フレキシブルパワーエレクトロニクス用のスクリーン印刷された受動部品

Scientific Reports volume 5、記事番号: 15959 (2015) この記事を引用

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メトリクスの詳細

積層および低温印刷プロセスにより、電力供給と電力消費の両方の多様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、多くの場合、デバイスのさまざまな動作電圧間で変換するパワー エレクトロニクスが必要になります。 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。 この論文では、フレキシブル プラスチック基板上にスクリーン印刷されたインダクタ、コンデンサ、抵抗器、および RLC 回路を紹介し、パワー エレクトロニクスでの使用を可能にするインダクタの直列抵抗を最小限に抑えるための設計プロセスについて報告します。 次に、印刷されたインダクタと抵抗が昇圧電圧レギュレータ回路に組み込まれます。 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が製造され、電圧レギュレータを使用して電池からダイオードに電力を供給することで、DC-DCコンバータ用途における従来の表面実装部品に代わるプリント受動部品の可能性を実証しています。

近年、ウェアラブル電子機器や大面積電子機器、モノのインターネットなどのアプリケーション向けに、さまざまなフレキシブル デバイスが開発されています 1,2。 これらには、太陽光発電3、圧電4、熱電5などのエネルギーハーベスティングデバイスが含まれます。 バッテリーなどのエネルギー貯蔵装置6、7。 およびセンサー8、9、10、11、12、光源13などの電力消費デバイス。 個々のエネルギー源と負荷に関して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、電源の動作と負荷の要件の間の不一致を克服するためにパワー エレクトロニクスも必要になります。 たとえば、バッテリー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、またはバッテリが生成できる電圧よりも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、スイッチングおよび制御機能を実行するために能動部品であるトランジスタに加えて、インダクタ、コンデンサ、抵抗などの受動部品を使用します。 たとえば、スイッチング電圧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、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圧器を使用して行われます。

数ボルトと数ミリアンペアを必要とするパルスオキシメータ9などのウェアラブルデバイスの要求に適したパワーエレクトロニクスは、通常、数百kHzから数MHzの範囲の周波数で動作し、数μHと数μHのインダクタンスとキャパシタンスを必要とします。それぞれμF14。 これらの回路を製造するための従来のアプローチは、個別の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部品は単一のシリコン集積回路 (IC) に組み込まれることがよくありますが、受動部品は通常、回路のカスタマイズを可能にするため、または必要なインダクタンスと容量の値が大きすぎて達成できないため、外部にあります。シリコンで。

付加印刷プロセスによる電子デバイスおよび回路の製造は、従来の PCB ベースの製造技術と比較して、簡素化とコストの点で多くの利点をもたらします。 まず、回路の多くのコンポーネントは、コンタクトや相互接続用の金属など、同じ材料を必要とするため、印刷により、比較的少ない処理ステップと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、プロセスの複雑さだけでなく材料の無駄もさらに削減されます16、17、18、19。 さらに、印刷に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を使用して広い領域をエレクトロニクスでカバーすることができます16、20。 印刷コンポーネントを使用して完全には実現できないアプリケーションについては、表面実装技術 (SMT) コンポーネントを印刷コンポーネントと並行してフレキシブル基板に低温で取り付けるハイブリッド アプローチが開発されています21、22、23。 このようなハイブリッド手法では、付加プロセスのメリットを享受し、回路全体の柔軟性を向上させるために、できるだけ多くの SMT コンポーネントをプリントされた対応物で置き換えることが依然として望ましいです。 柔軟なパワーエレクトロニクスを実現するために、当社は SMT 能動部品とスクリーン印刷受動部品の組み合わせを提案します。特に、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重点を置きます。 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うち、スクリーン印刷は、膜厚が厚く (金属構造の直列抵抗を最小限に抑えるために必要)、センチメートル スケールの領域をカバーする場合でも印刷速度が速いため、受動部品に特に適しています。材料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源のサイズに直接影響するため、パワー エレクトロニクスの受動部品の損失を最小限に抑えることが不可欠です。 これは、長いコイルで構成されているため、高い直列抵抗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。 その結果、プリントコイルの抵抗を最小限に抑えるためにある程度の努力がなされてきました25、26、27、28が、パワーエレクトロニクス用の効率的なプリント受動部品が依然として不足しています。 現在までに報告されているフレキシブル基板上に印刷された受動部品の多くは、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。 他のものは、材料または製造プロセスの開発に焦点を当て、特定の用途に最適化されていない汎用コンポーネントを実証しています26、32、33、34。 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、プリント受動素子の一般的なデモンストレーションよりも大きなコンポーネントを使用する傾向があり、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になります。

