ニュース

Nature をご覧いただきありがとうございます。使用しているブラウザのバージョンでは、CSS のサポートが制限されています。最良のエクスペリエンスを得るには、新しいバージョンのブラウザを使用することをお勧めします (または Internet Explorer の互換モードをオフにする)。 、継続的なサポートを確保するために、スタイルと JavaScript を含まないサイトが表示されます。
添加剤と低温印刷プロセスにより、電力を消費するさまざまな電子デバイスをフレキシブル基板上に低コストで統合できます。ただし、これらのデバイスから完全な電子システムを製造するには、通常、パワー エレクトロニクス デバイスがさまざまな動作電圧間で変換する必要があります。受動部品（インダクタ、コンデンサ、抵抗器）は、フィルタリング、短期エネルギー貯蔵、電圧測定などの機能を実行します。これらは、パワー エレクトロニクスやその他の多くのアプリケーションに不可欠です。この記事では、インダクタ、コンデンサ、抵抗器と RLC 回路をフレキシブル プラスチック基板上にスクリーン印刷し、パワー エレクトロニクス デバイスで使用できるようにインダクタの直列抵抗を最小限に抑える設計プロセスを報告します。その後、印刷されたインダクタと抵抗器がブースト レギュレータ回路に組み込まれます。製造有機発光ダイオードとフレキシブルなリチウムイオン電池の組み合わせ。電圧レギュレータはバッテリからダイオードに電力を供給するために使用されており、DC-DCコンバータ用途で従来の表面実装部品を置き換えるプリント受動部品の可能性を示しています。
近年、ウェアラブルで大面積の電子製品やモノのインターネット 1、2 におけるさまざまなフレキシブル デバイスのアプリケーションが開発されています。電池６、７などのエネルギー貯蔵装置。個々のエネルギー源と負荷では大きな進歩が見られますが、これらのコンポーネントを組み合わせて完全な電子システムを構築するには、通常、パワーエレクトロニクスが必要とします。電源の動作と負荷要件の間の不一致を克服します。たとえば、バッテリは充電状態に応じて可変電圧を生成します。負荷が一定の電圧を必要とする場合、またはバッテリが生成できる電圧より高い電圧を必要とする場合は、パワー エレクトロニクスが必要です。パワー エレクトロニクスは、能動部品 (トランジスタ) を使用してスイッチングおよび制御機能を実行するだけでなく、受動部品 (インダクタ、コンデンサ、抵抗) も使用します。たとえば、スイッチング レギュレータ回路では、各スイッチング サイクル中にエネルギーを蓄積するためにインダクタが使用されます。 、電圧リップルを低減するためにコンデンサが使用され、フィードバック制御に必要な電圧測定は抵抗分割器を使用して行われます。
ウェアラブル デバイス (パルスオキシメーター 9 など) に適したパワー エレクトロニクス デバイスは、数ボルトと数ミリアンペアを必要とし、通常は数百 kHz から数 MHz の周波数範囲で動作し、数 μH と数 μH のインダクタンスと静電容量 μF を必要とします。これらの回路を製造する従来の方法は、ディスクリート コンポーネントを剛性のプリント基板 (PCB) にはんだ付けすることです。パワー エレクトロニクス回路の能動コンポーネントは通常、単一のシリコン集積回路 (IC) に組み込まれますが、受動コンポーネントは通常、カスタム回路が可能か、または必要なインダクタンスとキャパシタンスが大きすぎてシリコンに実装できないためです。
従来の PCB ベースの製造技術と比較して、積層印刷プロセスによる電子デバイスと回路の製造には、簡素化とコストの点で多くの利点があります。まず、回路の多くのコンポーネントが同じ材料 (接点用の金属など) を必要とするためです。印刷により、比較的少ない処理ステップとより少ない材料ソースで、複数のコンポーネントを同時に製造できます15。フォトリソグラフィーやエッチングなどのサブトラクティブプロセスをアディティブプロセスに置き換えることで、プロセスの複雑さと材料の無駄がさらに削減されます16、17。さらに、印刷で使用される低温は、柔軟で安価なプラスチック基板と互換性があり、高速ロールツーロール製造プロセスの使用を可能にして、電子デバイス 16、20 を広い面積にわたってカバーすることができます。これは印刷コンポーネントでは完全には実現できないため、表面実装技術 (SMT) コンポーネントを印刷コンポーネントの隣のフレキシブル基板 21、22、23 に低温で接続するハイブリッド方法が開発されました。このハイブリッド アプローチでは、依然として追加プロセスの利点を獲得し、回路全体の柔軟性を高めるために、できるだけ多くの SMT コンポーネントを印刷された対応物に置き換える必要があります。柔軟なパワー エレクトロニクスを実現するために、SMT アクティブ コンポーネントとスクリーン印刷されたパッシブの組み合わせを提案しました。かさばる SMT インダクタを平面スパイラル インダクタに置き換えることに特に重点を置いています。プリンテッド エレクトロニクスを製造するためのさまざまな技術の中でも、スクリーン印刷は膜厚が厚いため (金属フィーチャの直列抵抗を最小限に抑えるために必要です)、受動部品に特に適しています。 ）とセンチメートルレベルの領域をカバーする場合でも高い印刷速度 同じことが時々当てはまります。資料24。
