berita

Terima kasih telah mengunjungi Nature.Versi browser yang Anda gunakan memiliki dukungan terbatas untuk CSS.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan versi browser yang lebih baru (atau mematikan mode kompatibilitas di Internet Explorer).Pada saat yang sama , untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Aditif dan proses pencetakan suhu rendah dapat mengintegrasikan berbagai perangkat elektronik yang memakan daya dan memakan daya pada media fleksibel dengan biaya rendah. Namun, produksi sistem elektronik lengkap dari perangkat ini biasanya memerlukan perangkat elektronik daya untuk mengkonversi berbagai tegangan operasi dari komponen pasif—induktor, kapasitor, dan resistor—melakukan fungsi seperti pemfilteran, penyimpanan energi jangka pendek, dan pengukuran tegangan, yang penting dalam elektronika daya dan banyak aplikasi lainnya. Pada artikel ini, kami memperkenalkan induktor, kapasitor, resistor dan rangkaian RLC dicetak di layar pada substrat plastik fleksibel, dan melaporkan proses desain untuk meminimalkan resistansi seri induktor sehingga dapat digunakan pada perangkat elektronik daya. Induktor dan resistor yang dicetak kemudian dimasukkan ke dalam rangkaian pengatur penguat. dioda pemancar cahaya organik dan baterai lithium-ion fleksibel.Regulator tegangan digunakan untuk memberi daya pada dioda dari baterai, menunjukkan potensi komponen pasif yang dicetak untuk menggantikan komponen pemasangan permukaan tradisional dalam aplikasi konverter DC-DC.
Dalam beberapa tahun terakhir, penerapan berbagai perangkat fleksibel pada produk elektronik yang dapat dipakai dan memiliki area luas serta Internet of Things1,2 telah dikembangkan. Ini termasuk perangkat pemanen energi, seperti fotovoltaik 3, piezoelektrik 4, dan termoelektrik 5;perangkat penyimpan energi, seperti baterai 6, 7;dan perangkat yang memakan daya, seperti sensor 8, 9, 10, 11, 12, dan sumber cahaya 13. Meskipun kemajuan besar telah dicapai dalam sumber energi dan beban individual, menggabungkan komponen-komponen ini ke dalam sistem elektronik yang lengkap biasanya memerlukan elektronika daya untuk mengatasi ketidaksesuaian antara perilaku catu daya dan kebutuhan beban. Misalnya, baterai menghasilkan tegangan variabel sesuai dengan status pengisian dayanya. Jika beban memerlukan tegangan konstan, atau lebih tinggi dari tegangan yang dapat dihasilkan baterai, diperlukan elektronika daya .Elektronik daya menggunakan komponen aktif (transistor) untuk melakukan fungsi pensaklaran dan kontrol, serta komponen pasif (induktor, kapasitor, dan resistor). Misalnya, dalam rangkaian pengatur pensaklaran, induktor digunakan untuk menyimpan energi selama setiap siklus pensaklaran. , kapasitor digunakan untuk mengurangi riak tegangan, dan pengukuran tegangan yang diperlukan untuk kontrol umpan balik dilakukan dengan menggunakan pembagi resistor.
Perangkat elektronik daya yang cocok untuk perangkat yang dapat dipakai (seperti oksimeter pulsa 9) memerlukan beberapa volt dan beberapa miliampere, biasanya beroperasi pada rentang frekuensi ratusan kHz hingga beberapa MHz, dan memerlukan beberapa μH dan beberapa induktansi μH dan kapasitansi μF adalah 14 masing-masing. Metode tradisional pembuatan sirkuit ini adalah dengan menyolder komponen diskrit ke papan sirkuit cetak kaku (PCB). Meskipun komponen aktif sirkuit elektronik daya biasanya digabungkan menjadi satu sirkuit terintegrasi silikon (IC), komponen pasif biasanya eksternal, baik memungkinkan sirkuit khusus, atau karena induktansi dan kapasitansi yang diperlukan terlalu besar untuk diterapkan dalam silikon.
Dibandingkan dengan teknologi manufaktur tradisional berbasis PCB, pembuatan perangkat dan sirkuit elektronik melalui proses pencetakan aditif memiliki banyak keunggulan dalam hal kesederhanaan dan biaya. Pertama, karena banyak komponen sirkuit memerlukan bahan yang sama, seperti logam untuk kontak dan interkoneksi, pencetakan memungkinkan beberapa komponen diproduksi secara bersamaan, dengan langkah pemrosesan yang relatif sedikit dan sumber bahan yang lebih sedikit15. Penggunaan proses aditif untuk menggantikan proses subtraktif seperti fotolitografi dan etsa semakin mengurangi kompleksitas proses dan limbah material16, 17, 18, dan 19. Selain itu, suhu rendah yang digunakan dalam pencetakan kompatibel dengan substrat plastik yang fleksibel dan murah, memungkinkan penggunaan proses manufaktur roll-to-roll berkecepatan tinggi untuk mencakup perangkat elektronik 16, 20 pada area yang luas.Untuk aplikasi yang tidak dapat sepenuhnya diwujudkan dengan komponen pencetakan, metode hibrid telah dikembangkan di mana komponen teknologi pemasangan permukaan (SMT) dihubungkan ke media fleksibel 21, 22, 23 di samping komponen pencetakan pada suhu rendah. Dalam pendekatan hibrid ini, masih perlu untuk mengganti sebanyak mungkin komponen SMT dengan komponen tercetak untuk mendapatkan manfaat dari proses tambahan dan meningkatkan fleksibilitas rangkaian secara keseluruhan. Untuk mewujudkan elektronika daya yang fleksibel, kami telah mengusulkan kombinasi komponen aktif SMT dan pasif yang dicetak di layar komponen, dengan penekanan khusus pada penggantian induktor SMT besar dengan induktor spiral planar. Di antara berbagai teknologi untuk pembuatan elektronik cetak, sablon sangat cocok untuk komponen pasif karena ketebalan filmnya yang besar (yang diperlukan untuk meminimalkan resistansi seri fitur logam ) dan kecepatan pencetakan yang tinggi, bahkan ketika menutupi area setinggi sentimeter. Hal yang sama terkadang berlaku. Materi 24.
