Вести

Ви благодариме што ја посетивте Nature. Верзијата на прелистувачот што ја користите има ограничена поддршка за CSS. За најдобро искуство, препорачуваме да користите понова верзија на прелистувачот (или да го исклучите режимот за компатибилност во Internet Explorer). Во исто време , за да обезбедиме континуирана поддршка, ќе прикажуваме страници без стилови и JavaScript.
Адитивите и процесите на печатење со ниска температура можат да интегрираат различни електронски уреди кои трошат енергија и трошат енергија на флексибилни подлоги по ниска цена. Сепак, производството на целосни електронски системи од овие уреди обично бара моќни електронски уреди за конверзија помеѓу различните работни напони на уредите.Пасивните компоненти - индуктори, кондензатори и отпорници - извршуваат функции како што се филтрирање, краткорочно складирање на енергија и мерење на напон, кои се од суштинско значење во електрониката за напојување и многу други апликации. Во овој напис, воведуваме индуктори, кондензатори, отпорници и RLC кола се испечатени на екран на флексибилни пластични подлоги и известуваат за процесот на дизајнирање за да се минимизира серискиот отпор на индукторите за да може да се користат во електронски уреди за напојување. од органски диоди што емитуваат светлина и флексибилни литиум-јонски батерии.Регулаторите на напон се користат за напојување на диодите од батеријата, демонстрирајќи го потенцијалот на печатените пасивни компоненти да ги заменат традиционалните компоненти за површинско монтирање во апликациите за DC-DC конвертори.
Во последниве години, развиена е примена на различни флексибилни уреди во електронски производи што се носат и со голема површина и Интернет на нештата1,2. Тие вклучуваат уреди за собирање енергија, како што се фотоволтаичните 3, пиезоелектричните 4 и термоелектричните 5;уреди за складирање енергија, како што се батерии 6, 7;и уреди кои трошат енергија, како што се сензорите 8, 9, 10, 11, 12 и изворите на светлина 13. Иако е постигнат голем напредок во поединечните извори на енергија и оптоварувања, комбинирањето на овие компоненти во комплетен електронски систем обично бара моќна електроника да надминете го секое несовпаѓање помеѓу однесувањето на напојувањето и барањата за оптоварување. На пример, батеријата генерира променлив напон во зависност од нејзината состојба на полнење. .Енергетската електроника користи активни компоненти (транзистори) за извршување на прекинувачки и контролни функции, како и пасивни компоненти (индуктори, кондензатори и отпорници). , кондензатор се користи за намалување на бранувањето на напонот, а мерењето на напонот потребно за контрола на повратните информации се врши со помош на делител на отпорник.
Електронските уреди за напојување кои се погодни за уреди што се носат (како што е пулсен оксиметар 9) бараат неколку волти и неколку милиампери, обично работат во опсегот на фреквенција од стотици kHz до неколку MHz и бараат неколку μH и неколку μH индуктивност и Капацитетот μF е 14, соодветно. надворешно, или дозволува сопствени кола, или затоа што потребната индуктивност и капацитивност се премногу големи за да се имплементираат во силикон.
Во споредба со традиционалната технологија на производство базирана на ПХБ, производството на електронски уреди и кола преку процесот на печатење со адитиви има многу предности во однос на едноставноста и цената. Прво, бидејќи многу компоненти на колото бараат исти материјали, како што се метали за контакти и меѓусебните врски, печатењето овозможува производство на повеќе компоненти во исто време, со релативно малку чекори на обработка и помалку извори на материјали15. 18 и 19.Покрај тоа, ниските температури што се користат при печатењето се компатибилни со флексибилни и евтини пластични подлоги, што овозможува користење на процесите на производство со голема брзина од ролна во ролна за покривање на електронски уреди 16, 20 на големи површини. За апликации што не може целосно да се реализира со печатени компоненти, развиени се хибридни методи во кои компонентите на технологијата за површинско монтирање (SMT) се поврзани со флексибилни подлоги 21, 22, 23 до печатените компоненти при ниски температури. Во овој хибриден пристап, сè уште е неопходни за замена на што е можно повеќе SMT компоненти со печатени колеги за да се добијат придобивките од дополнителните процеси и да се зголеми севкупната флексибилност на колото. компоненти, со посебен акцент на замената на гломазните SMT индуктори со рамни спирални индуктори. Меѓу различните технологии за производство на печатена електроника, печатењето на екран е особено погодно за пасивни компоненти поради неговата голема дебелина на филмот (која е неопходна за да се минимизира серискиот отпор на металните карактеристики ) и голема брзина на печатење, дури и кога се покриваат области на ниво на сантиметар Истото важи и понекогаш. Материјал 24.
