnih komponenti na krutu štampanu ploču (PCB). Iako su aktivne komponente energetskih elektronskih kola obično kombinovane u jedno silikonsko integrisano kolo (IC), pasivne komponente su obično eksterno, bilo da dozvoljava prilagođena kola, ili zato što su potrebna induktivnost i kapacitivnost preveliki da bi se implementirali u silicijum.
U poređenju sa tradicionalnom tehnologijom proizvodnje zasnovanom na PCB-u, proizvodnja elektronskih uređaja i kola kroz proces aditivnog štampanja ima mnoge prednosti u smislu jednostavnosti i cene. Prvo, pošto mnoge komponente kola zahtevaju iste materijale, kao što su metali za kontakte i međusobne veze, štampanje omogućava proizvodnju više komponenti u isto vrijeme, s relativno malo koraka obrade i manje izvora materijala15. Upotreba aditivnih procesa za zamjenu subtraktivnih procesa kao što su fotolitografija i graviranje dodatno smanjuje složenost procesa i otpad materijala16, 17, 18 i 19. Osim toga, niske temperature koje se koriste u štampi su kompatibilne sa fleksibilnim i jeftinim plastičnim podlogama, omogućavajući upotrebu procesa proizvodnje od rolne do rolne velike brzine za pokrivanje elektronskih uređaja 16, 20 na velikim površinama. koje se ne mogu u potpunosti realizovati sa štampanim komponentama, razvijene su hibridne metode u kojima se komponente tehnologije površinske montaže (SMT) povezuju na fleksibilne podloge 21, 22, 23 pored štampanih komponenti na niskim temperaturama. U ovom hibridnom pristupu i dalje je neophodno je zamijeniti što je moguće više SMT komponenti s tiskanim kolegama kako bi se dobile prednosti dodatnih procesa i povećala ukupna fleksibilnost kola. Da bismo realizirali fleksibilnu energetsku elektroniku, predložili smo kombinaciju aktivnih SMT komponenti i pasivnih sitoštampanih komponente, s posebnim naglaskom na zamjenu glomaznih SMT induktora ravnim spiralnim induktorima. Među raznim tehnologijama za proizvodnju tiskane elektronike, sitotisak je posebno pogodan za pasivne komponente zbog velike debljine filma (koja je neophodna da se minimizira serijski otpor metalnih karakteristika ) i velikom brzinom štampe, čak i kada se pokrivaju područja na nivou centimetra. Isto vrijedi s vremena na vrijeme. Materijal 24.
Gubitak pasivnih komponenti energetske elektronske opreme mora biti minimiziran, jer efikasnost kola direktno utiče na količinu energije potrebne za napajanje sistema. Ovo je posebno izazovno za štampane induktore sastavljene od dugih zavojnica, koji su stoga podložni visokim serijama. Stoga, iako su uloženi određeni napori da se minimizira otpor 25, 26, 27, 28 štampanih zavojnica, još uvijek postoji nedostatak visokoefikasnih štampanih pasivnih komponenti za energetske elektronske uređaje. Do danas, mnogi su prijavili štampane pasivne komponente na fleksibilnim podlogama su dizajnirane da rade u rezonantnim krugovima za radiofrekventnu identifikaciju (RFID) ili u svrhu prikupljanja energije 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Drugi se fokusiraju na razvoj materijala ili proizvodnog procesa i prikazuju generičke komponente 26, 32, 33, 34 koji nisu optimizirani za specifične primjene. Nasuprot tome, strujna elektronska kola kao što su regulatori napona često koriste veće komponente od tipičnih štampanih pasivnih uređaja i ne zahtijevaju rezonanciju, tako da su potrebni različiti dizajni komponenti.
Ovdje predstavljamo dizajn i optimizaciju induktora s sitotiskom u rasponu μH kako bi se postigla najmanja serijska otpornost i visoke performanse na frekvencijama koje se odnose na energetsku elektroniku. Proizvedene su prigušnice, kondenzatori i otpornici s ekranom odštampanih s različitim vrijednostima komponenti na fleksibilnim plastičnim podlogama. Pogodnost ovih komponenti za fleksibilne elektronske proizvode je prvo demonstrirana u jednostavnom RLC kolu. Štampani induktor i otpornik se zatim integrišu sa IC-om da formiraju regulator pojačanja. Konačno, organska dioda koja emituje svetlost (OLED ) i proizvedena je fleksibilna litijum-jonska baterija, a za napajanje OLED-a iz baterije koristi se regulator napona.
