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Aditivos e processos de impressão em baixa temperatura podem integrar vários dispositivos eletrônicos que consomem e consomem energia em substratos flexíveis a baixo custo. No entanto, a produção de sistemas eletrônicos completos a partir desses dispositivos geralmente requer dispositivos eletrônicos de potência para converter entre as várias tensões operacionais de os dispositivos.Componentes passivos - indutores, capacitores e resistores - executam funções como filtragem, armazenamento de energia de curto prazo e medição de tensão, que são essenciais em eletrônica de potência e muitas outras aplicações.Neste artigo, apresentamos indutores, capacitores, resistores e circuitos RLC impressos em substratos plásticos flexíveis e relatam o processo de design para minimizar a resistência em série dos indutores para que possam ser usados ​​em dispositivos eletrônicos de potência. de diodos emissores de luz orgânicos e baterias flexíveis de íons de lítio. Reguladores de tensão são usados ​​para alimentar os diodos da bateria, demonstrando o potencial dos componentes passivos impressos para substituir os componentes tradicionais de montagem em superfície em aplicações de conversores DC-DC.
Nos últimos anos, foi desenvolvida a aplicação de vários dispositivos flexíveis em produtos eletrônicos vestíveis e de grande área e na Internet das Coisas1,2. Isso inclui dispositivos de coleta de energia, como fotovoltaico 3, piezoelétrico 4 e termoelétrico 5; dispositivos de armazenamento de energia, tais como baterias 6, 7; e dispositivos consumidores de energia, como sensores 8, 9, 10, 11, 12 e fontes de luz 13. Embora um grande progresso tenha sido feito em fontes e cargas de energia individuais, a combinação desses componentes em um sistema eletrônico completo geralmente requer que a eletrônica de potência seja superar qualquer incompatibilidade entre o comportamento da fonte de alimentação e os requisitos de carga. Por exemplo, uma bateria gera uma tensão variável de acordo com seu estado de carga. Se a carga exigir uma tensão constante ou superior à tensão que a bateria pode gerar, a eletrônica de potência será necessária .A eletrônica de potência usa componentes ativos (transistores) para executar funções de comutação e controle, bem como componentes passivos (indutores, capacitores e resistores). Por exemplo, em um circuito regulador de comutação, um indutor é usado para armazenar energia durante cada ciclo de comutação , um capacitor é usado para reduzir a ondulação de tensão, e a medição de tensão necessária para o controle de feedback é feita usando um divisor de resistor.
Dispositivos eletrônicos de potência adequados para dispositivos vestíveis (como o oxímetro de pulso 9) requerem vários volts e vários miliamperes, geralmente operam na faixa de frequência de centenas de kHz a vários MHz e requerem vários μH e vários μH de indutância e A capacitância μF é 14, respectivamente. O método tradicional de fabricação desses circuitos é soldar componentes discretos a uma placa de circuito impresso rígida (PCB). Embora os componentes ativos dos circuitos eletrônicos de potência sejam geralmente combinados em um único circuito integrado de silício (IC), os componentes passivos geralmente são externo, seja permitindo circuitos personalizados, ou porque a indutância e capacitância necessárias são muito grandes para serem implementadas em silício.
Em comparação com a tecnologia tradicional de fabricação baseada em PCB, a fabricação de dispositivos e circuitos eletrônicos por meio do processo de impressão aditiva tem muitas vantagens em termos de simplicidade e custo. Primeiro, porque muitos componentes do circuito requerem os mesmos materiais, como metais para contatos e interconexões, a impressão permite que vários componentes sejam fabricados ao mesmo tempo, com relativamente poucas etapas de processamento e menos fontes de materiais15. O uso de processos aditivos para substituir processos subtrativos, como fotolitografia e gravação, reduz ainda mais a complexidade do processo e o desperdício de material16, 17, 18 e 19. Além disso, as baixas temperaturas utilizadas na impressão são compatíveis com substratos plásticos flexíveis e baratos, permitindo o uso de processos de fabricação rolo a rolo de alta velocidade para cobrir dispositivos eletrônicos 16, 20 em grandes áreas. que não pode ser totalmente realizado com componentes impressos, foram desenvolvidos métodos híbridos nos quais os componentes da tecnologia de montagem em superfície (SMT) são conectados a substratos flexíveis 21, 22, 23 próximos aos componentes impressos em baixas temperaturas. necessário substituir o maior número possível de componentes SMT por equivalentes impressos para obter os benefícios de processos adicionais e aumentar a flexibilidade geral do circuito. Para realizar eletrônica de potência flexível, propusemos uma combinação de componentes ativos SMT e passivos serigrafados componentes, com ênfase especial na substituição de indutores SMT volumosos por indutores espirais planares. Entre as diversas tecnologias para fabricação de eletrônicos impressos, a serigrafia é particularmente adequada para componentes passivos devido à sua grande espessura de filme (que é necessária para minimizar a resistência em série de características metálicas ) e alta velocidade de impressão, mesmo cobrindo áreas centimétricas. O mesmo acontece às vezes.Material 24.
