ข่าว

ขอบคุณสำหรับการเยี่ยมชม Nature เบราว์เซอร์เวอร์ชันที่คุณใช้มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันใหม่กว่า (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในเวลาเดียวกัน เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์ที่ไม่มีสไตล์และ JavaScript
กระบวนการพิมพ์แบบเติมสารเติมแต่งและอุณหภูมิต่ำสามารถรวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานและสิ้นเปลืองพลังงานต่างๆ ไว้บนพื้นผิวที่ยืดหยุ่นด้วยต้นทุนที่ต่ำ อย่างไรก็ตาม การผลิตระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์จากอุปกรณ์เหล่านี้ มักจะต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเพื่อแปลงระหว่างแรงดันไฟฟ้าในการทำงานต่างๆ ของ อุปกรณ์ต่างๆ ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ เช่น ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และตัวต้านทาน ทำหน้าที่ต่างๆ เช่น การกรอง การจัดเก็บพลังงานระยะสั้น และการวัดแรงดันไฟฟ้า ซึ่งจำเป็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและการใช้งานอื่นๆ มากมาย ในบทความนี้ เราจะแนะนำตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ ตัวต้านทานและวงจร RLC พิมพ์สกรีนบนพื้นผิวพลาสติกที่มีความยืดหยุ่น และรายงานกระบวนการออกแบบเพื่อลดความต้านทานอนุกรมของตัวเหนี่ยวนำให้เหลือน้อยที่สุด เพื่อให้สามารถใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังได้ จากนั้นตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานที่พิมพ์ออกมาจะถูกรวมเข้ากับวงจรควบคุมบูสต์ การผลิต ของไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบยืดหยุ่น ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับไดโอดจากแบตเตอรี่ แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่พิมพ์ออกมา เพื่อแทนที่ส่วนประกอบแบบยึดบนพื้นผิวแบบเดิมในการใช้งานตัวแปลง DC-DC
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้มีการพัฒนาการประยุกต์ใช้อุปกรณ์ยืดหยุ่นต่างๆ ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้และพื้นที่ขนาดใหญ่ และอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง1,2 ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงาน เช่น แผงเซลล์แสงอาทิตย์ 3, เพียโซอิเล็กทริก 4 และเทอร์โมอิเล็กทริก 5; อุปกรณ์กักเก็บพลังงาน เช่น แบตเตอรี่ 6, 7; และอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานมาก เช่น เซ็นเซอร์ 8, 9, 10, 11, 12 และแหล่งกำเนิดแสง 13.แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านแหล่งพลังงานและโหลดแต่ละชนิด แต่การรวมส่วนประกอบเหล่านี้เข้ากับระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์มักจะต้องใช้อิเล็กทรอนิกส์กำลังเพื่อ เอาชนะความไม่ตรงกันระหว่างพฤติกรรมของแหล่งจ่ายไฟและข้อกำหนดโหลด ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่สร้างแรงดันไฟฟ้าผันแปรตามสถานะการชาร์จ หากโหลดต้องใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่ หรือสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่แบตเตอรี่สามารถสร้างได้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังก็เป็นสิ่งจำเป็น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังใช้ส่วนประกอบแบบแอคทีฟ (ทรานซิสเตอร์) เพื่อทำหน้าที่สลับและควบคุม เช่นเดียวกับส่วนประกอบแบบพาสซีฟ (ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และตัวต้านทาน) ตัวอย่างเช่น ในวงจรควบคุมสวิตช์ ตัวเหนี่ยวนำจะถูกใช้เพื่อกักเก็บพลังงานในระหว่างรอบการสวิตช์แต่ละรอบ ตัวเก็บประจุถูกใช้เพื่อลดแรงดันไฟฟ้ากระเพื่อม และการวัดแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการควบคุมป้อนกลับทำได้โดยใช้ตัวแบ่งตัวต้านทาน
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่เหมาะสำหรับอุปกรณ์สวมใส่ได้ (เช่น เครื่องวัดออกซิเจนในเลือด 9) ต้องใช้หลายโวลต์และหลายมิลลิแอมป์ โดยปกติจะทำงานในช่วงความถี่ตั้งแต่ร้อย kHz ถึงหลาย MHz และต้องการตัวเหนี่ยวนำหลาย μH และหลาย μH และค่าความจุ μF คือ 14 ตามลำดับ วิธีดั้งเดิมในการผลิตวงจรเหล่านี้คือการประสานส่วนประกอบที่แยกจากกันเข้ากับแผงวงจรพิมพ์แบบแข็ง (PCB) แม้ว่าส่วนประกอบที่ทำงานอยู่ของวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลังมักจะรวมกันเป็นวงจรรวมซิลิคอน (IC) ตัวเดียว แต่ส่วนประกอบแบบพาสซีฟมักจะเป็น ภายนอก ไม่ว่าจะอนุญาตให้ใช้วงจรแบบกำหนดเอง หรือเนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำและความจุที่ต้องการมีขนาดใหญ่เกินกว่าจะนำไปใช้ในซิลิคอน
เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการผลิตบน PCB แบบดั้งเดิม การผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวงจรผ่านกระบวนการพิมพ์แบบเพิ่มเนื้อมีข้อดีหลายประการทั้งในแง่ของความเรียบง่ายและต้นทุน ประการแรก เนื่องจากส่วนประกอบหลายส่วนของวงจรต้องใช้วัสดุชนิดเดียวกัน เช่น โลหะสำหรับหน้าสัมผัส และการเชื่อมต่อระหว่างกัน การพิมพ์ทำให้สามารถผลิตส่วนประกอบหลายชิ้นได้ในเวลาเดียวกัน โดยมีขั้นตอนการประมวลผลค่อนข้างน้อยและมีแหล่งที่มาของวัสดุน้อยลง15 การใช้กระบวนการเติมแต่งเพื่อแทนที่กระบวนการลบ เช่น การพิมพ์หินด้วยแสงและการแกะสลัก ยังช่วยลดความซับซ้อนของกระบวนการและการสิ้นเปลืองวัสดุอีกด้วย16, 17, 18 และ 19 นอกจากนี้ อุณหภูมิต่ำที่ใช้ในการพิมพ์ยังเข้ากันได้กับพื้นผิวพลาสติกที่มีความยืดหยุ่นและราคาไม่แพง ทำให้สามารถใช้กระบวนการผลิตแบบม้วนต่อม้วนความเร็วสูงเพื่อครอบคลุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 16, 20 ในพื้นที่ขนาดใหญ่ สำหรับการใช้งาน