Загубата на пасивните компоненти на енергетската електронска опрема мора да се минимизира, бидејќи ефикасноста на колото директно влијае на количината на енергија потребна за напојување на системот. Ова е особено предизвик за печатените индуктори составени од долги намотки, кои затоа се подложни на високи серии отпор.Затоа, иако се направени одредени напори да се минимизира отпорот 25, 26, 27, 28 на печатените намотки, сè уште постои недостаток на високоефикасни печатени пасивни компоненти за електронски уреди. До денес, многумина пријавиле печатени пасивни компонентите на флексибилни подлоги се дизајнирани да работат во резонантни кола за идентификација на радиофреквенција (РФИД) или за собирање енергија 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Другите се фокусираат на развојот на материјалот или производниот процес и покажуваат генерички компоненти 26, 32, 33, 34 кои не се оптимизирани за специфични апликации. Спротивно на тоа, електронските кола за напојување како што се регулаторите на напон често користат поголеми компоненти од типичните печатени пасивни уреди и не бараат резонанца, па затоа се потребни различни дизајни на компоненти.
Овде, го воведуваме дизајнот и оптимизацијата на намотките печатени со екран во опсегот μH за да се постигне најмал сериски отпор и високи перформанси на фреквенции поврзани со електрониката за напојување. на флексибилни пластични подлоги. Соодветноста на овие компоненти за флексибилни електронски производи најпрво беше демонстрирана во едноставно коло RLC. Печатениот индуктор и отпорник потоа се интегрираат со ИЦ за да формираат регулатор за засилување. Конечно, органска диода што емитува светлина (OLED ) и се произведува флексибилна литиум-јонска батерија, а се користи регулатор на напон за напојување на OLED од батеријата.
Со цел да се дизајнираат печатени индуктори за енергетска електроника, прво ја предвидовме индуктивноста и отпорот на еднонасочна струја на серија геометрии на индуктор врз основа на тековниот модел на листот предложен во Мохан и сор.35, и фабрикувани индуктори со различни геометрии за да се потврди точноста на моделот. Во оваа работа, за индукторот беше избрана кружна форма бидејќи повисока индуктивност 36 може да се постигне со помал отпор во споредба со полигоналната геометрија. Влијанието на мастилото видот и бројот на циклуси на печатење на отпорот се одредуваат. Овие резултати потоа беа искористени со моделот на амперметар за да се дизајнираат индуктори од 4,7 μH и 7,8 μH оптимизирани за минимален отпор DC.
Индуктивноста и DC отпорот на спиралните индуктори може да се опишат со неколку параметри: надворешен дијаметар do, ширина на вртење w и растојание s, број на вртења n и отпорност на спроводниот лист Rsheet. со n = 12, прикажувајќи ги геометриските параметри кои ја одредуваат неговата индуктивност.Според амперметарскиот модел на Mohan et al.35, индуктивноста се пресметува за серија геометрии на индукторот, каде што
(а) Фотографија на индукторот отпечатен на екран на кој се прикажани геометриските параметри. Дијаметарот е 3 cm. Индуктивност (б) и DC отпор (в) на различни геометрии на индукторот. Линиите и ознаките одговараат на пресметаните и измерените вредности, соодветно. (г, д) DC отпорите на индукторите L1 и L2 се испечатени со Dupont 5028 и 5064H сребрени мастила, соодветно.
При високи фреквенции, ефектот на кожата и паразитската капацитивност ќе ја променат отпорноста и индуктивноста на индукторот во согласност со неговата DC вредност. Се очекува индукторот да работи на доволно ниска фреквенција што овие ефекти се занемарливи, а уредот се однесува како постојана индуктивност со постојан отпор во серија. Затоа, во оваа работа, ја анализиравме врската помеѓу геометриските параметри, индуктивноста и отпорот на еднонасочна струја и ги искористивме резултатите за да добиеме дадена индуктивност со најмал DC отпор.