Hilangnya komponen pasif peralatan elektronika daya harus diminimalkan, karena efisiensi rangkaian secara langsung mempengaruhi jumlah energi yang dibutuhkan untuk memberi daya pada sistem. Hal ini terutama merupakan tantangan bagi induktor tercetak yang terdiri dari kumparan panjang, yang oleh karena itu rentan terhadap seri tinggi resistensi.Oleh karena itu, meskipun beberapa upaya telah dilakukan untuk meminimalkan resistansi 25, 26, 27, 28 dari kumparan tercetak, masih terdapat kekurangan komponen pasif tercetak efisiensi tinggi untuk perangkat elektronik daya. Hingga saat ini, banyak yang melaporkan tercetak pasif komponen pada substrat fleksibel dirancang untuk beroperasi di sirkuit resonansi untuk identifikasi frekuensi radio (RFID) atau tujuan pengumpulan energi 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Lainnya fokus pada pengembangan material atau proses manufaktur dan menampilkan komponen umum 26, 32, 33, 34 yang tidak dioptimalkan untuk aplikasi tertentu. Sebaliknya, rangkaian elektronika daya seperti pengatur tegangan sering kali menggunakan komponen yang lebih besar daripada perangkat pasif cetak pada umumnya dan tidak memerlukan resonansi, sehingga diperlukan desain komponen yang berbeda.
Di sini, kami memperkenalkan desain dan optimalisasi induktor cetak layar dalam rentang μH untuk mencapai resistansi seri terkecil dan kinerja tinggi pada frekuensi yang terkait dengan elektronika daya. Induktor, kapasitor, dan resistor cetak layar dengan berbagai nilai komponen diproduksi pada substrat plastik fleksibel. Kesesuaian komponen ini untuk produk elektronik fleksibel pertama kali ditunjukkan dalam rangkaian RLC sederhana. Induktor dan resistor yang dicetak kemudian diintegrasikan dengan IC untuk membentuk pengatur penguat. Terakhir, dioda pemancar cahaya organik (OLED) ) dan baterai litium-ion fleksibel diproduksi, dan pengatur tegangan digunakan untuk memberi daya pada OLED dari baterai.
Untuk merancang induktor cetak untuk elektronika daya, pertama-tama kami memperkirakan induktansi dan resistansi DC dari serangkaian geometri induktor berdasarkan model lembaran saat ini yang diusulkan dalam Mohan et al.35, dan membuat induktor dengan geometri berbeda untuk memastikan keakuratan model. Dalam karya ini, bentuk lingkaran dipilih untuk induktor karena induktansi yang lebih tinggi (36) dapat dicapai dengan resistansi yang lebih rendah dibandingkan dengan geometri poligonal. Pengaruh tinta jenis dan jumlah siklus pencetakan pada resistansi ditentukan. Hasil ini kemudian digunakan dengan model ammeter untuk merancang induktor 4,7 μH dan 7,8 μH yang dioptimalkan untuk resistansi DC minimum.
Induktansi dan resistansi DC dari induktor spiral dapat digambarkan dengan beberapa parameter: diameter luar do, lebar putaran w dan jarak s, jumlah putaran n, dan resistansi lembaran konduktor Rsheet. Gambar 1a menunjukkan foto induktor melingkar yang dicetak dengan layar sutra dengan n = 12, menunjukkan parameter geometri yang menentukan induktansinya. Menurut model ammeter Mohan et al.35, induktansi dihitung untuk serangkaian geometri induktor, di mana
(a) Foto induktor yang dicetak di layar menunjukkan parameter geometris. Diameternya 3 cm. Induktansi (b) dan resistansi DC (c) dari berbagai geometri induktor. Garis dan tanda masing-masing sesuai dengan nilai yang dihitung dan diukur. (d,e) Resistansi DC induktor L1 dan L2 masing-masing dicetak di layar dengan tinta perak Dupont 5028 dan 5064H. (f,g) Mikrograf SEM dari layar film masing-masing dicetak oleh Dupont 5028 dan 5064H.
Pada frekuensi tinggi, efek kulit dan kapasitansi parasit akan mengubah resistansi dan induktansi induktor sesuai dengan nilai DC-nya. Induktor diharapkan bekerja pada frekuensi yang cukup rendah sehingga efek ini dapat diabaikan, dan perangkat berperilaku sebagai induktansi konstan. dengan resistansi konstan secara seri. Oleh karena itu, dalam karya ini, kami menganalisis hubungan antara parameter geometri, induktansi, dan resistansi DC, dan menggunakan hasilnya untuk mendapatkan induktansi tertentu dengan resistansi DC terkecil.
