warta

Aditif jeung prosés percetakan-suhu low bisa ngahijikeun rupa-rupa kakuatan-consuming jeung kakuatan-consuming alat éléktronik dina substrat fléksibel di cost.However low, produksi sistem éléktronik lengkep ti alat ieu biasana merlukeun alat éléktronik kakuatan pikeun ngarobah antara rupa tegangan operasi tina The devices.Komponén pasip-induktor, kapasitor, sarta résistor-ngajalankeun fungsi kayaning nyaring, neundeun énergi jangka pondok, sarta pangukuran tegangan, nu penting dina éléktronika kakuatan sarta loba aplikasi sejenna. Dina artikel ieu, urang ngenalkeun induktor, kapasitor, resistors jeung sirkuit RLC layar-dicitak dina substrat palastik fléksibel, sarta ngalaporkeun prosés desain pikeun ngaleutikan résistansi runtuyan induktor ambéh maranéhanana bisa dipaké dina alat éléktronik kakuatan .The dicitak induktor jeung résistor nu lajeng diasupkeun kana circuit regulator dorongan. tina dioda pemancar cahaya organik sareng batré litium-ion anu fleksibel. Regulator tegangan dipaké pikeun kakuatan diodes ti batréna, demonstrating potensi komponén pasip dicitak pikeun ngaganti permukaan tradisional komponén Gunung dina aplikasi converter DC-DC.
Dina taun anyar, aplikasi rupa alat fléksibel dina produk éléktronik wearable tur badag-aréa jeung Internet of Things1,2 geus dimekarkeun. Ieu kaasup alat Panén énergi, kayaning photovoltaic 3, piezoelectric 4, sarta thermoelectric 5; alat panyimpen énergi, sapertos batré 6, 7; jeung alat-alat kakuatan-consuming, kayaning sensor 8, 9, 10, 11, 12, sarta sumber cahaya 13. Sanajan kamajuan hébat geus dilakukeun dina sumber énergi individu jeung beban, ngagabungkeun komponén ieu kana sistem éléktronik lengkep biasana merlukeun éléktronika kakuatan pikeun nungkulan sagala mismatch antara kabiasaan catu daya jeung sarat beban.Contona, batré ngahasilkeun tegangan variabel nurutkeun kaayaan muatan na.Lamun beban merlukeun tegangan konstan, atawa leuwih luhur ti tegangan nu batréna bisa ngahasilkeun, éléktronika kakuatan diperlukeun .Éléktronika kakuatan ngagunakeun komponén aktif (transistor) pikeun ngalakukeun switching jeung fungsi kontrol, kitu ogé komponén pasip (induktor, kapasitor, jeung résistor).Contona, dina sirkuit switching regulator, hiji induktor dipaké pikeun nyimpen énergi salila unggal siklus switching. , kapasitor dipaké pikeun ngurangan ripple tegangan, sarta pangukuran tegangan diperlukeun pikeun kontrol eupan balik dipigawé maké divider résistor.
Alat éléktronik kakuatan anu cocog pikeun alat anu tiasa dianggo (sapertos pulse oximeter 9) ngabutuhkeun sababaraha volt sareng sababaraha miliamp, biasana beroperasi dina rentang frekuensi ratusan kHz dugi ka sababaraha MHz, sareng peryogi sababaraha μH sareng sababaraha induktansi μH sareng Kapasitansi μF nyaéta 14. Metode tradisional manufaktur sirkuit ieu nyaéta solder komponén diskrit ka papan sirkuit dicitak kaku (PCB) .Sanajan komponén aktif tina sirkuit éléktronik kakuatan biasana digabungkeun kana hiji sirkuit terpadu silikon tunggal (IC), komponén pasip biasana. éksternal, boh ngamungkinkeun sirkuit custom, atawa kusabab induktansi diperlukeun tur capacitance badag teuing pikeun dilaksanakeun dina silikon.
Dibandingkeun jeung téhnologi manufaktur basis PCB tradisional, manufaktur alat éléktronik jeung sirkuit ngaliwatan prosés percetakan aditif boga loba kaunggulan dina watesan kesederhanaan jeung cost.First, saprak loba komponén sirkuit merlukeun bahan anu sarua, kayaning logam pikeun kontak. sarta interconnections, percetakan ngamungkinkeun sababaraha komponén bisa dijieun dina waktos anu sareng, kalawan rélatif sababaraha léngkah processing jeung sumber pangsaeutikna bahan15.The pamakéan prosés aditif pikeun ngaganti prosés subtractive kayaning photolithography na etching salajengna ngurangan pajeulitna prosés jeung waste16, 17, 18, sarta 19. Salaku tambahan, suhu low dipaké dina percetakan nu cocog sareng substrat plastik fléksibel tur murah, sahingga pamakéan prosés manufaktur roll-to-roll-speed tinggi nutupan alat éléktronik 16, 20 leuwih wewengkon badag. nu teu bisa sapinuhna direalisasikeun ku komponén dicitak, métode hibrid geus dimekarkeun nu surfaces mount téhnologi (SMT) komponén disambungkeun ka substrat fléksibel 21, 22, 23 gigireun komponén dicitak dina suhu low.Dina pendekatan hibrid ieu, éta kénéh. perlu ngaganti saloba komponén SMT sabisa kalawan counterparts dicitak pikeun ménta mangpaat prosés tambahan sarta ngaronjatkeun kalenturan sakabéh circuit. Dina raraga ngawujudkeun éléktronika kakuatan fléksibel, kami geus ngajukeun kombinasi komponén aktif SMT sarta pasip layar-dicitak. komponén, kalawan tekenan husus dina ngaganti gede pisan induktor SMT kalawan planar spiral induktor. Di antara rupa-rupa téknologi pikeun manufaktur éléktronika dicitak, percetakan layar sabagian cocog pikeun komponén pasip kusabab ketebalan pilem badag na (anu diperlukeun pikeun ngaleutikan résistansi runtuyan fitur logam. ) jeung kagancangan nyitak anu luhur, sanajan nutupan wewengkon tingkat séntiméter.