A perda de componentes passivos de equipamentos eletrônicos de potência deve ser minimizada, pois a eficiência do circuito afeta diretamente a quantidade de energia necessária para alimentar o sistema. Isso é especialmente desafiador para indutores impressos compostos por bobinas longas, que são, portanto, suscetíveis a altas séries. resistência. Portanto, embora alguns esforços tenham sido feitos para minimizar a resistência 25, 26, 27, 28 das bobinas impressas, ainda faltam componentes passivos impressos de alta eficiência para dispositivos eletrônicos de potência. componentes em substratos flexíveis são projetados para operar em circuitos ressonantes para identificação por radiofrequência (RFID) ou para fins de coleta de energia 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Outros se concentram no desenvolvimento de materiais ou processos de fabricação e mostram componentes genéricos 26, 32, 33, 34 que não são otimizados para aplicações específicas. Em contraste, circuitos eletrônicos de potência, como reguladores de tensão, geralmente usam componentes maiores do que dispositivos passivos impressos típicos e não requerem ressonância, portanto, são necessários designs de componentes diferentes.
Aqui, apresentamos o projeto e a otimização de indutores serigrafados na faixa μH para obter a menor resistência em série e alto desempenho em frequências relacionadas à eletrônica de potência. São fabricados indutores, capacitores e resistores serigrafados com vários valores de componentes. em substratos plásticos flexíveis. A adequação desses componentes para produtos eletrônicos flexíveis foi demonstrada pela primeira vez em um circuito RLC simples. O indutor e o resistor impressos são então integrados ao IC para formar um regulador de reforço. ) e uma bateria flexível de íons de lítio são fabricados, e um regulador de tensão é usado para alimentar o OLED a partir da bateria.
A fim de projetar indutores impressos para eletrônica de potência, primeiro previmos a indutância e a resistência CC de uma série de geometrias de indutores com base no atual modelo de folha proposto em Mohan et al. 35, e indutores fabricados de diferentes geometrias para confirmar a precisão do modelo. Neste trabalho, um formato circular foi escolhido para o indutor porque uma indutância 36 maior pode ser alcançada com uma resistência menor em comparação com uma geometria poligonal. o tipo e o número de ciclos de impressão na resistência são determinados. Esses resultados foram então usados ​​​​com o modelo de amperímetro para projetar indutores de 4,7 μH e 7,8 μH otimizados para resistência DC mínima.
A indutância e a resistência DC dos indutores espirais podem ser descritas por vários parâmetros: diâmetro externo do, largura da volta w e espaçamento s, número de voltas n e resistência da folha condutora Rsheet. A Figura 1a mostra uma foto de um indutor circular impresso em serigrafia com n = 12, mostrando os parâmetros geométricos que determinam sua indutância. Segundo o modelo de amperímetro de Mohan et al. 35, a indutância é calculada para uma série de geometrias de indutores, onde
(a) Uma foto do indutor serigrafado mostrando os parâmetros geométricos. O diâmetro é de 3 cm. Indutância (b) e resistência DC (c) de várias geometrias de indutores. (d, e) As resistências DC dos indutores L1 e L2 são serigrafadas com tintas de prata Dupont 5028 e 5064H, respectivamente. (f,g) Micrografias SEM dos filmes serigrafados por Dupont 5028 e 5064H, respectivamente.
Em altas frequências, o efeito pelicular e a capacitância parasita alterarão a resistência e a indutância do indutor de acordo com seu valor DC. Espera-se que o indutor funcione em uma frequência suficientemente baixa para que esses efeitos sejam insignificantes e o dispositivo se comporte como uma indutância constante. com uma resistência constante em série. Portanto, neste trabalho, analisamos a relação entre parâmetros geométricos, indutância e resistência DC, e utilizamos os resultados para obter uma determinada indutância com a menor resistência DC.
