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첨가제 및 저온 인쇄 공정은 저렴한 비용으로 다양한 전력 소비 및 전력 소비 전자 장치를 유연한 기판에 통합할 수 있습니다. 그러나 이러한 장치에서 완전한 전자 시스템을 생산하려면 일반적으로 전력 전자 장치가 다양한 작동 전압 간을 ​​변환해야 합니다. 인덕터, 커패시터, 저항기와 같은 수동 부품은 필터링, 단기 에너지 저장, 전압 측정과 같은 전력 전자 장치 및 기타 여러 애플리케이션에 필수적인 기능을 수행합니다. 이 기사에서는 인덕터, 커패시터, 유연한 플라스틱 기판에 저항과 RLC 회로를 스크린 인쇄하고, 인덕터의 직렬 저항을 최소화하여 전력 전자 장치에 사용할 수 있도록 설계 프로세스를 보고합니다. 인쇄된 인덕터와 저항을 부스트 레귤레이터 회로에 통합합니다. 유기발광다이오드(OLED)와 플렉서블 리튬이온 배터리 등이다. 전압 조정기는 배터리에서 다이오드에 전력을 공급하는 데 사용되며, DC-DC 컨버터 애플리케이션에서 기존 표면 실장 부품을 대체할 수 있는 인쇄 수동 부품의 잠재력을 보여줍니다.
최근에는 웨어러블 및 대면적 전자제품과 사물인터넷1,2에 다양한 플렉서블 디바이스의 응용이 개발되고 있다. 여기에는 광전지 3, 압전 4, 열전 5와 같은 에너지 수확 장치; 배터리(6, 7)와 같은 에너지 저장 장치; 센서 8, 9, 10, 11, 12 및 광원 13과 같은 전력 소비 장치. 개별 에너지원 및 부하에서 큰 진전이 이루어졌지만 이러한 구성 요소를 완전한 전자 시스템으로 결합하려면 일반적으로 전력 전자 장치가 필요합니다. 전원 공급 장치 동작과 부하 요구 사항 간의 불일치를 극복합니다. 예를 들어 배터리는 충전 상태에 따라 가변 전압을 생성합니다. 부하에 일정한 전압이 필요하거나 배터리가 생성할 수 있는 전압보다 높은 경우 전력 전자 장치가 필요합니다. .전력 전자 장치는 스위칭 및 제어 기능을 수행하기 위해 능동 부품(트랜지스터)과 수동 부품(인덕터, 커패시터, 저항기)을 사용합니다. 예를 들어 스위칭 조정기 회로에서 인덕터는 각 스위칭 주기 동안 에너지를 저장하는 데 사용됩니다. , 전압 리플을 줄이기 위해 커패시터를 사용하고 피드백 제어에 필요한 전압 측정은 저항 분배기를 사용하여 수행됩니다.
웨어러블 기기(예: 산소포화도측정기9)에 적합한 전력전자소자는 수 볼트, 수 밀리암페어를 필요로 하며, 보통 수백 kHz ~ 수 MHz의 주파수 범위에서 동작하며, 수 μH와 수 μH의 인덕턴스와 정전용량 μF를 필요로 한다. 각각 14개입니다. 이러한 회로를 제조하는 전통적인 방법은 개별 부품을 단단한 인쇄 회로 기판(PCB)에 납땜하는 것입니다. 전력 전자 회로의 능동 부품은 일반적으로 단일 실리콘 집적 회로(IC)로 결합되지만 수동 부품은 일반적으로 외부, 맞춤형 회로를 허용하거나 필요한 인덕턴스와 커패시턴스가 실리콘으로 구현하기에는 너무 크기 때문입니다.
전통적인 PCB 기반 제조 기술에 비해 적층 프린팅 공정을 통해 전자 장치 및 회로를 제조하는 것은 단순성 및 비용 측면에서 많은 장점이 있습니다. 첫째, 회로의 많은 구성 요소가 접점용 금속과 같은 동일한 재료를 필요로 하기 때문입니다. 및 상호 연결을 통해 인쇄를 통해 상대적으로 적은 처리 단계와 재료 소스를 사용하여 여러 구성 요소를 동시에 제조할 수 있습니다15. 포토리소그래피 및 에칭과 같은 절삭 공정을 대체하기 위한 적층 공정을 사용하면 공정 복잡성과 재료 낭비가 더욱 줄어듭니다16, 17, 또한 인쇄에 사용되는 저온은 유연하고 저렴한 플라스틱 기판과 호환되므로 고속 롤투롤 제조 공정을 사용하여 넓은 영역에 걸쳐 전자 장치(16, 20)를 덮을 수 있습니다. 인쇄 부품으로는 완전히 구현할 수 없는 SMT(표면 실장 기술) 부품을 저온에서 인쇄 부품 옆의 유연한 기판(21, 22, 23)에 연결하는 하이브리드 방식이 개발되었습니다. 이러한 하이브리드 방식에서는 여전히 추가 공정의 이점을 얻고 회로의 전반적인 유연성을 높이기 위해 가능한 한 많은 SMT 부품을 인쇄된 부품으로 교체해야 합니다. 유연한 전력 전자 장치를 실현하기 위해 우리는 SMT 능동 부품과 스크린 인쇄 수동 부품의 조합을 제안했습니다. 부피가 큰 SMT 인덕터를 평면 나선형 인덕터로 교체하는 데 특히 중점을 두고 있습니다. 인쇄 전자 장치 제조를 위한 다양한 기술 중에서 스크린 인쇄는 필름 두께가 크기 때문에 수동 부품에 특히 적합합니다(금속 피처의 직렬 저항을 최소화하는 데 필요함). ) 및 높은 인쇄 속도, 센티미터 수준의 영역을 덮을 때도 마찬가지입니다. 재료 24.
