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 rada kompatibilnosti u Internet Exploreru). U isto vrijeme , kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazivat ćemo stranice bez stilova i JavaScripta.
Dodaci i procesi ispisa pri niskim temperaturama mogu integrirati različite elektroničke uređaje koji troše energiju i troše energiju na fleksibilne podloge po niskoj cijeni. Međutim, proizvodnja kompletnih elektroničkih sustava iz ovih uređaja obično zahtijeva energetske elektroničke uređaje za pretvorbu između različitih radnih napona uređaje. Pasivne komponente—induktori, kondenzatori i otpornici—izvode funkcije kao što su filtriranje, kratkotrajna pohrana energije i mjerenje napona, što je bitno u energetskoj elektronici i mnogim drugim primjenama. U ovom članku predstavljamo induktore, kondenzatore, otpornici i RLC krugovi ispisani sitotiskom na savitljivim plastičnim podlogama, i izvješćuju o procesu projektiranja kako bi se serijski otpor induktora sveo na najmanju moguću mjeru tako da se mogu koristiti u energetskim elektroničkim uređajima. Tiskani induktor i otpornik zatim se ugrađuju u krug regulatora pojačanja. Proizvodnja organskih svjetlećih dioda i fleksibilnih litij-ionskih baterija. Regulatori napona koriste se za napajanje dioda iz baterije, pokazujući potencijal tiskanih pasivnih komponenti da zamijene tradicionalne komponente za površinsku montažu u aplikacijama DC-DC pretvarača.
Posljednjih godina razvijena je primjena raznih fleksibilnih uređaja u nosivim i velikim elektroničkim proizvodima te Internetu stvari1,2. To uključuje uređaje za sakupljanje 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 veliki napredak postignut u pojedinačnim izvorima energije i opterećenjima, kombiniranje ovih komponenti u cjeloviti elektronički sustav obično zahtijeva energetsku elektroniku da nadići bilo kakvu neusklađenost između ponašanja napajanja i zahtjeva opterećenja. Na primjer, baterija generira promjenjivi napon u skladu sa svojim stanjem napunjenosti. Ako opterećenje zahtijeva konstantan napon ili viši od napona koji baterija može generirati, potrebna je energetska elektronika .Energetska elektronika koristi aktivne komponente (tranzistore) za izvođenje sklopnih i upravljačkih funkcija, kao i pasivne komponente (induktore, kondenzatore i otpornike). Na primjer, u krugu sklopnog regulatora, induktor se koristi za pohranu energije tijekom svakog sklopnog ciklusa , kondenzator se koristi za smanjenje valovitosti napona, a mjerenje napona potrebno za kontrolu povratne sprege vrši se korištenjem otporničkog djelitelja.
Energetski elektronički 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 induktiviteta i Kapacitivnost μF je 14. Tradicionalna metoda proizvodnje ovih sklopova je lemljenje diskretnih komponenti na krutu tiskanu ploču (PCB). Iako se aktivne komponente energetskih elektroničkih sklopova obično kombiniraju u jedan silikonski integrirani krug (IC), pasivne komponente obično se vanjski, ili dopuštajući prilagođene sklopove, ili zato što su potrebni induktivitet i kapacitet preveliki da bi se implementirali u silicij.
U usporedbi s tradicionalnom proizvodnom tehnologijom koja se temelji na PCB-u, proizvodnja elektroničkih uređaja i sklopova putem procesa aditivnog ispisa ima mnoge prednosti u smislu jednostavnosti i cijene. Prvo, budući da mnoge komponente sklopa zahtijevaju iste materijale, poput metala za kontakte i međupovezanosti, tiskanje omogućuje proizvodnju više komponenti u isto vrijeme, s relativno malo koraka obrade i manje izvora materijala15. Korištenje aditivnih procesa za zamjenu subtraktivnih procesa kao što su fotolitografija i jetkanje dodatno smanjuje složenost procesa i rasipanje materijala16, 17, 18 i 19. Osim toga, niske temperature koje se koriste u ispisu kompatibilne su s fleksibilnim i jeftinim plastičnim podlogama, dopuštajući upotrebu brzih proizvodnih procesa od role do role za pokrivanje elektroničkih uređaja 16, 20 na velikim površinama. Za primjene koje se ne mogu u potpunosti realizirati s tiskanim komponentama, razvijene su hibridne metode u kojima su komponente tehnologije površinske montaže (SMT) spojene na fleksibilne podloge 21, 22, 23 pored tiskanih komponenti na niskim temperaturama. U ovom hibridnom pristupu još uvijek je potrebno zamijeniti što je više moguće SMT komponenata s tiskanim kopijama kako bi se iskoristile prednosti dodatnih procesa i povećala ukupna fleksibilnost kruga. Kako bismo realizirali fleksibilnu energetsku elektroniku, predložili smo kombinaciju SMT aktivnih komponenti i sitotiskanih pasivnih komponenti komponente, s posebnim naglaskom na zamjenu glomaznih SMT induktora planarnim spiralnim induktorima. Među različitim tehnologijama za proizvodnju tiskane elektronike, sitotisak je posebno prikladan za pasivne komponente zbog svoje velike debljine filma (što je neophodno kako bi se minimizirao serijski otpor metalnih elemenata ) i velika brzina ispisa, čak i kada se pokrivaju površine od centimetra. Isto vrijedi ponekad. Materijal 24.