A indutância e a resistência são calculadas para uma série de parâmetros geométricos que podem ser realizados por serigrafia, e espera-se que seja gerada indutância na faixa μH. Os diâmetros externos de 3 e 5 cm, as larguras de linha de 500 e 1000 mícrons , e várias voltas são comparadas.No cálculo, assume-se que a resistência da folha é de 47 mΩ/□, o que corresponde a uma camada condutora de microflocos de prata Dupont 5028 de 7 μm de espessura impressa com uma tela de malha 400 e configuração w = s.O os valores calculados de indutância e resistência são mostrados nas Figuras 1b e c, respectivamente. O modelo prevê que tanto a indutância quanto a resistência aumentam à medida que o diâmetro externo e o número de voltas aumentam, ou à medida que a largura da linha diminui.
Para avaliar a precisão das previsões do modelo, indutores de várias geometrias e indutâncias foram fabricados em um substrato de tereftalato de polietileno (PET). Os valores medidos de indutância e resistência são mostrados nas Figuras 1b e c. Embora a resistência tenha mostrado algum desvio de dentro do valor esperado, principalmente devido a alterações na espessura e uniformidade da tinta depositada, a indutância apresentou concordância muito boa com o modelo.
Esses resultados podem ser usados ​​para projetar um indutor com a indutância necessária e resistência DC mínima. Por exemplo, suponha que uma indutância de 2 μH seja necessária. A Figura 1b mostra que esta indutância pode ser realizada com um diâmetro externo de 3 cm, uma largura de linha de 500 μm e 10 voltas. A mesma indutância também pode ser gerada usando 5 cm de diâmetro externo, 500 μm de largura de linha e 5 voltas ou 1000 μm de largura de linha e 7 voltas (como mostrado na figura).Comparando as resistências desses três geometrias possíveis na Figura 1c, pode-se descobrir que a resistência mais baixa de um indutor de 5 cm com largura de linha de 1000 μm é 34 Ω, que é cerca de 40% menor que os outros dois. com uma resistência mínima é resumido da seguinte forma: Primeiro, selecione o diâmetro externo máximo permitido de acordo com as restrições de espaço impostas pela aplicação. Em seguida, a largura da linha deve ser a maior possível e ainda atingir a indutância necessária para obter uma alta taxa de preenchimento (Equação (3)).
Aumentando a espessura ou usando um material com maior condutividade para reduzir a resistência da folha do filme metálico, a resistência DC pode ser ainda mais reduzida sem afetar a indutância. Dois indutores, cujos parâmetros geométricos são dados na Tabela 1, chamados L1 e L2, são fabricados com diferentes números de revestimentos para avaliar a mudança na resistência. À medida que o número de revestimentos de tinta aumenta, a resistência diminui proporcionalmente conforme o esperado, conforme mostrado nas Figuras 1d e e, que são os indutores L1 e L2, respectivamente. mostram que ao aplicar 6 camadas de revestimento, a resistência pode ser reduzida em até 6 vezes, e a redução máxima na resistência (50-65%) ocorre entre a camada 1 e a camada 2. Como cada camada de tinta é relativamente fina, um uma tela com um tamanho de grade relativamente pequeno (400 linhas por polegada) é usada para imprimir esses indutores, o que nos permite estudar o efeito da espessura do condutor na resistência. espessura (e resistência) semelhante pode ser alcançada mais rapidamente imprimindo um número menor de revestimentos com um tamanho de grade maior. Este método pode ser usado para obter a mesma resistência DC que o indutor de 6 revestimentos discutido aqui, mas com uma velocidade de produção mais alta.
As Figuras 1d e e também mostram que usando a tinta em flocos de prata mais condutora DuPont 5064H, a resistência é reduzida por um fator de dois. A partir das micrografias SEM dos filmes impressos com as duas tintas (Figura 1f, g), pode ser vimos que a menor condutividade da tinta 5028 se deve ao seu menor tamanho de partícula e à presença de muitos vazios entre as partículas no filme impresso. Por outro lado, 5064H possui flocos maiores e mais próximos, fazendo com que ela se comporte mais próxima do volume prata.Embora o filme produzido por esta tinta seja mais fino que a tinta 5028, com uma única camada de 4 μm e 6 camadas de 22 μm, o aumento da condutividade é suficiente para reduzir a resistência geral.