회로의 효율성은 시스템에 전력을 공급하는 데 필요한 에너지 양에 직접적인 영향을 미치기 때문에 전력 전자 장비의 수동 부품의 손실을 최소화해야 합니다. 이는 긴 코일로 구성된 인쇄 인덕터의 경우 특히 까다로우며 따라서 높은 직렬에 취약합니다. 따라서, 인쇄코일의 저항(25, 26, 27, 28)을 최소화하기 위한 노력이 이루어지고 있으나, 전력전자소자용 고효율 인쇄수동소자는 여전히 부족한 실정이다. 유연한 기판의 구성 요소는 RFID(무선 주파수 식별) 또는 에너지 수확 목적을 위해 공진 회로에서 작동하도록 설계되었습니다. 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. 기타 재료 또는 제조 공정 개발에 중점을 두고 일반 구성 요소를 보여줍니다. 26, 32, 33, 34는 특정 응용 분야에 최적화되지 않았습니다. 대조적으로 전압 조정기와 같은 전력 전자 회로는 일반적인 인쇄 수동 소자보다 더 큰 부품을 사용하는 경우가 많으며 공진이 필요하지 않으므로 다른 부품 설계가 필요합니다.
여기서는 전력 전자 관련 주파수에서 가장 작은 직렬 저항과 고성능을 달성하기 위해 μH 범위의 스크린 인쇄 인덕터의 설계 및 최적화를 소개합니다. 다양한 구성 요소 값을 갖는 스크린 인쇄 인덕터, 커패시터 및 저항기를 제조합니다. 유연한 플라스틱 기판에 이러한 구성 요소가 유연한 전자 제품에 적합하다는 것은 간단한 RLC 회로에서 처음으로 입증되었습니다. 그런 다음 인쇄된 인덕터와 저항기가 IC와 통합되어 부스트 레귤레이터를 형성합니다. 마지막으로 유기 발광 다이오드(OLED) ) 및 유연한 리튬 이온 배터리가 제조되고 전압 조정기를 사용하여 배터리에서 OLED에 전원을 공급합니다.
전력 전자용 인쇄 인덕터를 설계하기 위해 먼저 Mohan 등이 제안한 현재 시트 모델을 기반으로 일련의 인덕터 형상의 인덕턴스와 DC 저항을 예측했습니다. 모델의 정확성을 확인하기 위해 다양한 기하학적 구조의 인덕터를 제작했습니다. 이 연구에서는 다각형 기하학적 구조에 비해 더 낮은 저항으로 더 높은 인덕턴스(36)를 얻을 수 있기 때문에 원형 모양의 인덕터가 선택되었습니다. 잉크의 영향 저항에 대한 인쇄 주기 유형 및 횟수가 결정됩니다. 그런 다음 이러한 결과를 전류계 모델과 함께 사용하여 최소 DC 저항에 최적화된 4.7μH 및 7.8μH 인덕터를 설계했습니다.
나선형 인덕터의 인덕턴스와 DC 저항은 외경 do, 권선 폭 w 및 간격 s, 권선 수 n, 도체 시트 저항 Rsheet 등 여러 매개변수로 설명할 수 있습니다. 그림 1a는 실크스크린 인쇄된 원형 인덕터의 사진을 보여줍니다. n = 12로 인덕턴스를 결정하는 기하학적 매개변수를 보여줍니다. Mohan et al.의 전류계 모델에 따르면. 그림 35에서 인덕턴스는 일련의 인덕터 구조에 대해 계산됩니다.
(a) 기하학적 매개변수를 보여주는 스크린 인쇄된 인덕터의 사진. 직경은 3cm입니다. 다양한 인덕터 형상의 인덕턴스(b) 및 DC 저항(c). 선과 표시는 각각 계산된 값과 측정된 값에 해당합니다. (d, e) 인덕터 L1 및 L2의 DC 저항은 각각 Dupont 5028 및 5064H 실버 잉크로 스크린 인쇄되었습니다. (f, g) 각각 Dupont 5028 및 5064H로 인쇄된 필름의 SEM 현미경 사진입니다.