Induktansi dan resistansi dihitung untuk serangkaian parameter geometris yang dapat diwujudkan dengan sablon, dan diharapkan akan dihasilkan induktansi dalam rentang μH. Diameter luar 3 dan 5 cm, lebar garis 500 dan 1000 mikron , dan berbagai belitan dibandingkan. Dalam perhitungan, diasumsikan bahwa resistansi lembaran adalah 47 mΩ/□, yang sesuai dengan lapisan konduktor mikroflake perak Dupont 5028 setebal 7 μm yang dicetak dengan layar 400 mesh dan pengaturan w = s. nilai induktansi dan resistansi yang dihitung masing-masing ditunjukkan pada Gambar 1b dan c. Model memperkirakan bahwa induktansi dan resistansi meningkat seiring dengan bertambahnya diameter luar dan jumlah lilitan, atau seiring dengan berkurangnya lebar garis.
Untuk mengevaluasi keakuratan prediksi model, induktor dengan berbagai geometri dan induktansi dibuat pada substrat polietilen tereftalat (PET). Nilai induktansi dan resistansi yang diukur ditunjukkan pada Gambar 1b dan c. Meskipun resistansi menunjukkan beberapa penyimpangan dari nilai yang diharapkan, terutama karena perubahan ketebalan dan keseragaman tinta yang disimpan, induktansi menunjukkan kesesuaian yang sangat baik dengan model.
Hasil ini dapat digunakan untuk merancang induktor dengan induktansi yang diperlukan dan resistansi DC minimum. Misalnya, diperlukan induktansi 2 μH. Gambar 1b menunjukkan bahwa induktansi ini dapat direalisasikan dengan diameter luar 3 cm, lebar garis 500 μm, dan 10 putaran. Induktansi yang sama juga dapat dihasilkan dengan menggunakan diameter luar 5 cm, lebar garis 500 μm dan 5 putaran atau lebar garis 1000 μm dan 7 putaran (seperti yang ditunjukkan pada gambar). Membandingkan resistansi ketiganya kemungkinan geometri pada Gambar 1c, dapat ditemukan bahwa resistansi terendah dari induktor 5 cm dengan lebar garis 1000 μm adalah 34 Ω, yaitu sekitar 40% lebih rendah dari dua lainnya. Proses desain umum untuk mencapai induktansi tertentu dengan resistansi minimum diringkas sebagai berikut: Pertama, pilih diameter luar maksimum yang diijinkan sesuai dengan batasan ruang yang ditentukan oleh aplikasi. Kemudian, lebar garis harus sebesar mungkin sambil tetap mencapai induktansi yang diperlukan untuk mendapatkan laju pengisian yang tinggi (Persamaan (3)).
Dengan meningkatkan ketebalan atau menggunakan bahan dengan konduktivitas lebih tinggi untuk mengurangi resistansi lembaran film logam, resistansi DC dapat dikurangi lebih lanjut tanpa mempengaruhi induktansi. Dua induktor, yang parameter geometriknya diberikan pada Tabel 1, disebut L1 dan L2, diproduksi dengan jumlah pelapis yang berbeda untuk mengevaluasi perubahan resistansi. Ketika jumlah pelapis tinta meningkat, resistansi menurun secara proporsional seperti yang diharapkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1d dan e, yang masing-masing merupakan induktor L1 dan L2. Gambar 1d dan e menunjukkan bahwa dengan mengaplikasikan 6 lapis pelapis, resistansi dapat dikurangi hingga 6 kali lipat, dan pengurangan resistansi maksimum (50-65%) terjadi antara lapisan 1 dan lapisan 2. Karena setiap lapisan tinta relatif tipis, a layar dengan ukuran kisi yang relatif kecil (400 baris per inci) digunakan untuk mencetak induktor ini, yang memungkinkan kita mempelajari pengaruh ketebalan konduktor terhadap resistansi. Selama fitur pola tetap lebih besar dari resolusi minimum kisi, a ketebalan (dan resistansi) yang serupa dapat dicapai lebih cepat dengan mencetak lebih sedikit lapisan dengan ukuran kisi yang lebih besar. Metode ini dapat digunakan untuk mencapai resistansi DC yang sama seperti induktor 6 lapis yang dibahas di sini, tetapi dengan kecepatan produksi yang lebih tinggi.
Gambar 1d dan e juga menunjukkan bahwa dengan menggunakan tinta serpihan perak DuPont 5064H yang lebih konduktif, resistansi berkurang dua kali lipat. Dari mikrograf SEM film yang dicetak dengan dua tinta tersebut (Gambar 1f, g), dapat terlihat bahwa konduktivitas yang lebih rendah dari tinta 5028 disebabkan oleh ukuran partikelnya yang lebih kecil dan adanya banyak rongga antar partikel dalam film yang dicetak. Sebaliknya, 5064H memiliki serpihan yang lebih besar dan tersusun lebih rapat, sehingga berperilaku lebih dekat dengan tinta curah. perak.Meskipun film yang dihasilkan oleh tinta ini lebih tipis dari tinta 5028, dengan satu lapisan 4 μm dan 6 lapisan 22 μm, peningkatan konduktivitas cukup untuk mengurangi resistansi keseluruhan.