Gubitak pasivnih komponenti energetske elektroničke opreme mora se svesti na najmanju moguću mjeru, jer učinkovitost kruga izravno utječe na količinu energije potrebne za napajanje sustava. Ovo je posebno izazovno za tiskane induktore sastavljene od dugih zavojnica, koji su stoga osjetljivi na velike serije Stoga, iako su učinjeni neki napori da se otpor 25, 26, 27, 28 tiskanih zavojnica svede na najmanju moguću mjeru, još uvijek postoji nedostatak visokoučinkovitih tiskanih pasivnih komponenti za energetske elektroničke uređaje. Do danas su mnogi izvijestili o tiskanim pasivnim komponente na fleksibilnim supstratima dizajnirane su za rad u rezonantnim krugovima za radiofrekvencijsku identifikaciju (RFID) ili u svrhu prikupljanja energije 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Drugi su usmjereni na razvoj materijala ili proizvodnog procesa i prikazuju generičke komponente 26, 32, 33, 34 koji nisu optimizirani za specifične primjene. Nasuprot tome, energetski elektronički sklopovi kao što su regulatori napona često koriste veće komponente od tipičnih tiskanih pasivnih uređaja i ne zahtijevaju rezonanciju, pa su potrebni različiti dizajni komponenti.
Ovdje predstavljamo dizajn i optimizaciju sitotiskanih induktora u rasponu μH kako bismo postigli najmanji serijski otpor i visoke performanse na frekvencijama povezanim s energetskom elektronikom. Proizvode se sitotiskani induktori, kondenzatori i otpornici s različitim vrijednostima komponenti na savitljivim plastičnim podlogama. Prikladnost ovih komponenti za savitljive elektroničke proizvode prvi put je demonstrirana u jednostavnom RLC krugu. Tiskani induktor i otpornik zatim su integrirani s IC kako bi formirali regulator pojačanja. Na kraju, organska svjetleća dioda (OLED ) i fleksibilna litij-ionska baterija se proizvode, a za napajanje OLED-a iz baterije koristi se regulator napona.
Kako bismo dizajnirali tiskane induktore za energetsku elektroniku, prvo smo predvidjeli induktivitet i istosmjerni otpor niza geometrija induktora na temelju trenutnog modela ploča predloženog u Mohan et al. 35, i izrađeni induktori različitih geometrija za potvrdu točnosti modela. U ovom radu, kružni oblik je odabran za induktor jer se veći induktivitet 36 može postići s nižim otporom u usporedbi s poligonalnom geometrijom. Utjecaj tinte određuje se vrsta i broj ciklusa ispisa na otporu. Ovi su rezultati zatim korišteni s modelom ampermetra za dizajn induktora od 4,7 μH i 7,8 μH optimiziranih za minimalni istosmjerni otpor.
Induktivitet i istosmjerni otpor spiralnih induktora mogu se opisati s nekoliko parametara: vanjskim promjerom do, širinom zavoja w i razmakom s, brojem zavoja n i otporom ploče vodiča Rsheet. Slika 1a prikazuje fotografiju kružnog induktora tiskanog sitotiskom s n = 12, pokazujući geometrijske parametre koji određuju njegov induktivitet. Prema modelu ampermetra Mohana i sur. 35, induktivitet se izračunava za niz geometrija induktora, gdje
(a) Fotografija ispisanog induktora koja prikazuje geometrijske parametre. Promjer je 3 cm. Induktivitet (b) i istosmjerni otpor (c) različitih geometrija induktora. Linije i oznake odgovaraju izračunatim, odnosno izmjerenim vrijednostima. (d,e) Istosmjerni otpori induktora L1 i L2 ispisani su srebrnim tintama Dupont 5028, odnosno 5064H. (f,g) SEM mikrografije filmova otisnutih sitotiskom Dupont 5028, odnosno 5064H.
Na visokim frekvencijama, skin efekt i parazitski kapacitet promijenit će otpor i induktivitet induktora u skladu s njegovom istosmjernom vrijednošću. Očekuje se da induktor radi na dovoljno niskoj frekvenciji da su ti učinci zanemarivi, a uređaj se ponaša kao konstantni induktivitet s konstantnim otporom u seriji. Stoga smo u ovom radu analizirali odnos između geometrijskih parametara, induktiviteta i istosmjernog otpora, te upotrijebili rezultate za dobivanje zadanog induktiviteta s najmanjim istosmjernim otporom.