Leungitna komponén pasip pakakas éléktronik kakuatan kudu minimal, sabab efisiensi sirkuit langsung mangaruhan jumlah énergi diperlukeun pikeun kakuatan system.This utamana nangtang pikeun induktor dicitak diwangun ku coils panjang, nu kituna susceptible kana runtuyan tinggi. resistance.Therefore, sanajan sababaraha usaha geus dilakukeun pikeun ngaleutikan lalawanan 25, 26, 27, 28 tina coils dicitak, aya kénéh kurangna efisiensi tinggi dicitak komponén pasip pikeun alat éléktronik kakuatan.To date, loba dilaporkeun dicitak pasip. komponén dina substrat fléksibel dirancang pikeun beroperasi dina sirkuit résonansi pikeun idéntifikasi frékuénsi radio (RFID) atawa kaperluan Panén énergi 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Others museurkeun kana bahan atawa ngembangkeun prosés manufaktur sarta némbongkeun komponén generik. 26, 32, 33, 34 anu henteu dioptimalkeun pikeun aplikasi anu khusus. Kontras, sirkuit éléktronik kakuatan sapertos régulator tegangan sering nganggo komponén anu langkung ageung tibatan alat pasip anu dicitak sareng henteu ngabutuhkeun résonansi, janten desain komponén anu béda diperyogikeun.
Di dieu, kami ngenalkeun rarancang sareng optimasi induktor anu dicitak layar dina rentang μH pikeun ngahontal résistansi séri pangleutikna sareng kinerja anu luhur dina frékuénsi anu aya hubunganana sareng éléktronika listrik. on substrat plastik fléksibel. The suitability komponén ieu pikeun produk éléktronik fléksibel munggaran nunjukkeun dina RLC circuit.The dicitak induktor jeung résistor lajeng terpadu jeung IC pikeun ngabentuk regulator dorongan. Tungtungna, hiji dioda lampu-emitting organik (OLED). ) sarta batré litium-ion fléksibel dijieun, sarta regulator tegangan dipaké pikeun kakuatan OLED tina batréna.
Dina raraga ngarancang induktor dicitak pikeun éléktronika kakuatan, urang mimiti diprediksi induktansi sarta lalawanan DC runtuyan geometries induktor dumasar kana model lambar ayeuna diajukeun dina Mohan et al. 35, sarta fabricated induktor of geometries béda pikeun ngonfirmasi akurasi model.Dina karya ieu, bentuk sirkular dipilih pikeun induktor sabab induktansi luhur 36 bisa dihontal ku résistansi handap dibandingkeun géométri polygonal. Pangaruh tinta. jenis jeung jumlah siklus percetakan on lalawanan ditangtukeun.Hasil ieu lajeng dipaké kalawan modél ammeter mendesain 4,7 μH jeung 7,8 μH induktor dioptimalkeun pikeun lalawanan DC minimum.
The induktansi sarta lalawanan DC of induktor spiral bisa digambarkeun ku sababaraha parameter: diaméterna luar do, lebar péngkolan w jeung spasi s, Jumlah robah warna ka warna n, sarta lalawanan lambar konduktor Rsheet.Figure 1a nembongkeun poto hiji layar sutra dicitak sirkular induktor. kalawan n = 12, némbongkeun parameter geometric nu nangtukeun induktansi na.Numutkeun model ammeter of Mohan et al. 35, induktansi diitung keur runtuyan geometries induktor, dimana
(a) Poto ti induktor layar-dicitak némbongkeun parameter geometric.The diaméterna 3 cm.Induktansi (b) jeung DC lalawanan (c) rupa geometries induktor.The garis jeung tanda pakait jeung nilai diitung sarta diukur, mungguh. (d,e) Résistansi DC tina induktor L1 sareng L2 dicitak masing-masing nganggo tinta pérak Dupont 5028 sareng 5064H. (f,g) Mikrograf SEM tina layar pilem anu dicitak ku Dupont 5028 sareng 5064H, masing-masing.
Dina frékuénsi luhur, pangaruh kulit jeung capacitance parasit bakal ngarobah lalawanan jeung induktansi of induktor nurutkeun na DC value.The induktor diperkirakeun dianggo dina frékuénsi cukup low yén épék ieu negligible, sarta alat behaves salaku induktansi konstan. kalawan lalawanan konstan dina runtuyan.Ku kituna, dina karya ieu, urang dianalisis hubungan antara parameter geometric, induktansi, sarta lalawanan DC, sarta dipaké hasilna pikeun ménta hiji induktansi dibikeun jeung lalawanan DC pangleutikna.