回路の効率はシステムに電力を供給するために必要なエネルギー量に直接影響するため、パワーエレクトロニクス機器の受動部品の損失は最小限に抑える必要があります。これは、長いコイルで構成されているため高直列の影響を受けやすいプリントインダクタにとって特に困難です。したがって、プリントコイルの抵抗25、26、27、28を最小限に抑えるためにいくつかの努力が払われてきましたが、パワーエレクトロニクスデバイス用の高効率プリント受動部品は依然として不足しています。これまでに、多くのプリント受動部品が報告されています。フレキシブル基板上のコンポーネントは、無線周波数識別 (RFID) またはエネルギーハーベスティングを目的とした共振回路で動作するように設計されています 10、12、25、27、28、29、30、31。その他のコンポーネントは材料または製造プロセスの開発に焦点を当て、一般的なコンポーネントを示しています。対照的に、電圧レギュレータなどのパワーエレクトロニクス回路は、一般的なプリント受動デバイスよりも大きなコンポーネントを使用することが多く、共振を必要としないため、異なるコンポーネント設計が必要です。
ここでは、パワーエレクトロニクスに関連する周波数で最小の直列抵抗と高性能を実現する、μH 範囲のスクリーン印刷インダクタの設計と最適化について紹介します。さまざまな部品値のスクリーン印刷インダクタ、コンデンサ、抵抗器が製造されていますこれらのコンポーネントのフレキシブル電子製品への適合性は、最初に単純な RLC 回路で実証されました。次に、プリントされたインダクタと抵抗器が IC と統合されてブースト レギュレータを形成します。最後に、有機発光ダイオード (OLED) ）とフレキシブルなリチウムイオンバッテリーが製造され、電圧レギュレーターを使用してバッテリーからOLEDに電力を供給します。
パワー エレクトロニクス用のプリント インダクタを設計するために、最初に、Mohan et al. が提案した電流シート モデルに基づいて、一連のインダクタ形状のインダクタンスと DC 抵抗を予測しました。35 を作成し、モデルの精度を確認するためにさまざまな形状のインダクタを作成しました。この作業では、多角形の形状と比較してより低い抵抗でより高いインダクタンス 36 を達成できるため、インダクタに円形の形状が選択されました。インクの影響次に、これらの結果を電流計モデルとともに使用して、最小の DC 抵抗に最適化された 4.7 μH および 7.8 μH インダクタを設計しました。
スパイラル インダクタのインダクタンスと DC 抵抗は、外径 do、巻線幅 w と間隔 s、巻線数 n、導体シート抵抗 Rsheet といういくつかのパラメータによって説明できます。図 1a は、シルク スクリーン印刷された円形インダクタの写真を示しています。 n = 12 で、そのインダクタンスを決定する幾何学的パラメータを示しています。Mohan らの電流計モデルによると、35 では、インダクタンスは一連のインダクタ形状に対して計算されます。
(a) 幾何学的パラメータを示すスクリーン印刷されたインダクタの写真。直径は 3 cm。さまざまなインダクタ幾何学的形状のインダクタンス (b) と DC 抵抗 (c)。線とマークはそれぞれ計算値と測定値に対応します。 (d、e) インダクタ L1 および L2 の DC 抵抗は、それぞれ Dupont 5028 および 5064H 銀インクでスクリーン印刷されています。(f、g) それぞれ Dupont 5028 および 5064H でスクリーン印刷されたフィルムの SEM 顕微鏡写真。
高周波数では、表皮効果と寄生容量により、DC 値に応じてインダクタの抵抗とインダクタンスが変化します。インダクタは、これらの影響が無視できる十分に低い周波数で動作すると予想され、デバイスは一定のインダクタンスとして動作します。したがって、この作業では、幾何学的パラメータ、インダクタンス、および DC 抵抗の関係を解析し、その結果を使用して、最小の DC 抵抗で特定のインダクタンスを取得しました。