고주파수에서는 표피 효과와 기생 용량이 DC 값에 따라 인덕터의 저항과 인덕턴스를 변경합니다. 인덕터는 이러한 효과를 무시할 수 있을 만큼 충분히 낮은 주파수에서 작동할 것으로 예상되며 장치는 일정한 인덕턴스로 동작합니다. 따라서 본 연구에서는 기하학적 매개변수, 인덕턴스, DC 저항 간의 관계를 분석하고 그 결과를 사용하여 DC 저항이 가장 작은 주어진 인덕턴스를 구했습니다.
스크린 인쇄로 구현할 수 있는 일련의 기하학적 매개변수에 대해 인덕턴스와 저항이 계산되며, μH 범위의 인덕턴스가 생성될 것으로 예상됩니다. 외경 3~5cm, 선폭 500~1000 마이크론 , 다양한 회전을 비교합니다. 계산에서 시트 저항은 47mΩ/□로 가정합니다. 이는 400 메쉬 스크린으로 인쇄되고 w = s로 설정된 7μm 두께의 Dupont 5028 은 마이크로플레이크 전도체 층에 해당합니다. 계산된 인덕턴스와 저항 값은 각각 그림 1b와 c에 나와 있습니다. 모델은 외경과 권선 수가 증가하거나 선폭이 감소함에 따라 인덕턴스와 저항이 모두 증가한다고 예측합니다.
모델 예측의 정확성을 평가하기 위해 다양한 기하학적 구조와 인덕턴스의 인덕터를 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판에 제작했습니다. 측정된 인덕턴스와 저항 값은 그림 1b와 c에 나와 있습니다. 저항은 약간의 편차를 보였지만 주로 증착된 잉크의 두께와 균일성의 변화로 인해 예상된 값과 인덕턴스가 모델과 매우 잘 일치하는 것으로 나타났습니다.
이러한 결과는 필요한 인덕턴스와 최소 DC 저항을 갖는 인덕터를 설계하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어 2μH의 인덕턴스가 필요하다고 가정합니다. 그림 1b는 이 인덕턴스가 외경 3cm, 선폭 3cm로 구현될 수 있음을 보여줍니다. 외경 5cm, 선폭 500μm 및 5권 또는 선폭 1000μm 및 7권(그림 참조)을 사용해도 동일한 인덕턴스를 생성할 수 있습니다. 이 세 가지의 저항을 비교합니다. 그림 1c에서 가능한 형상을 보면 선폭이 1000μm인 5cm 인덕터의 가장 낮은 저항이 34Ω이며 이는 다른 두 개보다 약 40% 낮다는 것을 알 수 있습니다. 주어진 인덕턴스를 달성하기 위한 일반적인 설계 프로세스 최소 저항을 갖는 저항을 갖는 방법은 다음과 같이 요약됩니다. 먼저, 애플리케이션에 의해 부과된 공간 제약에 따라 최대 허용 외경을 선택합니다. 그런 다음, 높은 충전 속도를 얻기 위해 필요한 인덕턴스를 달성하면서 선폭은 최대한 커야 합니다. (식 (3)).
금속막의 면저항을 줄이기 위해 두께를 늘리거나 전도성이 더 높은 재료를 사용함으로써 인덕턴스에 영향을 주지 않고 DC 저항을 더욱 줄일 수 있습니다. 기하학적 매개변수가 표 1에 나와 있는 L1 및 L2라고 하는 두 개의 인덕터, 저항의 변화를 평가하기 위해 다양한 수의 코팅으로 제조됩니다. 잉크 코팅의 수가 증가함에 따라 각각 인덕터 L1 및 L2인 그림 1d 및 e에 표시된 것처럼 저항은 예상대로 비례하여 감소합니다. 그림 1d 및 e 6겹의 코팅을 적용하면 최대 6배까지 저항을 줄일 수 있으며, 레이어 1과 레이어 2 사이에서 최대 저항 감소(50~65%)가 발생함을 보여줍니다. 잉크의 각 레이어는 상대적으로 얇기 때문에 상대적으로 작은 그리드 크기(인치당 400라인)를 가진 스크린을 사용하여 이러한 인덕터를 인쇄합니다. 이를 통해 도체 두께가 저항에 미치는 영향을 연구할 수 있습니다. 패턴 특징이 그리드의 최소 해상도보다 크게 유지되는 한, 더 큰 그리드 크기로 더 적은 수의 코팅을 인쇄하면 유사한 두께(및 저항)를 더 빠르게 달성할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 여기서 설명한 6 코팅 인덕터와 동일한 DC 저항을 달성하면서 더 높은 생산 속도를 얻을 수 있습니다.
그림 1d와 e는 또한 전도성이 더 높은 실버 플레이크 잉크 DuPont 5064H를 사용하면 저항이 2배로 감소함을 보여줍니다. 두 잉크로 인쇄된 필름의 SEM 현미경 사진(그림 1f, g)에서 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다. 5028 잉크의 낮은 전도성은 더 작은 입자 크기와 인쇄된 필름의 입자 사이에 많은 공극이 존재하기 때문이라는 것을 알 수 있습니다. 반면에 5064H는 더 크고 더 촘촘하게 배열된 플레이크를 가지고 있어 벌크에 더 가깝게 동작합니다. 은. 이 잉크로 생산된 필름은 5028 잉크보다 얇지만 단층 4μm, 6층 22μm로 구성되어 있지만 전도성 증가는 전체 저항을 감소시키기에 충분합니다.
