balita

Salamat sa pagbisita sa Nature. Ang bersyon ng browser na iyong ginagamit ay may limitadong suporta para sa CSS. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng mas bagong bersyon ng browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Kasabay nito , upang matiyak ang patuloy na suporta, magpapakita kami ng mga site na walang mga istilo at JavaScript.
Ang mga additives at mga proseso ng pag-print na may mababang temperatura ay maaaring pagsamahin ang iba't ibang mga elektronikong device na kumukonsumo ng kuryente at kumokonsumo ng kuryente sa mga nababaluktot na substrate sa mababang halaga. Gayunpaman, ang paggawa ng mga kumpletong elektronikong sistema mula sa mga device na ito ay karaniwang nangangailangan ng mga power electronic na device upang mag-convert sa pagitan ng iba't ibang mga operating voltage ng ang mga device.Ang mga passive na bahagi—inductors, capacitors, at resistors—ay gumaganap ng mga function tulad ng pag-filter, panandaliang pag-imbak ng enerhiya, at pagsukat ng boltahe, na mahalaga sa power electronics at marami pang ibang application. Sa artikulong ito, ipinakilala namin ang mga inductors, capacitor, resistors at RLC circuits na naka-screen sa flexible plastic substrates, at iulat ang proseso ng disenyo para mabawasan ang series resistance ng inductors para magamit ang mga ito sa power electronic device . Ang naka-print na inductor at resistor ay isinasama sa boost regulator circuit. ng mga organikong light-emitting diode at nababaluktot na mga baterya ng lithium-ion. Ang mga regulator ng boltahe ay ginagamit upang paganahin ang mga diode mula sa baterya, na nagpapakita ng potensyal ng mga naka-print na passive na bahagi upang palitan ang mga tradisyonal na surface mount component sa mga aplikasyon ng DC-DC converter.
Sa nakalipas na mga taon, ang paggamit ng iba't ibang nababaluktot na aparato sa naisusuot at malalaking lugar na mga produktong elektroniko at ang Internet of Things1,2 ay binuo. Kabilang dito ang mga kagamitan sa pag-aani ng enerhiya, tulad ng photovoltaic 3, piezoelectric 4, at thermoelectric 5; mga kagamitan sa pag-iimbak ng enerhiya, tulad ng mga baterya 6, 7; at mga device na umuubos ng kuryente, gaya ng mga sensor 8, 9, 10, 11, 12, at light sources 13. Bagama't malaki ang pag-unlad sa mga indibidwal na pinagmumulan ng enerhiya at load, ang pagsasama-sama ng mga bahaging ito sa isang kumpletong elektronikong sistema ay karaniwang nangangailangan ng power electronics upang malampasan ang anumang hindi pagkakatugma sa pagitan ng pag-uugali ng power supply at mga kinakailangan sa pagkarga.Halimbawa, ang isang baterya ay bumubuo ng isang variable na boltahe ayon sa estado ng pagsingil nito. .Gumagamit ang power electronics ng mga aktibong bahagi (transistors) upang magsagawa ng mga switching at control function, pati na rin ang mga passive na bahagi (inductors, capacitors, at resistors).Halimbawa, sa switching regulator circuit, ang inductor ay ginagamit upang mag-imbak ng enerhiya sa bawat switching cycle , ang isang kapasitor ay ginagamit upang bawasan ang ripple ng boltahe, at ang pagsukat ng boltahe na kinakailangan para sa kontrol ng feedback ay ginagawa gamit ang isang resistor divider.
Ang mga power electronic device na angkop para sa mga naisusuot na device (gaya ng pulse oximeter 9) ay nangangailangan ng ilang volts at ilang milliamps, karaniwang gumagana sa frequency range na daan-daang kHz hanggang ilang MHz, at nangangailangan ng ilang μH at ilang μH inductance at Ang capacitance μF ay 14 ayon sa pagkakabanggit. Ang tradisyunal na paraan ng paggawa ng mga circuit na ito ay ang paghihinang ng mga discrete na bahagi sa isang matibay na naka-print na circuit board (PCB). panlabas, alinman na nagpapahintulot sa mga pasadyang circuit, o dahil ang kinakailangang inductance at capacitance ay masyadong malaki upang maipatupad sa silicon .
Kung ikukumpara sa tradisyunal na teknolohiya sa pagmamanupaktura na nakabatay sa PCB, ang pagmamanupaktura ng mga elektronikong aparato at circuit sa pamamagitan ng proseso ng additive printing ay may maraming pakinabang sa mga tuntunin ng pagiging simple at gastos. Una, dahil maraming mga bahagi ng circuit ang nangangailangan ng parehong mga materyales, tulad ng mga metal para sa mga contact at interconnections, ang pag-print ay nagbibigay-daan sa maramihang mga bahagi na gawin nang sabay-sabay, na may kaunting mga hakbang sa pagproseso at mas kaunting mga mapagkukunan ng mga materyales15. 18, at 19. Bilang karagdagan, ang mababang temperatura na ginagamit sa pag-imprenta ay katugma sa nababaluktot at murang mga plastic na substrate, na nagpapahintulot sa paggamit ng mga high-speed roll-to-roll na proseso ng pagmamanupaktura upang masakop ang mga elektronikong aparato 16, 20 sa malalaking lugar. Para sa mga aplikasyon na hindi ganap na maisasakatuparan gamit ang mga naka-print na bahagi, ang mga hybrid na pamamaraan ay binuo kung saan ang mga bahagi ng surface mount technology (SMT) ay konektado sa mga flexible substrates 21, 22, 23 sa tabi ng mga naka-print na bahagi sa mababang temperatura. Sa ganitong hybrid na diskarte, ito ay pa rin kinakailangan upang palitan ang pinakamaraming bahagi ng SMT hangga't maaari ng mga naka-print na katapat upang makuha ang mga benepisyo ng mga karagdagang proseso at mapataas ang pangkalahatang flexibility ng circuit. mga bahagi, na may espesyal na diin sa pagpapalit ng malalaking SMT inductors ng planar spiral inductors. Kabilang sa iba't ibang teknolohiya para sa pagmamanupaktura ng mga naka-print na electronics, ang screen printing ay partikular na angkop para sa mga passive na bahagi dahil sa malaking kapal ng pelikula nito (na kinakailangan upang mabawasan ang serye ng resistensya ng mga tampok na metal. ) at mataas na bilis ng pag-print, kahit na sumasaklaw sa mga lugar sa antas ng sentimetro Gayon din minsan. Materyal 24.