ここでは、最小の直列抵抗とパワー エレクトロニクスに関連する周波数での高性能を達成するための、μH 範囲のスクリーン印刷インダクターの設計と最適化について説明します。 スクリーン印刷されたさまざまな部品値のインダクタ、コンデンサ、抵抗器が、フレキシブルなプラスチック基板上に製造されます。 これらのコンポーネントのフレキシブル エレクトロニクスへの適合性は、単純な RLC 回路で初めて実証されます。 印刷されたインダクタと抵抗は IC と統合され、昇圧電圧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電池が製造され、電圧レギュレータを使用して電池から 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、我々はまず、Mohan et al.35 で提示された電流シートモデルに基づいてさまざまなインダクタ形状のインダクタンスと DC 抵抗を予測し、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製しました。 この研究では、多角形の幾何学形状と比較して、より低い抵抗でより高いインダクタンスを達成できるため、円形の形状がインダクタに選択されました36。 インクの種類と印刷サイクル数が抵抗に及ぼす影響を測定しました。 これらの結果は電流シート モデルとともに使用され、DC 抵抗が最小になるように最適化された 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、導体の外径do、巻き幅wと間隔s、巻き数n、シート抵抗Rsheetなどのいくつかのパラメータで説明できます。 図1aは、スクリーン印刷されたn = 12の円形インダクタの写真を示しており、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。 インダクタンスは、Mohan et al.35 の電流シート モデルに従って、さまざまなインダクタ形状に対して計算されました。

(a) スクリーン印刷されたインダクタの写真。幾何学的パラメータを示します。 直径は3cmです。 さまざまなインダクタ形状のインダクタンス (b) と DC 抵抗 (c)。 線とマーカーはそれぞれ計算値と測定値に対応します。 (d、e) Dupont 5028 および 5064H 銀インクからスクリーン印刷されたインダクター L1 および L2 の DC 抵抗。 (f、g) それぞれ Dupont 5028 および 5064H からスクリーン印刷されたフィルムの SEM 顕微鏡写真。

ここで、μ はコア (この場合は空気) の透磁率です。 davg は平均直径です。

ρ は充填率です。

din は内径です。

直流抵抗は次の式で与えられます。

螺旋の長さ l を使用すると、次のようになります。

高周波では、表皮効果と寄生容量により、インダクタの抵抗とインダクタンスが DC 値から変化します。 これらの影響が無視できるほど十分に低い周波数でインダクタを動作させ、デバイスが一定の抵抗を直列に備えた一定のインダクタンスとして動作することが望ましい。 したがって、この研究では、幾何学的パラメータ、インダクタンス、および DC 抵抗の間の関係を分析し、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す。

インダクタンスと抵抗は、スクリーン印刷で達成可能な幾何学的パラメータの範囲に対して計算され、μH 範囲のインダクタンスが得られると予想されました。 外径3cmと5cm、線幅500μmと1000μm、各種巻き数を比較しました。 計算は、400 メッシュ スクリーンを使用して印刷された厚さ 7 μm の Dupont 5028 銀マイクロフレーク導体の単一層に相当する 47 mΩ/□ のシート抵抗を仮定し、w = s に設定して実行されました。 計算されたインダクタンスと抵抗の値をそれぞれ図1b、cに示します。 このモデルは、外径と巻き数が増加するか、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にわたるインダクタをポリエチレン テレフタレート (PET) 基板上に製造しました。 測定されたインダクタンスと抵抗値を図 1b、c に示します。 抵抗は、主に堆積されたインクの厚さと均一性の変動により、予想値から多少の偏差を示しますが、インダクタンスはモデルとの優れた一致を示しています。