スクリーン印刷で実現可能な一連の幾何学的パラメータに対してインダクタンスと抵抗を計算し、μHレンジのインダクタンスが発生することが期待されます。外径は3cmと5cm、線幅は500ミクロンと1000ミクロンです。計算では、シート抵抗は 47 mΩ/□ であると仮定されます。これは、400 メッシュ スクリーンで印刷され、w = s に設定された厚さ 7 μm のデュポン 5028 銀マイクロフレーク導体層に相当します。計算されたインダクタンスと抵抗の値をそれぞれ図 1b と図 1c に示します。このモデルは、外径と巻数が増加するか、線幅が減少すると、インダクタンスと抵抗の両方が増加すると予測します。
モデル予測の精度を評価するために、さまざまな形状とインダクタンスのインダクタをポリエチレン テレフタレート (PET) 基板上に作製しました。測定されたインダクタンスと抵抗値を図 1b と図 1c に示します。ただし、抵抗は若干の偏差を示しました。期待値は、主に堆積されたインクの厚さと均一性の変化によるもので、インダクタンスはモデルと非常に良好な一致を示しました。
これらの結果は、必要なインダクタンスと最小の DC 抵抗を備えたインダクタを設計するために使用できます。たとえば、2 μH のインダクタンスが必要だとします。図 1b は、このインダクタンスが外径 3 cm、線幅で実現できることを示しています。外径 5 cm、線幅 500 μm、5 巻き、または線幅 1000 μm、7 巻きでも同じインダクタンスを生成できます (図を参照)。これら 3 つの抵抗を比較します。図 1c の可能な形状を確認すると、線幅 1000 μm、5 cm のインダクタの最小抵抗は 34 Ω で、他の 2 つよりも約 40% 低いことがわかります。所定のインダクタンスを達成するための一般的な設計プロセス最小抵抗を実現するための条件は次のように要約されます。まず、アプリケーションによって課されるスペースの制約に従って最大許容外径を選択します。次に、高い充填率を得るために必要なインダクタンスを達成しながら、線幅をできるだけ大きくする必要があります。 (式(3))。
厚さを増やすか、より導電性の高い材料を使用して金属膜のシート抵抗を下げると、インダクタンスに影響を与えることなく、DC 抵抗をさらに下げることができます。幾何学的パラメータが表 1 に示されている 2 つのインダクタ (L1 および L2) は、抵抗の変化を評価するために、異なる数のコーティングで製造されています。図 1d と e (それぞれインダクタ L1 と L2) に示すように、インク コーティングの数が増加すると、抵抗は予想どおり比例して減少します。図 1d と e 6 層のコーティングを適用することで抵抗を最大 6 分の 1 に減らすことができ、抵抗の最大の減少 (50 ～ 65%) は層 1 と層 2 の間で起こることを示しています。インクの各層は比較的薄いため、これらのインダクタの印刷には、比較的小さなグリッド サイズ (1 インチあたり 400 ライン) のスクリーンが使用されます。これにより、抵抗に対する導体の厚さの影響を調べることができます。パターンの特徴がグリッドの最小解像度よりも大きい限り、同様の厚さ (および抵抗) は、より大きなグリッド サイズで少数のコーティングを印刷することでより速く達成できます。この方法を使用すると、ここで説明した 6 層コーティングのインダクタと同じ DC 抵抗を、より高い生産速度で達成することができます。
図 1d と図 1e は、より導電性の高い銀フレーク インク DuPont 5064H を使用することにより、抵抗が 2 分の 1 に減少することも示しています。2 つのインクで印刷されたフィルムの SEM 顕微鏡写真 (図 1f、g) から、 5028 インクの導電率が低いのは、粒子サイズが小さいことと、印刷フィルムの粒子間に多くの空隙が存在するためであることがわかりました。一方、5064H はより大きく、より密に配置されたフレークを備えているため、バルクに近い動作をします。このインクで生成される膜は 5028 インクよりも薄く、単層が 4 μm、6 層が 22 μm ですが、導電率の増加は全体の抵抗を下げるのに十分です。
最後に、インダクタンス (式 (1)) は巻数 (w + s) に依存しますが、抵抗 (式 (5)) は線幅 w にのみ依存します。したがって、s に対して w を増加させると、抵抗は追加の 2 つのインダクタ L3 および L4 は、表 1 に示すように、w = 2s で大きな外径を持つように設計されています。これらのインダクタは、前に示したように、6 層の DuPont 5064H コーティングで製造されており、最高のパフォーマンス。L3 のインダクタンスは 4.720 ± 0.002 μH、抵抗は 4.9 ± 0.1 Ω、L4 のインダクタンスは 7.839 ± 0.005 μH および 6.9 ± 0.1 Ω で、モデル予測とよく一致しています。厚さ、導電​​率、および w/s の増加は、L/R 比が図 1 の値に比べて 1 桁以上増加したことを意味します。