마지막으로 인덕턴스(식 (1))은 감은 수(w + s)에 따라 달라지지만 저항(식(5))은 선폭 w에만 의존합니다. 따라서 s에 비해 w를 증가시키면 저항은 2개의 추가 인덕터 L3 및 L4는 표 1에 표시된 것처럼 w = 2s 및 큰 외경을 갖도록 설계되었습니다. 이러한 인덕터는 앞에서 설명한 것처럼 DuPont 5064H 코팅 6겹으로 제조되어 L3의 인덕턴스는 4.720 ± 0.002 μH이고 저항은 4.9 ± 0.1 Ω인 반면, L4의 인덕턴스는 7.839 ± 0.005 μH 및 6.9 ± 0.1 Ω이며 이는 모델 예측과 잘 일치합니다. 두께, 전도성 및 w/s의 증가는 L/R 비율이 그림 1의 값에 비해 10배 이상 증가했음을 의미합니다.
낮은 DC 저항이 유망하지만 kHz-MHz 범위에서 작동하는 전력 전자 장비용 인덕터의 적합성을 평가하려면 AC 주파수에서의 특성화가 필요합니다. 그림 2a는 L3 및 L4의 저항 및 리액턴스의 주파수 의존성을 보여줍니다. 10MHz 미만의 주파수 , 저항은 DC 값에서 거의 일정하게 유지되는 반면 리액턴스는 주파수에 따라 선형적으로 증가합니다. 이는 인덕턴스가 예상대로 일정하다는 것을 의미합니다. 자기 공진 주파수는 임피던스가 유도성에서 용량성으로 변경되는 주파수로 정의됩니다. L3은 35.6 ± 0.3MHz이고 L4는 24.3 ± 0.6MHz입니다. 품질 계수 Q(ΩL/R과 동일)의 주파수 의존성은 그림 2b에 나와 있습니다. L3 및 L4는 35 ± 1 및 33 ± 1의 최대 품질 계수를 달성합니다. 각각 11MHz와 16MHz의 주파수에서. 몇 μH의 인덕턴스와 MHz 주파수에서 상대적으로 높은 Q 덕분에 이 인덕터는 저전력 DC-DC 컨버터의 기존 표면 실장 인덕터를 대체하기에 충분합니다.
인덕터 L3 및 L4의 측정된 저항 R, 리액턴스 X(a) 및 품질 계수 Q(b)는 주파수와 관련이 있습니다.
주어진 커패시턴스에 필요한 설치 공간을 최소화하려면 유전 상수 ε를 유전체의 두께로 나눈 값과 동일한 큰 비커패시턴스를 갖는 커패시터 기술을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 이 연구에서 우리는 티탄산 바륨 복합재를 선택했습니다. 다른 용액 처리 유기 유전체보다 엡실론이 더 높기 때문에 유전체로 사용됩니다. 유전체 층은 두 개의 은 전도체 사이에 스크린 인쇄되어 금속-유전체-금속 구조를 형성합니다. 그림 3a에 표시된 대로 다양한 크기(센티미터 단위)의 커패시터 는 우수한 수율을 유지하기 위해 2개 또는 3개 층의 유전체 잉크를 사용하여 제조됩니다. 그림 3b는 전체 유전체 두께가 21μm인 2개 층의 유전체로 만들어진 대표적인 커패시터의 단면 SEM 현미경 사진을 보여줍니다. 상단 및 하단 전극 각각 1층 및 6층 5064H입니다. 미크론 크기의 티탄산 바륨 입자는 더 밝은 영역이 더 어두운 유기 바인더로 둘러싸여 있기 때문에 SEM 이미지에서 볼 수 있습니다. 유전체 잉크는 하단 전극을 잘 적시고 전극과 명확한 인터페이스를 형성합니다. 더 높은 배율로 그림에 표시된 것처럼 인쇄된 금속 필름.
(a) 5개의 서로 다른 영역을 가진 커패시터의 사진.(b) 티탄산 바륨 유전체와 은 전극을 보여주는 2개의 유전체 층을 가진 커패시터의 단면 SEM 현미경 사진.(c) 2 및 3 티탄산 바륨을 가진 커패시터의 정전 용량 1MHz에서 측정된 유전체 층 및 다양한 영역.(d) 유전체 코팅 2개 층과 주파수를 갖춘 2.25cm2 커패시터의 정전 용량, ESR 및 손실 계수 간의 관계.