Индуктивноста и отпорот се пресметуваат за низа геометриски параметри кои може да се реализираат со печатење на екран и се очекува да се генерира индуктивност во опсегот μH. Надворешните дијаметри од 3 и 5 cm, ширината на линиите од 500 и 1000 микрони , и се споредуваат различни вртења. Во пресметката, се претпоставува дека отпорот на листот е 47 mΩ/□, што одговара на сребрениот проводен слој на микрофлејк Dupont 5028 со дебелина од 7 μm, испечатен со екран од 400 mesh и поставеност w = s. пресметаните вредности на индуктивност и отпор се прикажани на Слика 1б и в, соодветно. Моделот предвидува дека и индуктивноста и отпорот се зголемуваат како што се зголемува надворешниот дијаметар и бројот на вртења, или како што се намалува ширината на линијата.
Со цел да се процени точноста на предвидувањата на моделот, на подлогата од полиетилен терефталат (ПЕТ) беа произведени индуктори со различни геометрии и индуктивности. Измерените вредности на индуктивност и отпор се прикажани на слика 1б и в. очекуваната вредност, главно поради промените во дебелината и униформноста на депонираното мастило, индуктивноста покажа многу добра согласност со моделот.
Овие резултати може да се користат за дизајнирање на индуктивност со потребната индуктивност и минимална отпорност на DC. На пример, да претпоставиме дека е потребна индуктивност од 2 μH. Слика 1б покажува дека оваа индуктивност може да се реализира со надворешен дијаметар од 3 cm, ширина на линијата од 500 μm и 10 вртења. Истата индуктивност може да се генерира и користејќи 5 cm надворешен дијаметар, 500 μm ширина на линијата и 5 вртења или 1000 μm ширина на линијата и 7 вртења (како што е прикажано на сликата). Споредување на отпорите на овие три можни геометрии на Слика 1в, може да се открие дека најмалиот отпор на индуктор од 5 cm со ширина на линија од 1000 μm е 34 Ω, што е околу 40% пониско од другите две. Општиот процес на дизајнирање за да се постигне дадена индуктивност со минимален отпор се сумира на следниов начин: Прво, изберете го максимално дозволениот надворешен дијаметар според ограничувањата на просторот наметнати од апликацијата. Потоа, ширината на линијата треба да биде што е можно поголема додека сепак ќе се постигне потребната индуктивност за да се добие висока стапка на полнење (Равенка (3)).
Со зголемување на дебелината или користење на материјал со поголема спроводливост за да се намали отпорноста на лимот на металниот филм, отпорот на еднонасочна струја може дополнително да се намали без да влијае на индуктивноста. Два индуктори, чии геометриски параметри се дадени во Табела 1, наречени L1 и L2. се произведуваат со различен број на облоги за да се оцени промената на отпорот. Како што се зголемува бројот на премази со мастило, отпорот се намалува пропорционално како што се очекуваше, како што е прикажано на сликите 1d и e, кои се индуктори L1 и L2, соодветно. Слика 1d и e покажете дека со нанесување на 6 слоја облога, отпорот може да се намали до 6 пати, а максималното намалување на отпорноста (50-65%) се јавува помеѓу слојот 1 и слојот 2. Бидејќи секој слој мастило е релативно тенок, екран со релативно мала големина на мрежа (400 линии по инч) се користи за печатење на овие индуктори, што ни овозможува да го проучуваме ефектот на дебелината на проводникот врз отпорот. Се додека карактеристиките на шаблонот останат поголеми од минималната резолуција на решетката, слична дебелина (и отпор) може да се постигне побрзо со печатење на помал број на премази со поголема големина на решетка.
Сликите 1d и e исто така покажуваат дека со користење на попроводното мастило со сребрена снегулка DuPont 5064H, отпорот се намалува за фактор два. Од SEM микрографите на филмовите испечатени со двете мастила (Слика 1f, g), може да се се гледа дека помалата спроводливост на мастилото 5028 се должи на нејзината помала големина на честички и присуството на многу празнини помеѓу честичките во печатениот филм. Од друга страна, 5064H има поголеми, поблиску наредени снегулки, што го прави да се однесува поблиску до најголемиот дел сребрена боја.