Induktivitet i otpor izračunati su za niz geometrijskih parametara koji se mogu realizirati sitotiskom, a očekuje se da će se generirati induktivitet u području μH. Vanjski promjeri 3 i 5 cm, širine linija 500 i 1000 mikrona. , a različiti zavoji se uspoređuju. U izračunu se pretpostavlja da je otpor ploče 47 mΩ/□, što odgovara 7 μm debelom Dupont 5028 srebrnom mikroflake sloju vodiča otisnutom na situ od 400 mesh i postavkom w = s. izračunate vrijednosti induktiviteta i otpora prikazane su na slikama 1b odnosno c. Model predviđa da se i induktivitet i otpor povećavaju kako se vanjski promjer i broj zavoja povećavaju, ili kako se širina linije smanjuje.
Kako bi se procijenila točnost predviđanja modela, induktori različitih geometrija i induktiviteta proizvedeni su na podlozi od polietilen tereftalata (PET). Izmjerene vrijednosti induktiviteta i otpora prikazane su na slici 1b i c. Iako je otpor pokazao određena odstupanja od očekivana vrijednost, uglavnom zbog promjena u debljini i ujednačenosti nataložene tinte, induktivitet je pokazao vrlo dobro slaganje s modelom.
Ovi se rezultati mogu koristiti za projektiranje induktiviteta s potrebnim induktivitetom i minimalnim istosmjernim otporom. Na primjer, pretpostavimo da je potreban induktivitet od 2 μH. Slika 1b pokazuje da se ovaj induktivitet može realizirati s vanjskim promjerom od 3 cm, širinom linije od 500 μm i 10 zavoja. Isti se induktivitet također može generirati korištenjem vanjskog promjera od 5 cm, širine linije 500 μm i 5 zavoja ili širine linije od 1000 μm i 7 zavoja (kao što je prikazano na slici). Uspoređujući otpore ova tri moguće geometrije na slici 1c, može se pronaći da je najmanji otpor induktora od 5 cm sa širinom linije od 1000 μm 34 Ω, što je oko 40% niže od druga dva. Opći proces projektiranja za postizanje danog induktiviteta s minimalnim otporom sažeto je kako slijedi: Prvo, odaberite najveći dopušteni vanjski promjer u skladu s prostornim ograničenjima koja nameće aplikacija. Zatim, širina linije treba biti što je moguće veća, dok se i dalje postiže potrebna induktivnost za postizanje visoke stope punjenja (Jednadžba (3)).
Povećanjem debljine ili upotrebom materijala s većom vodljivošću za smanjenje otpora sloja metalnog filma, DC otpor se može dodatno smanjiti bez utjecaja na induktivitet. Dva induktora, čiji su geometrijski parametri dani u tablici 1, nazvana L1 i L2, proizvode se s različitim brojem premaza kako bi se procijenila promjena otpora. Kako se broj premaza tinte povećava, otpor se proporcionalno smanjuje prema očekivanjima, kao što je prikazano na slikama 1d i e, koje su induktori L1 i L2, redom. Slike 1d i e pokazuju da se primjenom 6 slojeva premaza otpor može smanjiti do 6 puta, a maksimalno smanjenje otpora (50-65%) događa se između sloja 1 i sloja 2. Budući da je svaki sloj tinte relativno tanak, ekran s relativno malom veličinom mreže (400 redaka po inču) koristi se za ispis ovih induktora, što nam omogućuje proučavanje učinka debljine vodiča na otpor. Sve dok značajke uzorka ostaju veće od minimalne rezolucije mreže, slična debljina (i otpor) može se postići brže tiskanjem manjeg broja premaza s većom veličinom rešetke. Ova se metoda može koristiti za postizanje istog istosmjernog otpora kao kod induktora sa 6 premaza o kojem se ovdje govori, ali uz veću brzinu proizvodnje.
Slike 1d i e također pokazuju da se upotrebom provodljivije tinte srebrnih pahuljica DuPont 5064H otpor smanjuje za faktor dva. Iz SEM mikrofotografija filmova otisnutih s dvije tinte (Slika 1f, g), može se vidi se da je niža vodljivost tinte 5028 posljedica manje veličine čestica i prisutnosti mnogo šupljina između čestica u otisnutom filmu. S druge strane, 5064H ima veće, bliže raspoređene ljuskice, zbog čega se ponaša bliže masi srebro. Iako je film koji proizvodi ova tinta tanji od tinte 5028, s jednim slojem od 4 μm i 6 slojeva od 22 μm, povećanje vodljivosti dovoljno je za smanjenje ukupnog otpora.