Finalmente, embora a indutância (equação (1)) dependa do número de voltas (w + s), a resistência (equação (5)) depende apenas da largura da linha w. Portanto, ao aumentar w em relação a s, a resistência pode ser ainda mais reduzido. Os dois indutores adicionais L3 e L4 são projetados para ter w = 2s e um grande diâmetro externo, conforme mostrado na Tabela 1. Esses indutores são fabricados com 6 camadas de revestimento DuPont 5064H, conforme mostrado anteriormente, para fornecer o desempenho mais alto.A indutância de L3 é 4,720 ± 0,002 μH e a resistência é 4,9 ± 0,1 Ω, enquanto a indutância de L4 é 7,839 ± 0,005 μH e 6,9 ​​± 0,1 Ω, que estão em boa concordância com a previsão do modelo. aumento na espessura, condutividade e w/s, isso significa que a relação L/R aumentou em mais de uma ordem de grandeza em relação ao valor na Figura 1.
Embora a baixa resistência CC seja promissora, avaliar a adequação de indutores para equipamentos eletrônicos de potência operando na faixa kHz-MHz requer caracterização em frequências CA. A Figura 2a mostra a dependência da frequência da resistência e da reatância de L3 e L4. , a resistência permanece aproximadamente constante em seu valor DC, enquanto a reatância aumenta linearmente com a frequência, o que significa que a indutância é constante conforme esperado. A frequência auto-ressonante é definida como a frequência na qual a impedância muda de indutiva para capacitiva, com L3 sendo 35,6 ± 0,3 MHz e L4 sendo 24,3 ± 0,6 MHz. A dependência da frequência do fator de qualidade Q (igual a ωL/R) é mostrada na Figura 2b.L3 e L4 alcançam fatores de qualidade máximos de 35 ± 1 e 33 ± 1 em frequências de 11 e 16 MHz, respectivamente. A indutância de alguns μH e o Q relativamente alto nas frequências de MHz tornam esses indutores suficientes para substituir os indutores tradicionais de montagem em superfície em conversores DC-DC de baixa potência.
A resistência medida R e a reatância X (a) e o fator de qualidade Q (b) dos indutores L3 e L4 estão relacionados à frequência.
Para minimizar a pegada necessária para uma determinada capacitância, é melhor usar a tecnologia de capacitores com uma grande capacitância específica, que é igual à constante dielétrica ε dividida pela espessura do dielétrico. Neste trabalho, escolhemos o composto de titanato de bário como o dielétrico porque tem um épsilon mais alto do que outros dielétricos orgânicos processados ​​​​em solução. A camada dielétrica é impressa em tela entre os dois condutores de prata para formar uma estrutura metal-dielétrica-metal. Capacitores com vários tamanhos em centímetros, conforme mostrado na Figura 3a , são fabricados usando duas ou três camadas de tinta dielétrica para manter um bom rendimento. A Figura 3b mostra uma micrografia SEM de seção transversal de um capacitor representativo feito com duas camadas de dielétrico, com uma espessura dielétrica total de 21 μm. são 5064H de uma e seis camadas, respectivamente. Partículas de titanato de bário de tamanho mícron são visíveis na imagem SEM porque as áreas mais brilhantes são cercadas pelo aglutinante orgânico mais escuro. filme metálico impresso, conforme mostrado na ilustração com maior ampliação.
(a) Uma foto de um capacitor com cinco áreas diferentes. (b) Micrografia SEM de seção transversal de um capacitor com duas camadas de dielétrico, mostrando eletrodos dielétricos de titanato de bário e prata. (c) Capacitâncias de capacitores com 2 e 3 titanato de bário camadas dielétricas e diferentes áreas, medidas em 1 MHz. (d) A relação entre a capacitância, ESR e fator de perda de um capacitor de 2,25 cm2 com 2 camadas de revestimentos dielétricos e frequência.