Induktansi sareng résistansi diitung pikeun séri parameter geometri anu tiasa diwujudkeun ku percetakan layar, sareng diperkirakeun yén induktansi dina rentang μH bakal ngahasilkeun. Diaméter luar 3 sareng 5 cm, lebar garis 500 sareng 1000 microns. , sarta rupa-rupa robah warna ka warna dibandingkeun.Dina itungan, eta dianggap yén lalawanan lambar téh 47 mΩ / □, nu pakait jeung 7 μm kandel Dupont 5028 lapisan konduktor microflake pérak dicitak ku layar 400 bolong jeung setelan w = s.The induktansi diitung sarta nilai lalawanan ditémbongkeun dina Gambar 1b jeung c, masing-masing.Model ngaramalkeun yén duanana induktansi jeung lalawanan nambahan salaku diaméter luar jeung jumlah robah warna ka warna naek, atawa salaku lebar garis nurun.
Pikeun meunteun akurasi prediksi modél, induktor tina rupa-rupa géométri sareng induktansi didamel dina substrat poliétilén terephthalate (PET). Nilai induktansi sareng résistansi anu diukur dipidangkeun dina Gambar 1b sareng c. nilai ekspektasi, utamana alatan parobahan ketebalan sarta uniformity tina tinta disimpen, induktansi némbongkeun perjangjian pohara alus jeung model.
Hasil ieu tiasa dianggo pikeun ngarancang induktor kalayan induktansi anu diperyogikeun sareng résistansi DC minimum.Contona, anggap induktansi 2 μH diperyogikeun. Gambar 1b nunjukkeun yén induktansi ieu tiasa diwujudkeun kalayan diaméter luar 3 cm, lebar garis. tina 500 μm, sarta 10 péngkolan.The induktansi sarua ogé bisa dihasilkeun maké 5 cm diaméterna luar, 500 μm lebar garis tur 5 robah warna ka warna atawa 1000 μm lebar garis tur 7 robah warna ka warna (sakumaha ditémbongkeun dina gambar). Ngabandingkeun résistansi tina tilu ieu. mungkin géométri dina Gambar 1c, bisa kapanggih yén résistansi panghandapna tina induktor 5 cm kalayan rubak garis 1000 μm nyaéta 34 Ω, nyaéta kira-kira 40% leuwih handap tina dua anu sanés. Prosés desain umum pikeun ngahontal induktansi anu ditangtukeun. kalawan lalawanan minimum ieu diringkeskeun kieu: Kahiji, pilih maksimum allowable diaméterna luar nurutkeun konstrain spasi ditumpukeun ku aplikasi. Lajeng, lebar garis kedah saloba mungkin bari tetep achieving induktansi diperlukeun pikeun ménta laju eusian tinggi. (persamaan (3)).
Ku ngaronjatkeun ketebalan atawa ngagunakeun bahan kalawan konduktivitas luhur pikeun ngurangan lalawanan lambar pilem logam, résistansi DC bisa salajengna ngurangan tanpa mangaruhan induktansi.Two induktor, anu parameter geometric dirumuskeun dina Table 1, disebut L1 na L2. anu dijieun kalawan jumlah béda tina coatings pikeun evaluate parobahan resistance.Salaku jumlah coatings tinta naek, lalawanan nurun proportionally saperti nu diharapkeun, ditémbongkeun saperti dina Gambar 1d jeung e, nu induktor L1 jeung L2, masing-masing.Angka 1d jeung e némbongkeun yén ku nerapkeun 6 lapisan palapis, résistansi bisa ngurangan ku nepi ka 6 kali, sarta réduksi maksimum lalawanan (50-65%) lumangsung antara lapisan 1 jeung lapisan 2. Kusabab unggal lapisan tinta relatif ipis, a layar kalawan ukuran grid relatif leutik (400 garis per inci) dipaké pikeun nyitak induktor ieu, anu ngamungkinkeun urang pikeun diajar pangaruh ketebalan konduktor on resistance.As salami fitur pola tetep leuwih badag batan resolusi minimum grid nu, a ketebalan sarupa (jeung lalawanan) bisa dihontal gancang ku nyitak sajumlah leutik coatings kalawan ukuran grid nu leuwih gede. Metoda ieu bisa dipaké pikeun ngahontal résistansi DC sarua salaku induktor 6-coated dibahas di dieu, tapi ku speed produksi luhur.
Angka 1d sareng e ogé nunjukkeun yén ku ngagunakeun tinta serpihan pérak anu langkung konduktif DuPont 5064H, résistansi diréduksi ku faktor dua. Tina mikrograf SEM film anu dicitak ku dua tinta (Gambar 1f, g), éta tiasa ditempo yén konduktivitas handap ti 5028 tinta téh alatan ukuran partikel na leuwih leutik sarta ayana loba voids antara partikel dina film dicitak. Di sisi séjén, 5064H boga leuwih badag, flakes disusun leuwih raket, sahingga kalakuanana ngadeukeutan ka bulk. silver.Sanajan pilem dihasilkeun tinta ieu thinner ti 5028 tinta, ku lapisan tunggal 4 μm jeung 6 lapisan 22 μm, kanaékan konduktivitas cukup pikeun ngurangan lalawanan sakabéh.