Konačno, iako induktivitet (jednadžba (1)) ovisi o broju zavoja (w + s), otpor (jednadžba (5)) ovisi samo o širini linije w. Stoga, povećanjem w u odnosu na s, otpor mogu se dodatno smanjiti. Dva dodatna induktora L3 i L4 dizajnirana su tako da imaju w = 2s i veliki vanjski promjer, kao što je prikazano u tablici 1. Ovi induktori proizvedeni su sa 6 slojeva DuPont 5064H premaza, kao što je ranije prikazano, kako bi se osigurao najveće performanse. Induktivitet L3 je 4,720 ± 0,002 μH, a otpor 4,9 ± 0,1 Ω, dok je induktivitet L4 7,839 ± 0,005 μH i 6,9 ± 0,1 Ω, što se dobro slaže s predviđanjem modela. Zbog povećanjem debljine, vodljivosti 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 niska istosmjerna otpornost obećavajuća, procjena prikladnosti induktora za energetsku elektroničku opremu koja radi u kHz-MHz rasponu zahtijeva karakterizaciju na AC frekvencijama. Slika 2a prikazuje frekvencijsku ovisnost otpora i reaktancije L3 i L4. Za frekvencije ispod 10 MHz , otpor ostaje otprilike konstantan na svojoj istosmjernoj vrijednosti, dok reaktancija raste linearno s frekvencijom, što znači da je induktivitet konstantan kao što se i očekivalo. Vlastita rezonantna frekvencija definira se kao frekvencija na kojoj se impedancija mijenja iz induktivne u kapacitivnu, s L3 je 35,6 ± 0,3 MHz, a L4 je 24,3 ± 0,6 MHz. Frekvencijska ovisnost faktora kvalitete Q (jednak ωL/R) prikazana je na slici 2b. L3 i L4 postižu maksimalne faktore kvalitete od 35 ± 1 i 33 ± 1 na frekvencijama od 11 i 16 MHz, respektivno. Induktivitet od nekoliko μH i relativno visok Q na MHz frekvencijama čine ove prigušnice dovoljnima da zamijene tradicionalne prigušnice za površinsku montažu u DC-DC pretvaračima male snage.
Izmjereni otpor R i reaktancija X (a) te faktor kvalitete Q (b) prigušnica L3 i L4 povezani su s frekvencijom.
Kako bi se minimalizirao otisak potreban za dati kapacitet, najbolje je koristiti tehnologiju kondenzatora s velikim specifičnim kapacitetom, koji je jednak dielektričnoj konstanti ε podijeljenoj s debljinom dielektrika. U ovom smo radu odabrali kompozit barij-titanata kao dielektrik jer ima veći epsilon od drugih organskih dielektrika obrađenih otopinom. Dielektrični sloj je otisnut sitotiskom između dva srebrna vodiča kako bi se formirala struktura metal-dielektrik-metal. Kondenzatori različitih veličina u centimetrima, kao što je prikazano na slici 3a , proizvode se korištenjem dva ili tri sloja dielektrične tinte kako bi se održao dobar prinos. Slika 3b prikazuje SEM mikrograf presjeka reprezentativnog kondenzatora izrađenog s dva sloja dielektrika, s ukupnom debljinom dielektrika od 21 μm. Gornja i donja elektroda su jednoslojni i šestoslojni 5064H. Čestice barijevog titanata mikronske veličine vidljive su na SEM slici jer su svjetlija područja okružena tamnijim organskim vezivom. Dielektrična tinta dobro navlaži donju elektrodu i tvori jasno sučelje s tiskani metalni film, kao što je prikazano na slici s većim povećanjem.
(a) Fotografija kondenzatora s pet različitih područja. (b) SEM mikrograf presjeka kondenzatora s dva sloja dielektrika, koji prikazuje dielektrik od barij-titanata i srebrne elektrode. (c) Kapacitivnosti kondenzatora s 2 i 3 barij-titanata dielektrični slojevi i različita područja, mjereno na 1 MHz. (d) Odnos između kapacitivnosti, ESR i faktora gubitka kondenzatora od 2,25 cm2 s 2 sloja dielektričnih premaza i frekvencije.