A capacitância é proporcional à área esperada. Conforme mostrado na Figura 3c, a capacitância específica do dielétrico de duas camadas é 0,53 nF/cm2, e a capacitância específica do dielétrico de três camadas é 0,33 nF/cm2.Esses valores correspondem a uma constante dielétrica de 13.O capacitância e fator de dissipação (DF) também foram medidos em diferentes frequências, conforme mostrado na Figura 3d, para um capacitor de 2,25 cm2 com duas camadas de dielétrico. Descobrimos que a capacitância era relativamente plana na faixa de frequência de interesse, aumentando em 20% de 1 a 10 MHz, enquanto na mesma faixa, o DF aumentou de 0,013 para 0,023. Como o fator de dissipação é a razão entre a perda de energia e a energia armazenada em cada ciclo CA, um DF de 0,02 significa que 2% da potência tratada pelo capacitor é consumido.Essa perda é geralmente expressa como a resistência em série equivalente dependente da frequência (ESR) conectada em série com o capacitor, que é igual a DF/ωC.Conforme mostrado na Figura 3d, para frequências superiores a 1 MHz, O ESR é inferior a 1,5 Ω e, para frequências superiores a 4 MHz, o ESR é inferior a 0,5 Ω. Embora use esta tecnologia de capacitor, os capacitores da classe μF necessários para conversores DC-DC requerem uma área muito grande, mas os 100 pF- A faixa de capacitância nF e a baixa perda desses capacitores os tornam adequados para outras aplicações, como filtros e circuitos ressonantes. Vários métodos podem ser usados ​​para aumentar a capacitância. Uma constante dielétrica mais alta aumenta a capacitância específica 37; por exemplo, isso pode ser conseguido aumentando a concentração de partículas de titanato de bário na tinta. Uma espessura dielétrica menor pode ser usada, embora isso exija um eletrodo inferior com uma rugosidade menor do que um floco de prata impresso em tela. as camadas podem ser depositadas por impressão a jato de tinta 31 ou rotogravura 10, que pode ser combinada com um processo de serigrafia. Finalmente, múltiplas camadas alternadas de metal e dielétrico podem ser empilhadas e impressas e conectadas em paralelo, aumentando assim a capacitância 34 por unidade de área .
Um divisor de tensão composto por um par de resistores é normalmente utilizado para realizar a medição de tensão necessária ao controle de realimentação de um regulador de tensão. Para este tipo de aplicação, a resistência do resistor impresso deve estar na faixa kΩ-MΩ, e a diferença entre os dispositivos são pequenos.Aqui, descobriu-se que a resistência da folha da tinta de carbono serigrafada de camada única era de 900 Ω/□.Esta informação é usada para projetar dois resistores lineares (R1 e R2) e um resistor de serpentina (R3 ) com resistências nominais de 10 kΩ, 100 kΩ e 1,5 MΩ. A resistência entre os valores nominais é obtida através da impressão de duas ou três camadas de tinta, conforme mostra a Figura 4, e fotos das três resistências. 12 amostras de cada tipo; em todos os casos, o desvio padrão da resistência é de 10% ou menos. A variação da resistência das amostras com duas ou três camadas de revestimento tende a ser ligeiramente menor do que a das amostras com uma camada de revestimento. e a estreita concordância com o valor nominal indicam que outras resistências nesta faixa podem ser obtidas diretamente modificando a geometria do resistor.
Três geometrias de resistores diferentes com diferentes números de revestimentos de tinta resistivos de carbono. As fotos dos três resistores são mostradas à direita.
Os circuitos RLC são exemplos clássicos de combinações de resistores, indutores e capacitores usados ​​para demonstrar e verificar o comportamento de componentes passivos integrados em circuitos impressos reais. Neste circuito, um indutor de 8 μH e um capacitor de 0,8 nF são conectados em série, e um O resistor de 25 kΩ é conectado em paralelo com eles. A foto do circuito flexível é mostrada na Figura 5a. A razão para escolher esta combinação especial série-paralelo é que seu comportamento é determinado por cada um dos três diferentes componentes de frequência, de modo que o o desempenho de cada componente pode ser destacado e avaliado.Considerando a resistência em série de 7 Ω do indutor e o ESR de 1,3 Ω do capacitor, a resposta de frequência esperada do circuito foi calculada.O diagrama do circuito é mostrado na Figura 5b, e o calculado a amplitude e a fase da impedância e os valores medidos são mostrados nas Figuras 5c e d. Em baixas frequências, a alta impedância do capacitor significa que o comportamento do circuito é determinado pelo resistor de 25 kΩ. o caminho LC diminui; todo o comportamento do circuito é capacitivo até que a frequência de ressonância seja 2,0 MHz. Acima da frequência de ressonância, a impedância indutiva domina. A Figura 5 mostra claramente a excelente concordância entre os valores calculados e medidos em toda a faixa de frequência. aqui (onde indutores e capacitores são componentes ideais com resistência em série) é preciso para prever o comportamento do circuito nessas frequências.
