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Durch Additive und Niedertemperatur-Druckverfahren können verschiedene stromverbrauchende und stromverbrauchende elektronische Geräte kostengünstig auf flexiblen Substraten integriert werden. Die Herstellung kompletter elektronischer Systeme aus diesen Geräten erfordert jedoch in der Regel die Umstellung leistungselektronischer Geräte zwischen den verschiedenen Betriebsspannungen von Die Geräte. Passive Komponenten – Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände – übernehmen Funktionen wie Filterung, kurzfristige Energiespeicherung und Spannungsmessung, die in der Leistungselektronik und vielen anderen Anwendungen unerlässlich sind. In diesem Artikel stellen wir Induktivitäten, Kondensatoren, Widerstände und RLC-Schaltkreise, die im Siebdruckverfahren auf flexible Kunststoffsubstrate gedruckt werden, und berichten über den Designprozess zur Minimierung des Serienwiderstands von Induktivitäten, damit sie in leistungselektronischen Geräten verwendet werden können. Der gedruckte Induktor und der Widerstand werden dann in die Boost-Reglerschaltung integriert. Herstellung aus organischen Leuchtdioden und flexiblen Lithium-Ionen-Batterien.Spannungsregler werden verwendet, um die Dioden über die Batterie mit Strom zu versorgen. Dies zeigt das Potenzial gedruckter passiver Komponenten, herkömmliche oberflächenmontierte Komponenten in DC-DC-Wandleranwendungen zu ersetzen.
In den letzten Jahren wurde die Anwendung verschiedener flexibler Geräte in tragbaren und großflächigen elektronischen Produkten sowie im Internet der Dinge1,2 entwickelt. Dazu gehören Energiegewinnungsgeräte wie Photovoltaik 3, Piezoelektrik 4 und Thermoelektrik 5;Energiespeicher wie Batterien 6, 7;und stromverbrauchende Geräte wie Sensoren 8, 9, 10, 11, 12 und Lichtquellen 13. Obwohl bei einzelnen Energiequellen und Lasten große Fortschritte erzielt wurden, erfordert die Kombination dieser Komponenten zu einem vollständigen elektronischen System normalerweise Leistungselektronik Überwinden Sie jegliche Diskrepanz zwischen dem Verhalten der Stromversorgung und den Lastanforderungen. Beispielsweise erzeugt eine Batterie je nach Ladezustand eine variable Spannung. Wenn die Last eine konstante Spannung oder eine höhere Spannung als die Spannung benötigt, die die Batterie erzeugen kann, ist Leistungselektronik erforderlich .Leistungselektronik verwendet aktive Komponenten (Transistoren) zur Ausführung von Schalt- und Steuerfunktionen sowie passive Komponenten (Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände). Beispielsweise wird in einer Schaltreglerschaltung eine Induktivität verwendet, um während jedes Schaltzyklus Energie zu speichern Zur Reduzierung der Spannungswelligkeit wird ein Kondensator verwendet und die für die Rückkopplungsregelung erforderliche Spannungsmessung erfolgt über einen Widerstandsteiler.
Leistungselektronische Geräte, die für tragbare Geräte geeignet sind (z. B. Pulsoximeter 9), benötigen mehrere Volt und mehrere Milliampere, arbeiten normalerweise im Frequenzbereich von Hunderten von kHz bis mehreren MHz und erfordern mehrere μH und mehrere μH Induktivität und Die Kapazität beträgt μF 14 bzw. 14. Die traditionelle Methode zur Herstellung dieser Schaltkreise besteht darin, diskrete Komponenten auf eine starre Leiterplatte (PCB) zu löten. Obwohl die aktiven Komponenten leistungselektronischer Schaltkreise normalerweise in einem einzigen integrierten Siliziumschaltkreis (IC) zusammengefasst sind, sind dies normalerweise passive Komponenten extern, was entweder kundenspezifische Schaltungen ermöglicht oder weil die erforderliche Induktivität und Kapazität zu groß sind, um in Silizium implementiert zu werden.
Im Vergleich zur herkömmlichen PCB-basierten Fertigungstechnologie bietet die Herstellung elektronischer Geräte und Schaltkreise durch das additive Druckverfahren viele Vorteile in Bezug auf Einfachheit und Kosten. Erstens, da für viele Komponenten des Schaltkreises dieselben Materialien erforderlich sind, beispielsweise Metalle für Kontakte und Verbindungen ermöglicht das Drucken die gleichzeitige Herstellung mehrerer Komponenten mit relativ wenigen Verarbeitungsschritten und weniger Materialquellen15. Der Einsatz additiver Prozesse als Ersatz für subtraktive Prozesse wie Fotolithographie und Ätzen reduziert die Prozesskomplexität und Materialverschwendung weiter16, 17. 18 und 19. Darüber hinaus sind die beim Drucken verwendeten niedrigen Temperaturen mit flexiblen und kostengünstigen Kunststoffsubstraten kompatibel, was den Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Rolle-zu-Rolle-Fertigungsprozessen ermöglicht, um elektronische Geräte 16, 20 großflächig abzudecken. Für Anwendungen Da dies mit gedruckten Bauteilen nicht vollständig realisierbar ist, wurden Hybridverfahren entwickelt, bei denen Bauteile in der Oberflächenmontagetechnik (SMT) bei niedrigen Temperaturen mit flexiblen Substraten 21, 22, 23 neben den gedruckten Bauteilen verbunden werden. Bei diesem Hybridansatz ist dies jedoch noch nicht der Fall Es ist notwendig, möglichst viele SMT-Komponenten durch gedruckte Gegenstücke zu ersetzen, um die Vorteile zusätzlicher Prozesse zu nutzen und die Gesamtflexibilität der Schaltung zu erhöhen. Um eine flexible Leistungselektronik zu realisieren, haben wir eine Kombination aus aktiven SMT-Komponenten und passiven Siebdruckkomponenten vorgeschlagen Komponenten, wobei der Schwerpunkt auf dem Ersetzen sperriger SMT-Induktoren durch planare Spiralinduktoren liegt. Unter den verschiedenen Technologien zur Herstellung gedruckter Elektronik eignet sich der Siebdruck aufgrund seiner großen Filmdicke (die zur Minimierung des Serienwiderstands von Metallelementen erforderlich ist) besonders für passive Komponenten ) und hohe Druckgeschwindigkeit, auch bei zentimetergenauen Flächen. Das Gleiche gilt zeitweise auch.Material 24.