Kapacitet je proporcionalan očekivanoj površini. Kao što je prikazano na slici 3c, specifični kapacitet dvoslojnog dielektrika je 0,53 nF/cm2, a specifični kapacitet troslojnog dielektrika je 0,33 nF/cm2. Ove vrijednosti odgovaraju dielektričnoj konstanti od 13. kapacitet i faktor disipacije (DF) također su izmjereni na različitim frekvencijama, kao što je prikazano na slici 3d, za kondenzator od 2,25 cm2 s dva sloja dielektrika. Otkrili smo da je kapacitet bio relativno ravan u frekvencijskom rasponu od interesa, povećavajući se za 20% od 1 do 10 MHz, dok je u istom rasponu DF porastao s 0,013 na 0,023. Budući da je faktor disipacije omjer gubitka energije i energije pohranjene u svakom ciklusu izmjenične struje, DF od 0,02 znači da je 2% snage obrađeno kondenzator troši. Taj se gubitak obično izražava kao frekvencijski ovisan ekvivalentni serijski otpor (ESR) spojen u seriju s 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 niži od 0,5 Ω. Iako koriste ovu tehnologiju kondenzatora, kondenzatori klase μF potrebni za DC-DC pretvarače zahtijevaju vrlo veliko područje, ali 100 pF- Raspon kapacitivnosti nF i mali gubici ovih kondenzatora čine ih prikladnima za druge primjene, kao što su filtri i rezonantni krugovi. Za povećanje kapacitivnosti mogu se koristiti različite metode. Veća dielektrična konstanta povećava specifični kapacitet 37; na primjer, to se može postići povećanjem koncentracije čestica barijevog titanata u tinti. Može se koristiti manja debljina dielektrika, iako to zahtijeva donju elektrodu s nižom hrapavošću od sitotiskanih srebrnih pahuljica. Tanji kondenzator manje hrapavosti slojevi se mogu nanijeti inkjet ispisom 31 ili dubokim ispisom 10, koji se mogu kombinirati s postupkom sitotiska. Konačno, višestruki izmjenični slojevi metala i dielektrika mogu se naslagati i ispisivati ​​i spajati paralelno, čime se povećava kapacitet 34 po jedinici površine .
Razdjelnik napona sastavljen od para otpornika obično se koristi za izvođenje mjerenja napona potrebnog za povratnu kontrolu regulatora napona. Za ovu vrstu primjene, otpor ispisanog otpornika treba biti u rasponu kΩ-MΩ, a razlika između uređaji su mali. Ovdje je utvrđeno da je otpor sloja jednoslojne sitotiskane karbonske tinte bio 900 Ω/□. Ova se informacija koristi za projektiranje dvaju linearnih otpornika (R1 i R2) i zmijolikog otpornika (R3 ) s nominalnim otporima od 10 kΩ, 100 kΩ i 1,5 MΩ. Otpor između nominalnih vrijednosti postiže se tiskanjem dva ili tri sloja tinte, kao što je prikazano na slici 4, i fotografijama triju otpora. Napravite 8- 12 uzoraka svake vrste; u svim slučajevima, standardna devijacija otpora je 10% ili manje. Promjena otpora uzoraka s dva ili tri sloja premaza ima tendenciju da bude nešto manja od one kod uzoraka s jednim slojem premaza. Mala promjena izmjerenog otpora i blisko slaganje s nominalnom vrijednošću pokazuju da se drugi otpori u ovom rasponu mogu izravno dobiti modificiranjem geometrije otpornika.
Tri različite geometrije otpornika s različitim brojem slojeva tinte otpornih na ugljik. Fotografije triju otpornika prikazane su desno.
RLC sklopovi klasični su udžbenički primjeri kombinacija otpornika, induktora i kondenzatora koji se koriste za demonstraciju i provjeru ponašanja pasivnih komponenti integriranih u stvarne tiskane krugove. U ovom krugu, induktor od 8 μH i kondenzator od 0,8 nF povezani su u seriju, a Otpornik od 25 kΩ spojen je paralelno s njima. Fotografija fleksibilnog kruga prikazana je na slici 5a. Razlog za odabir ove posebne serijsko-paralelne kombinacije je taj što je njezino ponašanje određeno svakom od tri različite frekvencijske komponente, tako da performanse svake komponente mogu se istaknuti i ocijeniti. Uzimajući u obzir serijski otpor od 7 Ω induktora i 1,3 Ω ESR kondenzatora, izračunat je očekivani frekvencijski odziv kruga. Dijagram kruga prikazan je na slici 5b, a izračunati amplituda i faza impedancije i izmjerene vrijednosti prikazane su na slikama 5c i d. Na niskim frekvencijama, visoka impedancija kondenzatora znači da je ponašanje kruga određeno otpornikom od 25 kΩ. Kako se frekvencija povećava, impedancija LC put se smanjuje; cijelo ponašanje kruga je kapacitivno sve dok rezonantna frekvencija ne bude 2,0 MHz. Iznad rezonantne frekvencije dominira induktivna impedancija. Slika 5 jasno pokazuje izvrsno slaganje između izračunatih i izmjerenih vrijednosti u cijelom frekvencijskom rasponu. To znači da je korišteni model ovdje (gdje su induktori i kondenzatori idealne komponente sa serijskim otporom) točan je za predviđanje ponašanja kruga na tim frekvencijama.
(a) Fotografija sitotiskanog RLC kruga koji koristi serijsku kombinaciju induktora od 8 μH i kondenzatora od 0,8 nF paralelno s otpornikom od 25 kΩ. (b) Model kruga uključujući serijski otpor induktora i kondenzatora. (c ,d) Amplituda impedancije (c) i faza (d) kruga.