Da bismo dizajnirali štampane induktore za energetsku elektroniku, prvo smo predvidjeli induktivnost i DC otpor niza geometrija induktora na osnovu trenutnog modela ploče predloženog u Mohan et al. 35, i proizvedeni induktori različite geometrije radi potvrde tačnosti modela. U ovom radu za induktor je odabran kružni oblik jer se veća induktivnost 36 može postići manjim otporom u odnosu na poligonalnu geometriju. Utjecaj mastila Određuje se tip i broj ciklusa štampanja na otpor. Ovi rezultati su zatim korišćeni sa modelom ampermetra za projektovanje induktora od 4,7 μH i 7,8 μH optimizovanih za minimalni DC otpor.
Induktivnost i DC otpor spiralnih induktora mogu se opisati s nekoliko parametara: vanjskim prečnikom do, širinom zavoja w i razmakom s, brojem zavoja n i otporom ploče provodnika Rsheet. Slika 1a prikazuje fotografiju kružnog induktora s sitotiskom sa n = 12, pokazujući geometrijske parametre koji određuju njegovu induktivnost. Prema ampermetarskom modelu Mohana et al. 35, induktivnost je izračunata za seriju geometrija induktora, gdje je
(a) Fotografija sitoštampanog induktora koja prikazuje geometrijske parametre. Prečnik je 3 cm. Induktivnost (b) i DC otpor (c) različitih geometrija induktora. Linije i oznake odgovaraju izračunatim i izmerenim vrednostima, respektivno. (d,e) DC otpori induktora L1 i L2 su štampani na sito štampi Dupont 5028 i 5064H srebrnim bojama, respektivno. (f,g) SEM mikrofotografije filma sito štampane od strane Dupont 5028 i 5064H, respektivno.
Na visokim frekvencijama, skin efekat i parazitski kapacitet će promijeniti otpor i induktivnost induktora u skladu s njegovom DC vrijednosti. Očekuje se da induktor radi na dovoljno niskoj frekvenciji da su ovi efekti zanemarivi, a uređaj se ponaša kao konstantna induktivnost sa konstantnim otporom u seriji. Zbog toga smo u ovom radu analizirali odnos između geometrijskih parametara, induktivnosti i jednosmjernog otpora, te smo na osnovu rezultata dobili zadanu induktivnost sa najmanjim DC otporom.
Induktivnost i otpor su izračunati za niz geometrijskih parametara koji se mogu realizovati sitotiskom, a očekuje se da će se generisati induktivnost u opsegu μH. Vanjski prečnici 3 i 5 cm, širine linije 500 i 1000 mikrona , i upoređuju se različiti zavoji. U proračunu se pretpostavlja da je otpor lima 47 mΩ/□, što odgovara sloju Dupont 5028 srebrnog mikroflake provodnika debljine 7 μm koji je odštampan sitom od 400 mesh i postavljenim w = s. izračunate vrijednosti induktivnosti i otpora prikazane su na slici 1b i c, redom. Model predviđa da se i induktivnost i otpor povećavaju kako se vanjski promjer i broj zavoja povećavaju, ili kako se širina linije smanjuje.
Kako bi se procijenila tačnost predviđanja modela, induktori različite geometrije i induktivnosti su proizvedeni na podlozi od polietilen tereftalata (PET). Izmjerene vrijednosti induktivnosti i otpora prikazane su na slici 1b i c. Iako je otpor pokazao određeno odstupanje od očekivanu vrijednost, uglavnom zbog promjena u debljini i ujednačenosti nanesene boje, induktivnost je pokazala vrlo dobro slaganje sa modelom.
Ovi rezultati se mogu koristiti za projektovanje induktora sa potrebnom induktivnošću i minimalnim DC otporom. Na primer, pretpostavimo da je potrebna induktivnost od 2 μH. Slika 1b pokazuje da se ova induktivnost može realizovati sa spoljnim prečnikom od 3 cm, širinom linije od 500 μm i 10 zavoja. Ista induktivnost se također može generirati korištenjem 5 cm vanjskog prečnika, 500 μm širine linije i 5 zavoja ili 1000 μm širine linije i 7 zavoja (kao što je prikazano na slici). Poređenje otpora ova tri moguće geometrije na slici 1c, može se naći da je najmanji otpor induktora od 5 cm sa širinom linije od 1000 μm 34 Ω, što je oko 40% niže od druga dva. Opšti proces projektovanja za postizanje date induktivnosti sa minimalnim otporom sažeto je na sljedeći način: Prvo, odaberite maksimalni dozvoljeni vanjski promjer u skladu s ograničenjima prostora koja nameće aplikacija. Zatim, širina linije treba biti što je moguće veća dok se i dalje postiže potrebna induktivnost za postizanje visoke stope punjenja (jednačina (3)).