Der Verlust passiver Komponenten leistungselektronischer Geräte muss minimiert werden, da sich der Wirkungsgrad der Schaltung direkt auf die zur Stromversorgung des Systems erforderliche Energiemenge auswirkt. Dies stellt eine besondere Herausforderung für gedruckte Induktoren dar, die aus langen Spulen bestehen und daher anfällig für hohe Serien sind Widerstand. Obwohl einige Anstrengungen unternommen wurden, um den Widerstand 25, 26, 27, 28 der gedruckten Spulen zu minimieren, besteht immer noch ein Mangel an hocheffizienten gedruckten passiven Komponenten für leistungselektronische Geräte. Bisher haben viele von gedruckten passiven Komponenten berichtet Komponenten auf flexiblen Substraten sind für den Betrieb in Resonanzkreisen zur Radiofrequenzidentifikation (RFID) oder zur Energiegewinnung konzipiert 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Andere konzentrieren sich auf die Entwicklung von Materialien oder Fertigungsprozessen und zeigen generische Komponenten 26, 32, 33, 34, die nicht für bestimmte Anwendungen optimiert sind. Im Gegensatz dazu verwenden leistungselektronische Schaltkreise wie Spannungsregler häufig größere Komponenten als typische gedruckte passive Geräte und erfordern keine Resonanz, sodass unterschiedliche Komponentendesigns erforderlich sind.
Hier stellen wir das Design und die Optimierung von Siebdruck-Induktivitäten im μH-Bereich vor, um den kleinsten Serienwiderstand und eine hohe Leistung bei Frequenzen im Zusammenhang mit der Leistungselektronik zu erreichen. Es werden Siebdruck-Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände mit verschiedenen Komponentenwerten hergestellt auf flexiblen Kunststoffsubstraten. Die Eignung dieser Komponenten für flexible elektronische Produkte wurde zunächst in einer einfachen RLC-Schaltung demonstriert. Die gedruckte Induktivität und der Widerstand werden dann mit dem IC integriert, um einen Boost-Regler zu bilden. Schließlich wurde eine organische Leuchtdiode (OLED) entwickelt ) und eine flexible Lithium-Ionen-Batterie hergestellt, wobei ein Spannungsregler verwendet wird, um die OLED aus der Batterie mit Strom zu versorgen.
Um gedruckte Induktoren für die Leistungselektronik zu entwerfen, haben wir zunächst die Induktivität und den Gleichstromwiderstand einer Reihe von Induktorgeometrien basierend auf dem aktuellen Blattmodell von Mohan et al. vorhergesagt.35 und stellte Induktoren unterschiedlicher Geometrie her, um die Genauigkeit des Modells zu bestätigen. In dieser Arbeit wurde eine kreisförmige Form für den Induktor gewählt, da im Vergleich zu einer polygonalen Geometrie eine höhere Induktivität 36 mit einem geringeren Widerstand erreicht werden kann. Der Einfluss von Tinte Typ und Anzahl der Druckzyklen auf dem Widerstand werden bestimmt. Diese Ergebnisse wurden dann mit dem Amperemeter-Modell verwendet, um 4,7 μH- und 7,8 μH-Induktoren zu entwerfen, die für minimalen Gleichstromwiderstand optimiert sind.
Die Induktivität und der Gleichstromwiderstand von Spiralinduktoren können durch mehrere Parameter beschrieben werden: Außendurchmesser do, Windungsbreite w und -abstand s, Anzahl der Windungen n und Leiterschichtwiderstand Rsheet. Abbildung 1a zeigt ein Foto eines siebgedruckten kreisförmigen Induktors mit n = 12, zeigt die geometrischen Parameter, die seine Induktivität bestimmen. Nach dem Amperemeter-Modell von Mohan et al.35 wird die Induktivität für eine Reihe von Induktorgeometrien berechnet, wobei
(a) Ein Foto des siebgedruckten Induktors mit den geometrischen Parametern. Der Durchmesser beträgt 3 cm. Induktivität (b) und Gleichstromwiderstand (c) verschiedener Induktorgeometrien. Die Linien und Markierungen entsprechen berechneten bzw. gemessenen Werten. (d, e) Die Gleichstromwiderstände der Induktoren L1 und L2 wurden mit Dupont 5028 bzw. 5064H Silbertinten im Siebdruckverfahren hergestellt. (f, g) REM-Aufnahmen der mit Dupont 5028 bzw. 5064H im Siebdruckverfahren hergestellten Filme.
Bei hohen Frequenzen ändern der Skin-Effekt und die parasitäre Kapazität den Widerstand und die Induktivität des Induktors entsprechend seinem Gleichstromwert. Es wird erwartet, dass der Induktor bei einer ausreichend niedrigen Frequenz arbeitet, sodass diese Effekte vernachlässigbar sind, und das Gerät verhält sich wie eine konstante Induktivität mit einem konstanten Widerstand in Reihe. Daher haben wir in dieser Arbeit die Beziehung zwischen geometrischen Parametern, Induktivität und Gleichstromwiderstand analysiert und die Ergebnisse verwendet, um eine gegebene Induktivität mit dem kleinsten Gleichstromwiderstand zu erhalten.