Ang pagkawala ng mga passive na bahagi ng power electronic na kagamitan ay dapat na mabawasan, dahil ang kahusayan ng circuit ay direktang nakakaapekto sa dami ng enerhiya na kinakailangan para ma-power ang system. paglaban.Samakatuwid, kahit na ang ilang mga pagsisikap ay ginawa upang mabawasan ang paglaban 25, 26, 27, 28 ng mga naka-print na coils, mayroon pa ring kakulangan ng mga high-efficiency na naka-print na passive na bahagi para sa mga power electronic device. ang mga bahagi sa mga nababaluktot na substrate ay idinisenyo upang gumana sa mga resonant circuit para sa radio frequency identification (RFID) o mga layunin ng pag-aani ng enerhiya 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Ang iba ay tumutuon sa pagbuo ng materyal o proseso ng pagmamanupaktura at nagpapakita ng mga generic na bahagi 26, 32, 33, 34 na hindi na-optimize para sa mga partikular na aplikasyon. Sa kabaligtaran, ang mga power electronic circuit tulad ng mga regulator ng boltahe ay kadalasang gumagamit ng mas malalaking bahagi kaysa sa mga tipikal na naka-print na passive device at hindi nangangailangan ng resonance, kaya kailangan ang iba't ibang disenyo ng bahagi.
Dito, ipinakilala namin ang disenyo at pag-optimize ng mga screen-printed inductors sa hanay ng μH para makamit ang pinakamaliit na series resistance at mataas na performance sa mga frequency na nauugnay sa power electronics.Screen-printed inductors, capacitors, at resistors na may iba't ibang halaga ng component ay ginawa sa flexible plastic substrates.Ang pagiging angkop ng mga bahaging ito para sa flexible electronic na mga produkto ay unang ipinakita sa isang simpleng RLC circuit.Ang naka-print na inductor at risistor ay isinama sa IC upang bumuo ng boost regulator.Sa wakas, isang organic light-emitting diode (OLED ) at isang nababaluktot na baterya ng lithium-ion ay ginawa, at isang boltahe regulator ang ginagamit upang paganahin ang OLED mula sa baterya.
Upang magdisenyo ng mga naka-print na inductors para sa power electronics, hinulaan muna namin ang inductance at DC resistance ng isang serye ng mga inductor geometries batay sa kasalukuyang modelo ng sheet na iminungkahi sa Mohan et al. 35, at mga gawa-gawang inductors ng iba't ibang geometries upang kumpirmahin Ang katumpakan ng modelo. Sa gawaing ito, isang pabilog na hugis ang pinili para sa inductor dahil ang isang mas mataas na inductance 36 ay maaaring makamit na may mas mababang resistensya kumpara sa isang polygonal geometry. Ang impluwensya ng tinta Natutukoy ang uri at bilang ng mga siklo ng pag-print sa resistensya. Ang mga resultang ito ay ginamit sa modelo ng ammeter upang magdisenyo ng 4.7 μH at 7.8 μH na mga inductor na na-optimize para sa pinakamababang resistensya ng DC.
Ang inductance at DC resistance ng spiral inductors ay maaaring ilarawan sa pamamagitan ng ilang mga parameter: outer diameter do, turn width w at spacing s, bilang ng mga liko n, at conductor sheet resistance Rsheet. Ang Figure 1a ay nagpapakita ng larawan ng isang silk-screen printed circular inductor na may n = 12, na nagpapakita ng mga geometric na parameter na tumutukoy sa inductance nito.Ayon sa modelo ng ammeter ng Mohan et al. 35, ang inductance ay kinakalkula para sa isang serye ng mga inductor geometries, kung saan
(a) Isang larawan ng screen-printed inductor na nagpapakita ng mga geometric na parameter. Ang diameter ay 3 cm. Inductance (b) at DC resistance (c) ng iba't ibang inductor geometries. Ang mga linya at marka ay tumutugma sa mga kalkulado at sinusukat na halaga, ayon sa pagkakabanggit. (d,e) Ang mga DC resistance ng inductors L1 at L2 ay screen printed na may Dupont 5028 at 5064H silver inks, ayon sa pagkakabanggit.(f,g) SEM micrographs ng mga film screen na naka-print ng Dupont 5028 at 5064H, ayon sa pagkakabanggit.
Sa mataas na frequency, babaguhin ng epekto ng balat at parasitic capacitance ang resistensya at inductance ng inductor ayon sa halaga ng DC nito. Inaasahan na gagana ang inductor sa isang sapat na mababang frequency na ang mga epektong ito ay bale-wala, at ang aparato ay kumikilos bilang isang pare-parehong inductance na may pare-parehong paglaban sa serye. Samakatuwid, sa gawaing ito, sinuri namin ang kaugnayan sa pagitan ng mga geometric na parameter, inductance, at resistensya ng DC, at ginamit ang mga resulta upang makakuha ng ibinigay na inductance na may pinakamaliit na resistensya ng DC.