Конечно, иако индуктивноста (равенката (1)) зависи од бројот на вртења (w + s), отпорот (равенката (5)) зависи само од ширината на линијата w. Затоа, со зголемување на w во однос на s, отпорот може дополнително да се намалат. Двата дополнителни индуктори L3 и L4 се дизајнирани да имаат w = 2s и голем надворешен дијаметар, како што е прикажано во Табела 1. Овие индуктори се произведени со 6 слоја DuPont 5064H слој, како што е прикажано претходно, за да се обезбеди највисоки перформанси. Индуктивноста на L3 е 4,720 ± 0,002 μH и отпорот е 4,9 ± 0,1 Ω, додека индуктивноста на L4 е 7,839 ± 0,005 μH и 6,9 ± 0,1 Ω, кои се во добра согласност со предвидувањето на моделот. зголемување на дебелината, спроводливоста и w/s, тоа значи дека односот L/R се зголемил за повеќе од редот на големина во однос на вредноста на Слика 1.
Иако нискиот DC отпор е ветувачки, оценувањето на соодветноста на индукторите за енергетска електронска опрема што работи во опсегот kHz-MHz бара карактеризација на фреквенции со наизменична струја. Слика 2а ја покажува зависноста од фреквенцијата на отпорот и реактансата на L3 и L4. За фреквенции под 10 MHz , отпорот останува грубо константен на неговата DC вредност, додека реактансата се зголемува линеарно со фреквенцијата, што значи дека индуктивноста е константна како што се очекуваше. L3 е 35,6 ± 0,3 MHz и L4 е 24,3 ± 0,6 MHz. Зависноста од фреквенцијата на факторот за квалитет Q (еднаква на ωL/R) е прикажана на слика 2б. L3 и L4 постигнуваат максимални фактори на квалитет од 35 ± 1 и 33 ± 1 на фреквенции од 11 и 16 MHz, соодветно. Индуктивноста од неколку μH и релативно високиот Q на фреквенциите на MHz ги прават овие индуктори доволни да ги заменат традиционалните индуктори за површинска монтирање во DC-DC конвертори со мала моќност.
Измерениот отпор R и реактансата X (а) и факторот на квалитет Q (б) на индукторите L3 и L4 се поврзани со фреквенцијата.
Со цел да се минимизира отпечатокот потребен за дадена капацитивност, најдобро е да се користи технологија на кондензатор со голема специфична капацитивност, која е еднаква на диелектричната константа ε поделена со дебелината на диелектрикот. Во оваа работа, го избравме композитот на бариум титанат како диелектрик бидејќи има повисок ипсилон од другите органски диелектрици обработени со раствор. , се произведени со употреба на два или три слоја диелектрично мастило за да се одржи добар принос. Слика 3б покажува SEM микрографија со пресек на репрезентативен кондензатор направен со два слоја диелектрик, со вкупна дебелина на диелектрик од 21 μm. Горните и долните електроди се еднослојни и шестслојни 5064H соодветно. Честичките на бариум титанат со микронска големина се видливи на сликата SEM бидејќи посветлите области се опкружени со потемното органско врзивно средство. Диелектричното мастило добро ја навлажнува долната електрода и формира јасен интерфејс со печатен метален филм, како што е прикажано на илустрацијата со поголемо зголемување.
(а) Фотографија на кондензатор со пет различни области. (б) СЕМ микрографија на пресек на кондензатор со два слоја диелектрик, на која се прикажани бариум титанат диелектрични и сребрени електроди. (в) Капацитети на кондензатори со 2 и 3 бариум титанат диелектрични слоеви и различни области, измерени на 1 MHz.(г) Односот помеѓу капацитетот, ESR и факторот на загуба на кондензатор од 2,25 cm2 со 2 слоја диелектрични облоги и фреквенцијата.