Tungtungna, sanajan induktansi (persamaan (1)) gumantung kana jumlah péngkolan (w + s), résistansi (persamaan (5)) ngan gumantung kana lebar garis w. Ku kituna, ku ngaronjatna w relatif ka s, résistansi. bisa salajengna reduced.The dua induktor tambahan L3 na L4 dirancang pikeun mibanda w = 2s sarta diaméter luar badag, ditémbongkeun saperti dina Table 1. induktor ieu dijieun kalawan 6 lapisan DuPont 5064H palapis, sakumaha ditémbongkeun saméméhna, nyadiakeun Induktansi L3 nyaéta 4.720 ± 0.002 μH sareng résistansi 4.9 ± 0.1 Ω, sedengkeun induktansi L4 nyaéta 7.839 ± 0.005 μH sareng 6.9 ± 0.1 Ω, anu cocog sareng prediksi. kanaékan ketebalan, konduktivitas, jeung w/s, ieu hartina rasio L/R geus ngaronjat leuwih ti hiji urutan gedena relatif ka nilai dina Gambar 1.
Sanajan résistansi DC low ngajangjikeun, evaluating kasesuaian induktor pikeun alat éléktronik kakuatan operasi dina rentang kHz-MHz merlukeun characterization dina frékuénsi AC. Gambar 2a nembongkeun gumantungna frékuénsi résistansi jeung réaktansi L3 na L4. Pikeun frékuénsi handap 10 MHz. , résistansi tetep kasarna konstan dina nilai DC na, bari réaktansi naek linier kalawan frékuénsi, nu hartina induktansi konstan saperti nu diharapkeun.Frékuénsi timer resonant dihartikeun salaku frékuénsi di mana impedansi robah tina induktif kana kapasitif, kalawan L3 keur 35,6 ± 0,3 MHz jeung L4 keur 24,3 ± 0,6 MHz.Frékuénsi gumantungna faktor kualitas Q (sarua jeung ωL/R) ditémbongkeun dina Gambar 2b.L3 na L4 ngahontal faktor kualitas maksimum 35 ± 1 jeung 33 ± 1 dina frékuénsi 11 jeung 16 MHz, masing-masing.The induktansi tina sababaraha μH jeung Q rélatif luhur dina frékuénsi MHz nyieun induktor ieu cukup pikeun ngaganti induktor permukaan-Gunung tradisional dina kakuatan low DC-DC converters.
Résistansi diukur R sareng réaktansi X (a) sareng faktor kualitas Q (b) induktor L3 sareng L4 aya hubunganana sareng frékuénsi.
Dina raraga ngaleutikan tapak suku diperlukeun pikeun capacitance dibikeun, éta pangalusna ngagunakeun téhnologi kapasitor kalawan capacitance husus badag, nu sarua jeung konstanta diéléktrik ε dibagi ketebalan diéléktrik.Dina karya ieu, urang milih barium titanate komposit. salaku diéléktrik sabab ngabogaan epsilon leuwih luhur batan diéléktrik organik olahan solusi séjén.Lapisan diéléktrik ieu layar dicitak antara dua konduktor pérak pikeun ngabentuk struktur logam-diéléktrik-logam.Kapasitor kalayan sagala rupa ukuran dina séntiméter, ditémbongkeun saperti dina Gambar 3a , anu dijieun ngagunakeun dua atawa tilu lapisan tinta diéléktrik pikeun ngajaga yield.Figure alus. Gambar 3b nembongkeun cross-sectional SEM micrograph of a kapasitor wawakil dijieun ku dua lapisan diéléktrik, kalawan ketebalan diéléktrik total 21 μm. The éléktroda luhur jeung handap. nyaéta hiji-lapisan jeung genep-lapisan 5064H masing-masing.Partikel barium titanate ukuran mikron katingali dina gambar SEM sabab wewengkon caang dikurilingan ku binder organik darker.Tinta diéléktrik baseuh éléktroda handap ogé sarta ngabentuk panganteur jelas jeung pilem logam dicitak, ditémbongkeun saperti dina ilustrasi kalawan magnification luhur.
(a) Poto kapasitor jeung lima wewengkon béda.(b) Cross-sectional SEM mikrograf kapasitor jeung dua lapisan diéléktrik, némbongkeun barium titanate diéléktrik jeung éléktroda pérak.(c) Kapasitansi kapasitor jeung 2 jeung 3 barium titanate lapisan diéléktrik jeung wewengkon béda, diukur dina 1 MHz. (d) Hubungan antara kapasitansi, ESR, jeung faktor leungitna hiji kapasitor 2,25 cm2 kalawan 2 lapisan coatings diéléktrik jeung frékuénsi.