Konačno, tiskani induktori i otpornici ugrađeni su u regulator pojačanja. IC korišten u ovoj demonstraciji je Microchip MCP1640B14, koji je sinkroni regulator pojačanja temeljen na PWM-u s radnom frekvencijom od 500 kHz. Dijagram strujnog kruga prikazan je na slici 6a.A Induktor od 4,7 μH i dva kondenzatora (4,7 μF i 10 μF) koriste se kao elementi za pohranu energije, a par otpornika koristi se za mjerenje izlaznog napona kontrole povratne veze. Odaberite vrijednost otpora za podešavanje izlaznog napona na 5 V. Krug je proizveden na PCB-u, a njegova se izvedba mjeri unutar otpora opterećenja i raspona ulaznog napona od 3 do 4 V za simulaciju litij-ionske baterije u različitim stanjima punjenja. Učinkovitost tiskanih induktora i otpornika uspoređuje se s učinkovitost SMT induktora i otpornika. SMT kondenzatori se koriste u svim slučajevima jer je kapacitet potreban za ovu primjenu prevelik da bi se dopunio s tiskanim kondenzatorima.
(a) Dijagram kruga stabilizacije napona. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw, i (d) Valni oblici struje koja teče u induktor, ulazni napon je 4,0 V, otpor opterećenja je 1 kΩ, a za mjerenje se koristi tiskani induktor. Otpornici i kondenzatori za površinsku ugradnju koriste se za ovo mjerenje. (e) Za različite otpore opterećenja i ulazne napone, učinkovitost krugova regulatora napona koji koriste sve komponente za površinsku ugradnju i tiskane induktore i otpornike. (f ) Omjer učinkovitosti površinske montaže i tiskanog kruga prikazan u (e).
Za ulazni napon od 4,0 V i otpor opterećenja od 1000 Ω, valni oblici izmjereni pomoću tiskanih induktora prikazani su na slikama 6b-d. Slika 6c prikazuje napon na Vsw terminalu IC; napon induktora je Vin-Vsw. Slika 6d prikazuje struju koja teče kroz induktor. Učinkovitost kruga sa SMT i tiskanim komponentama prikazana je na slici 6e kao funkcija ulaznog napona i otpora opterećenja, a slika 6f prikazuje omjer učinkovitosti tiskanih komponenti na SMT komponente. Učinkovitost izmjerena korištenjem SMT komponenti slična je očekivanoj vrijednosti navedenoj u podatkovnoj tablici proizvođača 14. Pri visokoj ulaznoj struji (mali otpor opterećenja i nizak ulazni napon), učinkovitost tiskanih induktora znatno je niža od onu kod SMT induktora zbog većeg serijskog otpora. Međutim, s višim ulaznim naponom i većom izlaznom strujom, gubitak otpora postaje manje važan, a performanse tiskanih induktora počinju se približavati onima SMT induktora. Za otpore opterećenja >500 Ω i Vin = 4,0 V ili >750 Ω i Vin = 3,5 V, učinkovitost tiskanih induktora veća je od 85% SMT induktora.
Usporedba trenutnog valnog oblika na slici 6d s izmjerenim gubitkom snage pokazuje da je gubitak otpora u induktoru glavni uzrok razlike u učinkovitosti između tiskanog kruga i SMT kruga, kao što se i očekivalo. Ulazna i izlazna snaga izmjerena na 4,0 V ulazni napon i 1000 Ω otpor opterećenja su 30,4 mW i 25,8 mW za sklopove sa SMT komponentama, te 33,1 mW i 25,2 mW za sklopove s tiskanim komponentama. Dakle, gubitak tiskanog kruga je 7,9 mW, što je 3,4 mW više od krug 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. To je 96% od izmjerene razlike istosmjerne snage od 3,4 mW. Osim toga, krug je proizveden s tiskanim induktorima i tiskanim otpornicima i tiskanim induktorima i SMT otpornicima, i nema značajne razlike u učinkovitosti među njima.
Zatim se regulator napona izrađuje na fleksibilnoj tiskanoj ploči (izvedba sklopa za ispis i SMT komponentu prikazana je na dodatnoj slici S1) i povezuje se između fleksibilne litij-ionske baterije kao izvora napajanja i OLED polja kao opterećenja. Prema Lochneru i sur. 9 Za proizvodnju OLED-a, svaki OLED piksel troši 0,6 mA pri 5 V. Baterija koristi litij kobalt oksid i grafit kao katodu i anodu, te se proizvodi premazivanjem oštrice, što je najčešća metoda ispisa baterija.7 kapacitet baterije je 16 mAh, a napon tijekom testa je 4,0 V. Slika 7 prikazuje fotografiju strujnog kruga na savitljivoj tiskanoj ploči, koji napaja tri paralelno spojena OLED piksela. Demonstracija je pokazala potencijal tiskanih komponenti napajanja da se integriraju s drugim fleksibilne i organske uređaje za formiranje složenijih elektroničkih sustava.