Ang inductance at paglaban ay kinakalkula para sa isang serye ng mga geometric na parameter na maaaring maisakatuparan sa pamamagitan ng screen printing, at inaasahang mabubuo ang inductance sa hanay ng μH. Ang mga panlabas na diameter na 3 at 5 cm, ang lapad ng linya na 500 at 1000 microns , at iba't ibang mga pagliko ang inihahambing. Sa pagkalkula, ipinapalagay na ang paglaban ng sheet ay 47 mΩ/□, na tumutugma sa isang 7 μm na kapal ng Dupont 5028 silver microflake conductor layer na naka-print na may 400 mesh screen at setting w = s.Ang ang kinakalkula na mga halaga ng inductance at resistance ay ipinapakita sa Figure 1b at c, ayon sa pagkakabanggit. Hinuhulaan ng modelo na ang parehong inductance at resistance ay tumataas habang ang panlabas na diameter at ang bilang ng mga pagliko ay tumataas, o habang ang lapad ng linya ay bumababa.
Upang masuri ang katumpakan ng mga hula ng modelo, ang mga inductors ng iba't ibang geometries at inductance ay ginawa sa isang polyethylene terephthalate (PET) substrate. Ang sinusukat na inductance at mga halaga ng paglaban ay ipinapakita sa Figure 1b at c. Bagama't ang paglaban ay nagpakita ng ilang paglihis mula sa ang inaasahang halaga, higit sa lahat dahil sa mga pagbabago sa kapal at pagkakapareho ng idineposito na tinta, ang inductance ay nagpakita ng napakahusay na kasunduan sa modelo.
Ang mga resultang ito ay maaaring gamitin upang magdisenyo ng isang inductor na may kinakailangang inductance at pinakamababang DC resistance. Halimbawa, ipagpalagay na ang isang inductance na 2 μH ay kinakailangan. Ipinapakita ng Figure 1b na ang inductance na ito ay maaaring maisakatuparan sa isang panlabas na diameter na 3 cm, isang lapad ng linya ng 500 μm, at 10 pagliko. Ang parehong inductance ay maaari ding mabuo gamit ang 5 cm na panlabas na diameter, 500 μm na lapad ng linya at 5 na pagliko o 1000 μm na lapad ng linya at 7 na pagliko (tulad ng ipinapakita sa figure). posibleng geometries sa Figure 1c, makikita na ang pinakamababang paglaban ng isang 5 cm inductor na may lapad ng linya na 1000 μm ay 34 Ω, na humigit-kumulang 40% na mas mababa kaysa sa iba pang dalawa. Ang pangkalahatang proseso ng disenyo upang makamit ang isang naibigay na inductance na may pinakamababang pagtutol ay ibinubuod tulad ng sumusunod: Una, piliin ang pinakamataas na pinahihintulutang panlabas na diameter ayon sa mga hadlang sa espasyo na ipinataw ng aplikasyon. Pagkatapos, ang lapad ng linya ay dapat kasing laki hangga't maaari habang nakakamit pa rin ang kinakailangang inductance upang makakuha ng mataas na rate ng pagpuno (Equation (3)).
Sa pamamagitan ng pagtaas ng kapal o paggamit ng materyal na may mas mataas na kondaktibiti upang bawasan ang paglaban ng sheet ng metal film, ang paglaban ng DC ay maaaring higit pang mabawasan nang hindi naaapektuhan ang inductance. Dalawang inductors, na ang mga geometric na parameter ay ibinibigay sa Talahanayan 1, na tinatawag na L1 at L2, ay ginawa gamit ang iba't ibang bilang ng mga coatings upang suriin ang pagbabago sa paglaban. Habang tumataas ang bilang ng mga coatings ng tinta, bumababa ang resistensya nang proporsyonal gaya ng inaasahan, tulad ng ipinapakita sa Mga Figure 1d at e, na mga inductors L1 at L2, ayon sa pagkakabanggit. Mga Figure 1d at e ipakita na sa pamamagitan ng paglalagay ng 6 na layer ng coating, ang resistensya ay maaaring mabawasan ng hanggang 6 na beses, at ang maximum na pagbawas sa resistensya (50-65%) ay nangyayari sa pagitan ng layer 1 at layer 2. Dahil ang bawat layer ng tinta ay medyo manipis, isang screen na may medyo maliit na laki ng grid (400 linya bawat pulgada) ay ginagamit upang i-print ang mga inductor na ito, na nagpapahintulot sa amin na pag-aralan ang epekto ng kapal ng konduktor sa paglaban. Hangga't ang mga tampok ng pattern ay nananatiling mas malaki kaysa sa minimum na resolution ng grid, isang ang katulad na kapal (at paglaban) ay maaaring makamit nang mas mabilis sa pamamagitan ng pag-print ng mas maliit na bilang ng mga coatings na may mas malaking laki ng grid. Ang pamamaraang ito ay maaaring gamitin upang makamit ang parehong DC resistance gaya ng 6-coated inductor na tinalakay dito, ngunit may mas mataas na bilis ng produksyon.
Ipinapakita rin ng Figures 1d at e na sa pamamagitan ng paggamit ng mas conductive silver flake ink na DuPont 5064H, ang resistensya ay nababawasan ng dalawang factor. Mula sa SEM micrographs ng mga pelikulang nakalimbag gamit ang dalawang tinta (Figure 1f, g), maaari itong nakita na ang mas mababang conductivity ng 5028 ink ay dahil sa mas maliit na laki ng particle nito at ang pagkakaroon ng maraming voids sa pagitan ng mga particle sa naka-print na pelikula. pilak. Bagama't ang pelikulang ginawa ng tinta na ito ay mas manipis kaysa sa 5028 na tinta, na may isang solong patong na 4 μm at 6 na patong na 22 μm, ang pagtaas ng kondaktibiti ay sapat upang bawasan ang kabuuang pagtutol.