(a) Uma foto de um circuito RLC impresso em tela que usa uma combinação em série de um indutor de 8 μH e um capacitor de 0,8 nF em paralelo com um resistor de 25 kΩ. (b) Modelo de circuito incluindo resistência em série do indutor e do capacitor. ,d) A amplitude da impedância (c) e fase (d) do circuito.
Finalmente, indutores e resistores impressos são implementados no regulador boost. O IC usado nesta demonstração é o Microchip MCP1640B14, que é um regulador boost síncrono baseado em PWM com frequência operacional de 500 kHz. Um indutor de 4,7 μH e dois capacitores (4,7 μF e 10 μF) são usados ​​como elementos de armazenamento de energia, e um par de resistores é usado para medir a tensão de saída do controle de feedback. Selecione o valor da resistência para ajustar a tensão de saída para 5 V. O circuito é fabricado na PCB e seu desempenho é medido dentro da resistência de carga e da faixa de tensão de entrada de 3 a 4 V para simular a bateria de íons de lítio em vários estados de carga. eficiência de indutores e resistores SMT. Os capacitores SMT são usados ​​em todos os casos porque a capacitância necessária para esta aplicação é muito grande para ser completada com capacitores impressos.
(a) Diagrama do circuito de estabilização de tensão. (b – d) (b) Vout, (c) Vsw e (d) Formas de onda da corrente fluindo para o indutor, a tensão de entrada é 4,0 V, a resistência de carga é 1 kΩ, e o indutor impresso é usado para medir. Resistores e capacitores de montagem em superfície são usados ​​para esta medição. (e) Para várias resistências de carga e tensões de entrada, a eficiência dos circuitos reguladores de tensão usando todos os componentes de montagem em superfície e indutores e resistores impressos. ) A taxa de eficiência da montagem em superfície e do circuito impresso mostrada em (e).
Para tensão de entrada de 4,0 V e resistência de carga de 1000 Ω, as formas de onda medidas usando indutores impressos são mostradas na Figura 6b-d. A Figura 6c mostra a tensão no terminal Vsw do IC; a tensão do indutor é Vin-Vsw. A Figura 6d mostra a corrente fluindo para o indutor. A eficiência do circuito com SMT e componentes impressos é mostrada na Figura 6e em função da tensão de entrada e da resistência de carga, e a Figura 6f mostra a relação de eficiência de componentes impressos em componentes SMT. A eficiência medida usando componentes SMT é semelhante ao valor esperado fornecido na folha de dados do fabricante 14. Em alta corrente de entrada (baixa resistência de carga e baixa tensão de entrada), a eficiência dos indutores impressos é significativamente menor do que a dos indutores SMT devido à maior resistência em série. No entanto, com maior tensão de entrada e maior corrente de saída, a perda de resistência torna-se menos importante e o desempenho dos indutores impressos começa a se aproximar do dos indutores SMT. = 4,0 V ou >750 Ω e Vin = 3,5 V, a eficiência dos indutores impressos é superior a 85% dos indutores SMT.
A comparação da forma de onda da corrente na Figura 6d com a perda de potência medida mostra que a perda de resistência no indutor é a principal causa da diferença de eficiência entre o circuito impresso e o circuito SMT, conforme esperado. A potência de entrada e saída medida em 4,0 V tensão de entrada e resistência de carga de 1000 Ω são 30,4 mW e 25,8 mW para circuitos com componentes SMT e 33,1 mW e 25,2 mW para circuitos com componentes impressos. Portanto, a perda do circuito impresso é de 7,9 mW, que é 3,4 mW maior que a circuito com componentes SMT. A corrente do indutor RMS calculada a partir da forma de onda na Figura 6d é 25,6 mA. Como sua resistência em série é de 4,9 Ω, a perda de potência esperada é de 3,2 mW. Isso é 96% da diferença de potência medida de 3,4 mW DC. Além disso, o circuito é fabricado com indutores impressos e resistores impressos e indutores impressos e resistores SMT, e nenhuma diferença significativa de eficiência é observada entre eles.