Akhirnya, meskipun induktansi (persamaan (1)) bergantung pada jumlah lilitan (w + s), resistansi (persamaan (5)) hanya bergantung pada lebar garis w. Oleh karena itu, dengan meningkatkan w relatif terhadap s, resistansi dapat dikurangi lebih lanjut. Dua induktor tambahan L3 dan L4 dirancang memiliki w = 2s dan diameter luar yang besar, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Induktor ini dibuat dengan 6 lapisan lapisan DuPont 5064H, seperti yang ditunjukkan sebelumnya, untuk memberikan kinerja tertinggi. Induktansi L3 adalah 4,720 ± 0,002 μH dan resistansinya adalah 4,9 ± 0,1 Ω, sedangkan induktansi L4 adalah 7,839 ± 0,005 μH dan 6,9 ± 0,1 Ω, yang sesuai dengan prediksi model. peningkatan ketebalan, konduktivitas, dan w/s, ini berarti bahwa rasio L/R telah meningkat lebih dari satu urutan besarnya dibandingkan dengan nilai pada Gambar 1.
Meskipun resistansi DC yang rendah cukup menjanjikan, evaluasi kesesuaian induktor untuk peralatan elektronika daya yang beroperasi pada rentang kHz-MHz memerlukan karakterisasi pada frekuensi AC. Gambar 2a menunjukkan ketergantungan frekuensi resistansi dan reaktansi L3 dan L4.Untuk frekuensi di bawah 10 MHz , resistansi kira-kira tetap konstan pada nilai DC-nya, sedangkan reaktansi meningkat secara linier seiring dengan frekuensi, yang berarti induktansinya konstan seperti yang diharapkan. Frekuensi resonansi mandiri didefinisikan sebagai frekuensi di mana impedansi berubah dari induktif ke kapasitif, dengan L3 menjadi 35,6 ± 0,3 MHz dan L4 menjadi 24,3 ± 0,6 MHz. Ketergantungan frekuensi faktor kualitas Q (sama dengan ωL/R) ditunjukkan pada Gambar 2b. L3 dan L4 mencapai faktor kualitas maksimum 35 ± 1 dan 33 ± 1 pada frekuensi masing-masing 11 dan 16 MHz. Induktansi beberapa μH dan Q yang relatif tinggi pada frekuensi MHz membuat induktor ini cukup untuk menggantikan induktor pemasangan permukaan tradisional pada konverter DC-DC berdaya rendah.
Resistansi terukur R dan reaktansi X (a) dan faktor kualitas Q (b) induktor L3 dan L4 berhubungan dengan frekuensi.
Untuk meminimalkan jejak yang diperlukan untuk kapasitansi tertentu, yang terbaik adalah menggunakan teknologi kapasitor dengan kapasitansi spesifik yang besar, yaitu sama dengan konstanta dielektrik ε dibagi dengan ketebalan dielektrik. Dalam karya ini, kami memilih komposit barium titanat sebagai dielektrik karena memiliki epsilon yang lebih tinggi dibandingkan dielektrik organik olahan larutan lainnya. Lapisan dielektrik disablon di antara dua konduktor perak sehingga membentuk struktur logam-dielektrik-logam. Kapasitor dengan berbagai ukuran dalam centimeter, seperti terlihat pada Gambar 3a , diproduksi menggunakan dua atau tiga lapisan tinta dielektrik untuk mempertahankan hasil yang baik. Gambar 3b menunjukkan mikrograf SEM penampang dari kapasitor representatif yang dibuat dengan dua lapisan dielektrik, dengan total ketebalan dielektrik 21 μm. Elektroda atas dan bawah masing-masing adalah 5064H satu lapis dan enam lapis. Partikel barium titanat berukuran mikron terlihat pada gambar SEM karena area yang lebih terang dikelilingi oleh pengikat organik yang lebih gelap. Tinta dielektrik membasahi elektroda bawah dengan baik dan membentuk antarmuka yang jelas dengan elektroda film logam yang dicetak, seperti diperlihatkan dalam ilustrasi dengan perbesaran lebih tinggi.
(a) Foto kapasitor dengan lima luas berbeda.(b) Mikrograf SEM penampang kapasitor dengan dua lapisan dielektrik, menunjukkan dielektrik barium titanat dan elektroda perak.(c) Kapasitansi kapasitor dengan 2 dan 3 barium titanat lapisan dielektrik dan luas yang berbeda, diukur pada 1 MHz.(d) Hubungan antara kapasitansi, ESR, dan faktor kerugian kapasitor 2,25 cm2 dengan 2 lapisan lapisan dielektrik dan frekuensi.