Kapasitansi sabanding sareng daérah anu dipiharep. Ditémbongkeun saperti dina Gambar 3c, kapasitansi spésifik diéléktrik dua lapis nyaéta 0,53 nF/cm2, jeung kapasitansi spésifik diéléktrik tilu lapis nyaéta 0,33 nF/cm2. Nilai-nilai ieu pakait jeung konstanta diéléktrik 13. capacitance na dissipation faktor (DF) ogé diukur dina frékuénsi béda, ditémbongkeun saperti dina Gambar 3d, pikeun 2,25 cm2 kapasitor dua lapisan diéléktrik. Urang kapanggih yén capacitance ieu kawilang datar dina rentang frékuénsi dipikaresep, ngaronjat ku 20% ti 1 nepi ka 10 MHz, bari dina rentang sarua, DF ngaronjat tina 0,013 ka 0,023. Kusabab faktor dissipation nyaeta rasio leungitna énergi jeung énergi nu disimpen dina unggal siklus AC, a DF 0,02 hartina 2% tina kakuatan diatur. ku kapasitor nu dikonsumsi. Karugian ieu biasana dinyatakeun salaku résistansi runtuyan sarimbag frékuénsi-gumantung (ESR) dina runtuyan jeung kapasitor, nu sarua jeung DF / ωC.As ditémbongkeun dina Gambar 3d, pikeun frékuénsi leuwih gede ti 1 MHz, ESR. leuwih handap ti 1,5 Ω, sarta pikeun frékuénsi leuwih gede ti 4 MHz, ESR leuwih handap 0,5 Ω. Sanajan ngagunakeun téhnologi kapasitor ieu, μF-tingkat kapasitor diperlukeun pikeun converters DC-DC merlukeun wewengkon anu kacida gedéna, tapi 100 pF-nF. rentang capacitance sarta leungitna low kapasitor ieu nyieun eta cocog pikeun aplikasi sejenna, kayaning saringan jeung sirkuit resonant .Various métode bisa dipaké pikeun ngaronjatkeun capacitance.A konstanta diéléktrik luhur ngaronjatkeun capacitance husus 37; contona, ieu bisa dihontal ku ngaronjatna konsentrasi partikel barium titanate dina ink.A ketebalan diéléktrik leutik bisa dipaké, sanajan ieu merlukeun éléktroda handap kalawan roughness leuwih handap ti flake pérak layar-dicitak.Thinner, kapasitor roughness handap. lapisan bisa disimpen ku percetakan inkjet 31 atawa percetakan gravure 10, nu bisa digabungkeun jeung prosés percetakan layar. Tungtungna, sababaraha lapisan bolak logam jeung diéléktrik bisa tumpuk jeung dicitak tur disambungkeun di paralel, kukituna ngaronjatkeun capacitance 34 per unit aréa. .
A divider tegangan diwangun ku sapasang résistor biasana dipaké pikeun ngalakukeun pangukuran tegangan diperlukeun pikeun kontrol eupan balik ti regulator tegangan. Pikeun jenis ieu aplikasi, résistansi tina résistor dicitak kedah dina rentang kΩ-MΩ, sarta bédana antara. alat-alatna leutik. Di dieu, kapanggih yén lalawanan lambar tinta karbon anu dicitak layar-lapisan tunggal nyaéta 900 Ω / □. Inpormasi ieu dianggo pikeun ngarancang dua résistor linier (R1 sareng R2) sareng résistor serpentine (R3). ) kalayan résistansi nominal 10 kΩ, 100 kΩ, sareng 1,5 MΩ. Résistansi antara nilai nominal kahontal ku cara nyitak dua atanapi tilu lapisan tinta, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 4, sareng poto tina tilu résistansi. Jieun 8- 12 sampel unggal jenis; dina sakabeh kasus, simpangan baku tina lalawanan nyaeta 10% atawa less.The lalawanan robah sampel kalawan dua atawa tilu lapisan palapis condong jadi rada leutik batan sampel kalawan hiji lapisan coating.The robah leutik dina lalawanan diukur. jeung perjangjian nutup kalawan nilai nominal nunjukkeun yén résistansi sejenna dina rentang ieu bisa langsung diala ku modifying géométri résistor.
Tilu géométri résistor anu béda-béda kalayan nomer anu béda tina palapis tinta résistif karbon. Poto tilu résistor dipidangkeun di sisi katuhu.
Sirkuit RLC mangrupikeun conto buku ajar klasik tina kombinasi résistor, induktor, sareng kapasitor anu dianggo pikeun nunjukkeun sareng pariksa paripolah komponén pasip anu diintegrasikeun kana sirkuit anu dicitak nyata. Résistor 25 kΩ disambungkeun paralel sareng aranjeunna. Poto sirkuit fléksibel dipidangkeun dina Gambar 5a. Alesan pikeun milih kombinasi séri-paralel khusus ieu nyaéta kabiasaanna ditangtukeun ku masing-masing tina tilu komponén frékuénsi anu béda, ku kituna kinerja unggal komponén bisa disorot tur evaluate.Considering résistansi runtuyan 7 Ω tina induktor jeung 1.3 Ω ESR tina kapasitor, respon frékuénsi ékspéktasi sirkuit diitung.The diagram sirkuit ditémbongkeun dina Gambar 5b, sarta diitung. amplitudo impedansi jeung fase sarta nilai diukur ditémbongkeun dina Gambar 5c jeung d. Dina frékuénsi low, impedansi luhur kapasitor hartina paripolah sirkuit ditangtukeun ku résistor 25 kΩ. Nalika frékuénsi nambahan, impedansi tina jalur LC nurun; sakabéh paripolah sirkuit téh kapasitif nepi ka frékuénsi résonansi 2.0 MHz. Luhureun frékuénsi résonansi, impedansi induktif ngadominasi. Gambar 5 jelas nembongkeun perjangjian alus teuing antara nilai diitung jeung diukur sakuliah rentang frékuénsi sakabéh. Ieu ngandung harti yén modél dipaké. Ieuh (dimana induktor jeung kapasitor mangrupakeun komponén idéal kalawan résistansi runtuyan) akurat pikeun ngaduga kabiasaan circuit dina frékuénsi ieu.
(a) Poto sirkuit RLC anu dicitak layar anu ngagunakeun kombinasi runtuyan induktor 8 μH sareng kapasitor 0,8 nF paralel sareng résistor 25 kΩ.(b) Modél sirkuit kaasup résistansi séri induktor sareng kapasitor.(c ,d) Amplitudo impedansi (c) jeung fase (d) sirkuit.