Induktivität und Widerstand werden für eine Reihe geometrischer Parameter berechnet, die durch Siebdruck realisiert werden können, und es wird erwartet, dass Induktivitäten im μH-Bereich erzeugt werden. Die Außendurchmesser betragen 3 und 5 cm, die Linienbreiten 500 und 1000 Mikrometer , und verschiedene Windungen werden verglichen. Bei der Berechnung wird davon ausgegangen, dass der Schichtwiderstand 47 mΩ/□ beträgt, was einer 7 μm dicken Dupont 5028 Silber-Mikroflockenleiterschicht entspricht, die mit einem 400-Mesh-Sieb und der Einstellung w = s.The bedruckt ist Die berechneten Induktivitäts- und Widerstandswerte sind in Abbildung 1b bzw. c dargestellt. Das Modell sagt voraus, dass sowohl die Induktivität als auch der Widerstand zunehmen, wenn der Außendurchmesser und die Anzahl der Windungen zunehmen oder wenn die Leitungsbreite abnimmt.
Um die Genauigkeit der Modellvorhersagen zu bewerten, wurden Induktoren verschiedener Geometrien und Induktivitäten auf einem Polyethylenterephthalat (PET)-Substrat hergestellt. Die gemessenen Induktivitäts- und Widerstandswerte sind in Abbildung 1b und c dargestellt. Der Widerstand zeigte jedoch eine gewisse Abweichung von Der erwartete Wert, der hauptsächlich auf Änderungen in der Dicke und Gleichmäßigkeit der aufgetragenen Tinte zurückzuführen ist, zeigte eine sehr gute Übereinstimmung der Induktivität mit dem Modell.
Diese Ergebnisse können verwendet werden, um einen Induktor mit der erforderlichen Induktivität und dem minimalen Gleichstromwiderstand zu entwerfen. Nehmen wir beispielsweise an, dass eine Induktivität von 2 μH erforderlich ist. Abbildung 1b zeigt, dass diese Induktivität mit einem Außendurchmesser von 3 cm, einer Linienbreite, realisiert werden kann von 500 μm und 10 Windungen. Die gleiche Induktivität kann auch mit 5 cm Außendurchmesser, 500 μm Linienbreite und 5 Windungen oder 1000 μm Linienbreite und 7 Windungen erzeugt werden (wie in der Abbildung gezeigt). Vergleichen Sie die Widerstände dieser drei Mögliche Geometrien in Abbildung 1c zeigen, dass der niedrigste Widerstand eines 5-cm-Induktors mit einer Linienbreite von 1000 μm 34 Ω beträgt, was etwa 40 % niedriger ist als bei den anderen beiden. Der allgemeine Entwurfsprozess zum Erreichen einer bestimmten Induktivität mit minimalem Widerstand lässt sich wie folgt zusammenfassen: Wählen Sie zunächst den maximal zulässigen Außendurchmesser entsprechend den durch die Anwendung auferlegten Platzbeschränkungen. Anschließend sollte die Leitungsbreite so groß wie möglich sein und dennoch die erforderliche Induktivität erreichen, um eine hohe Füllrate zu erzielen (Gleichung (3)).
Durch Erhöhen der Dicke oder Verwenden eines Materials mit höherer Leitfähigkeit zur Reduzierung des Schichtwiderstands des Metallfilms kann der Gleichstromwiderstand weiter verringert werden, ohne dass sich dies auf die Induktivität auswirkt. Zwei Induktoren, deren geometrische Parameter in Tabelle 1 angegeben sind und L1 und L2 genannt werden, werden mit unterschiedlicher Anzahl von Beschichtungen hergestellt, um die Änderung des Widerstands zu bewerten. Mit zunehmender Anzahl von Tintenbeschichtungen nimmt der Widerstand erwartungsgemäß proportional ab, wie in den Abbildungen 1d und e dargestellt, bei denen es sich um die Induktoren L1 bzw. L2 handelt. Abbildungen 1d und e zeigen, dass durch das Auftragen von 6 Lackschichten der Widerstand um das bis zu Sechsfache reduziert werden kann und die maximale Widerstandsreduzierung (50-65 %) zwischen Schicht 1 und Schicht 2 auftritt. Da jede Tintenschicht relativ dünn ist, a Zum Drucken dieser Induktoren wird ein Bildschirm mit einer relativ kleinen Rastergröße (400 Linien pro Zoll) verwendet, der es uns ermöglicht, den Einfluss der Leiterdicke auf den Widerstand zu untersuchen. Solange die Mustermerkmale größer als die Mindestauflösung des Rasters bleiben, a Eine ähnliche Dicke (und ein ähnlicher Widerstand) kann schneller erreicht werden, indem eine geringere Anzahl von Beschichtungen mit einer größeren Rastergröße gedruckt wird. Mit dieser Methode kann der gleiche Gleichstromwiderstand wie mit dem hier besprochenen 6-beschichteten Induktor erreicht werden, jedoch mit einer höheren Produktionsgeschwindigkeit.
Die Abbildungen 1d und e zeigen auch, dass durch die Verwendung der leitfähigeren Silberflockentinte DuPont 5064H der Widerstand um den Faktor zwei verringert wird. Aus den REM-Aufnahmen der mit den beiden Tinten bedruckten Filme (Abbildung 1f, g) geht hervor, dass dies der Fall ist Man hat gesehen, dass die geringere Leitfähigkeit der 5028-Tinte auf ihre geringere Partikelgröße und das Vorhandensein vieler Hohlräume zwischen den Partikeln im bedruckten Film zurückzuführen ist. Andererseits weist 5064H größere, dichter angeordnete Flocken auf, wodurch es sich eher wie die Masse verhält Silber.Obwohl der mit dieser Tinte erzeugte Film mit einer einzelnen Schicht von 4 μm und 6 Schichten von 22 μm dünner als die 5028-Tinte ist, reicht die Erhöhung der Leitfähigkeit aus, um den Gesamtwiderstand zu verringern.