Povećanjem debljine ili upotrebom materijala sa većom provodljivošću za smanjenje otpornosti lima metalnog filma, DC otpor se može dodatno smanjiti bez uticaja na induktivnost. se proizvode s različitim brojem premaza kako bi se procijenila promjena otpora. Kako se broj premaza tinte povećava, otpor se smanjuje proporcionalno kako se očekivalo, kao što je prikazano na slikama 1d i e, koje su induktori L1 i L2, respektivno. Slike 1d i e pokazuju da se nanošenjem 6 slojeva premaza otpor može smanjiti do 6 puta, a maksimalno smanjenje otpora (50-65%) se javlja između sloja 1 i sloja 2. Pošto je svaki sloj boje relativno tanak, ekran sa relativno malom veličinom mreže (400 linija po inču) koristi se za štampanje ovih induktora, što nam omogućava da proučavamo uticaj debljine provodnika na otpor. Sve dok karakteristike uzorka ostaju veće od minimalne rezolucije mreže, a Slična debljina (i otpor) se može postići brže štampanjem manjeg broja premaza sa većom veličinom mreže. Ova metoda se može koristiti za postizanje istog otpora jednosmerne struje kao induktor sa 6 premaza o kojem se ovde raspravlja, ali sa većom brzinom proizvodnje.
Slike 1d i e također pokazuju da se korištenjem provodljivije srebrne boje u ljuskama DuPont 5064H otpor smanjuje za faktor dva. Iz SEM mikrofotografija filmova odštampanih s dvije boje (Slika 1f, g), može se vidi se da je manja provodljivost tinte 5028 posljedica njene manje veličine čestica i prisustva mnogih praznina između čestica u odštampanom filmu. S druge strane, 5064H ima veće, bliže raspoređene ljuspice, zbog čega se ponaša bliže masi. srebro. Iako je film proizveden ovim mastilom tanji od mastila 5028, sa jednim slojem od 4 μm i 6 slojeva od 22 μm, povećanje provodljivosti je dovoljno da smanji ukupni otpor.
Konačno, iako induktivnost (jednačina (1)) zavisi od broja zavoja (w + s), otpor (jednačina (5)) zavisi samo od širine linije w. Dakle, povećanjem w u odnosu na s, otpor mogu se dodatno smanjiti. Dvije dodatne induktore L3 i L4 su dizajnirane da imaju w = 2s i veliki vanjski prečnik, kao što je prikazano u Tabeli 1. Ovi induktori su proizvedeni sa 6 slojeva DuPont 5064H premaza, kao što je prikazano ranije, kako bi se osigurao najviše performanse. Induktivnost L3 je 4,720 ± 0,002 μH, a otpor 4,9 ± 0,1 Ω, dok je induktivnost L4 7,839 ± 0,005 μH i 6,9 ± 0,1 Ω, što se dobro slaže sa modelom D u predikcije. povećanje debljine, provodljivosti i w/s, to znači da se omjer L/R povećao za više od reda veličine u odnosu na vrijednost na slici 1.
Iako je nizak otpor jednosmernoj struji obećavajući, procena podobnosti induktora za energetsku elektronsku opremu koja radi u opsegu kHz-MHz zahteva karakterizaciju na frekvencijama naizmenične struje. Slika 2a prikazuje frekventnu zavisnost otpora i reaktanse L3 i L4. Za frekvencije ispod 10 MHz , otpor ostaje otprilike konstantan na svojoj DC vrijednosti, dok reaktancija raste linearno sa frekvencijom, što znači da je induktivnost konstantna prema očekivanjima. L3 je 35,6 ± 0,3 MHz, a L4 je 24,3 ± 0,6 MHz. Frekvencijska zavisnost faktora kvaliteta Q (jednaka ωL/R) prikazana je na slici 2b. L3 i L4 postižu maksimalne faktore kvaliteta od 35 ± 1 i 33 ± 1 na frekvencijama od 11 i 16 MHz, respektivno. Induktivnost od nekoliko μH i relativno visok Q na frekvencijama MHz čine ove induktore dovoljnim za zamjenu tradicionalnih induktora za površinsku montažu u DC-DC pretvaračima male snage.