Tungtungna, induktor sareng résistor anu dicitak dilaksanakeun dina regulator dorongan. IC anu dianggo dina démo ieu nyaéta Microchip MCP1640B14, anu mangrupikeun régulator dorongan sinkron dumasar PWM kalayan frékuénsi operasi 500 kHz. Diagram sirkuit dipidangkeun dina Gambar 6a.A. 4.7 μH induktor sareng dua kapasitor (4.7 μF sareng 10 μF) dianggo salaku unsur panyimpen énergi, sareng sapasang résistor dianggo pikeun ngukur tegangan kaluaran kontrol eupan balik. Pilih nilai résistansi pikeun nyaluyukeun tegangan kaluaran ka 5 V. Sirkuit ieu dijieun dina PCB, sarta kinerja na diukur dina résistansi beban sarta rentang tegangan input 3 nepi ka 4 V mun simulate batré litium-ion di sagala rupa ngecas states.The efisiensi tina induktor dicitak na resistors dibandingkeun jeung efisiensi SMT induktor na resistors.SMT kapasitor dipaké dina sagala hal sabab capacitance diperlukeun pikeun aplikasi ieu badag teuing pikeun réngsé kalawan kapasitor dicitak.
(a) Diagram sirkuit penstabil tegangan.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, jeung (d) Bentuk gelombang arus anu ngalir kana induktor, tegangan inputna 4,0 V, résistansi beban 1 kΩ, jeung induktor dicitak dipaké pikeun ngukur.Surface Gunung résistor jeung kapasitor dipaké pikeun pangukuran ieu.(e) Pikeun rupa-rupa résistansi beban jeung tegangan input, efisiensi sirkuit regulator tegangan ngagunakeun sakabeh permukaan Gunung komponén tur dicitak induktor jeung résistor.(f ) Babandingan efisiensi tina permukaan Gunung tur sirkuit dicitak ditémbongkeun dina (e).
Pikeun voltase input 4.0 V sareng résistansi beban 1000 Ω, bentuk gelombang anu diukur nganggo induktor anu dicitak dipidangkeun dina Gambar 6b-d. Gambar 6c nunjukkeun tegangan dina terminal Vsw IC; tegangan induktor nyaeta Vin-Vsw.Gambar 6d nembongkeun arus ngalir kana induktor.Efisiensi circuit kalawan SMT sareng komponenana dicitak ditémbongkeun dina Gambar 6e salaku fungsi tina tegangan input sarta lalawanan beban, sarta Gambar 6f nembongkeun rasio efisiensi. komponén dicitak kana komponén SMT.Efisiensi diukur ngagunakeun komponén SMT téh sarupa jeung nilai ekspektasi dibikeun dina lambar data produsén urang 14. Dina arus input tinggi (résistansi beban low jeung tegangan input low), efisiensi induktor dicitak nyata leuwih handap yén induktor SMT alatan résistansi séri anu langkung luhur.Najan kitu, kalayan tegangan input anu langkung luhur sareng arus kaluaran anu langkung luhur, leungitna résistansi janten kirang penting, sareng kinerja induktor anu dicitak mimiti ngadeukeutan yén induktor SMT.Pikeun résistansi beban> 500 Ω sareng Vin = 4.0 V atawa > 750 Ω jeung Vin = 3.5 V, efisiensi induktor dicitak leuwih gede ti 85% induktor SMT.
Ngabandingkeun bentuk gelombang ayeuna dina Gambar 6d jeung leungitna kakuatan diukur nunjukeun yen leungitna lalawanan dina induktor teh ngabalukarkeun utama bédana efisiensi antara sirkuit dicitak jeung sirkuit SMT, sakumaha ekspektasi.The kakuatan input sarta output diukur dina 4.0 V. tegangan input sarta résistansi beban 1000 Ω nyaéta 30,4 mW sareng 25,8 mW pikeun sirkuit sareng komponén SMT, sareng 33,1 mW sareng 25,2 mW pikeun sirkuit sareng komponén dicitak. circuit kalawan komponén SMT.The RMS induktor ayeuna diitung tina gelombang dina Gambar 6d nyaeta 25,6 mA. Kusabab résistansi séri na nyaéta 4.9 Ω, leungitna kakuatan anu diperkirakeun nyaéta 3.2 mW. Ieu mangrupikeun 96% tina bédana kakuatan DC 3.4 mW anu diukur. Sajaba ti éta, sirkuit diproduksi nganggo induktor anu dicitak sareng résistor anu dicitak sareng induktor anu dicitak sareng résistor SMT, sareng henteu aya bédana efisiensi anu signifikan antara aranjeunna.
Lajeng regulator tegangan dijieun dina PCB fléksibel (percetakan sirkuit sarta kinerja komponén SMT ditémbongkeun dina Gambar Suplemén S1) jeung disambungkeun antara batré litium-ion fléksibel salaku sumber kakuatan sarta Asép Sunandar Sunarya OLED salaku beban. Numutkeun Lochner et al. 9 Pikeun nyieun OLEDs, unggal piksel OLED meakeun 0,6 mA dina 5 V. Batré ngagunakeun litium kobalt oksida jeung grafit salaku katoda jeung anoda, masing-masing, sarta dijieun ku palapis dokter blade, nu mangrupakeun metoda percetakan batré paling umum.7 The kapasitas batré téh 16mAh, sarta tegangan salila test nyaeta 4.0V. Gambar 7 nembongkeun poto sirkuit dina PCB fléksibel, powering tilu piksel OLED disambungkeun di parallel.The démo nunjukkeun potensi komponén kakuatan dicitak bisa terpadu kalayan séjén. alat fléksibel tur organik pikeun ngabentuk sistem éléktronik leuwih kompleks.