Obwohl schließlich die Induktivität (Gleichung (1)) von der Anzahl der Windungen (w + s) abhängt, hängt der Widerstand (Gleichung (5)) nur von der Leitungsbreite w ab. Daher kann durch Erhöhen von w relativ zu s der Widerstand erhöht werden kann weiter reduziert werden. Die beiden zusätzlichen Induktoren L3 und L4 sind auf w = 2s und einen großen Außendurchmesser ausgelegt, wie in Tabelle 1 gezeigt. Diese Induktoren werden mit 6 Schichten DuPont 5064H-Beschichtung hergestellt, wie zuvor gezeigt, um die zu gewährleisten höchste Leistung. Die Induktivität von L3 beträgt 4,720 ± 0,002 μH und der Widerstand beträgt 4,9 ± 0,1 Ω, während die Induktivität von L4 7,839 ± 0,005 μH und 6,9 ± 0,1 Ω beträgt, was in guter Übereinstimmung mit der Modellvorhersage ist. Aufgrund der Bei einem Anstieg der Dicke, der Leitfähigkeit und des W/s bedeutet dies, dass sich das L/R-Verhältnis im Vergleich zum Wert in Abbildung 1 um mehr als eine Größenordnung erhöht hat.
Obwohl ein niedriger Gleichstromwiderstand vielversprechend ist, erfordert die Bewertung der Eignung von Induktivitäten für leistungselektronische Geräte, die im kHz-MHz-Bereich arbeiten, eine Charakterisierung bei Wechselstromfrequenzen. Abbildung 2a zeigt die Frequenzabhängigkeit des Widerstands und der Reaktanz von L3 und L4. Für Frequenzen unter 10 MHz Der Widerstand bleibt ungefähr konstant auf seinem Gleichstromwert, während die Reaktanz linear mit der Frequenz zunimmt, was bedeutet, dass die Induktivität erwartungsgemäß konstant ist. Die Eigenresonanzfrequenz ist definiert als die Frequenz, bei der sich die Impedanz von induktiv zu kapazitiv ändert, mit L3 beträgt 35,6 ± 0,3 MHz und L4 beträgt 24,3 ± 0,6 MHz. Die Frequenzabhängigkeit des Qualitätsfaktors Q (gleich ωL/R) ist in Abbildung 2b dargestellt. L3 und L4 erreichen maximale Qualitätsfaktoren von 35 ± 1 und 33 ± 1 bei Frequenzen von 11 bzw. 16 MHz. Die Induktivität von einigen μH und der relativ hohe Q bei MHz-Frequenzen machen diese Induktivitäten ausreichend, um herkömmliche oberflächenmontierte Induktivitäten in DC/DC-Wandlern mit geringer Leistung zu ersetzen.
Der gemessene Widerstand R und die Reaktanz X (a) sowie der Qualitätsfaktor Q (b) der Induktivitäten L3 und L4 stehen im Zusammenhang mit der Frequenz.
Um den für eine gegebene Kapazität erforderlichen Platzbedarf zu minimieren, ist es am besten, eine Kondensatortechnologie mit einer großen spezifischen Kapazität zu verwenden, die gleich der Dielektrizitätskonstante ε dividiert durch die Dicke des Dielektrikums ist. In dieser Arbeit haben wir uns für einen Bariumtitanat-Verbundwerkstoff entschieden als Dielektrikum, da es ein höheres Epsilon als andere lösungsverarbeitete organische Dielektrika aufweist. Die dielektrische Schicht wird im Siebdruckverfahren zwischen den beiden Silberleitern aufgedruckt, um eine Metall-Dielektrikum-Metall-Struktur zu bilden. Kondensatoren mit verschiedenen Größen in Zentimetern, wie in Abbildung 3a dargestellt werden unter Verwendung von zwei oder drei Schichten dielektrischer Tinte hergestellt, um eine gute Ausbeute zu gewährleisten. Abbildung 3b zeigt eine REM-Querschnittsaufnahme eines repräsentativen Kondensators, der aus zwei Dielektrikumschichten mit einer gesamten Dielektrikumsdicke von 21 μm hergestellt wurde. Die oberen und unteren Elektroden bestehen aus einschichtigem bzw. sechsschichtigem 5064H. Im REM-Bild sind Bariumtitanatpartikel in Mikrometergröße sichtbar, da die helleren Bereiche vom dunkleren organischen Bindemittel umgeben sind. Die dielektrische Tinte benetzt die untere Elektrode gut und bildet eine klare Grenzfläche mit der bedruckte Metallfolie, wie in der Abbildung mit stärkerer Vergrößerung dargestellt.
(a) Ein Foto eines Kondensators mit fünf verschiedenen Bereichen. (b) Querschnitt-REM-Aufnahme eines Kondensators mit zwei Dielektrikumschichten, das Bariumtitanat-Dielektrikum und Silberelektroden zeigt. (c) Kapazitäten von Kondensatoren mit 2 und 3 Bariumtitanat dielektrische Schichten und verschiedene Bereiche, gemessen bei 1 MHz. (d) Die Beziehung zwischen der Kapazität, dem ESR und dem Verlustfaktor eines 2,25-cm2-Kondensators mit 2 Schichten dielektrischer Beschichtungen und der Frequenz.