Sa wakas, kahit na ang inductance (equation (1)) ay nakasalalay sa bilang ng mga pagliko (w + s), ang paglaban (equation (5)) ay nakasalalay lamang sa lapad ng linya na w. Samakatuwid, sa pamamagitan ng pagtaas ng w kaugnay sa s, ang paglaban Ang dalawang karagdagang inductors L3 at L4 ay idinisenyo upang magkaroon ng w = 2s at isang malaking panlabas na diameter, tulad ng ipinapakita sa Talahanayan 1. Ang mga inductors na ito ay ginawa gamit ang 6 na layer ng DuPont 5064H coating, tulad ng ipinakita kanina, upang maibigay ang pinakamataas na pagganap. Ang inductance ng L3 ay 4.720 ± 0.002 μH at ang resistensya ay 4.9 ± 0.1 Ω, habang ang inductance ng L4 ay 7.839 ± 0.005 μH at 6.9 ± 0.1 Ω, na sumasang-ayon sa modelo. pagtaas sa kapal, conductivity, at w/s, nangangahulugan ito na ang L/R ratio ay tumaas ng higit sa isang order ng magnitude na may kaugnayan sa halaga sa Figure 1.
Bagama't nangangako ang mababang resistensya ng DC, ang pagsusuri sa pagiging angkop ng mga inductors para sa power electronic na kagamitan na tumatakbo sa hanay ng kHz-MHz ay ​​nangangailangan ng characterization sa mga frequency ng AC. Ipinapakita ng Figure 2a ang frequency dependence ng resistance at reactance ng L3 at L4. Para sa mga frequency na mas mababa sa 10 MHz , ang paglaban ay nananatiling halos pare-pareho sa halaga ng DC nito, habang ang reactance ay tumataas nang linearly sa dalas, na nangangahulugan na ang inductance ay pare-pareho gaya ng inaasahan. Ang L3 ay 35.6 ± 0.3 MHz at ang L4 ay 24.3 ± 0.6 MHz. Ang frequency dependence ng quality factor Q (katumbas ng ωL/R) ay ipinapakita sa Figure 2b. L3 at L4 na nakakamit ng maximum na quality factor na 35 ± 1 at 33 ± 1 sa mga frequency na 11 at 16 MHz, ayon sa pagkakasunod.
Ang sinusukat na resistensya R at reactance X (a) at quality factor Q (b) ng mga inductors L3 at L4 ay nauugnay sa dalas.
Upang mabawasan ang footprint na kinakailangan para sa isang ibinigay na kapasidad, pinakamahusay na gumamit ng teknolohiya ng kapasitor na may malaking tiyak na kapasidad, na katumbas ng dielectric constant ε na hinati sa kapal ng dielectric. Sa gawaing ito, pinili namin ang barium titanate composite bilang dielectric dahil mayroon itong mas mataas na epsilon kaysa sa iba pang mga organikong dielectric na naproseso ng solusyon. Ang dielectric layer ay naka-screen print sa pagitan ng dalawang silver conductor upang bumuo ng metal-dielectric-metal na istraktura. Ang mga capacitor na may iba't ibang laki sa sentimetro, tulad ng ipinapakita sa Figure 3a , ay ginawa gamit ang dalawa o tatlong layer ng dielectric ink upang mapanatili ang magandang ani. Ang Figure 3b ay nagpapakita ng cross-sectional SEM micrograph ng isang representative capacitor na ginawa gamit ang dalawang layers ng dielectric, na may kabuuang dielectric na kapal na 21 μm. Ang itaas at ilalim na mga electrodes ay one-layer at six-layer 5064H ayon sa pagkakabanggit. Ang laki ng micron na barium titanate particle ay makikita sa SEM image dahil ang mas maliwanag na mga lugar ay napapalibutan ng darker organic binder. Ang dielectric ink ay nabasa nang maayos ang ilalim na electrode at bumubuo ng malinaw na interface sa naka-print na metal na pelikula, tulad ng ipinapakita sa ilustrasyon na may mas mataas na parangal.
(a) Isang larawan ng isang capacitor na may limang magkakaibang lugar.(b) Cross-sectional SEM micrograph ng isang capacitor na may dalawang layer ng dielectric, na nagpapakita ng barium titanate dielectric at silver electrodes.(c) Capacitances ng mga capacitor na may 2 at 3 barium titanate dielectric layer at iba't ibang lugar, sinusukat sa 1 MHz.(d) Ang ugnayan sa pagitan ng capacitance, ESR, at loss factor ng 2.25 cm2 capacitor na may 2 layer ng dielectric coating at frequency.