커패시턴스는 예상 면적에 비례합니다. 그림 3c에 도시된 바와 같이, 2층 유전체의 비정전용량은 0.53 nF/cm2이고, 3층 유전체의 비정전용량은 0.33 nF/cm2이다. 이 값은 유전상수 13에 해당한다. 그림 3d에 표시된 것처럼 두 개의 유전체 층이 있는 2.25 cm2 커패시터에 대해 정전 용량과 손실 계수(DF)도 서로 다른 주파수에서 측정되었습니다. 우리는 정전 용량이 관심 주파수 범위에서 상대적으로 평탄하여 20% 증가한다는 것을 발견했습니다. 동일한 범위에서 DF는 0.013에서 0.023으로 증가했습니다. 소산 인자는 각 AC 사이클에 저장된 에너지에 대한 에너지 손실의 비율이므로 DF 0.02는 처리된 전력의 2%를 의미합니다. 이 손실은 일반적으로 커패시터와 직렬로 연결된 주파수 종속 등가 직렬 저항(ESR)으로 표현되며 이는 DF/ΩC와 같습니다. 그림 3d에 표시된 대로 1MHz보다 큰 주파수의 경우 ESR 1.5Ω보다 낮고, 4MHz보다 큰 주파수에서는 ESR이 0.5Ω보다 낮다. 이러한 커패시터 기술을 사용하더라도 DC-DC 컨버터에 필요한 μF급 커패시터는 매우 넓은 면적을 필요로 하지만 100pF-nF 이러한 커패시터는 정전 용량 범위와 낮은 손실로 인해 필터 및 공진 회로와 같은 다른 응용 분야에 적합합니다. 정전 용량을 늘리기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있습니다. 유전 상수가 높을수록 비정전 용량이 증가합니다. 예를 들어, 이는 잉크 내 티탄산바륨 입자의 농도를 증가시킴으로써 달성할 수 있습니다. 더 작은 유전체 두께를 사용할 수 있지만 이를 위해서는 스크린 인쇄된 은 플레이크보다 거칠기가 낮은 하부 전극이 필요합니다. 더 얇고 더 낮은 거칠기 커패시터 층은 스크린 인쇄 공정과 결합될 수 있는 잉크젯 인쇄(31) 또는 그라비어 인쇄(10)에 의해 증착될 수 있습니다. 마지막으로 금속과 유전체의 여러 교번 층을 적층하고 인쇄하고 병렬로 연결하여 단위 면적당 정전 용량(34)을 증가시킬 수 있습니다. .
한 쌍의 저항기로 구성된 전압 분배기는 일반적으로 전압 조정기의 피드백 제어에 필요한 전압 측정을 수행하는 데 사용됩니다. 이러한 유형의 응용 분야에서는 인쇄된 저항기의 저항이 kΩ-MΩ 범위에 있어야 하며, 두 저항 사이의 차이는 다음과 같습니다. 소자는 작습니다. 여기서 단층 스크린 인쇄 카본 잉크의 면저항은 900 Ω/□인 것으로 나타났습니다. 이 정보는 두 개의 선형 저항(R1 및 R2)과 서펜타인 저항(R3)을 설계하는 데 사용됩니다. ) 공칭 저항은 10kΩ, 100kΩ 및 1.5MΩ입니다. 공칭 값 사이의 저항은 그림 4에 표시된 대로 두 개 또는 세 개의 잉크 층과 세 개의 저항 사진을 인쇄하여 달성됩니다. 8- 유형별 샘플 12개; 모든 경우에 저항의 표준편차는 10% 이하입니다. 2~3겹의 코팅을 적용한 샘플의 저항 변화는 1겹의 코팅을 적용한 샘플의 저항 변화보다 약간 작은 경향이 있습니다. 측정된 저항의 작은 변화 공칭 값과 거의 일치한다는 것은 이 범위의 다른 저항이 저항 기하 구조를 수정하여 직접 얻을 수 있음을 나타냅니다.
서로 다른 수의 탄소 저항성 잉크 코팅을 갖춘 세 가지 서로 다른 저항기 형상. 세 가지 저항기의 사진이 오른쪽에 표시됩니다.
RLC 회로는 실제 인쇄 회로에 통합된 수동 부품의 동작을 시연하고 검증하는 데 사용되는 저항기, 인덕터 및 커패시터 조합의 고전적인 교과서 예입니다. 이 회로에서는 8μH 인덕터와 0.8nF 커패시터가 직렬로 연결되고 25kΩ 저항기가 병렬로 연결되어 있습니다. 유연한 회로의 사진은 그림 5a에 나와 있습니다. 이 특별한 직렬-병렬 조합을 선택한 이유는 동작이 세 가지 서로 다른 주파수 구성 요소 각각에 의해 결정되기 때문입니다. 각 부품의 성능을 강조하고 평가할 수 있습니다. 인덕터의 7Ω 직렬 저항과 커패시터의 1.3Ω ESR을 고려하여 회로의 예상 주파수 응답을 계산했습니다. 회로도는 그림 5b에 나와 있으며 계산된 임피던스 진폭과 위상 및 측정된 값은 그림 5c와 d에 나와 있습니다. 저주파에서 커패시터의 높은 임피던스는 회로의 동작이 25kΩ 저항에 의해 결정된다는 것을 의미합니다. 주파수가 증가함에 따라 임피던스는 LC 경로가 감소합니다. 전체 회로 동작은 공진 주파수가 2.0MHz가 될 때까지 용량성입니다. 공진 주파수 이상에서는 유도성 임피던스가 지배적입니다. 그림 5는 전체 주파수 범위에 걸쳐 계산된 값과 측정된 값 사이의 탁월한 일치를 명확하게 보여줍니다. 이는 모델이 사용되었음을 의미합니다. 여기(인덕터와 커패시터가 직렬 저항을 갖는 이상적인 구성 요소인 경우)는 이러한 주파수에서 회로 동작을 예측하는 데 정확합니다.