Izmjereni otpor R i reaktansa X (a) i faktor kvaliteta Q (b) induktora L3 i L4 povezani su sa frekvencijom.
Da bi se minimizirao otisak potreban za datu kapacitivnost, najbolje je koristiti kondenzatorsku tehnologiju sa velikom specifičnom kapacitivnošću, koja je jednaka dielektričnoj konstanti ε podijeljenoj s debljinom dielektrika. U ovom radu odabrali smo kompozit barij titanata kao dielektrik jer ima veći epsilon od drugih organskih dielektrika obrađenih rastvorom. Dielektrični sloj je sito štampan između dva srebrna provodnika kako bi se formirala struktura metal-dielektrik-metal. Kondenzatori različitih veličina u centimetrima, kao što je prikazano na slici 3a , proizvedeni su korištenjem dva ili tri sloja dielektrične tinte kako bi se održao dobar prinos. Slika 3b prikazuje SEM mikrograf poprečnog presjeka reprezentativnog kondenzatora napravljenog sa dva sloja dielektrika, ukupne debljine dielektrika od 21 μm. Gornja i donja elektroda su jednoslojni, odnosno šestoslojni 5064H. Čestice barijum titanata mikronske veličine su vidljive na SEM slici jer su svetlije oblasti okružene tamnijim organskim vezivom. Dielektrično mastilo dobro vlaži donju elektrodu i formira jasan interfejs sa štampani metalni film, kao što je prikazano na ilustraciji sa većim uvećanjem.
(a) Fotografija kondenzatora sa pet različitih područja. (b) SEM mikrograf poprečnog presjeka kondenzatora sa dva sloja dielektrika, koji prikazuje dielektrik barij titanata i srebrne elektrode. (c) Kapaciteti kondenzatora sa 2 i 3 barij titanata dielektrični slojevi i različite površine, mjereno na 1 MHz. (d) Odnos između kapacitivnosti, ESR i faktora gubitka kondenzatora od 2,25 cm2 sa 2 sloja dielektričnih prevlaka i frekvencije.
Kapacitet je proporcionalan očekivanoj površini. Kao što je prikazano na slici 3c, specifična kapacitivnost dvoslojnog dielektrika je 0,53 nF/cm2, a specifična kapacitivnost troslojnog dielektrika je 0,33 nF/cm2. Ove vrijednosti odgovaraju dielektričnoj konstanti od 13. kapacitivnost i faktor disipacije (DF) također su mjereni na različitim frekvencijama, kao što je prikazano na slici 3d, za kondenzator od 2,25 cm2 sa dva sloja dielektrika. Otkrili smo da je kapacitivnost relativno ravan u frekvencijskom opsegu od interesa, povećavajući se za 20% od 1 do 10 MHz, dok je u istom opsegu, DF povećan sa 0,013 na 0,023. Budući da je faktor disipacije omjer gubitka energije i energije pohranjene u svakom ciklusu naizmjenične struje, DF od 0,02 znači da 2% snage kojom se rukuje Ovaj gubitak se obično izražava kao frekvencijski ovisan ekvivalentni serijski otpor (ESR) povezan u seriju sa kondenzatorom, koji je jednak DF/ωC. Kao što je prikazano na slici 3d, za frekvencije veće od 1 MHz, ESR je manji od 1,5 Ω, a za frekvencije veće od 4 MHz, ESR je manji od 0,5 Ω. Iako se koristi ova kondenzatorska tehnologija, kondenzatori μF klase potrebni za DC-DC pretvarače zahtijevaju veoma veliku površinu, ali 100 pF- Opseg nF kapacitivnosti i mali gubitak ovih kondenzatora čini ih pogodnim za druge aplikacije, kao što su filteri i rezonantna kola. Za povećanje kapacitivnosti mogu se koristiti različite metode. Veća dielektrična konstanta povećava specifičnu kapacitivnost 37; na primjer, to se može postići povećanjem koncentracije čestica barij titanata u tinti. Može se koristiti manja debljina dielektrika, iako je za to potrebna donja elektroda sa manjom hrapavošću od srebrne pahuljice s sitotiskom. Tanji kondenzator manje hrapavosti slojevi se mogu nanositi inkjet štampom 31 ili dubokom štampom 10, što se može kombinovati sa postupkom sito štampe. Konačno, višestruki naizmjenični slojevi metala i dielektrika mogu se slagati i odštampati i povezati paralelno, čime se povećava kapacitet 34 po jedinici površine .