Kapasitansi sebanding dengan area yang diharapkan.Seperti ditunjukkan pada Gambar 3c, kapasitansi spesifik dielektrik dua lapis adalah 0,53 nF/cm2, dan kapasitansi spesifik dielektrik tiga lapis adalah 0,33 nF/cm2. Nilai-nilai ini sesuai dengan konstanta dielektrik 13. kapasitansi dan faktor disipasi (DF) juga diukur pada frekuensi yang berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3d, untuk kapasitor 2,25 cm2 dengan dua lapisan dielektrik. Kami menemukan bahwa kapasitansi relatif datar pada rentang frekuensi yang diinginkan, meningkat sebesar 20% dari 1 menjadi 10 MHz, sedangkan pada rentang yang sama, DF meningkat dari 0,013 menjadi 0,023. Karena faktor disipasi adalah rasio energi yang hilang terhadap energi yang disimpan dalam setiap siklus AC, DF sebesar 0,02 berarti 2% daya yang ditangani oleh kapasitor dikonsumsi. Kerugian ini biasanya dinyatakan sebagai resistansi seri ekuivalen (ESR) yang bergantung pada frekuensi yang dihubungkan secara seri dengan kapasitor, yang sama dengan DF/ωC. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3d, untuk frekuensi lebih besar dari 1 MHz, ESR lebih rendah dari 1,5 Ω, dan untuk frekuensi lebih besar dari 4 MHz, ESR lebih rendah dari 0,5 Ω. Meskipun menggunakan teknologi kapasitor ini, kapasitor kelas μF yang diperlukan untuk konverter DC-DC memerlukan area yang sangat luas, namun 100 pF- Rentang kapasitansi nF dan kehilangan kapasitor yang rendah membuatnya cocok untuk aplikasi lain, seperti filter dan rangkaian resonansi. Berbagai metode dapat digunakan untuk meningkatkan kapasitansi. Konstanta dielektrik yang lebih tinggi meningkatkan kapasitansi spesifik 37;misalnya, hal ini dapat dicapai dengan meningkatkan konsentrasi partikel barium titanat dalam tinta. Ketebalan dielektrik yang lebih kecil dapat digunakan, meskipun hal ini memerlukan elektroda bawah dengan kekasaran yang lebih rendah daripada serpihan perak yang dicetak di layar. Kapasitor yang lebih tipis dan kekasaran lebih rendah lapisan dapat disimpan dengan pencetakan inkjet (31) atau pencetakan gravure (10), yang dapat dikombinasikan dengan proses sablon. Akhirnya, beberapa lapisan logam dan dielektrik bergantian dapat ditumpuk dan dicetak serta dihubungkan secara paralel, sehingga meningkatkan kapasitansi 34 per satuan luas .
Pembagi tegangan yang terdiri dari sepasang resistor biasanya digunakan untuk melakukan pengukuran tegangan yang diperlukan untuk kontrol umpan balik pengatur tegangan. Untuk jenis aplikasi ini, resistansi resistor yang dicetak harus berada dalam kisaran kΩ-MΩ, dan perbedaan antara perangkatnya kecil. Di sini, ditemukan bahwa resistansi lembaran tinta karbon cetak layar satu lapis adalah 900 Ω/□. Informasi ini digunakan untuk merancang dua resistor linier (R1 dan R2) dan resistor serpentin (R3 ) dengan resistansi nominal 10 kΩ, 100 kΩ, dan 1,5 MΩ. Resistansi antara nilai nominal dicapai dengan mencetak dua atau tiga lapis tinta, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, dan foto dari ketiga resistansi tersebut. Buat 8- 12 sampel setiap jenis;dalam semua kasus, deviasi standar resistansi adalah 10% atau kurang. Perubahan resistansi sampel dengan dua atau tiga lapisan pelapis cenderung sedikit lebih kecil dibandingkan sampel dengan satu lapisan pelapis. Perubahan kecil pada resistansi terukur dan kesesuaian yang erat dengan nilai nominal menunjukkan bahwa resistansi lain dalam kisaran ini dapat diperoleh secara langsung dengan memodifikasi geometri resistor.
Tiga geometri resistor berbeda dengan jumlah lapisan tinta resistif karbon berbeda. Foto ketiga resistor ditunjukkan di sebelah kanan.
Rangkaian RLC adalah contoh buku teks klasik dari kombinasi resistor, induktor, dan kapasitor yang digunakan untuk mendemonstrasikan dan memverifikasi perilaku komponen pasif yang diintegrasikan ke dalam rangkaian cetak nyata. Dalam rangkaian ini, induktor 8 μH dan kapasitor 0,8 nF dihubungkan secara seri, dan a Resistor 25 kΩ dihubungkan secara paralel dengannya. Foto rangkaian fleksibel ditunjukkan pada Gambar 5a. Alasan memilih kombinasi seri-paralel khusus ini adalah karena perilakunya ditentukan oleh masing-masing dari tiga komponen frekuensi yang berbeda, sehingga kinerja masing-masing komponen dapat disorot dan dievaluasi. Dengan mempertimbangkan resistansi seri 7 Ω dari induktor dan ESR kapasitor 1,3 Ω, respons frekuensi yang diharapkan dari rangkaian dihitung. Diagram rangkaian ditunjukkan pada Gambar 5b, dan perhitungan amplitudo impedansi dan fasa serta nilai terukur ditunjukkan pada Gambar 5c dan d. Pada frekuensi rendah, impedansi kapasitor yang tinggi berarti bahwa perilaku rangkaian ditentukan oleh resistor 25 kΩ. jalur LC berkurang;seluruh perilaku rangkaian bersifat kapasitif hingga frekuensi resonansi 2,0 MHz. Di atas frekuensi resonansi, impedansi induktif mendominasi. Gambar 5 dengan jelas menunjukkan kesesuaian yang sangat baik antara nilai yang dihitung dan diukur di seluruh rentang frekuensi. Artinya model yang digunakan di sini (di mana induktor dan kapasitor merupakan komponen ideal dengan resistansi seri) akurat untuk memprediksi perilaku rangkaian pada frekuensi ini.
(a) Foto rangkaian RLC yang dicetak di layar yang menggunakan kombinasi seri induktor 8 μH dan kapasitor 0,8 nF secara paralel dengan resistor 25 kΩ. (b) Model rangkaian termasuk resistansi seri induktor dan kapasitor.(c) ,d) Amplitudo impedansi (c) dan fasa (d) rangkaian.