Em seguida, o regulador de tensão é fabricado no PCB flexível (a impressão do circuito e o desempenho do componente SMT são mostrados na Figura Suplementar S1) e conectado entre a bateria flexível de íons de lítio como fonte de energia e o conjunto OLED como carga. De acordo com Lochner et al. 9 Para fabricar OLEDs, cada pixel OLED consome 0,6 mA a 5 V. A bateria usa óxido de cobalto de lítio e grafite como cátodo e ânodo, respectivamente, e é fabricada por revestimento com lâmina raspadora, que é o método de impressão de bateria mais comum. a capacidade da bateria é de 16mAh e a tensão durante o teste é de 4,0V. A Figura 7 mostra uma foto do circuito na PCB flexível, alimentando três pixels OLED conectados em paralelo. dispositivos flexíveis e orgânicos para formar sistemas eletrônicos mais complexos.
Uma foto do circuito regulador de tensão em uma PCB flexível usando indutores e resistores impressos, usando baterias flexíveis de íons de lítio para alimentar três LEDs orgânicos.
Mostramos indutores, capacitores e resistores serigrafados com uma faixa de valores em substratos PET flexíveis, com o objetivo de substituir componentes de montagem em superfície em equipamentos eletrônicos de potência. , e relação largura-espaço da linha, e usando uma camada espessa de tinta de baixa resistência. Esses componentes são integrados em um circuito RLC totalmente impresso e flexível e exibem comportamento elétrico previsível na faixa de frequência kHz-MHz, que é de maior interesse em eletrônica de potência.
Os casos de uso típicos para dispositivos eletrônicos de potência impressos são sistemas eletrônicos flexíveis vestíveis ou integrados ao produto, alimentados por baterias recarregáveis ​​flexíveis (como íons de lítio), que podem gerar tensões variáveis ​​de acordo com o estado da carga.Se a carga (incluindo impressão e equipamento eletrônico orgânico) requer uma tensão constante ou superior à tensão de saída da bateria, é necessário um regulador de tensão. Por esse motivo, indutores e resistores impressos são integrados com CIs de silício tradicionais em um regulador de reforço para alimentar o OLED com uma tensão constante de 5 V a partir de uma fonte de alimentação de bateria de tensão variável. Dentro de uma certa faixa de corrente de carga e tensão de entrada, a eficiência deste circuito excede 85% da eficiência de um circuito de controle usando indutores e resistores de montagem em superfície. as perdas resistivas no indutor ainda são o fator limitante para o desempenho do circuito em altos níveis de corrente (corrente de entrada superior a cerca de 10 mA). No entanto, em correntes mais baixas, as perdas no indutor são reduzidas e o desempenho geral é limitado pela eficiência do IC. Como muitos dispositivos impressos e orgânicos requerem correntes relativamente baixas, como os pequenos OLEDs usados ​​em nossa demonstração, os indutores de potência impressos podem ser considerados adequados para tais aplicações. maior eficiência geral do conversor pode ser alcançada.
Neste trabalho, o regulador de tensão é construído em PCB tradicional, PCB flexível e tecnologia de soldagem de componentes de montagem em superfície, enquanto o componente impresso é fabricado em um substrato separado. No entanto, as tintas de baixa temperatura e alta viscosidade usadas para produzir tela- os filmes impressos devem permitir que componentes passivos, bem como a interconexão entre o dispositivo e as almofadas de contato do componente de montagem em superfície, sejam impressos em qualquer substrato. Isso, combinado com o uso de adesivos condutores de baixa temperatura existentes para componentes de montagem em superfície, permitirá todo o circuito seja construído em substratos baratos (como PET) sem a necessidade de processos subtrativos como gravação de PCB. Portanto, os componentes passivos serigrafados desenvolvidos neste trabalho ajudam a pavimentar o caminho para sistemas eletrônicos flexíveis que integram energia e cargas com eletrônica de potência de alto desempenho, usando substratos baratos, principalmente processos aditivos e número mínimo de componentes de montagem em superfície.
Usando a impressora de tela Asys ASP01M e uma tela de aço inoxidável fornecida pela Dynamesh Inc., todas as camadas de componentes passivos foram impressas em tela em um substrato PET flexível com espessura de 76 μm. linhas por polegada para a camada dielétrica e a camada de resistência. Use um rodo com força de 55 N, uma velocidade de impressão de 60 mm/s, uma distância de ruptura de 1,5 mm e um rodo Serilor com dureza de 65 (para metal e resistivo camadas) ou 75 (para camadas dielétricas) para serigrafia.