Ang kapasidad ay proporsyonal sa inaasahang lugar. Tulad ng ipinapakita sa Figure 3c, ang tiyak na kapasidad ng dalawang-layer na dielectric ay 0.53 nF/cm2, at ang tiyak na kapasidad ng tatlong-layer na dielectric ay 0.33 nF/cm2. Ang mga halagang ito ay tumutugma sa isang dielectric na pare-pareho na 13. Ang capacitance at dissipation factor (DF) ay sinusukat din sa iba't ibang frequency, tulad ng ipinapakita sa Figure 3d, para sa isang 2.25 cm2 capacitor na may dalawang layer ng dielectric. Nalaman namin na ang capacitance ay medyo flat sa frequency range ng interes, na tumataas ng 20% mula 1 hanggang 10 MHz, habang nasa parehong hanay, tumaas ang DF mula 0.013 hanggang 0.023. Dahil ang dissipation factor ay ang ratio ng pagkawala ng enerhiya sa enerhiya na nakaimbak sa bawat AC cycle, ang DF na 0.02 ay nangangahulugan na 2% ng power handled sa pamamagitan ng kapasitor ay natupok. Ang pagkawala na ito ay karaniwang ipinahayag bilang ang frequency-dependent equivalent series resistance (ESR) na konektado sa serye na may kapasitor, na katumbas ng DF/ωC. Gaya ng ipinapakita sa Figure 3d, para sa mga frequency na higit sa 1 MHz, Ang ESR ay mas mababa sa 1.5 Ω, at para sa mga frequency na higit sa 4 MHz, ang ESR ay mas mababa sa 0.5 Ω. Bagama't ginagamit ang teknolohiyang ito ng capacitor, ang mga μF-class na capacitor na kinakailangan para sa mga DC-DC converter ay nangangailangan ng napakalaking lugar, ngunit ang 100 pF- Ang hanay ng kapasidad ng nF at mababang pagkawala ng mga capacitor na ito ay ginagawang angkop ang mga ito para sa iba pang mga aplikasyon, tulad ng mga filter at resonant circuit .Maaaring gamitin ang iba't ibang paraan upang mapataas ang capacitance. halimbawa, ito ay maaaring makamit sa pamamagitan ng pagtaas ng konsentrasyon ng barium titanate particle sa tinta. Maaaring gumamit ng mas maliit na dielectric na kapal, bagama't nangangailangan ito ng ilalim na elektrod na may mas mababang pagkamagaspang kaysa sa isang screen-printed na silver flake. ang mga layer ay maaaring ideposito sa pamamagitan ng inkjet printing 31 o gravure printing 10, na maaaring isama sa isang proseso ng screen printing. Sa wakas, ang maramihang mga alternating layer ng metal at dielectric ay maaaring isalansan at i-print at konektado nang magkatulad, sa gayon ay tumataas ang kapasidad ng 34 bawat unit area .
Karaniwang ginagamit ang isang divider ng boltahe na binubuo ng isang pares ng mga resistor upang magsagawa ng pagsukat ng boltahe na kinakailangan para sa kontrol ng feedback ng isang regulator ng boltahe. Para sa ganitong uri ng aplikasyon, ang paglaban ng naka-print na risistor ay dapat nasa hanay ng kΩ-MΩ, at ang pagkakaiba sa pagitan maliit ang mga device. Dito, napag-alaman na ang sheet resistance ng single-layer screen-printed carbon ink ay 900 Ω/□. Ginagamit ang impormasyong ito upang magdisenyo ng dalawang linear resistors (R1 at R2) at isang serpentine resistor (R3). ) na may mga nominal na resistensya na 10 kΩ, 100 kΩ, at 1.5 MΩ. Ang paglaban sa pagitan ng mga nominal na halaga ay nakakamit sa pamamagitan ng pag-print ng dalawa o tatlong layer ng tinta, tulad ng ipinapakita sa Figure 4, at mga larawan ng tatlong resistensya. Gumawa ng 8- 12 sample ng bawat uri; sa lahat ng kaso, ang standard deviation ng resistance ay 10% o mas mababa. at ang malapit na kasunduan sa nominal na halaga ay nagpapahiwatig na ang iba pang mga resistensya sa hanay na ito ay maaaring direktang makuha sa pamamagitan ng pagbabago ng geometry ng risistor.
Tatlong magkakaibang geometries ng resistor na may iba't ibang bilang ng carbon resistive ink coatings. Ang mga larawan ng tatlong resistor ay ipinapakita sa kanan.
Ang mga RLC circuit ay mga klasikong textbook na halimbawa ng mga kumbinasyon ng risistor, inductor, at capacitor na ginagamit upang ipakita at i-verify ang pag-uugali ng mga passive na bahagi na isinama sa mga tunay na naka-print na circuit. Sa circuit na ito, isang 8 μH inductor at isang 0.8 nF capacitor ay konektado sa serye, at isang Ang 25 kΩ risistor ay konektado sa parallel sa kanila. Ang larawan ng flexible circuit ay ipinapakita sa Figure 5a. Ang dahilan para sa pagpili ng espesyal na serye-parallel na kumbinasyon ay ang pag-uugali nito ay tinutukoy ng bawat isa sa tatlong magkakaibang mga bahagi ng dalas, upang ang ang pagganap ng bawat bahagi ay maaaring i-highlight at masuri. Isinasaalang-alang ang 7 Ω series resistance ng inductor at ang 1.3 Ω ESR ng capacitor, ang inaasahang frequency response ng circuit ay kinakalkula. Ang circuit diagram ay ipinapakita sa Figure 5b, at ang kinakalkula Ang impedance amplitude at phase at mga sinusukat na halaga ay ipinapakita sa Mga Figure 5c at d. Sa mababang frequency, ang mataas na impedance ng capacitor ay nangangahulugan na ang pag-uugali ng circuit ay natutukoy ng 25 kΩ risistor. Habang tumataas ang frequency, ang impedance ng bumababa ang landas ng LC; ang buong pag-uugali ng circuit ay capacitive hanggang ang resonant frequency ay 2.0 MHz. Sa itaas ng resonance frequency, nangingibabaw ang inductive impedance. Ang Figure 5 ay malinaw na nagpapakita ng mahusay na kasunduan sa pagitan ng kalkulado at sinusukat na mga halaga sa buong saklaw ng frequency. Nangangahulugan ito na ang modelo na ginamit dito (kung saan ang mga inductors at capacitor ay mainam na mga bahagi na may paglaban sa serye) ay tumpak para sa paghula ng pag-uugali ng circuit sa mga frequency na ito.