Die Kapazität ist proportional zur erwarteten Fläche.Wie in Abbildung 3c dargestellt, beträgt die spezifische Kapazität des Zweischicht-Dielektrikums 0,53 nF/cm2 und die spezifische Kapazität des Dreischicht-Dielektrikums 0,33 nF/cm2. Diese Werte entsprechen einer Dielektrizitätskonstante von 13.The Kapazität und Verlustfaktor (DF) wurden auch bei verschiedenen Frequenzen gemessen, wie in Abbildung 3d dargestellt, für einen 2,25 cm2 großen Kondensator mit zwei Dielektrikumschichten. Wir stellten fest, dass die Kapazität im interessierenden Frequenzbereich relativ flach war und um 20 % zunahm. von 1 auf 10 MHz, während im gleichen Bereich der DF von 0,013 auf 0,023 anstieg. Da der Verlustfaktor das Verhältnis des Energieverlusts zur in jedem Wechselstromzyklus gespeicherten Energie ist, bedeutet ein DF von 0,02, dass 2 % der Leistung verarbeitet werden Dieser Verlust wird normalerweise als frequenzabhängiger äquivalenter Serienwiderstand (ESR) ausgedrückt, der in Reihe mit dem Kondensator geschaltet ist und DF/ωC entspricht. Wie in Abbildung 3d dargestellt, gilt für Frequenzen über 1 MHz Der ESR liegt unter 1,5 Ω, und bei Frequenzen über 4 MHz liegt der ESR unter 0,5 Ω. Obwohl diese Kondensatortechnologie verwendet wird, benötigen die für DC/DC-Wandler erforderlichen Kondensatoren der μF-Klasse eine sehr große Fläche, aber die 100 pF- Der nF-Kapazitätsbereich und der geringe Verlust dieser Kondensatoren machen sie für andere Anwendungen wie Filter und Resonanzkreise geeignet. Zur Erhöhung der Kapazität können verschiedene Methoden eingesetzt werden. Eine höhere Dielektrizitätskonstante erhöht die spezifische Kapazität 37;Dies kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Konzentration von Bariumtitanat-Partikeln in der Tinte erreicht werden. Es kann eine geringere Dielektrikumsdicke verwendet werden, allerdings erfordert dies eine untere Elektrode mit einer geringeren Rauheit als eine siebgedruckte Silberflocke. Dünnerer Kondensator mit geringerer Rauheit Schichten können durch Tintenstrahldruck 31 oder Tiefdruck 10 aufgebracht werden, die mit einem Siebdruckverfahren kombiniert werden können. Schließlich können mehrere abwechselnde Schichten aus Metall und Dielektrikum gestapelt und gedruckt und parallel verbunden werden, wodurch die Kapazität 34 pro Flächeneinheit erhöht wird .
Ein aus einem Widerstandspaar bestehender Spannungsteiler wird normalerweise verwendet, um Spannungsmessungen durchzuführen, die für die Rückkopplungssteuerung eines Spannungsreglers erforderlich sind. Für diese Art von Anwendung sollte der Widerstand des gedruckten Widerstands im kΩ-MΩ-Bereich liegen und die Differenz dazwischen liegen Die Geräte sind klein. Hier wurde festgestellt, dass der Schichtwiderstand der einschichtigen siebgedruckten Kohlenstofftinte 900 Ω/□ betrug. Diese Informationen werden verwendet, um zwei lineare Widerstände (R1 und R2) und einen Serpentinenwiderstand (R3) zu entwerfen ) mit Nennwiderständen von 10 kΩ, 100 kΩ und 1,5 MΩ. Der Widerstand zwischen den Nennwerten wird durch Drucken von zwei oder drei Tintenschichten, wie in Abbildung 4 gezeigt, und Fotos der drei Widerstände erreicht. Machen Sie 8- 12 Proben jedes Typs;In allen Fällen beträgt die Standardabweichung des Widerstands 10 % oder weniger. Die Widerstandsänderung von Proben mit zwei oder drei Beschichtungsschichten ist tendenziell etwas kleiner als die von Proben mit einer Beschichtungsschicht. Die kleine Änderung des gemessenen Widerstands und die enge Übereinstimmung mit dem Nennwert deuten darauf hin, dass durch Modifikation der Widerstandsgeometrie direkt andere Widerstände in diesem Bereich erhalten werden können.
Drei verschiedene Widerstandsgeometrien mit unterschiedlicher Anzahl an kohlenstoffbeständigen Tintenbeschichtungen. Die Fotos der drei Widerstände sind rechts abgebildet.
RLC-Schaltkreise sind klassische Lehrbuchbeispiele für Widerstands-, Induktor- und Kondensatorkombinationen, die zur Demonstration und Überprüfung des Verhaltens passiver Komponenten verwendet werden, die in reale gedruckte Schaltkreise integriert sind. In dieser Schaltung sind ein 8-μH-Induktor und ein 0,8-nF-Kondensator in Reihe geschaltet und a Parallel dazu ist ein 25-kΩ-Widerstand geschaltet. Das Foto des flexiblen Schaltkreises ist in Abbildung 5a dargestellt. Der Grund für die Wahl dieser speziellen Serie-Parallel-Kombination besteht darin, dass ihr Verhalten durch jede der drei unterschiedlichen Frequenzkomponenten bestimmt wird, sodass die Die Leistung jeder Komponente kann hervorgehoben und bewertet werden. Unter Berücksichtigung des 7-Ω-Serienwiderstands der Induktivität und des 1,3-Ω-ESR des Kondensators wurde der erwartete Frequenzgang der Schaltung berechnet. Das Schaltbild ist in Abbildung 5b dargestellt und die berechnete Impedanzamplitude und -phase sowie die Messwerte sind in den Abbildungen 5c und d dargestellt. Bei niedrigen Frequenzen bedeutet die hohe Impedanz des Kondensators, dass das Verhalten der Schaltung durch den 25-kΩ-Widerstand bestimmt wird. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Impedanz zu der LC-Pfad nimmt ab;Das gesamte Schaltungsverhalten ist kapazitiv, bis die Resonanzfrequenz 2,0 MHz beträgt. Oberhalb der Resonanzfrequenz dominiert die induktive Impedanz. Abbildung 5 zeigt deutlich die hervorragende Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Werten über den gesamten Frequenzbereich. Dies bedeutet, dass das verwendete Modell Hier (wo Induktivitäten und Kondensatoren ideale Komponenten mit Serienwiderstand sind) ist es genau, das Schaltkreisverhalten bei diesen Frequenzen vorherzusagen.