低い DC 抵抗は有望ですが、kHz ～ MHz の範囲で動作するパワー エレクトロニクス機器に対するインダクタの適合性を評価するには、AC 周波数での特性評価が必要です。図 2a は、L3 と L4 の抵抗とリアクタンスの周波数依存性を示しています。10 MHz 未満の周波数の場合、抵抗は DC 値でほぼ一定のままですが、リアクタンスは周波数とともに直線的に増加します。これは、インダクタンスが予想どおり一定であることを意味します。自己共振周波数は、インピーダンスが誘導性から容量性に変化する周波数として定義されます。 L3 は 35.6 ± 0.3 MHz、L4 は 24.3 ± 0.6 MHz です。品質係数 Q (ωL/R に等しい) の周波数依存性を図 2b に示します。L3 と L4 は最大品質係数 35 ± 1 と 33 ± 1 を達成します。数μHのインダクタンスとMHz周波数での比較的高いQにより、これらのインダクタは、低電力DC-DCコンバータの従来の表面実装インダクタを十分に置き換えることができます。
インダクタ L3 と L4 の測定された抵抗 R とリアクタンス X (a) および品質係数 Q (b) は周波数に関係します。
特定の静電容量に必要な設置面積を最小限に抑えるには、誘電率 ε を誘電体の厚さで割ったものに等しい、大きな比静電容量を持つコンデンサ技術を使用するのが最善です。この研究では、チタン酸バリウム複合材料を選択しました。他の溶液処理された有機誘電体よりもイプシロンが高いため、誘電体として使用されます。誘電体層は2つの銀導体の間にスクリーン印刷され、金属-誘電体-金属構造を形成します。図3aに示すように、センチメートル単位でさまざまなサイズのコンデンサがあります。は、良好な歩留まりを維持するために、2 層または 3 層の誘電体インクを使用して製造されます。図 3b は、2 層の誘電体で作られた代表的なコンデンサの断面 SEM 顕微鏡写真を示しています。誘電体の合計の厚さは 21 μm です。上部電極と下部電極はそれぞれ 1 層と 6 層の 5064H です。明るい領域が暗い有機バインダーで囲まれているため、ミクロンサイズのチタン酸バリウム粒子が SEM 画像で確認できます。誘電体インクは下部電極をよく濡らし、下部電極との明確な界面を形成します。拡大図に示すように、印刷された金属フィルム。
(a) 5 つの異なる領域を備えたコンデンサの写真。(b) チタン酸バリウム誘電体と銀電極を示す、2 層の誘電体を備えたコンデンサの断面 SEM 顕微鏡写真。(c) 2 層および 3 層のチタン酸バリウムを備えたコンデンサの静電容量(d) 2 層の誘電体コーティングを備えた 2.25 cm2 コンデンサの静電容量、ESR、損失係数と周波数の関係。
静電容量は予想される面積に比例します。図 3c に示すように、2 層誘電体の比静電容量は 0.53 nF/cm2、3 層誘電体の比静電容量は 0.33 nF/cm2 です。これらの値は、誘電率 13 に対応します。図 3d に示すように、2 層の誘電体を備えた 2.25 cm2 コンデンサの静電容量と散逸率 (DF) もさまざまな周波数で測定されました。静電容量は対象の周波数範囲で比較的平坦で、20% 増加したことがわかりました。同じ範囲内で、DF は 1 ～ 10 MHz で 0.013 から 0.023 に増加しました。散逸率は各 AC サイクルで蓄えられるエネルギーに対するエネルギー損失の比率であるため、DF が 0.02 ということは、処理される電力の 2% を意味します。この損失は通常、コンデンサと直列に接続された周波数依存の等価直列抵抗 (ESR) として表され、DF/ωC に等しくなります。図 3d に示すように、1 MHz を超える周波数では、 ESRは1.5Ω未満で、4MHzを超える周波数ではESRは0.5Ω未満です。このコンデンサ技術を使用しているにもかかわらず、DC-DCコンバータに必要なμFクラスのコンデンサは非常に大きな面積を必要としますが、100pF-これらのコンデンサは、nF の静電容量範囲と低損失により、フィルタや共振回路などの他の用途に適しています。静電容量を増やすには、さまざまな方法を使用できます。誘電率が高くなると、比静電容量が増加します 37。たとえば、これは、インク中のチタン酸バリウム粒子の濃度を高めることで実現できます。より薄い誘電体の厚さを使用できますが、これには、スクリーン印刷された銀フレークよりも粗さの低い下部電極が必要です。より薄く、より粗さの低いコンデンサ層はインクジェット印刷 31 またはグラビア印刷 10 によって堆積でき、スクリーン印刷プロセスと組み合わせることができます。最後に、金属と誘電体の複数の交互層を積み重ねて印刷し、並列接続することで、単位面積あたりの静電容量 34 を増加させることができます。 。