(a) 8μH 인덕터와 0.8nF 커패시터의 직렬 조합을 25kΩ 저항과 병렬로 사용하는 스크린 인쇄된 RLC 회로의 사진.(b) 인덕터와 커패시터의 직렬 저항을 포함한 회로 모델.(c) ,d) 회로의 임피던스 진폭(c) 및 위상(d).
마지막으로 인쇄된 인덕터와 저항기가 부스트 레귤레이터에 구현됩니다. 이 데모에 사용된 IC는 작동 주파수가 500kHz인 PWM 기반 동기식 부스트 레귤레이터인 Microchip MCP1640B14입니다. 회로도는 그림 6a.A에 나와 있습니다. 4.7μH 인덕터와 2개의 커패시터(4.7μF, 10μF)는 에너지 저장소자로 사용되며, 한 쌍의 저항은 피드백 제어의 출력전압을 측정하는데 사용된다. 저항값을 선택하여 출력전압을 5V로 조절한다. 회로는 PCB 상에 제작되었으며, 다양한 충전 상태에서 리튬이온 배터리를 시뮬레이션하기 위해 부하 저항과 3~4V의 입력 전압 범위 내에서 성능을 측정했습니다. 인쇄된 인덕터와 저항기의 효율을 비교했습니다. SMT 인덕터 및 저항기의 효율성. SMT 커패시터는 이 애플리케이션에 필요한 커패시턴스가 너무 커서 인쇄 커패시터로 완성할 수 없기 때문에 모든 경우에 사용됩니다.
(a) 전압 안정화 회로의 다이어그램.(b–d) (b) Vout, (c) Vsw, (d) 인덕터에 흐르는 전류의 파형, 입력 전압은 4.0V, 부하 저항은 1kΩ, 인쇄된 인덕터를 사용하여 측정합니다. 이 측정에는 표면 실장 저항기와 커패시터가 사용됩니다.(e) 다양한 부하 저항 및 입력 전압의 경우 모든 표면 실장 구성 요소와 인쇄된 인덕터 및 저항기를 사용하는 전압 조정기 회로의 효율성입니다.(f ) (e)에 표시된 표면 실장 및 인쇄 회로의 효율 비율.
4.0V 입력 전압 및 1000Ω 부하 저항의 경우 인쇄된 인덕터를 사용하여 측정된 파형이 그림 6b-d에 나와 있습니다. 그림 6c는 IC의 Vsw 단자의 전압을 보여줍니다. 인덕터 전압은 Vin-Vsw입니다. 그림 6d는 인덕터로 흐르는 전류를 보여줍니다. SMT 및 인쇄 부품이 포함된 회로의 효율은 그림 6e에 입력 전압 및 부하 저항의 함수로 표시되며 그림 6f는 효율 비율을 보여줍니다. SMT 부품을 사용하여 측정된 효율은 제조업체의 데이터 시트 14에 제공된 예상 값과 유사합니다. 높은 입력 전류(낮은 부하 저항 및 낮은 입력 전압)에서 인쇄된 인덕터의 효율은 SMT 부품보다 훨씬 낮습니다. 직렬 저항이 높기 때문에 SMT 인덕터의 성능입니다. 그러나 입력 전압과 출력 전류가 높아지면 저항 손실이 덜 중요해지며 인쇄된 인덕터의 성능은 SMT 인덕터의 성능에 가까워지기 시작합니다. 부하 저항이 500Ω을 초과하고 Vin의 경우 = 4.0V 또는 >750Ω 및 Vin = 3.5V인 경우 인쇄된 인덕터의 효율은 SMT 인덕터의 85%보다 높습니다.
그림 6d의 전류 파형과 측정된 전력 손실을 비교하면 예상대로 인덕터의 저항 손실이 인쇄 회로와 SMT 회로 간의 효율 차이의 주요 원인임을 알 수 있습니다. 입력 및 출력 전력은 4.0V에서 측정되었습니다. 입력 전압 및 1000Ω 부하 저항은 SMT 구성 요소가 있는 회로의 경우 30.4mW 및 25.8mW이고 인쇄 구성 요소가 있는 회로의 경우 33.1mW 및 25.2mW입니다. 따라서 인쇄 회로의 손실은 7.9mW로, 이는 SMT 구성 요소보다 3.4mW 더 높습니다. 그림 6d의 파형에서 계산된 RMS 인덕터 전류는 25.6mA입니다. 직렬 저항이 4.9Ω이므로 예상 전력 손실은 3.2mW입니다. 이는 측정된 3.4mW DC 전력 차이의 96%입니다. 또한 회로는 인쇄 인덕터 및 인쇄 저항기와 인쇄 인덕터 및 SMT 저항기로 제조되며, 그들 사이에는 큰 효율성 차이가 관찰되지 않았습니다.