Poto sirkuit regulator tegangan dina PCB fléksibel ngagunakeun induktor dicitak na résistor, ngagunakeun batré litium-ion fléksibel pikeun kakuatan tilu LEDs organik.
Kami geus ditémbongkeun layar dicitak induktor, kapasitor jeung résistor kalawan sauntuyan nilai dina substrat PET fléksibel, kalawan tujuan ngaganti permukaan Gunung komponén di kakuatan equipment.We éléktronik geus ditémbongkeun yén ku ngarancang spiral kalayan diaméter badag, laju ngeusian. , sarta garis rubak-spasi ratio rubak, sarta ku ngagunakeun lapisan kandel ink-resistance low ink.Komponén-komponén ieu terpadu kana sirkuit RLC pinuh dicitak tur fléksibel tur némbongkeun kabiasaan listrik bisa diprediksi dina rentang frékuénsi kHz-MHz, nu tina greatest. minat kana éléktronika kakuatan.
Kasus pamakean umum pikeun alat éléktronik kakuatan anu dicitak nyaéta sistem éléktronik fleksibel anu tiasa dianggo atanapi terintegrasi produk, didamel ku batré anu tiasa dicas deui fleksibel (sapertos litium-ion), anu tiasa ngahasilkeun tegangan variabel dumasar kana kaayaan muatan. Upami beban (kalebet percetakan sareng alat-alat éléktronik organik) merlukeun tegangan konstan atawa leuwih luhur ti kaluaran tegangan ku batréna, regulator tegangan diperlukeun.Ku sabab kitu, induktor dicitak jeung résistor anu terpadu jeung ICs silikon tradisional kana regulator dorongan pikeun kakuatan OLED kalawan tegangan konstan. tina 5 V ti tegangan variabel catu daya batré.Within sauntuyan tangtu beban arus jeung tegangan input, efisiensi circuit ieu ngaleuwihan 85% efisiensi sirkuit kontrol ngagunakeun permukaan Gunung induktor na resistors.Sanajan bahan na optimizations geometric, karugian résistif dina induktor masih faktor ngawatesan kinerja sirkuit dina tingkat ayeuna tinggi (arus input leuwih gede ti ngeunaan 10 mA). Tapi, dina arus handap, karugian dina induktor nu diréduksi, sarta kinerja sakabéh diwatesan ku efisiensi. tina IC. Kusabab loba alat dicitak tur organik merlukeun arus rélatif low, kayaning OLEDs leutik dipaké dina démo urang, induktor kakuatan dicitak bisa dianggap cocog pikeun aplikasi sapertos. efisiensi converter sakabéh luhur bisa dihontal.
Dina karya ieu, nu regulator tegangan diwangun dina PCB tradisional, PCB fléksibel tur permukaan Gunung komponén téhnologi soldering, sedengkeun komponén dicitak dijieun dina substrate.However misah, anu-suhu lemah sareng inks viskositas tinggi dipaké pikeun ngahasilkeun screen-. film dicitak kedah ngidinan komponén pasip, kitu ogé interkonéksi antara alat jeung permukaan Gunung hampang kontak komponén, bisa dicitak dina sagala substrate.This, digabungkeun jeung pamakéan aya-suhu low elém conductive pikeun permukaan Gunung komponén, bakal ngidinan. sakabéh sirkuit bakal diwangun dina substrat murah (saperti pepet) tanpa butuh prosés subtractive kayaning PCB etching.Therefore, komponén pasip layar-dicitak dimekarkeun dina karya ieu mantuan rarata jalan pikeun sistem éléktronik fléksibel nu ngahijikeun énergi jeung beban. kalawan-kinerja tinggi éléktronika kakuatan, ngagunakeun substrat murah, utamana prosés aditif sarta minimal Jumlah permukaan Gunung komponén.
Ngagunakeun printer layar Asys ASP01M sarta layar stainless steel disadiakeun ku Dynamesh Inc., sadaya lapisan komponén pasip anu layar dicitak dina substrat pepet fléksibel kalayan ketebalan tina 76 μm. Ukuran bolong tina lapisan logam nyaéta 400 garis per inci sarta 250 garis per inci pikeun lapisan diéléktrik jeung lapisan lalawanan.Use gaya squeegee 55 N, laju percetakan 60 mm / s, jarak megatkeun 1,5 mm, sarta squeegee Serilor kalawan karasa 65 (pikeun logam jeung résistif). lapisan) atawa 75 (pikeun lapisan diéléktrik) pikeun percetakan layar.