一対の抵抗で構成される分圧器は、通常、電圧レギュレータのフィードバック制御に必要な電圧測定を実行するために使用されます。このタイプのアプリケーションの場合、印刷された抵抗の抵抗は kΩ ～ MΩ の範囲内である必要があり、kΩ ～ MΩ の範囲内である必要があります。デバイスは小さいです。ここで、単層スクリーン印刷されたカーボン インクのシート抵抗は 900 Ω/□ であることがわかりました。この情報は、2 つの線形抵抗器 (R1 および R2) と 1 つの蛇行抵抗器 (R3) を設計するために使用されます。 ) 公称抵抗は 10 kΩ、100 kΩ、1.5 MΩ です。公称値の間の抵抗は、図 4 と 3 つの抵抗の写真に示すように、2 層または 3 層のインクを印刷することで実現されます。8-を作成します。各タイプのサンプル 12 個。いずれの場合も、抵抗値の標準偏差は 10% 以下です。2 層または 3 層のコーティングを施したサンプルの抵抗変化は、1 層のコーティングを施したサンプルに比べてわずかに小さい傾向があります。測定された抵抗の変化は小さいです。また、公称値との厳密な一致は、この範囲内の他の抵抗が抵抗の形状を変更することによって直接取得できることを示しています。
カーボン抵抗インク コーティングの数が異なる 3 つの異なる抵抗器の形状。3 つの抵抗器の写真を右側に示します。
RLC 回路は、実際のプリント回路に統合された受動部品の動作を実証および検証するために使用される、抵抗、インダクタ、およびコンデンサの組み合わせの古典的な教科書の例です。この回路では、8 μH インダクタと 0.8 nF コンデンサが直列に接続されており、 25 kΩ の抵抗がそれらと並列に接続されています。フレキシブル回路の写真を図 5a に示します。この特別な直並列の組み合わせを選択した理由は、その動作が 3 つの異なる周波数成分のそれぞれによって決定されるためです。各コンポーネントの性能を強調表示して評価できます。インダクタの 7 Ω 直列抵抗とコンデンサの 1.3 Ω ESR を考慮して、回路の予想される周波数応答を計算しました。回路図を図 5b に示します。インピーダンスの振幅と位相、および測定値を図 5c と d に示します。低周波数では、コンデンサのインピーダンスが高いということは、回路の動作が 25 kΩ の抵抗によって決定されることを意味します。周波数が増加するにつれて、コンデンサのインピーダンスはLC パスが減少します。共振周波数が 2.0 MHz までは、回路全体の動作は容量性です。共振周波数を超えると、誘導性インピーダンスが支配的になります。図 5 は、周波数範囲全体にわたって計算値と測定値が見事に一致していることを明確に示しています。これは、使用されたモデルが意味していることを意味します。ここ (インダクタとコンデンサが直列抵抗を持つ理想的なコンポーネントである場合) は、これらの周波数での回路の動作を正確に予測します。
(a) 8 μH インダクタと 0.8 nF コンデンサを 25 kΩ 抵抗と並列に組み合わせたスクリーン印刷された RLC 回路の写真。(b) インダクタとコンデンサの直列抵抗を含む回路モデル。(c) ,d) 回路のインピーダンス振幅 (c) と位相 (d)。
最後に、プリントされたインダクタと抵抗がブースト レギュレータに実装されます。このデモで使用される IC は、動作周波数 500 kHz の PWM ベースの同期ブースト レギュレータである Microchip MCP1640B14 です。回路図を図 6a.A に示します。 4.7 μH のインダクタと 2 つのコンデンサ (4.7 μF と 10 μF) がエネルギー蓄積素子として使用され、一対の抵抗がフィードバック制御の出力電圧の測定に使用されます。抵抗値を選択して出力電圧を 5 V に調整します。回路は PCB 上に製造され、その性能は負荷抵抗と 3 ～ 4 V の入力電圧範囲内で測定され、さまざまな充電状態でリチウムイオン電池をシミュレートします。印刷されたインダクタと抵抗の効率は、実装されたインダクタと抵抗の効率と比較されます。 SMT インダクタと抵抗器の効率。このアプリケーションに必要な静電容量はプリント コンデンサでは完成するには大きすぎるため、すべての場合に SMT コンデンサが使用されます。