Terakhir, induktor dan resistor tercetak diimplementasikan pada regulator boost. IC yang digunakan dalam demonstrasi ini adalah Microchip MCP1640B14 yang merupakan regulator boost sinkron berbasis PWM dengan frekuensi operasi 500 kHz. Diagram rangkaian ditunjukkan pada Gambar 6a.A Induktor 4,7 μH dan dua kapasitor (4,7 μF dan 10 μF) digunakan sebagai elemen penyimpan energi, dan sepasang resistor digunakan untuk mengukur tegangan keluaran dari kontrol umpan balik. Pilih nilai resistansi untuk menyesuaikan tegangan keluaran ke 5 V. Sirkuit ini dibuat pada PCB, dan kinerjanya diukur dalam resistansi beban dan rentang tegangan input 3 hingga 4 V untuk mensimulasikan baterai lithium-ion dalam berbagai status pengisian daya. Efisiensi induktor dan resistor yang dicetak dibandingkan dengan efisiensi induktor dan resistor SMT. Kapasitor SMT digunakan dalam semua kasus karena kapasitansi yang diperlukan untuk aplikasi ini terlalu besar untuk dilengkapi dengan kapasitor cetak.
(a) Diagram rangkaian penstabil tegangan.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, dan (d) Bentuk gelombang arus yang mengalir ke induktor, tegangan masukan 4,0 V, hambatan beban 1 kΩ, dan induktor tercetak digunakan untuk mengukur. Resistor dan kapasitor pemasangan permukaan digunakan untuk pengukuran ini. (e) Untuk berbagai resistansi beban dan tegangan masukan, efisiensi rangkaian pengatur tegangan menggunakan semua komponen pemasangan permukaan serta induktor dan resistor tercetak. (f ) Rasio efisiensi pemasangan permukaan dan sirkuit cetak ditunjukkan pada (e).
Untuk tegangan masukan 4,0 V dan resistansi beban 1000 Ω, bentuk gelombang yang diukur menggunakan induktor tercetak ditunjukkan pada Gambar 6b-d. Gambar 6c menunjukkan tegangan pada terminal Vsw IC;tegangan induktor adalah Vin-Vsw.Gambar 6d menunjukkan arus yang mengalir ke induktor. Efisiensi rangkaian dengan SMT dan komponen cetak ditunjukkan pada Gambar 6e sebagai fungsi dari tegangan masukan dan resistansi beban, dan Gambar 6f menunjukkan rasio efisiensi dari komponen tercetak ke komponen SMT. Efisiensi yang diukur menggunakan komponen SMT serupa dengan nilai yang diharapkan yang diberikan dalam lembar data pabrikan 14. Pada arus masukan tinggi (resistansi beban rendah dan tegangan masukan rendah), efisiensi induktor tercetak jauh lebih rendah daripada seperti induktor SMT karena resistansi seri yang lebih tinggi. Namun, dengan tegangan masukan yang lebih tinggi dan arus keluaran yang lebih tinggi, kehilangan resistansi menjadi kurang penting, dan kinerja induktor cetak mulai mendekati kinerja induktor SMT. Untuk resistansi beban >500 Ω dan Vin = 4,0 V atau >750 Ω dan Vin = 3,5 V, efisiensi induktor cetak lebih besar dari 85% induktor SMT.
Membandingkan bentuk gelombang arus pada Gambar 6d dengan rugi-rugi daya yang diukur menunjukkan bahwa rugi-rugi resistansi pada induktor adalah penyebab utama perbedaan efisiensi antara rangkaian cetak dan rangkaian SMT, seperti yang diharapkan. Daya masukan dan keluaran diukur pada 4,0 V tegangan input dan resistansi beban 1000 Ω adalah 30,4 mW dan 25,8 mW untuk rangkaian dengan komponen SMT, dan 33,1 mW dan 25,2 mW untuk rangkaian dengan komponen tercetak. Oleh karena itu, rugi-rugi rangkaian tercetak adalah 7,9 mW, yaitu 3,4 mW lebih tinggi dari rangkaian dengan komponen SMT. Arus induktor RMS yang dihitung dari bentuk gelombang pada Gambar 6d adalah 25,6 mA.Karena resistansi serinya adalah 4,9 Ω, kehilangan daya yang diharapkan adalah 3,2 mW. Ini adalah 96% dari perbedaan daya DC 3,4 mW yang diukur. Selain itu, rangkaian dibuat dengan induktor tercetak dan resistor tercetak serta induktor tercetak dan resistor SMT, dan tidak ada perbedaan efisiensi signifikan yang diamati di antara keduanya.
Kemudian pengatur tegangan dibuat pada PCB fleksibel (pencetakan rangkaian dan kinerja komponen SMT ditunjukkan pada Gambar Tambahan S1) dan dihubungkan antara baterai lithium-ion fleksibel sebagai sumber daya dan susunan OLED sebagai beban.Menurut Lochner dkk.9 Untuk memproduksi OLED, setiap piksel OLED mengonsumsi 0,6 mA pada 5 V. Baterai masing-masing menggunakan litium kobalt oksida dan grafit sebagai katoda dan anoda, dan diproduksi dengan pelapisan pisau dokter, yang merupakan metode pencetakan baterai yang paling umum.7 kapasitas baterai adalah 16mAh, dan voltase selama pengujian adalah 4.0V. Gambar 7 menunjukkan foto rangkaian pada PCB fleksibel, memberi daya pada tiga piksel OLED yang dihubungkan secara paralel. Demonstrasi tersebut menunjukkan potensi komponen daya cetak untuk diintegrasikan dengan yang lain. perangkat fleksibel dan organik untuk membentuk sistem elektronik yang lebih kompleks.