Fotografija strujnog kruga regulatora napona na savitljivoj tiskanoj ploči koja koristi tiskane induktore i otpornike, koristeći savitljive litij-ionske baterije za napajanje tri organske LED diode.
Prikazali smo sitotiskane induktore, kondenzatore i otpornike s rasponom vrijednosti na fleksibilnim PET podlogama, s ciljem zamjene komponenti za površinsku montažu u energetskoj elektroničkoj opremi. Pokazali smo da projektiranjem spirale velikog promjera, brzina punjenja , i omjer širine linije i širine razmaka, te upotrebom debelog sloja tinte niskog otpora. Ove su komponente integrirane u potpuno tiskani i fleksibilni RLC krug i pokazuju predvidljivo električno ponašanje u kHz-MHz frekvencijskom rasponu, koji je najveći interes za energetsku elektroniku.
Tipični slučajevi upotrebe tiskanih energetskih elektroničkih uređaja su nosivi ili u proizvod integrirani fleksibilni elektronički sustavi, koji se napajaju fleksibilnim punjivim baterijama (kao što su litij-ionske), koje mogu generirati promjenjive napone prema stanju napunjenosti. Ako opterećenje (uključujući ispis i organska elektronička oprema) zahtijeva konstantan napon ili viši od izlaznog napona baterije, potreban je regulator napona. Iz tog su razloga tiskani induktori i otpornici integrirani s tradicionalnim silicijskim IC-ovima u regulator pojačanja za napajanje OLED-a konstantnim naponom. od 5 V iz baterijskog napajanja promjenjivog napona. Unutar određenog raspona struje opterećenja i ulaznog napona, učinkovitost ovog kruga premašuje 85% učinkovitosti upravljačkog kruga koji koristi induktore i otpornike za površinsku montažu. Unatoč materijalnim i geometrijskim optimizacijama, otpornički gubici u induktoru i dalje su ograničavajući čimbenik za izvedbu kruga pri visokim razinama struje (ulazna struja veća od oko 10 mA). Međutim, pri nižim strujama, gubici u induktoru su smanjeni, a ukupna izvedba ograničena je učinkovitošću IC-a. Budući da mnogi tiskani i organski uređaji zahtijevaju relativno niske struje, kao što su mali OLED-ovi korišteni u našoj demonstraciji, tiskani induktori snage mogu se smatrati prikladnima za takve primjene. Upotrebom IC-ova dizajniranih da imaju najveću učinkovitost pri nižim razinama struje, može se postići veća ukupna učinkovitost pretvarača.
U ovom radu, regulator napona izgrađen je na tradicionalnom PCB-u, fleksibilnom PCB-u i tehnologiji lemljenja komponenata za površinsku montažu, dok se tiskana komponenta proizvodi na zasebnoj podlozi. Međutim, tinte niske temperature i visoke viskoznosti koje se koriste za proizvodnju ekrana tiskani filmovi trebali bi omogućiti ispis pasivnih komponenti, kao i međusobne veze između uređaja i kontaktnih jastučića komponente za površinsku ugradnju, na bilo koju podlogu. To će, u kombinaciji s upotrebom postojećih niskotemperaturnih vodljivih ljepila za komponente za površinsku ugradnju, omogućiti cijeli sklop treba biti izgrađen na jeftinim podlogama (kao što je PET) bez potrebe za subtraktivnim procesima kao što je jetkanje PCB-a. Stoga, pasivne komponente sitotiska razvijene u ovom radu pomažu otvoriti put fleksibilnim elektroničkim sustavima koji integriraju energiju i opterećenja s visokoučinkovitom energetskom elektronikom, korištenjem jeftinih supstrata, uglavnom aditivnih procesa i minimalnog broja komponenti za površinsku montažu.
Korištenjem sitopisa Asys ASP01M i sita od nehrđajućeg čelika kojeg je dostavio Dynamesh Inc., svi slojevi pasivnih komponenti su ispisani sitotiskom na fleksibilnoj PET podlozi debljine 76 μm. Veličina mreže metalnog sloja je 400 linija po inču i 250 linija po inču za dielektrični sloj i otporni sloj. Koristite silu brisača od 55 N, brzinu ispisa od 60 mm/s, udaljenost loma od 1,5 mm i Serilor brisač tvrdoće 65 (za metal i otporne slojevi) ili 75 (za dielektrične slojeve) za sitotisak.