As camadas condutoras - os indutores e os contatos de capacitores e resistores - são impressas com tinta microflocos de prata DuPont 5082 ou DuPont 5064H. O resistor é impresso com condutor de carbono DuPont 7082. Para o dielétrico do capacitor, o composto condutor BT-101 dielétrico de titanato de bário é usado. Cada camada de dielétrico é produzida usando um ciclo de impressão de duas passagens (úmido-úmido) para melhorar a uniformidade do filme. Para cada componente, foi examinado o efeito de vários ciclos de impressão no desempenho e na variabilidade do componente. vários revestimentos do mesmo material foram secos a 70 °C por 2 minutos entre os revestimentos. Após a aplicação da última camada de cada material, as amostras foram cozidas a 140 °C por 10 minutos para garantir a secagem completa. a impressora é usada para alinhar as camadas subsequentes. O contato com o centro do indutor é obtido cortando um orifício na almofada central e imprimindo traços de estêncil na parte traseira do substrato com tinta DuPont 5064H. A interconexão entre equipamentos de impressão também usa Dupont Impressão de estêncil 5064H. Para exibir os componentes impressos e componentes SMT no PCB flexível mostrado na Figura 7, os componentes impressos são conectados usando epóxi condutor Circuit Works CW2400, e os componentes SMT são conectados por soldagem tradicional.
Óxido de cobalto de lítio (LCO) e eletrodos à base de grafite são usados ​​como cátodo e ânodo da bateria, respectivamente. A pasta de cátodo é uma mistura de 80% de LCO (MTI Corp.), 7,5% de grafite (KS6, Timcal), 2,5 % de negro de fumo (Super P, Timcal) e 10% de fluoreto de polivinilideno (PVDF, Kureha Corp.). ) O ânodo é uma mistura de 84% em peso de grafite, 4% em peso de negro de fumo e 13% em peso de PVDF. N-Metil-2-pirrolidona (NMP, Sigma Aldrich) é usada para dissolver o aglutinante de PVDF e dispersar a pasta. mexendo com um misturador de vórtice durante a noite. Uma folha de aço inoxidável de 0,0005 polegadas de espessura e uma folha de níquel de 10 μm são usadas como coletores de corrente para o cátodo e ânodo, respectivamente. A tinta é impressa no coletor de corrente com um rodo a uma velocidade de impressão de 20 mm/s.Aqueça o eletrodo em um forno a 80 °C por 2 horas para remover o solvente.A altura do eletrodo após a secagem é de cerca de 60 μm, e com base no peso do material ativo, a capacidade teórica é de 1,65 mAh /cm2.Os eletrodos foram cortados em dimensões de 1,3 × 1,3 cm2 e aquecidos em forno a vácuo a 140°C durante a noite, e então foram selados com sacos laminados de alumínio em um porta-luvas cheio de nitrogênio.Uma solução de filme base de polipropileno com ânodo e cátodo e 1M LiPF6 em EC/DEC (1:1) são usados ​​como eletrólito da bateria.
OLED verde consiste em poli(9,9-dioctilfluoreno-co-n-(4-butilfenil)-difenilamina) (TFB) e poli((9,9-dioctilfluoreno-2,7-(2,1,3-benzotiadiazol- 4, 8-diil)) (F8BT) de acordo com o procedimento descrito em Lochner et al.
Use o perfilador de caneta Dektak para medir a espessura do filme. O filme foi cortado para preparar uma amostra transversal para investigação por microscopia eletrônica de varredura (SEM). A pistola de emissão de campo FEI Quanta 3D (FEG) SEM é usada para caracterizar a estrutura do impresso filme e confirme a medição da espessura. O estudo SEM foi conduzido a uma tensão de aceleração de 20 keV e uma distância de trabalho típica de 10 mm.
Use um multímetro digital para medir resistência CC, tensão e corrente. A impedância CA de indutores, capacitores e circuitos é medida usando o medidor LCR Agilent E4980 para frequências abaixo de 1 MHz e o analisador de rede Agilent E5061A é usado para medir frequências acima de 500 kHz. Osciloscópio Tektronix TDS 5034 para medir a forma de onda do regulador de tensão.
Como citar este artigo: Ostfeld, AE, etc. Componentes passivos de serigrafia para equipamentos eletrônicos de potência flexíveis.science.Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).
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