ซึ่งไม่สามารถรับรู้ได้อย่างสมบูรณ์ด้วยส่วนประกอบที่พิมพ์ วิธีการไฮบริดได้รับการพัฒนาโดยส่วนประกอบเทคโนโลยีการยึดพื้นผิว (SMT) เชื่อมต่อกับวัสดุพิมพ์ที่ยืดหยุ่น 21, 22, 23 ถัดจากส่วนประกอบที่พิมพ์ที่อุณหภูมิต่ำ ในแนวทางไฮบริดนี้ ยังคงเป็น จำเป็นต้องเปลี่ยนส่วนประกอบ SMT ให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ด้วยชิ้นส่วนที่พิมพ์ออกมาเพื่อให้ได้รับประโยชน์จากกระบวนการเพิ่มเติม และเพิ่มความยืดหยุ่นโดยรวมของวงจร เพื่อให้เกิดระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ยืดหยุ่น เราได้เสนอการผสมผสานระหว่างส่วนประกอบที่ใช้งาน SMT และแบบพาสซีฟที่พิมพ์สกรีน โดยเน้นเป็นพิเศษในการเปลี่ยนตัวเหนี่ยวนำ SMT ขนาดใหญ่ด้วยตัวเหนี่ยวนำเกลียวระนาบ ในบรรดาเทคโนโลยีต่างๆ สำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พิมพ์แล้ว การพิมพ์สกรีนเหมาะอย่างยิ่งสำหรับส่วนประกอบแบบพาสซีฟเนื่องจากมีความหนาของฟิล์มขนาดใหญ่ (ซึ่งจำเป็นในการลดความต้านทานอนุกรมของคุณสมบัติโลหะให้เหลือน้อยที่สุด ) และความเร็วในการพิมพ์สูง แม้จะครอบคลุมพื้นที่ระดับเซนติเมตร ก็เช่นเดียวกันในบางครั้ง วัสดุ 24
จะต้องลดการสูญเสียส่วนประกอบแบบพาสซีฟของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังให้เหลือน้อยที่สุด เนื่องจากประสิทธิภาพของวงจรส่งผลโดยตรงต่อปริมาณพลังงานที่ต้องใช้ในการจ่ายไฟให้กับระบบ นี่ถือเป็นความท้าทายอย่างยิ่งสำหรับตัวเหนี่ยวนำที่พิมพ์ออกมาซึ่งประกอบด้วยขดลวดยาว ซึ่งจึงไวต่ออนุกรมที่สูง ความต้านทาน ดังนั้นแม้ว่าจะมีความพยายามบางอย่างในการลดความต้านทาน 25, 26, 27, 28 ของขดลวดที่พิมพ์แล้ว แต่ก็ยังขาดส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่พิมพ์ประสิทธิภาพสูงสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง จนถึงปัจจุบันมีรายงานจำนวนมากที่พิมพ์แบบพาสซีฟ ส่วนประกอบบนพื้นผิวที่ยืดหยุ่นได้รับการออกแบบให้ทำงานในวงจรเรโซแนนซ์สำหรับการระบุความถี่วิทยุ (RFID) หรือการเก็บเกี่ยวพลังงาน 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31 อื่นๆ มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาวัสดุหรือกระบวนการผลิตและแสดงส่วนประกอบทั่วไป 26, 32, 33, 34 ที่ไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานเฉพาะเจาะจง ในทางตรงกันข้าม วงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เช่น ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า มักใช้ส่วนประกอบที่มีขนาดใหญ่กว่าอุปกรณ์แบบพาสซีฟที่พิมพ์โดยทั่วไป และไม่ต้องการการสั่นพ้อง ดังนั้น การออกแบบส่วนประกอบที่แตกต่างกันจึงจำเป็น
ที่นี่ เราขอแนะนำการออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำที่พิมพ์สกรีนในช่วง μH เพื่อให้ได้ความต้านทานอนุกรมที่เล็กที่สุดและประสิทธิภาพสูงที่ความถี่ที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และตัวต้านทานที่พิมพ์สกรีนที่มีค่าส่วนประกอบต่างๆ ได้รับการผลิตขึ้น บนพื้นผิวพลาสติกที่มีความยืดหยุ่น ความเหมาะสมของส่วนประกอบเหล่านี้สำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่นได้รับการสาธิตครั้งแรกในวงจร RLC อย่างง่าย จากนั้นตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานที่พิมพ์ออกมาจะถูกรวมเข้ากับ IC เพื่อสร้างตัวควบคุมบูสต์ ในที่สุด ไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ (OLED) ) และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ยืดหยุ่นได้ถูกสร้างขึ้น และใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเพื่อจ่ายไฟให้กับ OLED จากแบตเตอรี่
เพื่อที่จะออกแบบตัวเหนี่ยวนำที่พิมพ์ออกมาสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ขั้นแรกเราได้ทำนายความเหนี่ยวนำและความต้านทาน DC ของชุดรูปทรงเรขาคณิตของตัวเหนี่ยวนำโดยอิงตามแบบจำลองแผ่นงานปัจจุบันที่เสนอใน Mohan et al 35 และตัวเหนี่ยวนำประดิษฐ์ที่มีรูปทรงต่างกันเพื่อยืนยันความแม่นยำของแบบจำลอง ในงานนี้ มีการเลือกรูปร่างทรงกลมสำหรับตัวเหนี่ยวนำเนื่องจากการเหนี่ยวนำที่สูงกว่า 36 สามารถทำได้โดยมีความต้านทานต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเรขาคณิตรูปหลายเหลี่ยม อิทธิพลของหมึก กำหนดประเภทและจำนวนรอบการพิมพ์เกี่ยวกับความต้านทาน จากนั้นผลลัพธ์เหล่านี้จะนำไปใช้กับรุ่นแอมป์มิเตอร์เพื่อออกแบบตัวเหนี่ยวนำ 4.7 μH และ 7.8 μH ที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับความต้านทาน DC ขั้นต่ำ
การเหนี่ยวนำและความต้านทาน DC ของตัวเหนี่ยวนำแบบเกลียวสามารถอธิบายได้ด้วยพารามิเตอร์หลายตัว: เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก do, ความกว้างของการหมุน w และระยะห่าง s, จำนวนรอบ n และความต้านทานของแผ่นตัวนำ Rsheet รูปที่ 1a แสดงภาพถ่ายของตัวเหนี่ยวนำแบบวงกลมที่พิมพ์ซิลค์สกรีน โดยที่ n = 12 แสดงพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่กำหนดความเหนี่ยวนำ ตามแบบจำลองแอมมิเตอร์ของ Mohan และคณะ 35 ค่าความเหนี่ยวนำจะถูกคำนวณสำหรับชุดเรขาคณิตของตัวเหนี่ยวนำ โดยที่
(a) รูปถ่ายของตัวเหนี่ยวนำที่พิมพ์สกรีนซึ่งแสดงพารามิเตอร์ทางเรขาคณิต เส้นผ่านศูนย์กลางคือ 3 ซม. ความเหนี่ยวนำ (b) และความต้านทาน DC (c) ของรูปทรงตัวเหนี่ยวนำต่างๆ เส้นและเครื่องหมายสอดคล้องกับค่าที่คำนวณและวัดได้ตามลำดับ (d,e) ความต้านทานกระแสตรงของตัวเหนี่ยวนำ L1 และ L2 ถูกพิมพ์สกรีนด้วยหมึกเงิน Dupont 5028 และ 5064H ตามลำดับ (f,g) ภาพไมโครกราฟ SEM ของหน้าจอภาพยนตร์ที่พิมพ์โดย Dupont 5028 และ 5064H ตามลำดับ