Vodljivi slojevi—induktori i kontakti kondenzatora i otpornika—otisnuti su DuPont 5082 ili DuPont 5064H srebrnom mikroflake tintom. Otpornik je otisnut DuPont 7082 karbonskim vodičem. Za dielektrik kondenzatora, vodljivi spoj BT-101 barij titanat dielektrik koristi se. Svaki sloj dielektrika proizvodi se pomoću ciklusa ispisa u dva prolaza (mokro-mokro) kako bi se poboljšala ujednačenost filma. Za svaku je komponentu ispitan učinak višestrukih ciklusa ispisa na performanse i varijabilnost komponente. Uzorci napravljeni s višestruki slojevi istog materijala sušeni su na 70 °C 2 minute između premazivanja. Nakon nanošenja zadnjeg sloja svakog materijala, uzorci su pečeni na 140 °C 10 minuta kako bi se osiguralo potpuno sušenje. Funkcija automatskog poravnanja sita pisač se koristi za poravnavanje sljedećih slojeva. Kontakt sa središtem induktora postiže se izrezivanjem prolazne rupe na središnjoj podlozi i tragovima ispisa šablone na stražnjoj strani supstrata s DuPont 5064H tintom. Međusobno povezivanje između opreme za ispis također koristi Dupont 5064H šablonski ispis. Kako bi se prikazale tiskane komponente i SMT komponente na fleksibilnoj tiskanoj ploči prikazanoj na slici 7, tiskane komponente spojene su pomoću vodljivog epoksida Circuit Works CW2400, a SMT komponente spojene su tradicionalnim lemljenjem.
Litij kobalt oksid (LCO) i elektrode na bazi grafita koriste se kao katoda, odnosno anoda baterije. Katodna suspenzija je mješavina 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 84 wt% grafita, 4 wt% čađe i 13 wt% PVDF. N-metil-2-pirolidon (NMP, Sigma Aldrich) koristi se za otapanje PVDF veziva i dispergiranje kaše. Mulj je homogeniziran miješanje vrtložnom mješalicom preko noći. Folija od nehrđajućeg čelika debljine 0,0005 inča i folija od nikla debljine 10 μm koriste se kao odvodnici struje za katodu i anodu. Tinta se otiskuje na odvodnik struje pomoću brisača pri brzini ispisa od 20 mm/s. Zagrijte elektrodu u pećnici na 80 °C 2 sata kako biste uklonili otapalo. Visina elektrode nakon sušenja je oko 60 μm, a na temelju težine aktivnog materijala, teoretski kapacitet je 1,65 mAh /cm2. Elektrode su izrezane na dimenzije 1,3 × 1,3 cm2 i zagrijavane u vakuumskoj pećnici na 140°C preko noći, a zatim su zapečaćene vrećicama od aluminijskog laminata u pretincu za rukavice ispunjenom dušikom. Otopina polipropilenskog temeljnog filma s anoda i katoda, a 1M LiPF6 u EC/DEC (1:1) koristi se kao elektrolit baterije.
Zeleni OLED sastoji se od poli(9,9-dioktilfluoren-ko-n-(4-butilfenil)-difenilamina) (TFB) i poli((9,9-dioktilfluoren-2,7-(2,1,3-benzotiadiazol- 4,8-diil)) (F8BT) prema postupku navedenom u Lochner et al.
Upotrijebite Dektak stylus profiler za mjerenje debljine filma. Film je izrezan kako bi se pripremio uzorak presjeka za istraživanje skenirajućom elektronskom mikroskopijom (SEM). FEI Quanta 3D pištolj za emisiju polja (FEG) SEM koristi se za karakterizaciju strukture tiskanog filma i potvrdite mjerenje debljine. SEM studija je provedena pri ubrzavajućem naponu od 20 keV i tipičnoj radnoj udaljenosti od 10 mm.
Upotrijebite digitalni multimetar za mjerenje istosmjernog otpora, napona i struje. Izmjenična impedancija induktora, kondenzatora i krugova mjeri se pomoću Agilent E4980 LCR mjerača za frekvencije ispod 1 MHz, a Agilent E5061A mrežni analizator koristi se za mjerenje frekvencija iznad 500 kHz. Tektronix TDS 5034 osciloskop za mjerenje valnog oblika regulatora napona.
Kako citirati ovaj članak: Ostfeld, AE, itd. Pasivne komponente za sitotisak za fleksibilnu energetsku elektroničku 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 Ljudski intranet: mjesto gdje se grupe susreću s ljudima. Rad objavljen na Europskoj konferenciji i izložbi dizajna, automatizacije i testiranja 2015., Grenoble, Francuska. San Jose, Kalifornija: EDA Alliance.637-640 (2015., 9. ožujka- 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011. Energetski okoliš.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC tiskani piezoelektrični uređaji za sakupljanje energije. Napredni energetski materijali.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-tiskani ravni debeli film termoelektrični generator energije.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Fleksibilna tiskana baterija visokog potencijala koja se koristi za napajanje tiskanih elektroničkih uređaja. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Najnoviji razvoj tiskanih fleksibilnih baterija: mehanički izazovi, tehnologija ispisa i budući izgledi. Energetska tehnologija.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. itd. Sustav za osjet velikih razmjera koji kombinira elektroničke uređaje velikog područja i CMOS IC-ove za strukturalni nadzor zdravlja. IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).