(a) 電圧安定化回路図。(b-d) (b) Vout、(c) Vsw、(d) インダクタに流れる電流波形、入力電圧 4.0 V、負荷抵抗 1 kΩ、この測定には表面実装抵抗とコンデンサが使用されます。(e) さまざまな負荷抵抗と入力電圧について、すべての表面実装部品と印刷インダクタと抵抗を使用した電圧レギュレータ回路の効率。(f) ) 表面実装とプリント基板の効率比を(e)に示します。
入力電圧 4.0 V および負荷抵抗 1000 Ω の場合、プリント インダクタを使用して測定した波形を図 6b ～ 図 6d に示します。図 6c は、IC の Vsw 端子の電圧を示します。インダクタ電圧はVin-Vswです。図6dは、インダクタに流れる電流を示しています。SMTとプリント部品を備えた回路の効率は、入力電圧と負荷抵抗の関数として図6eに示されており、図6fは効率比を示しています。 SMT コンポーネントを使用して測定された効率は、メーカーのデータシートに記載されている期待値と同様です。 14. 高入力電流 (低負荷抵抗および低入力電圧) では、プリントインダクタの効率は、SMT コンポーネントに比べて大幅に低くなります。直列抵抗が高いため、SMT インダクタの性能が低下します。ただし、入力電圧と出力電流が高くなると、抵抗損失は重要ではなくなり、プリント インダクタの性能は SMT インダクタの性能に近づき始めます。負荷抵抗 >500 Ω および Vin の場合= 4.0 V または >750 Ω、Vin = 3.5 V の場合、プリント インダクタの効率は SMT インダクタの 85% を超えます。
図 6d の電流波形と測定された電力損失を比較すると、予想どおり、インダクタの抵抗損失がプリント回路と SMT 回路の間の効率の差の主な原因であることがわかります。入出力電力は 4.0 V で測定されています。入力電圧と 1000 Ω の負荷抵抗は、SMT コンポーネントを備えた回路では 30.4 mW と 25.8 mW、プリント コンポーネントを備えた回路では 33.1 mW と 25.2 mW です。したがって、プリント回路の損失は 7.9 mW となり、これは 3.4 mW よりも高くなります。図 6d の波形から計算された RMS インダクタ電流は 25.6 mA です。直列抵抗は 4.9 Ω であるため、予想される電力損失は 3.2 mW です。これは、測定された 3.4 mW の DC 電力差の 96% です。さらに、回路はプリント インダクタとプリント抵抗、プリント インダクタと SMT 抵抗を使用して製造されています。両者の間に大きな効率の差は観察されません。
次に、電圧レギュレータがフレキシブル PCB 上に製造され (回路の印刷および SMT コンポーネントの性能は補足図 S1 に示されています)、電源としてのフレキシブル リチウムイオン電池と負荷としての OLED アレイの間に接続されます。Lochnerらによると、OLED を製造するために、各 OLED ピクセルは 5 V で 0.6 mA を消費します。このバッテリーは、それぞれ陰極と陽極としてコバルト酸化リチウムとグラファイトを使用し、最も一般的なバッテリー印刷方法であるドクター ブレード コーティングによって製造されます。7バッテリ容量は 16mAh、テスト中の電圧は 4.0V です。図 7 は、並列接続された 3 つの OLED ピクセルに電力を供給するフレキシブル PCB 上の回路の写真を示しています。デモンストレーションでは、プリントされた電源コンポーネントを他のコンポーネントと統合できる可能性を実証しました。より複雑な電子システムを形成するための柔軟で有機的なデバイス。
フレキシブル PCB 上の電圧レギュレータ回路の写真。印刷されたインダクタと抵抗を使用し、フレキシブルなリチウムイオン電池を使用して 3 つの有機 LED に電力を供給します。
私たちは、パワーエレクトロニクス機器の表面実装部品を置き換えることを目的として、フレキシブル PET 基板上にさまざまな値のスクリーン印刷されたインダクター、コンデンサー、抵抗器を示しました。直径の大きなスパイラルを設計することで、充填率が向上することを示しました。これらのコンポーネントは、完全に印刷されたフレキシブルな RLC 回路に統合されており、最も重要な kHz ～ MHz の周波数範囲で予測可能な電気的動作を示します。パワーエレクトロニクスに興味がある。