ที่ความถี่สูง ผลกระทบของผิวหนังและความจุของปรสิตจะเปลี่ยนความต้านทานและการเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำตามค่า DC ตัวเหนี่ยวนำคาดว่าจะทำงานที่ความถี่ต่ำเพียงพอจนผลกระทบเหล่านี้ไม่มีนัยสำคัญ และอุปกรณ์จะทำงานเป็นการเหนี่ยวนำคงที่ โดยมีความต้านทานคงที่เป็นอนุกรม ดังนั้นในงานนี้ เราจึงวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ทางเรขาคณิต ความเหนี่ยวนำ และความต้านทานไฟฟ้ากระแสตรง และใช้ผลลัพธ์เพื่อให้ได้ค่าความเหนี่ยวนำที่กำหนดกับความต้านทานไฟฟ้ากระแสตรงที่น้อยที่สุด
ความเหนี่ยวนำและความต้านทานได้รับการคำนวณสำหรับชุดพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่สามารถรับรู้ได้จากการพิมพ์สกรีน และคาดว่าจะสร้างการเหนี่ยวนำในช่วง μH เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 3 และ 5 ซม. ความกว้างของเส้น 500 และ 1,000 ไมครอน และเปรียบเทียบการหมุนต่างๆ ในการคำนวณ สันนิษฐานว่าความต้านทานของแผ่นคือ 47 mΩ/□ ซึ่งสอดคล้องกับชั้นตัวนำไมโครเฟล็กสีเงิน Dupont 5028 หนา 7 μm ที่พิมพ์ด้วยหน้าจอ 400 mesh และการตั้งค่า w = s ค่าความเหนี่ยวนำและความต้านทานที่คำนวณได้จะแสดงในรูปที่ 1b และ c ตามลำดับ แบบจำลองคาดการณ์ว่าทั้งความเหนี่ยวนำและความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกและจำนวนรอบเพิ่มขึ้น หรือเมื่อความกว้างของเส้นลดลง
เพื่อประเมินความแม่นยำของการทำนายแบบจำลอง ตัวเหนี่ยวนำของรูปทรงและความเหนี่ยวนำต่างๆ ถูกประดิษฐ์ขึ้นบนซับสเตรตโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) ค่าความเหนี่ยวนำและความต้านทานที่วัดได้จะแสดงในรูปที่ 1b และ c แม้ว่าความต้านทานจะแสดงค่าเบี่ยงเบนบางส่วนจาก ค่าที่คาดหวัง สาเหตุหลักมาจากการเปลี่ยนแปลงความหนาและความสม่ำเสมอของหมึกที่สะสม การเหนี่ยวนำแสดงให้เห็นข้อตกลงที่ดีมากกับแบบจำลอง
ผลลัพธ์เหล่านี้สามารถใช้เพื่อออกแบบตัวเหนี่ยวนำที่มีความเหนี่ยวนำที่ต้องการและความต้านทาน DC ขั้นต่ำ ตัวอย่างเช่น สมมติว่าจำเป็นต้องมีตัวเหนี่ยวนำ 2 μH รูปที่ 1b แสดงให้เห็นว่าสามารถรับรู้ตัวเหนี่ยวนำนี้ได้ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 3 ซม. ซึ่งเป็นความกว้างของเส้น 500 μm และ 10 รอบ ความเหนี่ยวนำเดียวกันสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 5 ซม. ความกว้างของเส้น 500 μm และ 5 รอบหรือความกว้างของเส้น 1,000 μm และ 7 รอบ (ดังแสดงในรูป) เมื่อเปรียบเทียบความต้านทานของทั้งสามค่านี้ รูปทรงที่เป็นไปได้ในรูปที่ 1c พบว่าความต้านทานต่ำสุดของตัวเหนี่ยวนำ 5 ซม. ที่มีความกว้างของเส้น 1,000 μm คือ 34 Ω ซึ่งต่ำกว่าอีกสองตัวประมาณ 40% กระบวนการออกแบบทั่วไปเพื่อให้ได้ตัวเหนี่ยวนำที่กำหนด โดยมีความต้านทานขั้นต่ำสรุปได้ดังนี้ ขั้นแรก ให้เลือกเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกสูงสุดที่อนุญาตตามข้อจำกัดด้านพื้นที่ที่กำหนดโดยการใช้งาน จากนั้น ความกว้างของเส้นควรมีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในขณะที่ยังคงบรรลุค่าความเหนี่ยวนำที่ต้องการเพื่อให้ได้อัตราการเติมที่สูง (สมการ (3))
โดยการเพิ่มความหนาหรือใช้วัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงขึ้นเพื่อลดความต้านทานแผ่นของฟิล์มโลหะ ความต้านทานกระแสตรงสามารถลดลงได้อีกโดยไม่ส่งผลกระทบต่อการเหนี่ยวนำ ตัวเหนี่ยวนำสองตัวซึ่งมีพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตระบุไว้ในตารางที่ 1 เรียกว่า L1 และ L2 ถูกผลิตขึ้นด้วยจำนวนการเคลือบที่แตกต่างกันเพื่อประเมินการเปลี่ยนแปลงของความต้านทาน เมื่อจำนวนการเคลือบหมึกเพิ่มขึ้น ความต้านทานจะลดลงตามสัดส่วนตามที่คาดไว้ ดังแสดงในรูปที่ 1d และ e ซึ่งเป็นตัวเหนี่ยวนำ L1 และ L2 ตามลำดับ รูปที่ 1d และ e แสดงให้เห็นว่าการเคลือบ 6 ชั้นสามารถลดความต้านทานได้ถึง 6 เท่า และการลดความต้านทานสูงสุด (50-65%) เกิดขึ้นระหว่างชั้น 1 และชั้น 2 เนื่องจากหมึกแต่ละชั้นค่อนข้างบาง หน้าจอที่มีขนาดกริดค่อนข้างเล็ก (400 เส้นต่อนิ้ว) ใช้ในการพิมพ์ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้ ซึ่งช่วยให้เราสามารถศึกษาผลกระทบของความหนาของตัวนำต่อความต้านทานได้ ตราบใดที่คุณสมบัติรูปแบบยังคงมีขนาดใหญ่กว่าความละเอียดขั้นต่ำของตาราง a ความหนา (และความต้านทาน) ที่ใกล้เคียงกันสามารถทำได้เร็วขึ้นโดยการพิมพ์การเคลือบจำนวนน้อยลงด้วยขนาดกริดที่ใหญ่ขึ้น วิธีการนี้สามารถนำไปใช้เพื่อให้ได้ความต้านทาน DC แบบเดียวกับตัวเหนี่ยวนำแบบเคลือบ 6 ชั้นที่กล่าวถึงในที่นี้ แต่มีความเร็วในการผลิตที่สูงกว่า
รูปที่ 1d และ e ยังแสดงให้เห็นว่าด้วยการใช้หมึกเกล็ดสีเงินที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า DuPont 5064H ความต้านทานจะลดลงสองเท่า จากไมโครกราฟ SEM ของภาพยนตร์ที่พิมพ์ด้วยหมึกทั้งสอง (รูปที่ 1f, g) สามารถทำได้ เห็นว่าค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าของหมึก 5028 เนื่องมาจากขนาดอนุภาคที่เล็กกว่าและมีช่องว่างมากมายระหว่างอนุภาคในฟิล์มที่พิมพ์ ในทางกลับกัน 5064H มีสะเก็ดที่ใหญ่กว่าและจัดเรียงชิดกันมากขึ้น ทำให้มีพฤติกรรมใกล้เคียงกันมากขึ้น สีเงิน แม้ว่าฟิล์มที่ผลิตโดยหมึกนี้จะบางกว่าหมึก 5028 โดยมีชั้นเดียว 4 μm และ 6 ชั้น 22 μm แต่ค่าการนำไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นก็เพียงพอแล้วที่จะลดความต้านทานโดยรวม