Foto rangkaian pengatur tegangan pada PCB fleksibel menggunakan induktor dan resistor tercetak, menggunakan baterai lithium-ion fleksibel untuk menyalakan tiga LED organik.
Kami telah menunjukkan induktor, kapasitor, dan resistor yang dicetak di layar dengan kisaran nilai pada substrat PET fleksibel, dengan tujuan menggantikan komponen pemasangan permukaan pada peralatan elektronik daya. Kami telah menunjukkan bahwa dengan merancang spiral dengan diameter besar, laju pengisian , dan rasio lebar-ruang garis, dan dengan menggunakan lapisan tebal tinta resistansi rendah. Komponen-komponen ini diintegrasikan ke dalam sirkuit RLC yang sepenuhnya dicetak dan fleksibel serta menunjukkan perilaku listrik yang dapat diprediksi dalam rentang frekuensi kHz-MHz, yang merupakan yang terbesar tertarik pada elektronika daya.
Kasus penggunaan umum untuk perangkat elektronik daya cetak adalah sistem elektronik fleksibel yang dapat dipakai atau terintegrasi dengan produk, ditenagai oleh baterai fleksibel yang dapat diisi ulang (seperti litium-ion), yang dapat menghasilkan tegangan variabel sesuai dengan status pengisian daya. Jika beban (termasuk pencetakan dan peralatan elektronik organik) memerlukan tegangan konstan atau lebih tinggi dari tegangan keluaran baterai, maka diperlukan pengatur tegangan. Untuk alasan ini, induktor dan resistor tercetak diintegrasikan dengan IC silikon tradisional ke dalam pengatur penguat untuk memberi daya pada OLED dengan tegangan konstan. 5 V dari catu daya baterai tegangan variabel. Dalam rentang arus beban dan tegangan masukan tertentu, efisiensi rangkaian ini melebihi 85% efisiensi rangkaian kontrol yang menggunakan induktor dan resistor pemasangan permukaan. Meskipun terdapat optimalisasi material dan geometrik, rugi-rugi resistif pada induktor masih menjadi faktor pembatas kinerja rangkaian pada tingkat arus tinggi (arus masukan lebih besar dari sekitar 10 mA). Namun, pada arus yang lebih rendah, rugi-rugi pada induktor berkurang, dan kinerja keseluruhan dibatasi oleh efisiensi. dari IC. Karena banyak perangkat cetak dan organik memerlukan arus yang relatif rendah, seperti OLED kecil yang digunakan dalam demonstrasi kami, induktor daya cetak dapat dianggap cocok untuk aplikasi tersebut. Dengan menggunakan IC yang dirancang untuk memiliki efisiensi tertinggi pada tingkat arus yang lebih rendah, efisiensi konverter keseluruhan yang lebih tinggi dapat dicapai.
Dalam karya ini, pengatur tegangan dibuat di atas PCB tradisional, PCB fleksibel, dan teknologi penyolderan komponen pemasangan permukaan, sedangkan komponen cetakan dibuat pada substrat terpisah. Namun, tinta bersuhu rendah dan viskositas tinggi digunakan untuk memproduksi layar- film yang dicetak harus memungkinkan komponen pasif, serta interkoneksi antara perangkat dan bantalan kontak komponen pemasangan di permukaan, untuk dicetak pada media apa pun. Hal ini, dikombinasikan dengan penggunaan perekat konduktif suhu rendah yang ada untuk komponen pemasangan di permukaan, akan memungkinkan seluruh sirkuit akan dibangun di atas substrat yang murah (seperti PET) tanpa memerlukan proses subtraktif seperti pengetsaan PCB. Oleh karena itu, komponen pasif cetak layar yang dikembangkan dalam pekerjaan ini membantu membuka jalan bagi sistem elektronik fleksibel yang mengintegrasikan energi dan beban dengan elektronika daya berkinerja tinggi, menggunakan substrat murah, terutama proses aditif dan minimal Jumlah komponen pemasangan di permukaan.
Menggunakan printer layar Asys ASP01M dan layar baja tahan karat yang disediakan oleh Dynamesh Inc., semua lapisan komponen pasif disablon pada substrat PET fleksibel dengan ketebalan 76 μm. Ukuran mesh lapisan logam adalah 400 garis per inci dan 250 garis per inci untuk lapisan dielektrik dan lapisan resistansi. Gunakan gaya squeegee 55 N, kecepatan pencetakan 60 mm/s, jarak putus 1,5 mm, dan squeegee Serilor dengan kekerasan 65 (untuk logam dan resistif lapisan) atau 75 (untuk lapisan dielektrik) untuk sablon.