그런 다음 전압 조정기를 유연한 PCB(회로의 인쇄 및 SMT 구성 요소 성능은 보충 그림 S1에 표시됨)에 제작하고 전원인 유연한 리튬 이온 배터리와 부하인 OLED 어레이 사이에 연결합니다. Lochner et al. 9 OLED를 제조하기 위해 OLED 픽셀 하나는 5V에서 0.6mA를 소비합니다. 배터리는 음극과 음극으로 리튬코발트산화물과 흑연을 각각 사용하며, 가장 일반적인 배터리 프린팅 방식인 닥터 블레이드 코팅으로 제조됩니다.7 배터리 용량은 16mAh이고 테스트 중 전압은 4.0V입니다. 그림 7은 병렬로 연결된 3개의 OLED 픽셀에 전원을 공급하는 유연한 PCB의 회로 사진을 보여줍니다. 이 시연에서는 인쇄된 전력 부품이 다른 부품과 통합될 수 있는 가능성을 보여주었습니다. 보다 복잡한 전자 시스템을 형성하는 유연하고 유기적인 장치입니다.
3개의 유기 LED에 전원을 공급하기 위해 유연한 리튬 이온 배터리를 사용하고 인쇄된 인덕터와 저항기를 사용하는 유연한 PCB의 전압 조정기 회로 사진입니다.
우리는 전력 전자 장비의 표면 실장 부품을 대체할 목적으로 유연한 PET 기판에 다양한 값을 갖는 스크린 인쇄된 인덕터, 커패시터 및 저항기를 보여주었습니다. 우리는 직경이 큰 나선형을 설계하여 충전 속도를 보여주었습니다. , 라인 폭-공간 폭 비율, 그리고 저저항 잉크의 두꺼운 층을 사용합니다. 이러한 구성 요소는 완전히 인쇄되고 유연한 RLC 회로에 통합되어 가장 큰 kHz-MHz 주파수 범위에서 예측 가능한 전기적 동작을 나타냅니다. 전력 전자공학에 관심을 갖는다.
인쇄 전력 전자 장치의 일반적인 사용 사례는 충전 상태에 따라 가변 전압을 생성할 수 있는 유연한 충전 배터리(예: 리튬 이온)로 구동되는 웨어러블 또는 제품 통합형 유연한 전자 시스템입니다. 유기 전자 장비)에는 배터리에서 출력되는 전압보다 일정하거나 높은 전압이 필요하므로 전압 조정기가 필요합니다. 이러한 이유로 인쇄된 인덕터와 저항기는 기존 실리콘 IC와 부스트 조정기로 통합되어 정전압으로 OLED에 전력을 공급합니다. 가변 전압 배터리 전원 공급 장치에서 최대 5V. 부하 전류 및 입력 전압의 특정 범위 내에서 이 회로의 효율은 표면 실장 인덕터 및 저항기를 사용하는 제어 회로 효율의 85%를 초과합니다. 재료 및 기하학적 최적화에도 불구하고, 인덕터의 저항 손실은 여전히 ​​높은 전류 수준(약 10mA보다 큰 입력 전류)에서 회로 성능을 제한하는 요소입니다. 그러나 낮은 전류에서는 인덕터의 손실이 감소하고 전체 성능은 효율성에 의해 제한됩니다. 많은 인쇄 및 유기 장치는 우리 시연에서 사용된 소형 OLED와 같이 상대적으로 낮은 전류를 필요로 하기 때문에 인쇄 전력 인덕터는 이러한 응용 분야에 적합하다고 간주될 수 있습니다. 낮은 전류 수준에서 최고 효율을 갖도록 설계된 IC를 사용하면, 더 높은 전체 컨버터 효율을 달성할 수 있습니다.
이 작업에서 전압 조정기는 기존 PCB, 유연한 PCB 및 표면 실장 부품 납땜 기술을 기반으로 제작되었으며 인쇄된 부품은 별도의 기판에서 제조되었습니다. 그러나 스크린을 생산하는 데 사용되는 저온 및 고점도 잉크는 인쇄된 필름은 수동 부품뿐만 아니라 장치와 표면 실장 구성 요소 접촉 패드 사이의 상호 연결을 모든 기판에 인쇄할 수 있어야 합니다. 이는 표면 실장 구성 요소에 기존 저온 전도성 접착제를 사용하는 것과 결합되어 다음을 가능하게 합니다. 전체 회로는 PCB 에칭과 같은 절삭 공정 없이 저렴한 기판(예: PET) 위에 구축됩니다. 따라서 이 작업에서 개발된 스크린 인쇄 수동 부품은 에너지와 부하를 통합하는 유연한 전자 시스템의 길을 열어줍니다. 저렴한 기판을 사용하고 주로 적층 공정을 사용하며 표면 실장 부품 수를 최소화하는 고성능 전력 전자 장치를 사용합니다.