Капацитетот е пропорционален на очекуваната површина.Како што е прикажано на слика 3в, специфичната капацитивност на двослојниот диелектрик е 0,53 nF/cm2, а специфичната капацитивност на трислојниот диелектрик е 0,33 nF/cm2. Овие вредности одговараат на диелектрична константа од 13. капацитетот и факторот на дисипација (DF) исто така беа измерени на различни фреквенции, како што е прикажано на Слика 3г, за кондензатор од 2,25 cm2 со два слоја диелектрик. Откривме дека капацитетот е релативно рамен во опсегот на фреквенција на интерес, зголемувајќи се за 20% од 1 до 10 MHz, додека во истиот опсег, DF се зголеми од 0,013 на 0,023. Бидејќи факторот на дисипација е односот на загубата на енергија до енергијата складирана во секој циклус на наизменична струја, DF од 0,02 значи дека 2% од управуваната моќност од страна на кондензаторот се троши. Оваа загуба обично се изразува како еквивалентен сериски отпор зависен од фреквенцијата (ESR) поврзан во серија со кондензаторот, кој е еднаков на DF/ωC. Како што е прикажано на слика 3d, за фреквенции поголеми од 1 MHz, ESR е помал од 1,5 Ω, а за фреквенции поголеми од 4 MHz, ESR е помал од 0,5 Ω. nF опсегот на капацитивност и малата загуба на овие кондензатори ги прави погодни за други апликации, како што се филтри и резонантни кола. Може да се користат различни методи за зголемување на капацитетот. Повисоката диелектрична константа ја зголемува специфичната капацитивност 37;на пример, ова може да се постигне со зголемување на концентрацијата на честичките на бариум титанат во мастилото. Може да се користи помала дебелина на диелектрикот, иако за ова е потребна долна електрода со помала грубост од сребрена лушпа испечатена на екран. Потенки кондензатор со помала грубост слоевите може да се депонираат со инк-џет печатење 31 или печатење со гравира 10, што може да се комбинира со процес на печатење на сито. .
Делител на напон составен од пар отпорници обично се користи за да се изврши мерење на напон потребно за контрола на повратни информации на регулатор на напон. За овој тип на примена, отпорот на отпечатениот отпорник треба да биде во опсегот kΩ-MΩ, а разликата помеѓу уредите се мали. Овде, беше откриено дека отпорноста на листот на еднослојното јаглеродно мастило испечатено на екран е 900 Ω/□. Оваа информација се користи за дизајнирање на два линеарни отпорници (R1 и R2) и серпентински отпорник (R3 ) со номинални отпори од 10 kΩ, 100 kΩ и 1,5 MΩ. Отпорот помеѓу номиналните вредности се постигнува со печатење на два или три слоја мастило, како што е прикажано на слика 4, и фотографии од трите отпори. Направете 8- 12 примероци од секој тип;во сите случаи, стандардното отстапување на отпорот е 10% или помалку. Промената на отпорот на примероците со два или три слоја облога има тенденција да биде малку помала од онаа на примероците со еден слој облога. Малата промена во измерениот отпор а блиската согласност со номиналната вредност укажува дека другите отпори во овој опсег може директно да се добијат со модифицирање на геометријата на отпорникот.
Три различни геометрии на отпорници со различен број на облоги со мастило отпорни на јаглерод. Фотографиите од трите отпорници се прикажани на десната страна.
RLC кола се класични учебнички примери за комбинации на отпорници, индуктори и кондензатори кои се користат за демонстрирање и потврдување на однесувањето на пасивните компоненти интегрирани во вистински печатени кола. Во ова коло, индуктор од 8 μH и кондензатор од 0,8 nF се поврзани во серија, а Паралелно со нив е поврзан отпорник од 25 kΩ. Фотографијата на флексибилното коло е прикажана на слика 5а. Причината за изборот на оваа специјална сериско-паралелна комбинација е тоа што неговото однесување е определено од секоја од трите различни фреквентни компоненти, така што перформансите на секоја компонента може да се истакнат и оценат. Имајќи го предвид отпорот на серијата 7 Ω на индукторот и 1,3 Ω ESR на кондензаторот, беше пресметан очекуваниот фреквентен одговор на колото. Дијаграмот на колото е прикажан на слика 5б, а пресметаниот Амплитудата и фазата на импедансата и измерените вредности се прикажани на сликите 5в и г. При ниски фреквенции, високата импеданса на кондензаторот значи дека однесувањето на колото се одредува со отпорникот од 25 kΩ. Како што се зголемува фреквенцијата, импедансата на патеката LC се намалува;целото однесување на колото е капацитивно додека резонантната фреквенција не е 2,0 MHz. Над резонантната фреквенција доминира индуктивната импеданса. Слика 5 јасно ја покажува одличната согласност помеѓу пресметаните и измерените вредности низ целиот фреквентен опсег. Тоа значи дека користениот модел овде (каде што индукторите и кондензаторите се идеални компоненти со сериски отпор) е точен за предвидување на однесувањето на колото на овие фреквенции.
(а) Фотографија од коло RLC испечатено на екран што користи сериска комбинација на индуктор од 8 μH и кондензатор од 0,8 nF паралелно со отпорник од 25 kΩ. (б) Модел на коло вклучувајќи сериски отпор на индуктор и кондензатор. (c ,г) Амплитудата на импедансата (в) и фазата (г) на колото.