プリンテッド パワー エレクトロニクス デバイスの一般的な使用例は、充電状態に応じて可変電圧を生成できるフレキシブルな充電式バッテリ (リチウム イオンなど) を搭載したウェアラブルまたは製品統合型フレキシブル エレクトロニクス システムです。有機電子機器など) が定電圧またはバッテリーの出力電圧よりも高い電圧を必要とする場合、電圧レギュレーターが必要です。このため、プリントされたインダクターと抵抗が従来のシリコン IC と統合されてブースト レギュレーターとなり、OLED に定電圧で電力を供給します。可変電圧バッテリ電源からの 5 V の電圧が供給されます。一定の負荷電流と入力電圧の範囲内で、この回路の効率は、表面実装インダクタと抵抗を使用した制御回路の効率の 85% を超えます。材料と形状の最適化にも関わらず、インダクタの抵抗損失は、依然として高電流レベル（約 10 mA を超える入力電流）での回路性能の制限要因です。ただし、より低い電流では、インダクタの損失は減少し、全体の性能は効率によって制限されます。私たちのデモンストレーションで使用した小型 OLED など、多くの印刷デバイスや有機デバイスは比較的低電流を必要とするため、印刷パワー インダクタはそのようなアプリケーションに適していると考えられます。より低い電流レベルで最高の効率が得られるように設計された IC を使用することで、より高い全体的なコンバータ効率を達成できます。
この作業では、電圧レギュレータは従来の PCB、フレキシブル PCB、および表面実装コンポーネントのはんだ付け技術に基づいて構築され、印刷コンポーネントは別の基板上に製造されます。ただし、スクリーンの製造に使用される低温および高粘度のインクは、印刷フィルムを使用すると、受動部品、およびデバイスと表面実装部品の接触パッド間の相互接続を任意の基板に印刷できるようにする必要があります。これと、表面実装部品用の既存の低温導電性接着剤の使用を組み合わせると、 PCB エッチングなどのサブトラクティブ プロセスを必要とせずに、回路全体が安価な基板 (PET など) 上に構築されます。したがって、この研究で開発されたスクリーン印刷された受動コンポーネントは、エネルギーと負荷を統合する柔軟な電子システムへの道を開くのに役立ちます。高性能パワーエレクトロニクスを使用し、安価な基板を使用し、主に付加プロセスと最小限の表面実装コンポーネントを使用します。
Asys ASP01M スクリーン プリンターと Dynamesh Inc. が提供するステンレス鋼スクリーンを使用して、受動部品のすべての層を厚さ 76 μm のフレキシブル PET 基板上にスクリーン印刷しました。金属層のメッシュ サイズは 400 ライン/インチ、250 ライン/インチです。誘電体層と抵抗層の線数/インチ。スキージ力 55 N、印刷速度 60 mm/s、破断距離 1.5 mm、硬度 65 の Serilor スキージ (金属および抵抗層用) を使用します。層）またはスクリーン印刷の場合は 75（誘電体層の場合）。
導電層（インダクタとコンデンサおよび抵抗器の接点）は、DuPont 5082 または DuPont 5064H シルバー マイクロフレーク インクで印刷されます。抵抗器は DuPont 7082 カーボン導体で印刷されます。コンデンサ誘電体には、導電性化合物 BT-101 チタン酸バリウム誘電体が使用されます。誘電体の各層は、膜の均一性を向上させるために 2 パス (ウェット-ウェット) 印刷サイクルを使用して生成されます。各コンポーネントについて、複数の印刷サイクルがコンポーネントの性能と変動に及ぼす影響が検査されました。同じ材料の複数のコーティングをコーティング間で 70 °C で 2 分間乾燥させました。各材料の最後のコーティングを塗布した後、サンプルを 140 °C で 10 分間ベークして完全に乾燥させました。スクリーンの自動位置合わせ機能プリンタは、後続の層を位置合わせするために使用されます。インダクタの中心との接触は、センターパッドにスルーホールを切り込み、基板の裏面に DuPont 5064H インクでトレースをステンシル印刷することによって実現されます。印刷装置間の相互接続にも Dupont が使用されています。 5064H ステンシル印刷。図 7 に示すフレキシブル PCB 上に印刷コンポーネントと SMT コンポーネントを表示するために、印刷コンポーネントは Circuit Works CW2400 導電性エポキシを使用して接続され、SMT コンポーネントは従来のはんだ付けによって接続されます。