(a) Isang larawan ng isang screen-printed na RLC circuit na gumagamit ng serye na kumbinasyon ng isang 8 μH inductor at isang 0.8 nF capacitor na kahanay ng isang 25 kΩ resistor.(b) Circuit model kasama ang series resistance ng inductor at capacitor.(c , d) Ang impedance amplitude (c) at phase (d) ng circuit.
Sa wakas, ang mga naka-print na inductors at resistors ay ipinapatupad sa boost regulator. Ang IC na ginamit sa demonstration na ito ay Microchip MCP1640B14, na isang PWM-based synchronous boost regulator na may operating frequency na 500 kHz. Ang circuit diagram ay ipinapakita sa Figure 6a.A Ang 4.7 μH inductor at dalawang capacitor (4.7 μF at 10 μF) ay ginagamit bilang mga elemento ng pag-iimbak ng enerhiya, at isang pares ng resistors ang ginagamit upang sukatin ang output voltage ng feedback control. Piliin ang resistance value para i-adjust ang output voltage sa 5 V. Ang circuit ay ginawa sa PCB, at ang pagganap nito ay sinusukat sa loob ng load resistance at ang input voltage range na 3 hanggang 4 V upang gayahin ang lithium-ion na baterya sa iba't ibang charging states. Ang kahusayan ng mga naka-print na inductors at resistors ay inihambing sa kahusayan ng SMT inductors at resistors.SMT capacitors ay ginagamit sa lahat ng mga kaso dahil ang capacitance na kinakailangan para sa application na ito ay masyadong malaki upang makumpleto sa mga naka-print na capacitors.
(a) Diagram ng voltage stabilizing circuit.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, at (d) Mga waveform ng kasalukuyang dumadaloy sa inductor, ang input voltage ay 4.0 V, ang load resistance ay 1 kΩ, at ang naka-print na inductor ay ginagamit upang sukatin.Ginagamit ang mga surface mount resistors at capacitor para sa pagsukat na ito.(e) Para sa iba't ibang load resistances at input voltages, ang kahusayan ng mga circuit regulator ng boltahe gamit ang lahat ng surface mount component at mga naka-print na inductors at resistors.(f ) Ang ratio ng kahusayan ng surface mount at printed circuit na ipinapakita sa (e).
Para sa 4.0 V input voltage at 1000 Ω load resistance, ang mga waveform na sinusukat gamit ang mga naka-print na inductor ay ipinapakita sa Figure 6b-d. Ipinapakita ng Figure 6c ang boltahe sa Vsw terminal ng IC; ang boltahe ng inductor ay Vin-Vsw. Ipinapakita ng Figure 6d ang kasalukuyang dumadaloy sa inductor. Ang kahusayan ng circuit na may SMT at mga naka-print na bahagi ay ipinapakita sa Figure 6e bilang isang function ng input voltage at load resistance, at ang Figure 6f ay nagpapakita ng efficiency ratio ng mga naka-print na bahagi sa mga bahagi ng SMT. Ang kahusayan na sinusukat gamit ang mga bahagi ng SMT ay katulad ng inaasahang halaga na ibinigay sa sheet ng data ng tagagawa 14. Sa mataas na kasalukuyang input (mababa ang resistensya ng pagkarga at mababang boltahe ng input), ang kahusayan ng mga naka-print na inductor ay makabuluhang mas mababa kaysa na ng SMT inductors dahil sa mas mataas na series resistance.Gayunpaman, na may mas mataas na input boltahe at mas mataas na output current, ang pagkawala ng resistensya ay nagiging hindi gaanong mahalaga, at ang pagganap ng mga naka-print na inductors ay nagsisimulang lumapit sa mga SMT inductors.Para sa load resistances>500 Ω at Vin = 4.0 V o >750 Ω at Vin = 3.5 V, ang kahusayan ng mga naka-print na inductors ay mas malaki kaysa sa 85% ng SMT inductors.
Ang paghahambing ng kasalukuyang waveform sa Figure 6d sa sinusukat na pagkawala ng kapangyarihan ay nagpapakita na ang pagkawala ng paglaban sa inductor ay ang pangunahing sanhi ng pagkakaiba sa kahusayan sa pagitan ng naka-print na circuit at ng SMT circuit, tulad ng inaasahan. Ang input at output power na sinusukat sa 4.0 V input boltahe at 1000 Ω load resistance ay 30.4 mW at 25.8 mW para sa mga circuit na may mga bahagi ng SMT, at 33.1 mW at 25.2 mW para sa mga circuit na may naka-print na mga bahagi. Samakatuwid, ang pagkawala ng naka-print na circuit ay 7.9 mW, na 3.4 mW na mas mataas kaysa sa circuit na may mga bahagi ng SMT. Ang kasalukuyang inductor ng RMS na kinakalkula mula sa waveform sa Figure 6d ay 25.6 mA. Dahil ang series resistance nito ay 4.9 Ω, ang inaasahang pagkawala ng kuryente ay 3.2 mW. Ito ay 96% ng sinusukat na 3.4 mW DC power difference. Bilang karagdagan, ang circuit ay ginawa gamit ang mga naka-print na inductors at naka-print na resistors at naka-print na inductors at SMT resistors, at walang makabuluhang pagkakaiba sa kahusayan ang naobserbahan sa pagitan nila.