Конечно, печатените индуктори и отпорници се имплементирани во регулаторот за засилување. ИЦ што се користи во оваа демонстрација е Microchip MCP1640B14, кој е синхронизиран регулатор за засилување базиран на PWM со работна фреквенција од 500 kHz. Дијаграмот на колото е прикажан на Слика 6a.A Индуктор од 4,7 μH и два кондензатори (4,7 μF и 10 μF) се користат како елементи за складирање енергија, а пар отпорници се користат за мерење на излезниот напон на контролата за повратни информации. Изберете ја вредноста на отпорот за да го прилагодите излезниот напон на 5 V. Колото е произведено на ПХБ, а неговите перформанси се мерат во рамките на отпорот на оптоварување и опсегот на влезниот напон од 3 до 4 V за да се симулира литиум-јонската батерија во различни состојби на полнење. Ефикасноста на печатените индуктори и отпорници се споредува со ефикасност на SMT индукторите и отпорниците.SMT кондензаторите се користат во сите случаи бидејќи капацитетот потребен за оваа апликација е преголем за да се комплетира со печатени кондензатори.
(а) Дијаграм на колото за стабилизирање на напонот. (b–d) (б) Vout, (в) Vsw и (г) Бранови форми на струја што тече во индукторот, влезниот напон е 4,0 V, отпорот на оптоварување е 1 kΩ, а за мерење се користи печатениот индуктор. За ова мерење се користат отпорници и кондензатори за површинска монтирање. ) Односот на ефикасност на површинскиот монтирање и печатеното коло прикажан во (д).
За влезен напон од 4,0 V и отпорност на оптоварување од 1000 Ω, брановите форми измерени со печатени индуктори се прикажани на Слика 6б-г. Слика 6в го прикажува напонот на Vsw терминалот на ИЦ;напонот на индукторот е Vin-Vsw. Слика 6d ја прикажува струјата што се влева во индукторот. Ефикасноста на колото со SMT и печатените компоненти е прикажана на слика 6e како функција на влезниот напон и отпорноста на оптоварување, а на сликата 6f е прикажан односот на ефикасноста на печатените компоненти на SMT компонентите. Ефикасноста измерена со користење на SMT компоненти е слична на очекуваната вредност дадена во листот со податоци на производителот 14. При висока влезна струја (ниска отпорност на оптоварување и низок влезен напон), ефикасноста на печатените индуктори е значително помала од онаа на SMT индукторите поради повисокиот сериски отпор. Меѓутоа, со поголем влезен напон и поголема излезна струја, губењето на отпорот станува помалку важно, а перформансите на печатените индуктори почнуваат да се приближуваат до оние на SMT индукторите. За отпори на оптоварување >500 Ω и Vin = 4,0 V или >750 Ω и Vin = 3,5 V, ефикасноста на печатените индуктори е поголема од 85% од SMT индукторите.
Споредувањето на тековната бранова форма на Слика 6г со измерената загуба на моќност покажува дека загубата на отпор во индукторот е главната причина за разликата во ефикасноста помеѓу печатеното коло и колото SMT, како што се очекуваше. Влезната и излезната моќност измерени на 4,0 V влезниот напон и отпорноста на оптоварување од 1000 Ω се 30,4 mW и 25,8 mW за кола со SMT компоненти и 33,1 mW и 25,2 mW за кола со печатени компоненти. Затоа, загубата на печатеното коло е 7,9 mW, што е за 3,4 mW поголема од коло со SMT компоненти.Струјата на индукторот RMS пресметана од брановата форма на слика 6г е 25,6 mA.Бидејќи неговиот сериски отпор е 4,9 Ω, очекуваната загуба на моќност е 3,2 mW. Ова е 96% од измерената разлика во моќноста од 3,4 mW. меѓу нив не е забележана значајна разлика во ефикасноста.
Потоа, регулаторот на напон е фабрикуван на флексибилната ПХБ (печатењето на колото и перформансите на SMT компонентата се прикажани на дополнителната слика S1) и се поврзува помеѓу флексибилната литиум-јонска батерија како извор на енергија и OLED низата како оптоварување.Според Лохнер и сор.9. капацитетот на батеријата е 16 mAh, а напонот за време на тестот е 4,0 V. Слика 7 покажува фотографија од колото на флексибилната ПХБ, која напојува три OLED пиксели поврзани паралелно. Демонстрацијата го покажа потенцијалот на печатените компоненти за напојување да се интегрираат со други флексибилни и органски уреди за формирање на посложени електронски системи.