Razdjelnik napona sastavljen od para otpornika se obično koristi za mjerenje napona potrebnog za kontrolu povratne sprege regulatora napona. Za ovu vrstu primjene, otpor štampanog otpornika bi trebao biti u opsegu kΩ-MΩ, a razlika između uređaji su mali. Ovdje je utvrđeno da je otpornost ploče jednoslojnog sitotiskanog karbonskog mastila 900 Ω/□. Ova informacija se koristi za projektovanje dva linearna otpornika (R1 i R2) i serpentinskog otpornika (R3 ) sa nominalnim otporima od 10 kΩ, 100 kΩ i 1,5 MΩ. Otpor između nominalnih vrednosti se postiže štampanjem dva ili tri sloja mastila, kao što je prikazano na slici 4, i fotografijama tri otpora. Napravite 8- 12 uzoraka svake vrste; u svim slučajevima, standardna devijacija otpora je 10% ili manje. Promjena otpora uzoraka sa dva ili tri sloja premaza ima tendenciju da bude nešto manja nego kod uzoraka sa jednim slojem premaza. Mala promjena izmjerenog otpora i blisko slaganje sa nominalnom vrednošću pokazuju da se drugi otpori u ovom opsegu mogu direktno dobiti modifikovanjem geometrije otpornika.
Tri različite geometrije otpornika sa različitim brojem karbonskih otpornih premaza mastila. Fotografija tri otpornika je prikazana na desnoj strani.
RLC kola su klasični udžbenički primjeri kombinacija otpornika, induktora i kondenzatora koji se koriste za demonstriranje i provjeru ponašanja pasivnih komponenti integriranih u stvarna tiskana kola. U ovom kolu, induktor od 8 μH i kondenzator od 0,8 nF spojeni su u seriju, a Paralelno sa njima je spojen otpornik od 25 kΩ. Fotografija fleksibilnog kola prikazana je na slici 5a. Razlog odabira ove posebne serijsko-paralelne kombinacije je taj što je njeno ponašanje određeno svakom od tri različite frekvencijske komponente, tako da performanse svake komponente se mogu istaknuti i procijeniti. Uzimajući u obzir serijski otpor induktora od 7 Ω i ESR kondenzatora od 1,3 Ω, izračunat je očekivani frekventni odziv kola. Dijagram kola je prikazan na slici 5b, a izračunati Amplituda i faze impedanse i izmjerene vrijednosti prikazane su na slikama 5c i d. Na niskim frekvencijama, visoka impedancija kondenzatora znači da ponašanje kola određuje otpornik od 25 kΩ. Kako frekvencija raste, impedancija kondenzatora LC putanja se smanjuje; cjelokupno ponašanje kola je kapacitivno sve dok rezonantna frekvencija ne bude 2,0 MHz. Iznad rezonantne frekvencije dominira induktivna impedancija. Slika 5 jasno pokazuje odlično slaganje između izračunatih i izmjerenih vrijednosti u cijelom frekvencijskom rasponu. To znači da je model korišten ovdje (gdje su induktori i kondenzatori idealne komponente sa serijskim otporom) je precizan za predviđanje ponašanja kola na ovim frekvencijama.
(a) Fotografija RLC kola sa sitoštampanom koja koristi serijsku kombinaciju induktora od 8 μH i kondenzatora od 0,8 nF paralelno sa otpornikom od 25 kΩ. (b) Model kola uključujući serijski otpor induktora i kondenzatora. (c ,d) Amplituda impedanse (c) i faza (d) kola.
Konačno, štampani induktori i otpornici su implementirani u regulator pojačanja. IC korišten u ovoj demonstraciji je Microchip MCP1640B14, koji je PWM baziran sinhroni boost regulator sa radnom frekvencijom od 500 kHz. Šema kola je prikazana na slici 6a.A Induktor od 4,7 μH i dva kondenzatora (4,7 μF i 10 μF) se koriste kao elementi za skladištenje energije, a par otpornika se koristi za mjerenje izlaznog napona povratne kontrole. Odaberite vrijednost otpora da podesite izlazni napon na 5 V. Kolo je proizvedeno na PCB-u, a njegove performanse se mjere u okviru otpora opterećenja i opsega ulaznog napona od 3 do 4 V kako bi se simulirala litijum-jonska baterija u različitim stanjima punjenja. Efikasnost štampanih induktora i otpornika se poredi sa efikasnost SMT induktora i otpornika. SMT kondenzatori se koriste u svim slučajevima jer je kapacitivnost potrebna za ovu aplikaciju prevelika da bi se kompletirala sa štampanim kondenzatorima.