(a) Ein Foto einer siebgedruckten RLC-Schaltung, die eine Reihenschaltung aus einer 8-μH-Induktivität und einem 0,8-nF-Kondensator parallel zu einem 25-kΩ-Widerstand verwendet. (b) Schaltungsmodell einschließlich Serienwiderstand von Induktivität und Kondensator. (c ,d) Die Impedanzamplitude (c) und Phase (d) der Schaltung.
Schließlich werden gedruckte Induktivitäten und Widerstände im Boost-Regler implementiert. Der in dieser Demonstration verwendete IC ist Microchip MCP1640B14, ein PWM-basierter synchroner Boost-Regler mit einer Betriebsfrequenz von 500 kHz. Der Schaltplan ist in Abbildung 6a.A dargestellt Als Energiespeicherelemente werden eine 4,7-μH-Induktivität und zwei Kondensatoren (4,7 μF und 10 μF) verwendet, und ein Widerstandspaar dient zur Messung der Ausgangsspannung der Rückkopplungssteuerung. Wählen Sie den Widerstandswert aus, um die Ausgangsspannung auf 5 V einzustellen. Die Schaltung wird auf der Leiterplatte hergestellt und ihre Leistung wird innerhalb des Lastwiderstands und des Eingangsspannungsbereichs von 3 bis 4 V gemessen, um die Lithium-Ionen-Batterie in verschiedenen Ladezuständen zu simulieren. Die Effizienz gedruckter Induktivitäten und Widerstände wird mit der verglichen Effizienz von SMT-Induktivitäten und -Widerständen. In allen Fällen werden SMT-Kondensatoren verwendet, da die für diese Anwendung erforderliche Kapazität zu groß ist, um sie mit gedruckten Kondensatoren zu vervollständigen.
(a) Diagramm der Spannungsstabilisierungsschaltung. (b–d) (b) Vout, (c) Vsw und (d) Wellenformen des in die Induktivität fließenden Stroms, die Eingangsspannung beträgt 4,0 V, der Lastwiderstand beträgt 1 kΩ, Zur Messung wird die gedruckte Induktivität verwendet. Für diese Messung werden oberflächenmontierte Widerstände und Kondensatoren verwendet. (e) Für verschiedene Lastwiderstände und Eingangsspannungen wird die Effizienz von Spannungsreglerschaltungen unter Verwendung aller oberflächenmontierten Komponenten sowie gedruckter Induktivitäten und Widerstände ermittelt. (f ) Das in (e) gezeigte Effizienzverhältnis von Oberflächenmontage und gedruckter Schaltung.
Für eine Eingangsspannung von 4,0 V und einen Lastwiderstand von 1000 Ω sind die mit gedruckten Induktivitäten gemessenen Wellenformen in Abbildung 6b-d dargestellt. Abbildung 6c zeigt die Spannung am Vsw-Anschluss des IC;Die Induktorspannung beträgt Vin-Vsw. Abbildung 6d zeigt den Strom, der in den Induktor fließt. Der Wirkungsgrad der Schaltung mit SMT und gedruckten Komponenten ist in Abbildung 6e als Funktion der Eingangsspannung und des Lastwiderstands dargestellt, und Abbildung 6f zeigt das Wirkungsgradverhältnis von gedruckten Bauteilen zu SMT-Bauteilen. Der mit SMT-Bauteilen gemessene Wirkungsgrad ähnelt dem im Datenblatt des Herstellers angegebenen Erwartungswert 14. Bei hohem Eingangsstrom (geringer Lastwiderstand und niedrige Eingangsspannung) ist der Wirkungsgrad gedruckter Induktivitäten deutlich geringer als aufgrund des höheren Serienwiderstands die von SMT-Induktivitäten. Mit höherer Eingangsspannung und höherem Ausgangsstrom wird der Widerstandsverlust jedoch weniger wichtig und die Leistung gedruckter Induktivitäten beginnt sich der von SMT-Induktivitäten anzunähern. Für Lastwiderstände >500 Ω und Vin = 4,0 V oder >750 Ω und Vin = 3,5 V beträgt der Wirkungsgrad gedruckter Induktoren mehr als 85 % des Wirkungsgrads von SMT-Induktoren.
Ein Vergleich der Stromwellenform in Abbildung 6d mit dem gemessenen Leistungsverlust zeigt, dass erwartungsgemäß der Widerstandsverlust im Induktor die Hauptursache für den Unterschied im Wirkungsgrad zwischen der gedruckten Schaltung und der SMT-Schaltung ist. Die Eingangs- und Ausgangsleistung wurde bei 4,0 V gemessen Eingangsspannung und 1000-Ω-Lastwiderstand betragen 30,4 mW und 25,8 mW für Schaltungen mit SMT-Komponenten und 33,1 mW und 25,2 mW für Schaltungen mit gedruckten Komponenten. Daher beträgt der Verlust der gedruckten Schaltung 7,9 mW, was 3,4 mW höher ist als der Schaltung mit SMT-Komponenten. Der aus der Wellenform in Abbildung 6d berechnete RMS-Induktorstrom beträgt 25,6 mA.Da sein Serienwiderstand 4,9 Ω beträgt, beträgt der erwartete Leistungsverlust 3,2 mW. Dies entspricht 96 % der gemessenen Gleichstrom-Leistungsdifferenz von 3,4 mW. Darüber hinaus wird die Schaltung mit gedruckten Induktivitäten und gedruckten Widerständen sowie gedruckten Induktivitäten und SMT-Widerständen hergestellt zwischen ihnen ist kein signifikanter Effizienzunterschied zu beobachten.