ในที่สุด แม้ว่าค่าความเหนี่ยวนำ (สมการ (1)) จะขึ้นอยู่กับจำนวนรอบ (w + s) แต่ความต้านทาน (สมการ (5)) ขึ้นอยู่กับความกว้างของเส้น w เท่านั้น ดังนั้น เมื่อเพิ่ม w สัมพันธ์กับ s ความต้านทาน สามารถลดลงได้อีก ตัวเหนี่ยวนำเพิ่มเติมสองตัว L3 และ L4 ได้รับการออกแบบให้มี w = 2s และมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกขนาดใหญ่ดังแสดงในตารางที่ 1 ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้ผลิตขึ้นด้วยการเคลือบ DuPont 5064H 6 ชั้นดังที่แสดงไว้ก่อนหน้านี้เพื่อให้ ประสิทธิภาพสูงสุด ความเหนี่ยวนำของ L3 คือ 4.720 ± 0.002 μH และความต้านทาน 4.9 ± 0.1 Ω ในขณะที่ความเหนี่ยวนำของ L4 คือ 7.839 ± 0.005 μH และ 6.9 ± 0.1 Ω ซึ่งสอดคล้องกับการคาดการณ์แบบจำลองที่ดี เนื่องจาก ความหนา การนำไฟฟ้า และ w/s ที่เพิ่มขึ้น หมายความว่าอัตราส่วน L/R เพิ่มขึ้นมากกว่าลำดับความสำคัญเมื่อเทียบกับค่าในรูปที่ 1
แม้ว่าความต้านทาน DC ต่ำมีแนวโน้มที่ดี แต่การประเมินความเหมาะสมของตัวเหนี่ยวนำสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ทำงานในช่วง kHz-MHz จำเป็นต้องมีการระบุคุณลักษณะที่ความถี่ AC รูปที่ 2a แสดงการพึ่งพาความถี่ของความต้านทานและรีแอกแตนซ์ของ L3 และ L4 สำหรับความถี่ที่ต่ำกว่า 10 MHz ความต้านทานจะยังคงคงที่โดยประมาณที่ค่า DC ของมัน ในขณะที่รีแอกแตนซ์เพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับความถี่ ซึ่งหมายความว่าตัวเหนี่ยวนำจะคงที่ตามที่คาดไว้ ความถี่เรโซแนนซ์ในตัวถูกกำหนดให้เป็นความถี่ที่อิมพีแดนซ์เปลี่ยนจากอุปนัยไปเป็นคาปาซิทีฟ โดยที่ L3 คือ 35.6 ± 0.3 MHz และ L4 คือ 24.3 ± 0.6 MHz การพึ่งพาความถี่ของปัจจัยด้านคุณภาพ Q (เท่ากับ ωL/R) แสดงในรูปที่ 2b L3 และ L4 บรรลุปัจจัยด้านคุณภาพสูงสุดที่ 35 ± 1 และ 33 ± 1 ที่ความถี่ 11 และ 16 MHz ตามลำดับ ค่าความเหนี่ยวนำของ μH ไม่กี่ μH และ Q ที่ค่อนข้างสูงที่ความถี่ MHz ทำให้ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้เพียงพอที่จะแทนที่ตัวเหนี่ยวนำแบบยึดบนพื้นผิวแบบเดิมในตัวแปลง DC-DC พลังงานต่ำ
ความต้านทานที่วัดได้ R และรีแอกแตนซ์ X (a) และปัจจัยด้านคุณภาพ Q (b) ของตัวเหนี่ยวนำ L3 และ L4 มีความสัมพันธ์กับความถี่
เพื่อลดรอยเท้าที่จำเป็นสำหรับความจุที่กำหนด เป็นการดีที่สุดที่จะใช้เทคโนโลยีตัวเก็บประจุที่มีความจุเฉพาะขนาดใหญ่ ซึ่งเท่ากับค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ε หารด้วยความหนาของอิเล็กทริก ในงานนี้ เราเลือกคอมโพสิตแบเรียมไททาเนต เป็นไดอิเล็กตริกเนื่องจากมีเอปไซลอนสูงกว่าไดอิเล็กทริกอินทรีย์ที่ผ่านกระบวนการด้วยสารละลายอื่นๆ ชั้นอิเล็กทริกจะถูกพิมพ์บนหน้าจอระหว่างตัวนำเงินสองตัวเพื่อสร้างโครงสร้างโลหะ-อิเล็กทริก-โลหะ ตัวเก็บประจุที่มีขนาดต่างๆ เป็นเซนติเมตร ดังแสดงในรูปที่ 3a ผลิตขึ้นโดยใช้หมึกอิเล็กทริกสองหรือสามชั้นเพื่อรักษาผลผลิตที่ดี รูปที่ 3b แสดงไมโครกราฟ SEM หน้าตัดของตัวเก็บประจุตัวแทนที่ทำด้วยอิเล็กทริกสองชั้น โดยมีความหนาอิเล็กทริกรวม 21 μm อิเล็กโทรดด้านบนและด้านล่าง เป็น 5064H หนึ่งชั้นและหกชั้นตามลำดับ อนุภาคแบเรียมไททาเนตขนาดไมครอนสามารถมองเห็นได้ในภาพ SEM เนื่องจากบริเวณที่สว่างกว่านั้นล้อมรอบด้วยสารยึดเกาะอินทรีย์ที่เข้มกว่า หมึกอิเล็กทริกทำให้อิเล็กโทรดด้านล่างเปียกได้ดีและสร้างส่วนต่อประสานที่ชัดเจนกับ ฟิล์มโลหะที่พิมพ์ตามที่แสดงในภาพประกอบที่มีกำลังขยายสูงกว่า
(a) ภาพถ่ายของตัวเก็บประจุที่มีพื้นที่ต่างกัน 5 ส่วน (b) ภาพตัดขวาง SEM micrograph ของตัวเก็บประจุที่มีไดอิเล็กตริก 2 ชั้น แสดงไดอิเล็กตริกแบเรียมไททาเนตและอิเล็กโทรดเงิน (c) ความจุของตัวเก็บประจุที่มีแบเรียมไททาเนต 2 และ 3 ตัว ชั้นไดอิเล็กทริกและพื้นที่ต่างๆ วัดที่ 1 MHz (ง) ความสัมพันธ์ระหว่างความจุ, ESR และแฟคเตอร์การสูญเสียของตัวเก็บประจุขนาด 2.25 ซม. 2 พร้อมการเคลือบอิเล็กทริกและความถี่ 2 ชั้น
ความจุเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ที่คาดหวัง ดังแสดงในรูปที่ 3c ความจุเฉพาะของอิเล็กทริกสองชั้นคือ 0.53 nF/cm2 และความจุเฉพาะของอิเล็กทริกสามชั้นคือ 0.33 nF/cm2 ค่าเหล่านี้สอดคล้องกับค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่ 13 ความจุและปัจจัยการกระจาย (DF) ยังถูกวัดที่ความถี่ที่แตกต่างกัน ดังแสดงในรูปที่ 3d สำหรับตัวเก็บประจุขนาด 2.25 cm2 ที่มีอิเล็กทริกสองชั้น เราพบว่าความจุค่อนข้างคงที่ในช่วงความถี่ที่สนใจ เพิ่มขึ้น 20% จาก 1 เป็น 10 MHz ในขณะที่อยู่ในช่วงเดียวกัน DF เพิ่มขึ้นจาก 0.013 เป็น 0.023 เนื่องจากปัจจัยการกระจายคืออัตราส่วนของการสูญเสียพลังงานต่อพลังงานที่เก็บไว้ในแต่ละวงจร AC ดังนั้น DF 0.02 หมายความว่า 2% ของพลังงานที่จัดการ โดยตัวเก็บประจุจะถูกใช้ไป การสูญเสียนี้มักจะแสดงเป็นความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าตามความถี่ (ESR) ที่เชื่อมต่อเป็นอนุกรมกับตัวเก็บประจุ ซึ่งเท่ากับ DF/ωC ดังแสดงในรูปที่ 3d สำหรับความถี่ที่มากกว่า 1 MHz ESR ต่ำกว่า 1.5 Ω และสำหรับความถี่ที่มากกว่า 4 MHz ESR จะต่ำกว่า 0.5 Ω แม้ว่าจะใช้เทคโนโลยีตัวเก็บประจุนี้ ตัวเก็บประจุระดับ μF ที่จำเป็นสำหรับตัวแปลง DC-DC ต้องการพื้นที่ขนาดใหญ่มาก แต่ 100 pF- ช่วงความจุ nF และการสูญเสียตัวเก็บประจุเหล่านี้ต่ำทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานอื่นๆ เช่น ตัวกรองและวงจรเรโซแนนซ์ สามารถใช้วิธีการต่างๆ เพื่อเพิ่มความจุ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่สูงขึ้นจะเพิ่มความจุจำเพาะ 37; ตัวอย่างเช่น สามารถทำได้โดยการเพิ่มความเข้มข้นของอนุภาคแบเรียมไททาเนตในหมึก สามารถใช้ความหนาอิเล็กทริกน้อยลงได้ แม้ว่าจะต้องใช้อิเล็กโทรดด้านล่างที่มีความหยาบต่ำกว่าเกล็ดเงินที่พิมพ์สกรีน ตัวเก็บประจุที่มีความหยาบน้อยกว่าและบางกว่า สามารถฝากเลเยอร์ได้โดยการพิมพ์อิงค์เจ็ท 31 หรือการพิมพ์กราเวียร์ 10 ซึ่งสามารถใช้ร่วมกับกระบวนการพิมพ์สกรีนได้ ในที่สุด โลหะและอิเล็กทริกที่สลับกันหลายชั้นสามารถซ้อนกันและพิมพ์และเชื่อมต่อแบบขนานได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มความจุ 34 ต่อหน่วยพื้นที่ .
ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่ประกอบด้วยตัวต้านทาน 1 คู่มักจะใช้เพื่อทำการวัดแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการควบคุมป้อนกลับของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า สำหรับการใช้งานประเภทนี้ ความต้านทานของตัวต้านทานที่พิมพ์ออกมาควรอยู่ในช่วง kΩ-MΩ และความแตกต่างระหว่าง อุปกรณ์มีขนาดเล็ก ในที่นี้พบว่าความต้านทานแผ่นของหมึกคาร์บอนที่พิมพ์สกรีนชั้นเดียวคือ 900 Ω/□ ข้อมูลนี้ใช้เพื่อออกแบบตัวต้านทานเชิงเส้นสองตัว (R1 และ R2) และตัวต้านทานแบบคดเคี้ยว (R3 ) โดยมีความต้านทานระบุ 10 kΩ, 100 kΩ และ 1.5 MΩ ความต้านทานระหว่างค่าระบุทำได้โดยการพิมพ์หมึกสองหรือสามชั้น ดังแสดงในรูปที่ 4 และภาพถ่ายของความต้านทานทั้งสาม ทำ 8- ตัวอย่างละ 12 ตัวอย่าง; ในทุกกรณี ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของความต้านทานคือ 10% หรือน้อยกว่า การเปลี่ยนแปลงความต้านทานของตัวอย่างที่มีการเคลือบสองหรือสามชั้นมักจะน้อยกว่าการเปลี่ยนแปลงของตัวอย่างที่มีการเคลือบหนึ่งชั้นเล็กน้อย การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความต้านทานที่วัดได้ และข้อตกลงที่ใกล้ชิดกับค่าระบุบ่งชี้ว่าสามารถรับความต้านทานอื่นๆ ในช่วงนี้ได้โดยตรงโดยการปรับเปลี่ยนรูปทรงของตัวต้านทาน
รูปทรงของตัวต้านทานที่แตกต่างกันสามแบบที่มีจำนวนการเคลือบหมึกต้านทานคาร์บอนต่างกัน รูปภาพของตัวต้านทานทั้งสามตัวจะแสดงทางด้านขวา
วงจร RLC เป็นตัวอย่างตำราคลาสสิกเกี่ยวกับการรวมกันของตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุที่ใช้ในการสาธิตและตรวจสอบพฤติกรรมของส่วนประกอบแบบแพสซีฟที่รวมอยู่ในวงจรพิมพ์จริง ในวงจรนี้ ตัวเหนี่ยวนำ 8 μH และตัวเก็บประจุ 0.8 nF เชื่อมต่อแบบอนุกรม และ ตัวต้านทาน 25 kΩ เชื่อมต่อแบบขนาน ภาพถ่ายของวงจรยืดหยุ่นแสดงในรูปที่ 5a เหตุผลในการเลือกชุดค่าผสมพิเศษแบบอนุกรม-ขนานนี้คือ ลักษณะการทำงานของวงจรจะถูกกำหนดโดยส่วนประกอบความถี่ที่แตกต่างกันสามส่วน ดังนั้น ประสิทธิภาพของแต่ละส่วนประกอบสามารถเน้นและประเมินผลได้ เมื่อพิจารณาถึงความต้านทานอนุกรม 7 Ω ของตัวเหนี่ยวนำและ 1.3 Ω ESR ของตัวเก็บประจุ การตอบสนองความถี่ที่คาดหวังของวงจรได้รับการคำนวณ แผนภาพวงจรแสดงในรูปที่ 5b และการคำนวณ แอมพลิจูดอิมพีแดนซ์และเฟสและค่าที่วัดได้แสดงไว้ในรูปที่ 5c และ d ที่ความถี่ต่ำ อิมพีแดนซ์สูงของตัวเก็บประจุหมายความว่าพฤติกรรมของวงจรถูกกำหนดโดยตัวต้านทาน 25 kΩ เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น อิมพีแดนซ์ของ เส้นทาง LC ลดลง พฤติกรรมของวงจรทั้งหมดเป็นแบบคาปาซิทีฟจนกระทั่งความถี่เรโซแนนซ์อยู่ที่ 2.0 MHz เหนือความถี่เรโซแนนซ์อินดัคทีฟอิมพีแดนซ์จะครอบงำ รูปที่ 5 แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงข้อตกลงที่ดีเยี่ยมระหว่างค่าที่คำนวณและค่าที่วัดได้ตลอดช่วงความถี่ทั้งหมด ซึ่งหมายความว่ารุ่นที่ใช้ ที่นี่ (โดยที่ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบในอุดมคติที่มีความต้านทานแบบอนุกรม) มีความแม่นยำในการทำนายพฤติกรรมของวงจรที่ความถี่เหล่านี้
(a) รูปถ่ายของวงจร RLC ที่พิมพ์สกรีนซึ่งใช้ชุดรวมของตัวเหนี่ยวนำ 8 μH และตัวเก็บประจุ 0.8 nF ขนานกับตัวต้านทาน 25 kΩ (b) แบบจำลองวงจรรวมถึงความต้านทานอนุกรมของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ (c ,d) แอมพลิจูดอิมพีแดนซ์ (c) และเฟส (d) ของวงจร
ในที่สุด ตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานที่พิมพ์ออกมาจะถูกนำไปใช้ในตัวควบคุมบูสต์ ไอซีที่ใช้ในการสาธิตนี้คือ Microchip MCP1640B14 ซึ่งเป็นตัวควบคุมบูสต์แบบซิงโครนัสแบบ PWM ที่มีความถี่ในการทำงาน 500 kHz แผนภาพวงจรแสดงในรูปที่ 6a.A ตัวเหนี่ยวนำ 4.7 μH และตัวเก็บประจุสองตัว (4.7 μF และ 10 μF) ถูกใช้เป็นส่วนประกอบในการกักเก็บพลังงาน และใช้ตัวต้านทานคู่หนึ่งเพื่อวัดแรงดันเอาต์พุตของตัวควบคุมป้อนกลับ เลือกค่าความต้านทานเพื่อปรับแรงดันเอาต์พุตเป็น 5 V วงจรนี้ผลิตขึ้นบน PCB และวัดประสิทธิภาพภายในความต้านทานโหลดและช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต 3 ถึง 4 V เพื่อจำลองแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในสถานะการชาร์จต่างๆ ประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานที่พิมพ์ออกมาจะถูกเปรียบเทียบกับ ประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทาน SMT ตัวเก็บประจุ SMT ถูกนำมาใช้ในทุกกรณีเนื่องจากความจุที่จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันนี้มีขนาดใหญ่เกินกว่าจะเสร็จสมบูรณ์ด้วยตัวเก็บประจุที่พิมพ์ออกมา