Lapisan konduktif—induktor dan kontak kapasitor dan resistor—dicetak dengan tinta mikroflake perak DuPont 5082 atau DuPont 5064H. Resistor dicetak dengan konduktor karbon DuPont 7082. Untuk dielektrik kapasitor, senyawa konduktif dielektrik barium titanat BT-101 digunakan.Setiap lapisan dielektrik diproduksi menggunakan siklus pencetakan dua lintasan (basah-basah) untuk meningkatkan keseragaman film.Untuk setiap komponen, pengaruh beberapa siklus pencetakan terhadap kinerja dan variabilitas komponen diperiksa.Sampel dibuat dengan beberapa lapisan dari bahan yang sama dikeringkan pada suhu 70 °C selama 2 menit di antara lapisan. Setelah menerapkan lapisan terakhir dari setiap bahan, sampel dipanggang pada suhu 140 °C selama 10 menit untuk memastikan pengeringan sempurna.Fungsi penyelarasan otomatis layar printer digunakan untuk menyelaraskan lapisan berikutnya. Kontak dengan bagian tengah induktor dicapai dengan membuat lubang tembus pada bantalan tengah dan jejak pencetakan stensil di bagian belakang media dengan tinta DuPont 5064H. Interkoneksi antar peralatan pencetakan juga menggunakan Dupont Pencetakan stensil 5064H.Untuk menampilkan komponen cetakan dan komponen SMT pada PCB fleksibel yang ditunjukkan pada Gambar 7, komponen cetakan dihubungkan menggunakan epoksi konduktif Circuit Works CW2400, dan komponen SMT dihubungkan dengan penyolderan tradisional.
Litium kobalt oksida (LCO) dan elektroda berbasis grafit masing-masing digunakan sebagai katoda dan anoda baterai. Bubur katoda merupakan campuran 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafit (KS6, Timcal), 2,5 % karbon hitam (Super P, Timcal) dan 10% polivinilidena fluorida (PVDF, Kureha Corp.).) Anoda adalah campuran grafit 84% berat, karbon hitam 4% berat, dan PVDF 13% berat. N-Metil-2-pirolidon (NMP, Sigma Aldrich) digunakan untuk melarutkan pengikat PVDF dan membubarkan bubur. Bubur dihomogenisasi dengan diaduk dengan mixer pusaran semalaman. Foil baja tahan karat setebal 0,0005 inci dan foil nikel 10 μm masing-masing digunakan sebagai pengumpul arus untuk katoda dan anoda. Tinta dicetak pada pengumpul arus dengan alat pembersih yg terbuat dr karet dengan kecepatan pencetakan 20 mm/s.Panaskan elektroda dalam oven pada suhu 80 °C selama 2 jam untuk menghilangkan pelarut. Tinggi elektroda setelah pengeringan sekitar 60 μm, dan berdasarkan berat bahan aktif, kapasitas teoritisnya adalah 1,65 mAh /cm2.Elektroda dipotong menjadi ukuran 1,3 × 1,3 cm2 dan dipanaskan dalam oven vakum pada suhu 140°C semalaman, kemudian disegel dengan kantong laminasi aluminium dalam kotak sarung tangan berisi nitrogen. Larutan film dasar polipropilen dengan anoda dan katoda dan 1M LiPF6 dalam EC/DEC (1:1) digunakan sebagai elektrolit baterai.
OLED Hijau terdiri dari poli(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) dan poli((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole- 4, 8-diil)) (F8BT) sesuai dengan prosedur yang diuraikan dalam Lochner dkk.9.
Gunakan profiler stylus Dektak untuk mengukur ketebalan film. Film dipotong untuk menyiapkan sampel penampang untuk diselidiki dengan memindai mikroskop elektron (SEM). SEM gun emisi lapangan 3D FEI Quanta (FEG) digunakan untuk mengkarakterisasi struktur cetakan film dan konfirmasi pengukuran ketebalan. Studi SEM dilakukan pada tegangan percepatan 20 keV dan jarak kerja tipikal 10 mm.
Gunakan multimeter digital untuk mengukur resistansi DC, tegangan dan arus. Impedansi AC induktor, kapasitor, dan rangkaian diukur menggunakan meteran LCR Agilent E4980 untuk frekuensi di bawah 1 MHz dan penganalisis jaringan Agilent E5061A digunakan untuk mengukur frekuensi di atas 500 kHz.Gunakan Osiloskop Tektronix TDS 5034 untuk mengukur bentuk gelombang pengatur tegangan.
Cara mengutip artikel ini: Ostfeld, AE, dll. Komponen pasif sablon untuk peralatan elektronika daya fleksibel.science.Rep.5, 15959;doi: 10.1038/srep15959 (2015).
Nathan, A. dkk.Elektronik fleksibel: platform yang ada di mana-mana berikutnya.Proses IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Intranet Manusia: Tempat kelompok bertemu manusia.Makalah diterbitkan pada Konferensi dan Pameran Eropa 2015 tentang Desain, Otomasi dan Pengujian, Grenoble, Prancis.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 Maret- 13).
Krebs, FC dll. Demonstran OE-A OPV anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116–4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC mencetak perangkat pemanen energi piezoelektrik.Bahan energi canggih.4.1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Generator energi termoelektrik film tebal datar bercetak Dispenser.J.Mikromekanik Teknik Mikro 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL Baterai cetak berpotensi tinggi fleksibel yang digunakan untuk memberi daya pada perangkat elektronik cetak.App Physics Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA Perkembangan terkini dalam baterai fleksibel cetak: tantangan mekanis, teknologi pencetakan, dan prospek masa depan. Teknologi energi.3, 305–328 (2015).
Hu, Y. dll.Sistem penginderaan skala besar yang menggabungkan perangkat elektronik area luas dan IC CMOS untuk pemantauan kesehatan struktural.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014).