Anschließend wird der Spannungsregler auf der flexiblen Leiterplatte hergestellt (die Druck- und SMT-Komponentenleistung der Schaltung ist in der ergänzenden Abbildung S1 dargestellt) und zwischen der flexiblen Lithium-Ionen-Batterie als Stromquelle und dem OLED-Array als Last angeschlossen.Laut Lochner et al.9 Zur Herstellung von OLEDs verbraucht jedes OLED-Pixel 0,6 mA bei 5 V. Die Batterie verwendet Lithiumkobaltoxid und Graphit als Kathode bzw. Anode und wird durch Rakelbeschichtung hergestellt, die am häufigsten verwendete Batteriedruckmethode.7 Die Die Batteriekapazität beträgt 16 mAh und die Spannung während des Tests beträgt 4,0 V. Abbildung 7 zeigt ein Foto der Schaltung auf der flexiblen Leiterplatte, die drei parallel geschaltete OLED-Pixel mit Strom versorgt. Die Demonstration demonstrierte das Potenzial gedruckter Leistungskomponenten für die Integration mit anderen flexible und organische Geräte, um komplexere elektronische Systeme zu bilden.
Ein Foto des Spannungsreglerschaltkreises auf einer flexiblen Leiterplatte mit gedruckten Induktivitäten und Widerständen und flexiblen Lithium-Ionen-Batterien zur Stromversorgung von drei organischen LEDs.
Wir haben siebgedruckte Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände mit verschiedenen Werten auf flexiblen PET-Substraten gezeigt, mit dem Ziel, oberflächenmontierte Komponenten in leistungselektronischen Geräten zu ersetzen. Wir haben gezeigt, dass durch die Gestaltung einer Spirale mit großem Durchmesser die Füllrate erhöht wird und das Verhältnis von Linienbreite zu Abstandsbreite und durch die Verwendung einer dicken Schicht aus Tinte mit geringem Widerstand. Diese Komponenten sind in einen vollständig gedruckten und flexiblen RLC-Schaltkreis integriert und zeigen ein vorhersagbares elektrisches Verhalten im kHz-MHz-Frequenzbereich, der am größten ist Interesse an Leistungselektronik.
Typische Anwendungsfälle für gedruckte leistungselektronische Geräte sind tragbare oder produktintegrierte flexible elektronische Systeme, die von flexiblen wiederaufladbaren Batterien (z. B. Lithium-Ionen) gespeist werden und je nach Ladezustand variable Spannungen erzeugen können. Wenn die Last (einschließlich Drucken und B. organische elektronische Geräte) eine konstante Spannung oder eine höhere als die von der Batterie ausgegebene Spannung benötigen, ist ein Spannungsregler erforderlich. Aus diesem Grund werden gedruckte Induktivitäten und Widerstände mit herkömmlichen Silizium-ICs in einen Boost-Regler integriert, um die OLED mit einer konstanten Spannung zu versorgen von 5 V aus einer Batteriestromversorgung mit variabler Spannung. Innerhalb eines bestimmten Bereichs von Laststrom und Eingangsspannung übersteigt der Wirkungsgrad dieser Schaltung 85 % des Wirkungsgrads einer Steuerschaltung mit oberflächenmontierten Induktivitäten und Widerständen. Trotz Material- und geometrischer Optimierungen Widerstandsverluste im Induktor sind immer noch der begrenzende Faktor für die Schaltungsleistung bei hohen Stromstärken (Eingangsstrom größer als etwa 10 mA). Bei niedrigeren Strömen sind die Verluste im Induktor jedoch geringer und die Gesamtleistung wird durch den Wirkungsgrad begrenzt des IC. Da viele gedruckte und organische Geräte relativ niedrige Ströme erfordern, wie z. B. die kleinen OLEDs, die in unserer Demonstration verwendet werden, können gedruckte Leistungsinduktivitäten als geeignet für solche Anwendungen angesehen werden. Durch die Verwendung von ICs, die für den höchsten Wirkungsgrad bei niedrigeren Stromstärken ausgelegt sind, Es kann ein höherer Gesamtwirkungsgrad des Wandlers erreicht werden.
In dieser Arbeit basiert der Spannungsregler auf der herkömmlichen Löttechnologie für Leiterplatten, flexible Leiterplatten und oberflächenmontierte Komponenten, während die gedruckte Komponente auf einem separaten Substrat hergestellt wird. Die zur Herstellung von Siebdruckfarben verwendeten Niedertemperatur- und Hochviskostinten sind jedoch Bedruckte Folien sollten es ermöglichen, passive Komponenten sowie die Verbindung zwischen dem Gerät und den Kontaktpads der oberflächenmontierten Komponenten auf jedes Substrat zu drucken. In Kombination mit der Verwendung vorhandener leitfähiger Niedertemperaturklebstoffe für oberflächenmontierte Komponenten wird dies ermöglicht Der gesamte Schaltkreis soll auf kostengünstigen Substraten (z. B. PET) aufgebaut werden, ohne dass subtraktive Prozesse wie das Ätzen von Leiterplatten erforderlich sind. Daher tragen die in dieser Arbeit entwickelten siebgedruckten passiven Komponenten dazu bei, den Weg für flexible elektronische Systeme zu ebnen, die Energie und Lasten integrieren mit leistungsstarker Leistungselektronik, Verwendung kostengünstiger Substrate, überwiegend additiver Prozesse und minimaler Anzahl oberflächenmontierbarer Komponenten.