Lapisan konduktif - induktor sareng kontak kapasitor sareng résistor - dicitak nganggo DuPont 5082 atanapi DuPont 5064H pérak microflake ink. Résistor dicitak sareng konduktor karbon DuPont 7082. Pikeun diéléktrik kapasitor, sanyawa konduktif BT-101 barium titanate diéléktrik is used.Each lapisan diéléktrik dihasilkeun ngagunakeun dua-pass (baseuh-baseuh) siklus percetakan pikeun ngaronjatkeun uniformity tina film.For unggal komponén, pangaruh sababaraha siklus percetakan on kinerja komponén tur variability ieu examied.Samples dijieun kalawan sababaraha coatings tina bahan anu sarua anu garing dina 70 °C salila 2 menit antara coatings.After nerapkeun jaket panungtungan unggal bahan, sampel anu dipanggang dina 140 °C salila 10 menit pikeun mastikeun drying lengkep. Fungsi alignment otomatis tina layar. printer dipaké pikeun align layers.The saterusna kontak jeung puseur induktor nu kahontal ku motong ngaliwatan liang dina Pad puseur jeung stencil percetakan ngambah dina tonggong substrat jeung DuPont 5064H ink.The interkonéksi antara alat percetakan ogé ngagunakeun Dupont 5064H stencil printing. Dina raraga mintonkeun komponén dicitak sareng komponenana SMT dina PCB fléksibel ditémbongkeun dina Gambar 7, komponén dicitak disambungkeun maké Circuit Works CW2400 conductive epoxy, sarta komponén SMT disambungkeun ku soldering tradisional.
Litium kobalt oksida (LCO) jeung éléktroda basis grafit dipaké salaku katoda jeung anoda batréna, masing-masing.The slurry katoda mangrupakeun campuran 80% LCO (MTI Corp.), 7,5% grafit (KS6, Timcal), 2,5 % karbon hideung (Super P, Timcal) jeung 10% polyvinylidene fluorida (PVDF, Kureha Corp.). ) Anoda mangrupa campuran 84wt% grafit, 4wt% karbon hideung jeung 13wt% PVDF.N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) dipaké pikeun ngabubarkeun binder PVDF jeung bubarkeun slurry.The slurry ieu homogenized ku aduk jeung mixer vortex sapeuting.A 0,0005 inci kandel stainless steel foil jeung 10 μm nikel foil dipaké salaku kolektor ayeuna keur katoda jeung anoda, masing-masing. Tinta dicitak dina collector ayeuna jeung squeegee dina laju percetakan 20 mm / s.Panaskeun éléktroda dina oven dina 80 °C salila 2 jam ngaleupaskeun solvent.Jangkungna éléktroda sanggeus drying nyaeta ngeunaan 60 μm, sarta dumasar kana beurat bahan aktif, kapasitas teoritis nyaeta 1,65 mAh. /cm2.Éléktroda dipotong kana diménsi 1,3 × 1,3 cm2 sareng dipanaskeun dina oven vakum dina 140 ° C sapeuting, teras disegel ku kantong laminate aluminium dina kotak sarung anu dieusi nitrogén. Solusi pilem dasar polipropilén sareng anoda jeung katoda jeung 1M LiPF6 di EC / DEC (1:1) dipaké salaku éléktrolit batré.
Green OLED diwangun ku poli(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) jeung poli((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole-). 4, 8-diyl)) (F8BT) nurutkeun prosedur outlined dina Lochner et al.
Paké Dektak stylus profiler pikeun ngukur ketebalan pilem. Pilem ieu dipotong nyiapkeun sampel cross-sectional pikeun panalungtikan ku scanning mikroskop éléktron (SEM). FEI Quanta 3D médan émisi gun (FEG) SEM dipaké pikeun characterize struktur dicitak. pilem tur mastikeun ukuran ketebalan.Ulikan SEM ieu dipigawé dina tegangan accelerating 20 keV sarta jarak kerja has 10 mm.
Anggo multimeter digital pikeun ngukur résistansi DC, tegangan sareng arus. Impedansi AC tina induktor, kapasitor sareng sirkuit diukur nganggo méteran Agilent E4980 LCR pikeun frékuénsi di handap 1 MHz sareng analisa jaringan Agilent E5061A dianggo pikeun ngukur frekuensi di luhur 500 kHz. Tektronix TDS 5034 oscilloscope pikeun ngukur gelombang regulator tegangan.
Kumaha nyebatkeun artikel ieu: Ostfeld, AE, jsb.Screen printing komponén pasip pikeun fléksibel kakuatan éléktronik equipment.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038 / srep15959 (2015).
Nathan, A. et al.Fléksibel éléktronika: platform ubiquitous salajengna.Proses IEEE 100, 1486-1517 (2012).
Rabaey, JM Intranet Asasi Manusa: Hiji tempat grup papanggih humans.Paper diterbitkeun dina 2015 Konférénsi Éropa sarta Pameran on Desain, Automation sarta Tés, Grenoble, France.San Jose, California: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 Maret- 13).
Krebs, FC jsb.OE-A OPV demonstrator anno domini 2011.Energy environment.science.4, 4116-4123 (2011).
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, AC dicitak piezoelektrik alat Panén énergi.Advanced énergi materials.4. 1300427 (2014).
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW Dispenser-dicitak datar pilem kandel thermoelectric énergi generator.J. Micromechanics Microengineering 21, 104006 (2011).
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL A fléksibel-poténsi tinggi batré dicitak dipaké pikeun kakuatan dicitak devices.App Fisika Wright.102, 233302 (2013).
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA The kamajuan panganyarna dina accu fléksibel dicitak: tantangan mékanis, téhnologi percetakan jeung prospek hareup. Téknologi énergi.3, 305-328 (2015).
Hu, Y. jsb Sistim sensing badag skala nu ngagabungkeun alat éléktronik badag-aréa jeung CMOS ICs pikeun monitoring kaséhatan struktural.IEEE J. Solid State Circuit 49, 513-523 (2014).