Фотографија од колото за регулатор на напон на флексибилна ПХБ со печатени индуктори и отпорници, со користење на флексибилни литиум-јонски батерии за напојување на три органски LED диоди.
Прикажавме намотки, кондензатори и отпорници испечатени на екран со низа вредности на флексибилни ПЕТ подлоги, со цел да ги замениме компонентите за површинско монтирање во енергетската електронска опрема. Покажавме дека со дизајнирање спирала со голем дијаметар, брзина на полнење , и сооднос ширина-широчина на линијата и со користење на дебел слој мастило со низок отпор. Овие компоненти се интегрирани во целосно печатено и флексибилно RLC коло и покажуваат предвидливо електрично однесување во опсегот на фреквенции kHz-MHz, што е најголемо интерес за енергетската електроника.
Вообичаени случаи за употреба за електронски уреди со печатена моќност се флексибилни електронски системи што се носат или интегрирани во производ, напојувани од флексибилни батерии за полнење (како литиум-јонски), кои можат да генерираат променливи напони според состојбата на полнење. Ако оптоварувањето (вклучувајќи печатење и органска електронска опрема) бара постојан напон или повисок од излезниот напон од батеријата, потребен е регулатор на напон. Поради оваа причина, печатените индуктори и отпорници се интегрирани со традиционалните силиконски IC во регулатор за засилување за да го напојуваат OLED со постојан напон од 5 V од напојување со батерија со променлив напон. Во одреден опсег на струја на оптоварување и влезен напон, ефикасноста на ова коло надминува 85% од ефикасноста на контролното коло што користи индуктори и отпорници за површинско монтирање. И покрај материјалните и геометриските оптимизации, отпорните загуби во индукторот сè уште се ограничувачки фактор за перформансите на колото при високи нивоа на струја (влезна струја поголема од околу 10 mA). Меѓутоа, при помали струи, загубите во индукторот се намалуваат, а севкупните перформанси се ограничени од ефикасноста на IC.Бидејќи многу печатени и органски уреди бараат релативно ниски струи, како што се малите OLED-и што се користат во нашата демонстрација, печатените индуктори за напојување може да се сметаат за соодветни за такви апликации. може да се постигне поголема вкупна ефикасност на конверторот.
Во оваа работа, регулаторот на напон е изграден на традиционалната ПХБ, флексибилна ПХБ и технологија за лемење на компонентата за површинска монтажа, додека печатената компонента се произведува на посебна подлога. Сепак, мастилата со ниска температура и висок вискозитет се користат за производство на екран- печатените филмови треба да овозможат пасивните компоненти, како и меѓусебното поврзување помеѓу уредот и контактните влошки за компонентата за површинско монтирање, да се печатат на која било подлога. целото коло да биде изградено на евтини подлоги (како PET) без потреба од процеси на одземање, како што е офорт на ПХБ. Затоа, пасивните компоненти испечатени на екранот развиени во оваа работа помагаат да се отвори патот за флексибилни електронски системи кои интегрираат енергија и оптоварување со моќна електроника со високи перформанси, со користење на евтини подлоги, главно процеси со адитиви и минимален број на компоненти за површинско монтирање.
Користејќи печатач за екран Asys ASP01M и екран од не'рѓосувачки челик обезбеден од Dynamesh Inc., сите слоеви на пасивни компоненти беа испечатени на екран на флексибилна ПЕТ подлога со дебелина од 76 μm. Големината на мрежата на металниот слој е 400 линии на инч и 250 линии по инч за диелектричниот слој и слојот отпор.Користете гумена сила од 55 N, брзина на печатење од 60 mm/s, растојание на кинење од 1,5 mm и Serilor гумен со цврстина од 65 (за метал и отпорен слоеви) или 75 (за диелектрични слоеви) за печатење на екран.