コバルト酸リチウム (LCO) とグラファイトベースの電極が、それぞれ電池の正極と負極として使用されます。正極スラリーは、80% LCO (MTI Corp.)、7.5% グラファイト (KS6、Timcal)、2.5% の混合物です。 ％カーボンブラック（スーパーＰ、ティムカル）および１０％ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ、クレハ社）。) アノードは、84 wt% のグラファイト、4 wt% のカーボン ブラック、および 13 wt% の PVDF の混合物です。N-メチル-2-ピロリドン (NMP、Sigma Aldrich) を使用して、PVDF バインダーを溶解し、スラリーを分散させます。スラリーは次の方法で均質化されました。ボルテックスミキサーで一晩撹拌します。厚さ0.0005インチのステンレス鋼箔と10μmのニッケル箔を、それぞれカソードとアノードの集電体として使用します。インクをスキージを使用して印刷速度20で集電体上に印刷します。 mm/s。電極を 80 °C のオーブンで 2 時間加熱して溶媒を除去します。乾燥後の電極の高さは約 60 μm、活物質の重量に基づく理論容量は 1.65 mAh です。 /cm2。電極を 1.3 × 1.3 cm2 の寸法に切断し、真空オーブンで 140°C で一晩加熱し、窒素を充填したグローブ ボックス内でアルミニウム ラミネート袋で密封しました。アノードとカソード、EC/DEC (1:1) の 1M LiPF6 がバッテリー電解液として使用されます。
緑色 OLED は、ポリ(9,9-ジオクチルフルオレン-co-n-(4-ブチルフェニル)-ジフェニルアミン) (TFB) とポリ((9,9-ジオクチルフルオレン-2,7- (2,1,3-ベンゾチアジアゾール-) Lochner et al. 9 に概説されている手順に従って、4,8-ジイル)) (F8BT)。
Dektak スタイラス プロファイラーを使用して膜厚を測定します。フィルムを切断して、走査型電子顕微鏡 (SEM) による調査用の断面サンプルを準備しました。FEI Quanta 3D 電界放射型電子銃 (FEG) SEM を使用して、印刷された膜の構造を特性評価します。 SEM 研究は、20 keV の加速電圧および 10 mm の典型的な作動距離で実施されました。
DC 抵抗、電圧、および電流を測定するには、デジタル マルチメータを使用します。インダクタ、コンデンサ、および回路の AC インピーダンスは、1 MHz 未満の周波数の場合は Agilent E4980 LCR メータを使用して測定され、500 kHz を超える周波数の測定には Agilent E5061A ネットワーク アナライザが使用されます。電圧レギュレータ波形を測定するための Tektronix TDS 5034 オシロスコープ。
この記事の引用方法: Ostfeld、AE など。フレキシブル パワー エレクトロニクス機器用の受動部品のスクリーン印刷。science.Rep。5、15959;土井: 10.1038/srep15959 (2015)。
Nathan, A. 他、フレキシブル エレクトロニクス: 次のユビキタス プラットフォーム、プロセス IEEE 100、1486-1517 (2012)。
Rabaey、JM ヒューマン イントラネット: グループが人間と出会う場所。フランス、グルノーブルの 2015 年欧州会議および設計、自動化、テストに関する展示会で発表された論文。カリフォルニア州サンノゼ: EDA Alliance.637-640 (2015 年 3 月 9 日-) 13)。
Krebs、FC など。OE-A OPV デモンストレーター anno domini 2011.Energy Environmental.science.4、4116–4123 (2011)。
Ali、M.、Prakash、D.、Zillger、T.、Singh、PK & Hübler、AC プリント圧電エネルギーハーベスティング デバイス。先端エネルギー材料。4。1300427 (2014)。
Chen, A.、Madan, D.、Wright, PK & Evans, JW ディスペンサー印刷された平らな厚膜熱電エネルギー発生器。マイクロメカニクス マイクロエンジニアリング 21、104006 (2011)。
Gaikwad, AM、Steingart, DA、Ng, TN、Schwartz, DE & Whiting, GL 印刷された電子デバイスに電力を供給するために使用される柔軟な高電位印刷バッテリー。App Physics Wright.102、233302 (2013)。
Gaikwad, AM、Arias, AC & Steingart, DA 印刷フレキシブル電池の最新開発: 機械的課題、印刷技術と将来展望。エネルギー技術.3、305–328 (2015)。
Hu、Y. 他。構造健全性モニタリングのための大面積電子デバイスと CMOS IC を組み合わせた大規模センシング システム。IEEE J. Solid State Circuit 49、513–523 (2014)。