Mit dem Siebdrucker Asys ASP01M und einem Edelstahlsieb von Dynamesh Inc. wurden alle Schichten passiver Komponenten im Siebdruck auf ein flexibles PET-Substrat mit einer Dicke von 76 μm gedruckt. Die Maschenweite der Metallschicht beträgt 400 Linien pro Zoll und 250 Linien pro Zoll für die dielektrische Schicht und die Widerstandsschicht. Verwenden Sie eine Rakelkraft von 55 N, eine Druckgeschwindigkeit von 60 mm/s, einen Bruchabstand von 1,5 mm und einen Serilor-Rakel mit einer Härte von 65 (für Metall und Widerstand). Schichten) bzw. 75 (für dielektrische Schichten) beim Siebdruck.
Die leitenden Schichten – die Induktoren und die Kontakte von Kondensatoren und Widerständen – werden mit silberner Mikroflockentinte DuPont 5082 oder DuPont 5064H gedruckt. Der Widerstand wird mit Kohlenstoffleiter DuPont 7082 gedruckt. Für das Kondensatordielektrikum wird die leitfähige Verbindung BT-101 Bariumtitanat-Dielektrikum verwendet wird verwendet. Jede Schicht aus Dielektrikum wird unter Verwendung eines zweistufigen (Nass-Nass)-Druckzyklus hergestellt, um die Gleichmäßigkeit des Films zu verbessern. Für jede Komponente wurde die Auswirkung mehrerer Druckzyklen auf die Komponentenleistung und -variabilität untersucht. Proben wurden mit hergestellt Mehrere Schichten desselben Materials wurden zwischen den Schichten 2 Minuten lang bei 70 °C getrocknet. Nach dem Auftragen der letzten Schicht jedes Materials wurden die Proben 10 Minuten lang bei 140 °C gebacken, um eine vollständige Trocknung sicherzustellen. Die automatische Ausrichtungsfunktion des Siebs Der Drucker wird zum Ausrichten nachfolgender Schichten verwendet. Der Kontakt mit der Mitte des Induktors wird durch das Schneiden eines Durchgangslochs in das mittlere Pad und das Schablonendrucken von Spuren auf der Rückseite des Substrats mit DuPont 5064H-Tinte erreicht. Die Verbindung zwischen Druckgeräten wird ebenfalls von Dupont verwendet 5064H-Schablonendruck. Um die gedruckten Komponenten und SMT-Komponenten auf der in Abbildung 7 gezeigten flexiblen Leiterplatte anzuzeigen, werden die gedruckten Komponenten mit leitfähigem Epoxidharz Circuit Works CW2400 verbunden, und die SMT-Komponenten werden durch herkömmliches Löten verbunden.
Als Kathode bzw. Anode der Batterie werden Elektroden auf Lithiumkobaltoxid- (LCO)- und Graphitbasis verwendet. Die Kathodenaufschlämmung ist eine Mischung aus 80 % LCO (MTI Corp.), 7,5 % Graphit (KS6, Timcal), 2,5 % Ruß (Super P, Timcal) und 10 % Polyvinylidenfluorid (PVDF, Kureha Corp.).) Die Anode ist eine Mischung aus 84 Gew.-% Graphit, 4 Gew.-% Ruß und 13 Gew.-% PVDF. N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP, Sigma Aldrich) wird verwendet, um das PVDF-Bindemittel aufzulösen und die Aufschlämmung zu dispergieren. Die Aufschlämmung wurde durch homogenisiert Rühren mit einem Vortex-Mischer über Nacht. Eine 0,0005 Zoll dicke Edelstahlfolie und eine 10 μm dicke Nickelfolie werden als Stromabnehmer für die Kathode bzw. Anode verwendet. Die Tinte wird mit einem Rakel bei einer Druckgeschwindigkeit von 20 auf den Stromabnehmer gedruckt mm/s.Erhitzen Sie die Elektrode 2 Stunden lang in einem Ofen bei 80 °C, um das Lösungsmittel zu entfernen. Die Höhe der Elektrode nach dem Trocknen beträgt etwa 60 μm und basierend auf dem Gewicht des aktiven Materials beträgt die theoretische Kapazität 1,65 mAh /cm2. Die Elektroden wurden auf die Abmessungen 1,3 × 1,3 cm2 zugeschnitten und in einem Vakuumofen über Nacht auf 140 °C erhitzt und dann mit Aluminiumlaminatbeuteln in einer mit Stickstoff gefüllten Handschuhbox versiegelt. Eine Lösung aus Polypropylen-Basisfolie mit Anode und Kathode und 1M LiPF6 in EC/DEC (1:1) wird als Batterieelektrolyt verwendet.
Grüne OLED besteht aus Poly(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamin) (TFB) und Poly((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole-) 4, 8-Diyl)) (F8BT) gemäß dem in Lochner et al. 9 beschriebenen Verfahren.
Verwenden Sie den Dektak Stylus Profiler, um die Filmdicke zu messen. Der Film wurde geschnitten, um eine Querschnittsprobe für die Untersuchung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) vorzubereiten. Die FEI Quanta 3D-Feldemissionskanone (FEG) REM wird zur Charakterisierung der Struktur des Drucks verwendet Film und bestätigen Sie die Dickenmessung. Die SEM-Studie wurde bei einer Beschleunigungsspannung von 20 keV und einem typischen Arbeitsabstand von 10 mm durchgeführt.
Verwenden Sie ein digitales Multimeter, um den Gleichstromwiderstand, die Spannung und den Strom zu messen. Die Wechselstromimpedanz von Induktivitäten, Kondensatoren und Schaltkreisen wird mit dem Agilent E4980 LCR-Messgerät für Frequenzen unter 1 MHz gemessen, und der Agilent E5061A Netzwerkanalysator wird für die Messung von Frequenzen über 500 kHz verwendet. Verwenden Sie das Tektronix TDS 5034 Oszilloskop zur Messung der Wellenform des Spannungsreglers.
Zitierweise für diesen Artikel: Ostfeld, AE, etc.Siebdruck passiver Komponenten für flexible leistungselektronische Geräte.science.Rep.5, 15959;doi: 10.1038/srep15959 (2015).
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