Asys ASP01M 스크린 프린터와 Dynamesh Inc.에서 제공한 스테인레스 스틸 스크린을 사용하여 수동 부품의 모든 레이어를 76μm 두께의 유연한 PET 기판에 스크린 인쇄했습니다. 금속 레이어의 메쉬 크기는 인치당 400줄, 250라인입니다. 유전층과 저항층의 인치당 선 수는 55N의 스퀴지 힘, 60mm/s의 인쇄 속도, 1.5mm의 파손 거리, 경도 65의 Serilor 스퀴지를 사용합니다(금속 및 저항막의 경우). 레이어) 또는 스크린 인쇄의 경우 75(유전체 레이어의 경우)입니다.
전도성 층(인덕터 및 커패시터와 저항기의 접점)은 DuPont 5082 또는 DuPont 5064H 은 마이크로플레이크 잉크로 인쇄됩니다. 저항기는 DuPont 7082 탄소 전도체로 인쇄됩니다. 커패시터 유전체의 경우 전도성 화합물 BT-101 티탄산 바륨 유전체 각 유전체 층은 필름의 균일성을 개선하기 위해 2단계(습식-습식) 인쇄 주기를 사용하여 생산됩니다. 각 구성 요소에 대해 여러 인쇄 주기가 구성 요소 성능 및 가변성에 미치는 영향을 조사했습니다. 동일한 재료의 여러 코팅을 코팅 간 70°C에서 2분간 건조했습니다. 각 재료의 마지막 코팅을 적용한 후 샘플을 140°C에서 10분간 구워 완전한 건조를 보장했습니다. 스크린의 자동 정렬 기능 프린터는 후속 레이어를 정렬하는 데 사용됩니다. 인덕터 중앙과의 접촉은 DuPont 5064H 잉크로 중앙 패드의 관통 구멍과 기판 뒷면의 스텐실 인쇄 흔적을 절단하여 이루어집니다. 인쇄 장비 간의 상호 연결도 Dupont를 사용합니다. 5064H 스텐실 인쇄. 그림 7에 표시된 유연한 PCB에 인쇄된 구성 요소와 SMT 구성 요소를 표시하기 위해 인쇄된 구성 요소는 Circuit Works CW2400 전도성 에폭시를 사용하여 연결되고 SMT 구성 요소는 기존 납땜으로 연결됩니다.
전지의 양극과 음극에는 리튬코발트산화물(LCO)과 흑연계 전극을 각각 사용한다. 양극 슬러리는 LCO(MTI Corp.) 80%, 흑연(KS6, Timcal) 7.5%, 2.5%를 혼합한 것이다. % 카본 블랙(Super P, Timcal) 및 10% 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, Kureha Corp.). ) 양극은 흑연 84wt%, 카본블랙 4wt%, PVDF 13wt%의 혼합물이다. N-Methyl-2-pyrrolidone(NMP, Sigma Aldrich)을 사용하여 PVDF 바인더를 용해시키고 슬러리를 분산시켰다. 0.0005인치 두께의 스테인레스 스틸 포일과 10μm 니켈 포일을 각각 음극과 양극의 집전체로 사용합니다. 스퀴지를 사용하여 인쇄 속도 20으로 집전체에 잉크를 인쇄합니다. mm/s. 전극을 오븐에서 80°C로 2시간 동안 가열하여 용매를 제거한다. 건조 후 전극의 높이는 약 60 μm이고, 활물질 중량 기준으로 이론 용량은 1.65 mAh이다. /cm2. 전극을 1.3 x 1.3 cm2 크기로 자르고 진공 오븐에서 140°C로 밤새 가열한 다음 질소가 채워진 글러브 박스에서 알루미늄 라미네이트 백으로 밀봉했습니다. 양극과 음극, EC/DEC(1:1)의 1M LiPF6가 배터리 전해질로 사용됩니다.
녹색 OLED는 폴리(9,9-디옥틸플루오렌-co-n-(4-부틸페닐)-디페닐아민)(TFB)과 폴리((9,9-디옥틸플루오렌-2,7-(2,1,3-벤조티아디아졸-)로 구성됩니다. 4, 8-디일)) (F8BT) Lochner et al.
Dektak 스타일러스 프로파일러를 사용하여 필름 두께를 측정합니다. 필름을 절단하여 주사 전자 현미경(SEM)으로 조사할 단면 샘플을 준비했습니다. FEI Quanta 3D 전계 방출 총(FEG) SEM을 사용하여 인쇄된 구조를 특성화합니다. 필름을 만들고 두께 측정을 확인합니다. SEM 연구는 20keV의 가속 전압과 10mm의 일반적인 작동 거리에서 수행되었습니다.
DC 저항, 전압 및 전류를 측정하려면 디지털 멀티미터를 사용하십시오. 인덕터, 커패시터 및 회로의 AC 임피던스는 1MHz 미만의 주파수에 대해 Agilent E4980 LCR 미터를 사용하여 측정하고 500kHz 이상의 주파수를 측정하려면 Agilent E5061A 네트워크 분석기를 사용합니다. Tektronix TDS 5034 오실로스코프를 사용하여 전압 조정기 파형을 측정합니다.
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