Проводните слоеви - индукторите и контактите на кондензаторите и отпорниците - се печатат со DuPont 5082 или DuPont 5064H сребрено мастило за микрофлејк. Отпорникот е испечатен со DuPont 7082 јаглероден проводник. се користи.Секој слој на диелектрик се произведува со користење на циклус на печатење со две премини (влажно-влажно) за да се подобри униформноста на филмот. повеќе премази од истиот материјал се сушеа на 70 °C 2 минути помеѓу облогите. По нанесувањето на последниот слој од секој материјал, примероците се печеа на 140 °C 10 минути за да се обезбеди целосно сушење. Функцијата за автоматско порамнување на екранот печатачот се користи за порамнување на следните слоеви. Контактот со центарот на индукторот се постигнува со сечење на дупка на централната подлога и траги за печатење матрици на задниот дел од подлогата со мастило DuPont 5064H. Меѓусебната врска помеѓу опремата за печатење исто така користи Dupont Печатење со матрици 5064H. За да се прикажат печатените компоненти и SMT компонентите на флексибилната ПХБ прикажана на слика 7, печатените компоненти се поврзани со проводен епоксид на Circuit Works CW2400, а SMT компонентите се поврзани со традиционално лемење.
Литиум кобалт оксид (LCO) и електроди базирани на графит се користат како катода и анода на батеријата, соодветно. Катодната кашеста маса е мешавина од 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% графит (KS6, Timcal), 2,5 % саѓи (Super P, Timcal) и 10% поливинилиден флуорид (PVDF, Kureha Corp.).) Анодата е мешавина од 84 wt% графит, 4 wt% саѓи и 13 wt% PVDF. мешање со вител миксер преку ноќ. Фолијата од не'рѓосувачки челик со дебелина од 0,0005 инчи и фолија од никел од 10 μm се користат како струјни колектори за катодата и анодата, соодветно. Мастилото се печати на тековниот колектор со гума со брзина на печатење од 20 mm/s. Загрејте ја електродата во рерна на 80 °C 2 часа за да го отстраните растворувачот. Висината на електродата по сушењето е околу 60 μm, а врз основа на тежината на активниот материјал, теоретскиот капацитет е 1,65 mAh /cm2. Електродите се исечени на димензии 1,3 × 1,3 cm2 и се загреваат во вакуумска рерна на 140°C преку ноќ, а потоа се затвораат со алуминиумски ламинатни кеси во кутија за ракавици исполнета со азот. Раствор од полипропиленска основна фолија со анода и катода и 1M LiPF6 во EC/DEC (1:1) се користи како електролит на батеријата.
Зелениот OLED се состои од поли(9,9-диоктилфлуорен-ко-n-(4-бутилфенил)-дифениламин) (TFB) и поли((9,9-диоктилфлуорен-2,7- (2,1,3-бензотиадиазол- 4, 8-диил)) (F8BT) според постапката наведена во Lochner et al. 9.
Користете го профилерот на игла Dektak за мерење на дебелината на филмот. Филмот беше исечен за да се подготви примерок со попречен пресек за истражување со скенирање на електронска микроскопија (SEM). филм и потврдете го мерењето на дебелината.Студијата за SEM беше спроведена на забрзувачки напон од 20 keV и типично работно растојание од 10 mm.
Користете дигитален мултиметар за мерење DC отпор, напон и струја. AC импедансата на индукторите, кондензаторите и кола се мерат со помош на Agilent E4980 LCR метар за фреквенции под 1 MHz и Agilent E5061A мрежниот анализатор се користи за мерење фреквенции над 500 kH. Осцилоскоп Tektronix TDS 5034 за мерење на брановата форма на регулаторот на напонот.
Како да се цитира овој напис: Ostfeld, AE, итн. Печатење на пасивни компоненти за флексибилна моќна електронска опрема.наука.Реп.5, 15959;doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al. Флексибилна електроника: следната сеприсутна платформа. Процес IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: A место каде што групите се среќаваат со луѓето. Труд објавен на Европската конференција и изложба за дизајн, автоматизација и тестирање во 2015 година, Гренобл, Франција. Сан Хозе, Калифорнија: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 март- 13).
Krebs, FC etc.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011. Енергетска средина.наука.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC печатени уреди за собирање пиезоелектрична енергија.Напредни енергетски материјали.4.1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW.Микромеханика Микроинженеринг 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Флексибилна печатена батерија со висок потенцијал што се користи за напојување на печатени електронски уреди. App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Најновите случувања во печатените флексибилни батерии: механички предизвици, технологија за печатење и идни перспективи. Енергетска технологија.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. итн. Систем за сензори од големи размери кој комбинира електронски уреди со голема површина и CMOS IC за структурно следење на здравјето.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).