Pagkatapos ang boltahe regulator ay gawa-gawa sa nababaluktot na PCB (ang pag-print ng circuit at pagganap ng bahagi ng SMT ay ipinapakita sa Karagdagang Larawan S1) at konektado sa pagitan ng nababaluktot na baterya ng lithium-ion bilang pinagmumulan ng kapangyarihan at ang OLED array bilang ang load. Ayon kay Lochner et al. 9 Upang gumawa ng mga OLED, ang bawat OLED pixel ay kumokonsumo ng 0.6 mA sa 5 V. Gumagamit ang baterya ng lithium cobalt oxide at graphite bilang cathode at anode, ayon sa pagkakabanggit, at ginawa ng doctor blade coating, na siyang pinakakaraniwang paraan ng pag-print ng baterya.7 Ang ang kapasidad ng baterya ay 16mAh, at ang boltahe sa panahon ng pagsubok ay 4.0V. Ipinapakita ng Figure 7 ang isang larawan ng circuit sa nababaluktot na PCB, na nagpapagana ng tatlong OLED pixel na konektado nang magkatulad. nababaluktot at organikong mga aparato upang bumuo ng mas kumplikadong mga electronic system.
Isang larawan ng circuit ng regulator ng boltahe sa isang nababaluktot na PCB gamit ang mga naka-print na inductors at resistors, gamit ang mga flexible na baterya ng lithium-ion upang paganahin ang tatlong organikong LED.
Nagpakita kami ng mga screen printed inductors, capacitor at resistors na may hanay ng mga halaga sa nababaluktot na PET substrates, na may layuning palitan ang mga surface mount component sa power electronic equipment. , at line width-space width ratio, at sa pamamagitan ng paggamit ng isang makapal na layer ng low-resistance na tinta. Ang mga bahaging ito ay isinama sa isang ganap na naka-print at nababaluktot na RLC circuit at nagpapakita ng predictable na electrical behavior sa kHz-MHz frequency range, na pinakamaganda interes sa power electronics.
Ang karaniwang mga kaso ng paggamit para sa naka-print na power na mga electronic device ay naisusuot o pinagsama-samang produkto na mga flexible na electronic system, na pinapagana ng mga flexible na rechargeable na baterya (tulad ng lithium-ion), na maaaring makabuo ng mga variable na boltahe ayon sa estado ng pagsingil. Kung ang load (kabilang ang pag-print at organic na elektronikong kagamitan) ay nangangailangan ng pare-parehong boltahe o mas mataas kaysa sa boltahe na output ng baterya, kinakailangan ang isang boltahe regulator. Dahil dito, ang mga naka-print na inductors at resistors ay isinama sa mga tradisyonal na silicon IC sa isang boost regulator upang paganahin ang OLED na may pare-parehong boltahe ng 5 V mula sa isang variable na boltahe na power supply ng baterya.Sa loob ng isang tiyak na hanay ng load current at input voltage, ang kahusayan ng circuit na ito ay lumampas sa 85% ng kahusayan ng isang control circuit gamit ang surface mount inductors at resistors.Sa kabila ng materyal at geometric na pag-optimize, Ang mga resistive na pagkalugi sa inductor ay pa rin ang limiting factor para sa pagganap ng circuit sa mataas na antas ng kasalukuyang (input kasalukuyang mas malaki kaysa sa tungkol sa 10 mA). Gayunpaman, sa mas mababang mga alon, ang mga pagkalugi sa inductor ay nabawasan, at ang pangkalahatang pagganap ay limitado ng kahusayan ng IC. Dahil maraming mga naka-print at organikong device ang nangangailangan ng medyo mababa ang agos, gaya ng maliliit na OLED na ginamit sa aming demonstration, ang mga naka-print na power inductors ay maaaring ituring na angkop para sa mga naturang application. Sa pamamagitan ng paggamit ng mga IC na idinisenyo upang magkaroon ng pinakamataas na kahusayan sa mas mababang kasalukuyang antas, maaaring makamit ang mas mataas na pangkalahatang kahusayan ng converter.
Sa gawaing ito, ang boltahe regulator ay binuo sa tradisyonal na PCB, nababaluktot na PCB at surface mount component soldering technology, habang ang naka-print na bahagi ay ginawa sa isang hiwalay na substrate.Gayunpaman, ang mababang temperatura at mataas na lagkit na mga tinta na ginagamit upang makagawa ng screen- dapat pahintulutan ng mga naka-print na pelikula ang mga passive na bahagi, pati na rin ang pagkakabit sa pagitan ng device at ng surface mount component contact pad, na mai-print sa anumang substrate. ang buong circuit na itatayo sa mga murang substrate (tulad ng PET) nang hindi nangangailangan ng mga subtractive na proseso tulad ng PCB etching. Samakatuwid, ang mga naka-screen na passive na bahagi na binuo sa gawaing ito ay tumutulong sa pagbibigay daan para sa nababaluktot na mga electronic system na nagsasama ng enerhiya at mga load. na may high-performance power electronics, gamit ang murang mga substrate, pangunahin ang mga additive na proseso at minimal Ang bilang ng mga surface mount component.
Gamit ang Asys ASP01M screen printer at isang hindi kinakalawang na asero na screen na ibinigay ng Dynamesh Inc., ang lahat ng mga layer ng passive na bahagi ay naka-screen print sa isang flexible PET substrate na may kapal na 76 μm. Ang mesh size ng metal layer ay 400 lines per inch at 250 mga linya bawat pulgada para sa dielectric layer at ang resistance layer.Gumamit ng squeegee force na 55 N, bilis ng pag-print na 60 mm/s, breaking distance na 1.5 mm, at Serilor squeegee na may hardness na 65 (para sa metal at resistive layers) o 75 (para sa dielectric layers) para sa screen printing.