(a) Dijagram kruga za stabilizaciju napona. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw i (d) Talasni oblici struje koja teče u induktor, ulazni napon je 4,0 V, otpor opterećenja je 1 kΩ, a štampani induktor se koristi za merenje. Otpornici i kondenzatori za površinsku montažu se koriste za ovo merenje. (e) Za različite otpore opterećenja i ulazne napone, efikasnost kola regulatora napona koji koriste sve komponente za površinsku montažu i štampane prigušnice i otpornike. (f ) Odnos efikasnosti površinske montaže i štampanog kola prikazanog u (e).
Za ulazni napon od 4,0 V i otpor opterećenja od 1000 Ω, talasni oblici mereni pomoću štampanih induktora prikazani su na slici 6b-d. Slika 6c prikazuje napon na Vsw terminalu IC-a; napon induktora je Vin-Vsw. Slika 6d prikazuje struju koja teče u induktor. Efikasnost kola sa SMT i štampanim komponentama prikazana je na slici 6e kao funkcija ulaznog napona i otpora opterećenja, a slika 6f pokazuje odnos efikasnosti od štampanih komponenti na SMT komponente. Efikasnost merena korišćenjem SMT komponenti je slična očekivanoj vrednosti datoj u tehničkom listu proizvođača 14. Pri visokoj ulaznoj struji (nizak otpor opterećenja i nizak ulazni napon), efikasnost štampanih induktora je znatno niža od kod SMT induktora zbog većeg serijskog otpora. Međutim, sa višim ulaznim naponom i višom izlaznom strujom, gubitak otpora postaje manje važan, a performanse štampanih induktora počinju da se približavaju performansama SMT induktora. Za otpornost opterećenja >500 Ω i Vin = 4,0 V ili >750 Ω i Vin = 3,5 V, efikasnost štampanih induktora je veća od 85% SMT induktora.
Poređenje trenutnog talasnog oblika na slici 6d sa izmerenim gubitkom snage pokazuje da je gubitak otpora u induktoru glavni uzrok razlike u efikasnosti između štampanog i SMT kola, kao što se i očekivalo. Ulazna i izlazna snaga merena na 4,0 V ulazni napon i otpor opterećenja od 1000 Ω su 30,4 mW i 25,8 mW za kola sa SMT komponentama, a 33,1 mW i 25,2 mW za kola sa štampanim komponentama. Dakle, gubitak štampanog kola je 7,9 mW, što je 3,4 mW više od 3,4 mW za kola sa štampanim komponentama. struja sa SMT komponentama. RMS struja induktora izračunata iz valnog oblika na slici 6d je 25,6 mA. Budući da je njegov serijski otpor 4,9 Ω, očekivani gubitak snage je 3,2 mW. Ovo je 96% izmjerene razlike u istosmjernoj snazi ​​od 3,4 mW. Osim toga, kolo se proizvodi sa štampanim induktorima i štampanim otpornicima i štampanim induktorima i SMT otpornicima, i nije primećena značajna razlika u efikasnosti između njih.
Zatim se regulator napona proizvodi na fleksibilnom PCB-u (performanse kola za štampanje i SMT komponente prikazane su na dodatnoj slici S1) i povezuje se između fleksibilne litijum-jonske baterije kao izvora napajanja i OLED niza kao opterećenja. Prema Lochner et al. 9 Za proizvodnju OLED-a, svaki OLED piksel troši 0,6 mA pri naponu od 5 V. Baterija koristi litijum-kobalt oksid i grafit kao katodu, odnosno anodu, a proizvodi se premazivanjem doktorske oštrice, što je najčešći metod štampanja baterija.7 Kapacitet baterije je 16mAh, a napon tokom testa je 4.0V. Slika 7 prikazuje fotografiju kola na fleksibilnoj PCB-u, koja napaja tri paralelno povezana OLED piksela. Demonstracija je demonstrirala potencijal štampanih komponenti napajanja da se integrišu sa drugim fleksibilni i organski uređaji za formiranje složenijih elektronskih sistema.
Fotografija kruga regulatora napona na fleksibilnom PCB-u koji koristi štampane induktore i otpornike, koristeći fleksibilne litijum-jonske baterije za napajanje tri organske LED diode.