(a) แผนภาพวงจรรักษาแรงดันไฟฟ้า (b–d) (b) Vout, (c) Vsw และ (d) รูปคลื่นของกระแสที่ไหลเข้าตัวเหนี่ยวนำ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าคือ 4.0 V ความต้านทานโหลดคือ 1 kΩ และตัวเหนี่ยวนำที่พิมพ์ไว้ใช้ในการวัด ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุแบบยึดบนพื้นผิวใช้สำหรับการวัดนี้ (e) สำหรับความต้านทานโหลดและแรงดันไฟฟ้าอินพุตต่างๆ ประสิทธิภาพของวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าโดยใช้ส่วนประกอบที่ยึดบนพื้นผิวทั้งหมดและตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานที่พิมพ์ออกมา (f ) อัตราส่วนประสิทธิภาพของการยึดบนพื้นผิวและวงจรพิมพ์แสดงใน (e)
สำหรับแรงดันไฟฟ้าอินพุต 4.0 V และความต้านทานโหลด 1,000 Ω รูปคลื่นที่วัดโดยใช้ตัวเหนี่ยวนำที่พิมพ์จะแสดงในรูปที่ 6b-d รูปที่ 6c แสดงแรงดันไฟฟ้าที่ขั้ว Vsw ของ IC แรงดันไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำคือ Vin-Vsw รูปที่ 6d แสดงกระแสที่ไหลเข้าสู่ตัวเหนี่ยวนำ ประสิทธิภาพของวงจรที่มี SMT และส่วนประกอบที่พิมพ์จะแสดงในรูปที่ 6e เป็นฟังก์ชันของแรงดันอินพุตและความต้านทานโหลด และรูปที่ 6f แสดงอัตราส่วนประสิทธิภาพ ของส่วนประกอบที่พิมพ์ไปยังส่วนประกอบ SMT ประสิทธิภาพที่วัดได้โดยใช้ส่วนประกอบ SMT นั้นคล้ายคลึงกับค่าที่คาดหวังไว้ในแผ่นข้อมูลของผู้ผลิต 14. ที่กระแสอินพุตสูง (ความต้านทานโหลดต่ำและแรงดันไฟฟ้าอินพุตต่ำ) ประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำที่พิมพ์จะต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ของตัวเหนี่ยวนำ SMT เนื่องจากความต้านทานอนุกรมที่สูงกว่า อย่างไรก็ตาม ด้วยแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่สูงขึ้นและกระแสเอาต์พุตที่สูงขึ้น การสูญเสียความต้านทานจะมีความสำคัญน้อยลง และประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำที่พิมพ์ออกมาจะเริ่มเข้าใกล้ประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำ SMT สำหรับความต้านทานโหลด >500 Ω และ Vin = 4.0 V หรือ >750 Ω และ Vin = 3.5 V ประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำที่พิมพ์มากกว่า 85% ของตัวเหนี่ยวนำ SMT
การเปรียบเทียบรูปคลื่นปัจจุบันในรูปที่ 6d กับการสูญเสียพลังงานที่วัดได้แสดงให้เห็นว่าการสูญเสียความต้านทานในตัวเหนี่ยวนำเป็นสาเหตุหลักของความแตกต่างในประสิทธิภาพระหว่างวงจรพิมพ์และวงจร SMT ตามที่คาดไว้ กำลังไฟฟ้าเข้าและเอาต์พุตวัดที่ 4.0 V แรงดันไฟฟ้าอินพุตและความต้านทานโหลด 1000 Ω คือ 30.4 mW และ 25.8 mW สำหรับวงจรที่มีส่วนประกอบ SMT และ 33.1 mW และ 25.2 mW สำหรับวงจรที่มีส่วนประกอบที่พิมพ์ ดังนั้น การสูญเสียของวงจรพิมพ์จึงเป็น 7.9 mW ซึ่งสูงกว่า 3.4 mW วงจรที่มีส่วนประกอบ SMT กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ RMS ที่คำนวณจากรูปคลื่นในรูปที่ 6d คือ 25.6 mA เนื่องจากความต้านทานอนุกรมคือ 4.9 Ω การสูญเสียพลังงานที่คาดหวังคือ 3.2 mW ซึ่งคิดเป็น 96% ของความแตกต่างของพลังงาน DC ที่วัดได้ 3.4 mW นอกจากนี้ วงจรยังผลิตโดยใช้ตัวเหนี่ยวนำแบบพิมพ์และตัวต้านทานแบบพิมพ์ และตัวเหนี่ยวนำแบบพิมพ์และตัวต้านทาน SMT และ ไม่พบความแตกต่างด้านประสิทธิภาพที่มีนัยสำคัญระหว่างกัน
จากนั้นตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นบน PCB ที่ยืดหยุ่น (การพิมพ์ของวงจรและประสิทธิภาพของส่วนประกอบ SMT จะแสดงในรูปที่ S1 เพิ่มเติม) และเชื่อมต่อระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ยืดหยุ่นเป็นแหล่งพลังงานและอาร์เรย์ OLED เป็นโหลด ตามข้อมูลของ Lochner และคณะ 9 ในการผลิต OLED แต่ละพิกเซล OLED จะใช้ 0.6 mA ที่ 5 V แบตเตอรี่ใช้ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์และกราไฟท์เป็นแคโทดและแอโนด ตามลำดับ และผลิตโดยการเคลือบด็อกเตอร์เบลด ซึ่งเป็นวิธีการพิมพ์แบตเตอรี่ที่ใช้กันมากที่สุด7 ความจุของแบตเตอรี่คือ 16mAh และแรงดันไฟฟ้าในระหว่างการทดสอบคือ 4.0V รูปที่ 7 แสดงภาพถ่ายของวงจรบน PCB ที่ยืดหยุ่น ซึ่งจ่ายไฟให้กับพิกเซล OLED สามตัวที่เชื่อมต่อแบบขนาน การสาธิตแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของส่วนประกอบพลังงานที่พิมพ์ออกมาที่จะรวมเข้ากับอุปกรณ์อื่น ๆ อุปกรณ์ที่ยืดหยุ่นและเป็นธรรมชาติเพื่อสร้างระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนมากขึ้น
รูปถ่ายของวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าบน PCB ที่ยืดหยุ่นโดยใช้ตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานที่พิมพ์ออกมา โดยใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ยืดหยุ่นเพื่อจ่ายไฟให้กับ LED อินทรีย์สามดวง
เราได้แสดงตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และตัวต้านทานที่พิมพ์สกรีนด้วยค่าต่างๆ บนพื้นผิว PET ที่ยืดหยุ่น โดยมีเป้าหมายเพื่อแทนที่ส่วนประกอบที่ยึดบนพื้นผิวในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เราได้แสดงให้เห็นว่าโดยการออกแบบเกลียวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ อัตราการบรรจุขนาดใหญ่ และอัตราส่วนความกว้างของเส้น-พื้นที่ และโดยการใช้หมึกต้านทานต่ำชั้นหนา ส่วนประกอบเหล่านี้ถูกรวมเข้ากับวงจร RLC ที่พิมพ์เต็มรูปแบบและยืดหยุ่น และแสดงพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่คาดการณ์ได้ในช่วงความถี่ kHz-MHz ซึ่งยิ่งใหญ่ที่สุด ความสนใจด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง
กรณีการใช้งานทั่วไปสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังพิมพ์คือระบบอิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นที่สวมใส่ได้หรือรวมผลิตภัณฑ์ ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟแบบยืดหยุ่น (เช่น ลิเธียมไอออน) ซึ่งสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าผันแปรตามสถานะการชาร์จ หากโหลด (รวมถึงการพิมพ์และ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์) ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่หรือสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกของแบตเตอรี่ จึงจำเป็นต้องมีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้ ตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานที่พิมพ์ออกมาจึงถูกรวมเข้ากับไอซีซิลิคอนแบบดั้งเดิมในตัวควบคุมบูสต์เพื่อจ่ายไฟให้กับ OLED ด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่ 5 V จากแหล่งจ่ายไฟแบตเตอรี่แบบปรับแรงดันไฟฟ้าได้ ภายในช่วงหนึ่งของกระแสโหลดและแรงดันไฟฟ้าอินพุต ประสิทธิภาพของวงจรนี้เกิน 85% ของประสิทธิภาพของวงจรควบคุมโดยใช้ตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานแบบยึดบนพื้นผิว แม้จะมีการปรับปรุงวัสดุและรูปทรงเรขาคณิตก็ตาม การสูญเสียความต้านทานในตัวเหนี่ยวนำยังคงเป็นปัจจัยจำกัดสำหรับประสิทธิภาพของวงจรที่ระดับกระแสสูง (กระแสอินพุตมากกว่าประมาณ 10 mA) อย่างไรก็ตาม ที่กระแสต่ำ การสูญเสียในตัวเหนี่ยวนำจะลดลง และประสิทธิภาพโดยรวมจะถูกจำกัดด้วยประสิทธิภาพ ของไอซี เนื่องจากอุปกรณ์การพิมพ์และอุปกรณ์ออร์แกนิกจำนวนมากต้องการกระแสไฟฟ้าค่อนข้างต่ำ เช่น OLED ขนาดเล็กที่ใช้ในการสาธิตของเรา ตัวเหนี่ยวนำพลังงานการพิมพ์จึงถือว่าเหมาะสมกับการใช้งานดังกล่าว โดยใช้ไอซีที่ออกแบบมาให้มีประสิทธิภาพสูงสุดในระดับกระแสที่ต่ำกว่า ประสิทธิภาพของตัวแปลงโดยรวมที่สูงขึ้นสามารถทำได้
ในงานนี้ ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นบน PCB แบบดั้งเดิม PCB แบบยืดหยุ่น และเทคโนโลยีการบัดกรีส่วนประกอบที่ยึดพื้นผิว ในขณะที่ส่วนประกอบที่พิมพ์ออกมานั้นผลิตขึ้นบนพื้นผิวที่แยกจากกัน อย่างไรก็ตาม หมึกที่มีอุณหภูมิต่ำและมีความหนืดสูงที่ใช้ในการผลิตหน้าจอ- ฟิล์มที่พิมพ์ควรอนุญาตให้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟรวมถึงการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์และแผ่นสัมผัสส่วนประกอบที่ยึดบนพื้นผิวสามารถพิมพ์บนพื้นผิวใด ๆ ซึ่งเมื่อรวมกับการใช้กาวนำไฟฟ้าอุณหภูมิต่ำที่มีอยู่สำหรับส่วนประกอบที่ยึดบนพื้นผิว จะช่วยให้ วงจรทั้งหมดที่จะสร้างบนพื้นผิวที่มีราคาไม่แพง (เช่น PET) โดยไม่จำเป็นต้องใช้กระบวนการลบ เช่น การกัด PCB ดังนั้น ส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่พิมพ์สกรีนที่พัฒนาขึ้นในงานนี้จึงช่วยปูทางสำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่นที่รวมพลังงานและโหลด ด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังประสิทธิภาพสูง โดยใช้พื้นผิวที่มีราคาไม่แพง กระบวนการเสริมส่วนใหญ่ และจำนวนส่วนประกอบที่ยึดบนพื้นผิวน้อยที่สุด
ด้วยการใช้เครื่องพิมพ์หน้าจอ Asys ASP01M และหน้าจอสแตนเลสที่จัดทำโดย Dynamesh Inc. ส่วนประกอบแบบพาสซีฟทุกชั้นจะถูกพิมพ์บนหน้าจอบนพื้นผิว PET ที่มีความยืดหยุ่นซึ่งมีความหนา 76 μm ขนาดตาข่ายของชั้นโลหะคือ 400 เส้นต่อนิ้ว และ 250 เส้น เส้นต่อนิ้วสำหรับชั้นไดอิเล็กทริกและชั้นต้านทาน ใช้แรงปาด 55 N ความเร็วในการพิมพ์ 60 มม./วินาที ระยะทำลาย 1.5 มม. และไม้กวาดหุ้มยาง Serilor ที่มีความแข็ง 65 (สำหรับโลหะและตัวต้านทาน ชั้น) หรือ 75 (สำหรับชั้นอิเล็กทริก) สำหรับการพิมพ์สกรีน
ชั้นสื่อกระแสไฟฟ้า ได้แก่ ตัวเหนี่ยวนำและหน้าสัมผัสของตัวเก็บประจุและตัวต้านทานจะถูกพิมพ์ด้วยหมึกไมโครเฟล็กสีเงินของ DuPont 5082 หรือ DuPont 5064H ตัวต้านทานจะพิมพ์ด้วยตัวนำคาร์บอนของ DuPont 7082 สำหรับไดอิเล็กตริกของตัวเก็บประจุ สารประกอบที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า BT-101 แบเรียมไททาเนตไดอิเล็กตริก ใช้ อิเล็กทริกแต่ละชั้นผลิตโดยใช้วงจรการพิมพ์สองรอบ (เปียก-เปียก) เพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของฟิล์ม สำหรับแต่ละส่วนประกอบ จะมีการตรวจสอบผลกระทบของรอบการพิมพ์หลายรอบต่อประสิทธิภาพของส่วนประกอบและความแปรปรวน ตัวอย่างที่ทำด้วย การเคลือบหลายชั้นด้วยวัสดุเดียวกันถูกทำให้แห้งที่ 70 °C เป็นเวลา 2 นาทีระหว่างการเคลือบ หลังจากทาชั้นสุดท้ายของแต่ละวัสดุ ตัวอย่างจะถูกอบที่อุณหภูมิ 140 °C เป็นเวลา 10 นาทีเพื่อให้แน่ใจว่าแห้งสนิท ฟังก์ชั่นการจัดแนวอัตโนมัติของหน้าจอ เครื่องพิมพ์ใช้เพื่อจัดตำแหน่งเลเยอร์ถัดไป การสัมผัสกับศูนย์กลางของตัวเหนี่ยวนำทำได้โดยการตัดรูทะลุบนแผ่นตรงกลางและร่องรอยการพิมพ์ลายฉลุที่ด้านหลังของวัสดุพิมพ์ด้วยหมึก DuPont 5064H การเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์การพิมพ์ยังใช้ Dupont การพิมพ์ลายฉลุ 5064H เพื่อแสดงส่วนประกอบที่พิมพ์และส่วนประกอบ SMT บน PCB ที่ยืดหยุ่นดังแสดงในรูปที่ 7 ส่วนประกอบที่พิมพ์จะเชื่อมต่อโดยใช้อีพ็อกซี่นำไฟฟ้า Circuit Works CW2400 และส่วนประกอบ SMT เชื่อมต่อด้วยการบัดกรีแบบดั้งเดิม
ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LCO) และอิเล็กโทรดที่ใช้กราไฟท์ใช้เป็นแคโทดและแอโนดของแบตเตอรี่ตามลำดับ สารละลายแคโทดเป็นส่วนผสมของ LCO 80% (MTI Corp.), กราไฟท์ 7.5% (KS6, Timcal), 2.5 % คาร์บอนแบล็ค (Super P, Timcal) และโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ 10% (PVDF, Kureha Corp.) ) ขั้วบวกเป็นส่วนผสมของกราไฟท์ 84wt% คาร์บอนแบล็ค 4wt% และ PVDF 13wt% N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) ใช้ในการละลายสารยึดเกาะ PVDF และกระจายสารละลาย สารละลายถูกทำให้เป็นเนื้อเดียวกันโดย คนด้วยเครื่องผสมน้ำวนข้ามคืน ฟอยล์สแตนเลสหนา 0.0005 นิ้ว และฟอยล์นิกเกิล 10 ไมโครเมตร ถูกใช้เป็นตัวสะสมกระแสสำหรับแคโทดและแอโนด ตามลำดับ หมึกจะถูกพิมพ์บนตัวสะสมกระแสด้วยไม้กวาดหุ้มยางที่ความเร็วในการพิมพ์ 20 มิลลิเมตร/วินาที อุ่นอิเล็กโทรดในเตาอบที่อุณหภูมิ 80 °C เป็นเวลา 2 ชั่วโมงเพื่อขจัดตัวทำละลาย ความสูงของอิเล็กโทรดหลังจากการทำให้แห้งคือประมาณ 60 μm และความจุทางทฤษฎีคือ 1.65 mAh ขึ้นอยู่กับน้ำหนักของวัสดุที่ใช้งานอยู่ /cm2 อิเล็กโทรดถูกตัดเป็นขนาด 1.3 × 1.3 ซม.2 และให้ความร้อนในเตาอบสุญญากาศที่อุณหภูมิ 140°C ข้ามคืน จากนั้นจึงปิดผนึกด้วยถุงลามิเนตอะลูมิเนียมในกล่องถุงมือที่เติมไนโตรเจนสารละลายของฟิล์มฐานโพลีโพรพีลีนที่มี ขั้วบวกและแคโทดและ 1M LiPF6 ใน EC/DEC (1:1) ใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่
OLED สีเขียวประกอบด้วยโพลี(9,9-dioctylfluorene-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB) และโพลี ((9,9-dioctylfluorene-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole- 4, 8-diyl)) (F8BT) ตามขั้นตอนที่ระบุไว้ใน Lochner และคณะ 9
ใช้ Dektak stylus profiler ในการวัดความหนาของฟิล์ม ฟิล์มถูกตัดเพื่อเตรียมตัวอย่างภาคตัดขวางสำหรับการตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) FEI Quanta 3D field emission gun (FEG) SEM ใช้เพื่อกำหนดลักษณะโครงสร้างของงานพิมพ์ ฟิล์มและยืนยันการวัดความหนา การศึกษา SEM ดำเนินการที่แรงดันไฟฟ้าเร่ง 20 keV และระยะการทำงานปกติ 10 มม.
ใช้มัลติมิเตอร์แบบดิจิทัลเพื่อวัดความต้านทาน แรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้ากระแสตรง ความต้านทาน AC ของตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และวงจรวัดโดยใช้มิเตอร์ LCR ของ Agilent E4980 สำหรับความถี่ต่ำกว่า 1 MHz และใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่าย Agilent E5061A สำหรับการวัดความถี่ที่สูงกว่า 500 kHz ใช้ ออสซิลโลสโคป Tektronix TDS 5034 สำหรับวัดรูปคลื่นของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า
วิธีอ้างอิงบทความนี้: Ostfeld, AE ฯลฯ การพิมพ์สกรีนส่วนประกอบแบบพาสซีฟสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังแบบยืดหยุ่น วิทยาศาสตร์ ตัวแทน 5, 15959; ดอย: 10.1038/srep15959 (2015)
Nathan, A. และคณะ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่น: แพลตฟอร์มที่แพร่หลายต่อไป ประมวลผล IEEE 100, 1486-1517 (2012)
Rabaey, JM Human Intranet: สถานที่ที่กลุ่มพบปะมนุษย์ เอกสารเผยแพร่ในการประชุมและนิทรรศการยุโรปด้านการออกแบบ ระบบอัตโนมัติ และการทดสอบปี 2015 เมืองเกรอน็อบล์ ประเทศฝรั่งเศส ซานโฮเซ แคลิฟอร์เนีย: EDA Alliance.637-640 (2015, 9 มีนาคม- 13)
Krebs, FC ฯลฯ ผู้สาธิต OE-A OPV Anno Domini 2011.Energy Environmental.science.4, 4116–4123 (2011)
Ali, M., Prakash, D., Zillger, T., Singh, PK & Hübler, อุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานเพียโซอิเล็กทริกที่พิมพ์ด้วย AC วัสดุพลังงานขั้นสูง4. 1300427 (2014)
Chen, A., Madan, D., Wright, PK & Evans, JW เครื่องจ่ายพลังงานเทอร์โมอิเล็กทริกแบบฟิล์มหนาแบบแบนพิมพ์ด้วยเครื่องจ่าย J. วิศวกรรมจุลภาค 21, 104006 (2011)
Gaikwad, AM, Steingart, DA, Ng, TN, Schwartz, DE & Whiting, GL แบตเตอรี่พิมพ์ที่มีศักยภาพสูงแบบยืดหยุ่นที่ใช้ในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พิมพ์ App Physics Wright.102, 233302 (2013)
Gaikwad, AM, Arias, AC & Steingart, DA การพัฒนาล่าสุดในแบตเตอรี่ที่มีความยืดหยุ่นในการพิมพ์: ความท้าทายทางกล เทคโนโลยีการพิมพ์ และแนวโน้มในอนาคต เทคโนโลยีพลังงาน 3, 305–328 (2015)
Hu, Y. ฯลฯ ระบบตรวจจับขนาดใหญ่ที่รวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในพื้นที่ขนาดใหญ่และ CMOS ICs สำหรับการตรวจสอบสุขภาพโครงสร้าง IEEE J. Solid State Circuit 49, 513–523 (2014)