Ang mga conductive layer—ang mga inductors at ang mga contact ng mga capacitor at resistors—ay naka-print gamit ang DuPont 5082 o DuPont 5064H silver microflake ink. Ang resistor ay naka-print gamit ang DuPont 7082 carbon conductor. Para sa capacitor dielectric, ang conductive compound na BT-101 barium titanate dielectric ay ginagamit.Ang bawat layer ng dielectric ay ginawa gamit ang isang two-pass (wet-wet) na ikot ng pag-imprenta upang mapabuti ang pagkakapareho ng pelikula. Para sa bawat bahagi, ang epekto ng maraming mga ikot ng pag-print sa pagganap ng bahagi at pagkakaiba-iba ay napagmasdan. Mga sample na ginawa gamit ang maramihang mga coatings ng parehong materyal ay pinatuyo sa 70 °C para sa 2 minuto sa pagitan ng mga coatings.Pagkatapos ilapat ang huling coat ng bawat materyal, ang mga sample ay inihurnong sa 140 °C para sa 10 minuto upang matiyak ang kumpletong pagpapatayo. Ang awtomatikong pag-align ng function ng screen ginagamit ang printer upang ihanay ang kasunod na mga layer. Ang pakikipag-ugnayan sa gitna ng inductor ay nakakamit sa pamamagitan ng pagputol ng butas sa center pad at mga bakas ng pag-print ng stencil sa likod ng substrate na may DuPont 5064H na tinta. Gumagamit din ang interconnection sa pagitan ng kagamitan sa pag-print ng Dupont 5064H stencil printing. Upang maipakita ang mga naka-print na bahagi at mga bahagi ng SMT sa nababaluktot na PCB na ipinapakita sa Figure 7, ang mga naka-print na bahagi ay konektado gamit ang Circuit Works CW2400 conductive epoxy, at ang mga bahagi ng SMT ay konektado sa pamamagitan ng tradisyonal na paghihinang.
Lithium cobalt oxide (LCO) at graphite-based electrodes ay ginagamit bilang cathode at anode ng baterya, ayon sa pagkakabanggit.Ang cathode slurry ay pinaghalong 80% LCO (MTI Corp.), 7.5% graphite (KS6, Timcal), 2.5 % carbon black (Super P, Timcal) at 10% polyvinylidene fluoride (PVDF, Kureha Corp.). ) Ang anode ay pinaghalong 84wt% graphite, 4wt% carbon black at 13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) ay ginagamit upang matunaw ang PVDF binder at ikalat ang slurry. Ang slurry ay homogenized ng hinahalo gamit ang vortex mixer magdamag.Ang 0.0005 inch na kapal na hindi kinakalawang na asero na foil at isang 10 μm nickel foil ay ginagamit bilang kasalukuyang mga collectors para sa cathode at anode, ayon sa pagkakabanggit. Ang tinta ay naka-print sa kasalukuyang collector na may squeegee sa bilis ng pag-print na 20 mm/s. Painitin ang elektrod sa oven sa 80 °C sa loob ng 2 oras upang maalis ang solvent. Ang taas ng elektrod pagkatapos matuyo ay mga 60 μm, at batay sa bigat ng aktibong materyal, ang teoretikal na kapasidad ay 1.65 mAh /cm2.Ang mga electrodes ay pinutol sa mga sukat na 1.3 × 1.3 cm2 at pinainit sa isang vacuum oven sa 140°C magdamag, at pagkatapos ay tinatakan sila ng mga aluminum laminate bag sa isang glove box na puno ng nitrogen. Isang solusyon ng polypropylene base film na may anode at cathode at 1M LiPF6 sa EC/DEC (1:1) ang ginagamit bilang electrolyte ng baterya.
Green OLED ay binubuo ng poly(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) at poly((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole- 4, 8-diyl)) (F8BT) ayon sa pamamaraang nakabalangkas sa Lochner et al 9.
Gumamit ng Dektak stylus profiler upang sukatin ang kapal ng pelikula. Ang pelikula ay pinutol upang maghanda ng cross-sectional sample para sa pagsisiyasat sa pamamagitan ng pag-scan ng electron microscopy (SEM). Ang FEI Quanta 3D field emission gun (FEG) SEM ay ginagamit upang makilala ang istraktura ng naka-print pelikula at kumpirmahin ang pagsukat ng kapal. Ang pag-aaral ng SEM ay isinagawa sa isang accelerating na boltahe na 20 keV at isang tipikal na working distance na 10 mm.
Gumamit ng digital multimeter para sukatin ang DC resistance, boltahe at kasalukuyang. Ang AC impedance ng mga inductors, capacitor at circuit ay sinusukat gamit ang Agilent E4980 LCR meter para sa mga frequency na mas mababa sa 1 MHz at Agilent E5061A network analyzer ay ginagamit para sa pagsukat ng mga frequency na higit sa 500 kHz. Gamitin ang Tektronix TDS 5034 oscilloscope upang sukatin ang waveform ng voltage regulator.
Paano banggitin ang artikulong ito: Ostfeld, AE, atbp.Screen printing passive component para sa flexible power electronic equipment.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Flexible electronics: ang susunod na ubiquitous platform.Process IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Human Intranet: Isang lugar kung saan nakakatugon ang mga grupo ng mga tao. Papel na inilathala sa 2015 European Conference and Exhibition on Design, Automation and Testing, Grenoble, France.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, March 9- 13).
Krebs, FC atbp.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC na naka-print na piezoelectric energy harvesting device. Mga advanced na materyales sa enerhiya.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-printed flat thick film thermoelectric energy generator.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Isang flexible na may mataas na potensyal na naka-print na baterya na ginagamit sa pagpapagana ng mga naka-print na electronic device.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Ang pinakabagong mga pag-unlad sa mga naka-print na flexible na baterya: mga mekanikal na hamon, teknolohiya sa pag-print at mga prospect sa hinaharap. Teknolohiya ng enerhiya.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. atbp.Isang malakihang sensing system na pinagsasama ang malalaking lugar na mga electronic device at CMOS ICs para sa structural health monitoring.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).