Prikazali smo sitoštampane induktivne prigušnice, kondenzatore i otpornike sa rasponom vrijednosti na fleksibilnim PET podlogama, sa ciljem zamjene komponenti za površinsku montažu u energetskoj elektronskoj opremi. Pokazali smo da dizajnom spirale velikog prečnika, brzine punjenja , i omjerom širine linije i širine prostora, te korištenjem debelog sloja tinte niske otpornosti. Ove komponente su integrirane u potpuno odštampano i fleksibilno RLC kolo i pokazuju predvidljivo električno ponašanje u frekvencijskom opsegu kHz-MHz, što je najveće interesovanje za energetsku elektroniku.
Tipični slučajevi upotrebe štampanih energetskih elektronskih uređaja su nosivi ili integrisani fleksibilni elektronski sistemi, napajani fleksibilnim punjivim baterijama (kao što su litijum-jonske), koje mogu generisati promenljive napone u zavisnosti od stanja napunjenosti. Ako je opterećenje (uključujući štampanje i organska elektronska oprema) zahtijeva konstantan napon ili veći od napona koji izlaze iz baterije, potreban je regulator napona. Iz tog razloga, štampani induktori i otpornici su integrisani sa tradicionalnim silicijumskim IC-ima u regulator pojačanja za napajanje OLED-a konstantnim naponom od 5 V iz promjenjivog naponskog napajanja baterije. Unutar određenog raspona struje opterećenja i ulaznog napona, efikasnost ovog kola premašuje 85% efikasnosti kontrolnog kruga koji koristi induktore i otpornike za površinsku montažu. Uprkos materijalnim i geometrijskim optimizacijama, otporni gubici u induktoru su i dalje ograničavajući faktor za performanse kola pri visokim nivoima struje (ulazna struja veća od oko 10 mA). Međutim, pri nižim strujama gubici u induktoru su smanjeni, a ukupne performanse su ograničene efikasnošću IC-a. Budući da mnogi štampani i organski uređaji zahtijevaju relativno niske struje, kao što su mali OLED-i korišteni u našoj demonstraciji, štampani induktori snage se mogu smatrati pogodnim za takve aplikacije. može se postići veća ukupna efikasnost pretvarača.
U ovom radu, regulator napona je izgrađen na tradicionalnoj PCB, fleksibilnoj PCB i tehnologiji lemljenja komponenti za površinsku montažu, dok je štampana komponenta proizvedena na posebnoj podlozi. Međutim, niskotemperaturne i visokoviskozne boje koje se koriste za proizvodnju sito- štampani filmovi bi trebali omogućiti štampanje pasivnih komponenti, kao i međusobne veze između uređaja i kontaktnih pločica za površinsku montažu, na bilo koju podlogu. Ovo, u kombinaciji s upotrebom postojećih niskotemperaturnih provodljivih ljepila za komponente za površinsku montažu, omogućit će čitavo kolo treba biti izgrađeno na jeftinim podlogama (kao što je PET) bez potrebe za subtraktivnim procesima kao što je graviranje PCB-a. Stoga, pasivne komponente sitoštampane koje su razvijene u ovom radu pomažu utrti put za fleksibilne elektronske sisteme koji integriraju energiju i opterećenja sa energetskom elektronikom visokih performansi, koristeći jeftine podloge, uglavnom aditivnim procesima i minimalnim brojem komponenti za površinsku montažu.
Koristeći Asys ASP01M sito štampač i sito od nerđajućeg čelika koje je obezbedila kompanija Dynamesh Inc., svi slojevi pasivnih komponenti su sitoštampani na fleksibilnoj PET podlozi debljine 76 μm. Veličina mreže metalnog sloja je 400 linija po inču i 250 linije po inču za dielektrični sloj i otporni sloj. Koristite silu brisala od 55 N, brzinu štampe od 60 mm/s, razmak loma od 1,5 mm i Serilor ragalicu tvrdoće 65 (za metal i otporne slojeva) ili 75 (za dielektrične slojeve) za sitotisak.
Vodljivi slojevi—induktori i kontakti kondenzatora i otpornika—štampani su DuPont 5082 ili DuPont 5064H srebrnom mikroflake tintom. Otpornik je odštampan sa DuPont 7082 ugljeničnim provodnikom. Za kondenzatorski dielektrik, provodljivo jedinjenje bar BT-101 koristi se. Svaki sloj dielektrika se proizvodi pomoću ciklusa štampanja u dva prolaza (mokro-mokro) kako bi se poboljšala uniformnost filma. Za svaku komponentu je ispitan uticaj više ciklusa štampanja na performanse i varijabilnost komponente. Uzorci napravljeni sa više slojeva istog materijala su sušeni na 70 °C 2 minute između premaza. Nakon nanošenja posljednjeg sloja svakog materijala, uzorci su pečeni na 140 °C 10 minuta kako bi se osiguralo potpuno sušenje. Funkcija automatskog poravnanja ekrana štampač se koristi za poravnavanje narednih slojeva. Kontakt sa centrom induktora se postiže izrezivanjem prolazne rupe u središnjoj pločici i štampanjem tragova šablona na poleđini podloge sa DuPont 5064H mastilom. Interkonekcija između opreme za štampanje takođe koristi Dupont 5064H šablonsko štampanje. Da bi se štampane komponente i SMT komponente prikazale na fleksibilnom PCB-u prikazanom na slici 7, štampane komponente su povezane Circuit Works CW2400 provodljivim epoksidom, a SMT komponente su povezane tradicionalnim lemljenjem.
Kao katoda i anoda baterije koriste se litijum kobalt oksid (LCO) i elektrode na bazi grafita. Katodna suspenzija je mešavina 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafita (KS6, Timcal), 2,5 % čađe (Super P, Timcal) i 10% poliviniliden fluorida (PVDF, Kureha Corp.). ) Anoda je mješavina 84wt% grafita, 4wt% čađe i 13wt% PVDF.N-Metil-2-pirolidon (NMP, Sigma Aldrich) se koristi za rastvaranje PVDF veziva i dispergiranje suspenzije. mešanje vortex mikserom preko noći. Folija od nerđajućeg čelika debljine 0,0005 inča i folija od nikla od 10 μm se koriste kao kolektori struje za katodu i anodu. mm/s. Zagrijte elektrodu u pećnici na 80 °C 2 sata da uklonite otapalo. Visina elektrode nakon sušenja je oko 60 μm, a na osnovu težine aktivnog materijala, teoretski kapacitet je 1,65 mAh /cm2.Elektrode su izrezane na dimenzije 1,3 × 1,3 cm2 i zagrijane u vakuum peći na 140°C preko noći, a zatim su zatvorene aluminijskim laminatnim vrećicama u kutiji za rukavice napunjenoj dušikom. Rastvor polipropilenske osnovne folije sa anoda i katoda i 1M LiPF6 u EC/DEC (1:1) se koristi kao elektrolit baterije.
Zeleni OLED se sastoji od poli(9,9-dioktilfluoren-ko-n-(4-butilfenil)-difenilamina) (TFB) i poli((9,9-dioktilfluoren-2,7-(2,1,3-benzotiadiazol- 4,8-diyl)) (F8BT) prema proceduri opisanoj u Lochner et al.
Koristite Dektak stylus profiler za mjerenje debljine filma. Film je izrezan kako bi se pripremio uzorak poprečnog presjeka za ispitivanje pomoću skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM). FEI Quanta 3D emisioni pištolj (FEG) SEM se koristi za karakterizaciju strukture odštampanog filma i potvrditi mjerenje debljine. SEM studija je provedena pri naponu ubrzanja od 20 keV i tipičnom radnom razmaku od 10 mm.
Koristite digitalni multimetar za mjerenje DC otpora, napona i struje. AC impedancija induktora, kondenzatora i kola se mjeri pomoću Agilent E4980 LCR metra za frekvencije ispod 1 MHz i Agilent E5061A mrežnog analizatora se koristi za mjerenje frekvencija iznad 500 kHz. Tektronix TDS 5034 osciloskop za mjerenje talasnog oblika regulatora napona.
Kako citirati ovaj članak: Ostfeld, AE, itd. Pasivne komponente za sitotisak za fleksibilnu energetsku elektronsku opremu.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al. Fleksibilna elektronika: sljedeća sveprisutna platforma. Proces IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Mjesto gdje se grupe susreću s ljudima. Rad objavljen na Evropskoj konferenciji i izložbi o dizajnu, automatizaciji i testiranju 2015., Grenoble, Francuska. San Jose, Kalifornija: EDA Alliance.637-640 (2015, 9. marta- 13).
Krebs, FC itd. OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC štampani piezoelektrični uređaji za prikupljanje energije. Napredni energetski materijali.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-printed flat debeloslojni termoelektrični generator energije.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Fleksibilna štampana baterija visokog potencijala koja se koristi za napajanje štampanih elektronskih uređaja.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Najnovija dostignuća u štampanim fleksibilnim baterijama: mehanički izazovi, tehnologija štampanja i budući izgledi.Energetska tehnologija.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. itd. Sistem senzora velikih razmjera koji kombinuje elektronske uređaje velike površine i CMOS IC-ove za praćenje stanja strukture. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).