これらの結果を使用して、最小の DC 抵抗で所望のインダクタンスを持つインダクタを設計できます。 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 500 μm、巻き数 10 を使用して達成できることを示しています。 同じインダクタンスは、外径 5 cm、線幅 500 μm および 5 巻、または線幅 1000 μm および 7 巻のいずれかを使用して生成することもできます (図にも示されています)。 図1cでこれら3つの可能な形状の抵抗を比較すると、線幅1000μmの5cmのインダクタの抵抗が最も低く、他の2つよりも約40%低い34Ωであることがわかります。 最小の抵抗で所定のインダクタンスを達成するための一般化された設計プロセス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空間的制約に基づいて、最大許容外径が選択されます。 次に、所望のインダクタンスを達成できるようにしながら、線幅を可能な限り大きくする必要があり、その結果、高い充填率が得られます (式 (3))。

厚さを増やすか、より導電率の高い材料を使用して金属フィルム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。 表 1 に示す幾何学的パラメータを備えた 2 つのインダクタ (L1 および L2 と呼ばれます) を、コーティングの数を変えて製造し、抵抗の変化を評価しました。 図1d、eに示すように、インダクタL1とL2のそれぞれについて、インクのコートの数が増加すると、抵抗は予想どおり比例して減少しました。 図 1d、e は、6 回のコーティングの適用により最大 6 倍の抵抗の減少が達成できることを示していますが、抵抗の最大の減少 (50 ～ 65%) は 1 回と 2 回のコーティングで発生します。 これらのインダクタの印刷には、比較的小さなメッシュ サイズ (1 インチあたり 400 スレッド) のスクリーンが使用されました。これは、インクの各コートが比較的薄いため、抵抗に対する導体の厚さの影響を調査できるためです。 パターン化されたフィーチャがメッシュの最小解像度よりも大きい限り、より大きなメッシュ サイズで少数のコートを印刷することで、同様の厚さ (および抵抗) をより速く達成できます。 このアプローチを使用すると、ここで説明した 6 コート インダクタと同じ DC 抵抗を達成することができますが、より高い生産速度で実現できます。

図 1d、e は、より導電性の高い銀フレーク インクである Dupont 5064H を使用することにより、抵抗が 2 倍減少することも示しています。 2つのインクから印刷されたフィルムのSEM顕微鏡写真（図1f​​、g）に見られるように、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、印刷されたフィルムの粒子間に多くの空隙が存在することに起因します。 一方、5064H はフレークがより大きく、より密に詰まっており、バルクシルバーに近い動作を示します。 このインクは 5028 インクよりも薄い膜 (1 回塗りで 4 μm、6 回塗りで 22 μm) を生成しましたが、導電率の向上は十分に大きく、全体の抵抗が減少しました。

最後に、インダクタンス (式 (1)) は巻線の周期 (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 を大きくすると、抵抗をさらに下げることができます。 表 1 に示すように、2 つの追加のインダクタ L3 と L4 は、w = 2s で大きな外径で設計されました。これらのインダクタは、最高の性能が得られることが前述した Dupont 5064H の 6 回のコートを使用して製造されました。 L3 のインダクタンスは 4.720 ± 0.002 μH、抵抗は 4.9 ± 0.1 Ωでしたが、L4 のインダクタンスは 7.839 ± 0.005 μH と 6.9 ± 0.1 Ω で、モデルの予測とよく一致しました。 これは、厚さ、導電​​率、w/s の向上により、図 1 の値と比べて L/R 比が 1 桁以上改善されたことを示しています。

低い DC 抵抗は有望ですが、kHz ～ MHz 範囲で動作するパワー エレクトロニクス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 未満の周波数では、抵抗は DC 値でほぼ一定のままで、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、予想どおり一定のインダクタンスを意味します。 自己共振周波数は、インピーダンスが誘導性から容量性へ遷移する周波数として定義され、L3 では 35.6 ± 0.3 MHz、L4 では 24.3 ± 0.6 MHz で発生します。 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、周波数 11 MHz と 16 MHz でそれぞれ最大品質係数 35 ± 1 と 33 ± 1 に達します。 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の適切な代替品となります。

インダクタ L3 および L4 の周波数に対する測定された抵抗 R およびリアクタンス X (a) および品質係数 Q (b)。

所定の静電容量に必要な設置面積を最小限に抑えるには、誘電体の誘電率 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備えたコンデンサ技術を使用することが望ましい。 この研究では、他の溶液処理された有機誘電体よりも高いεを示すため、誘電体としてチタン酸バリウム複合材料を選択しました。 誘電体層を銀導体の 2 層の間にスクリーン印刷して、金属-誘電体-金属構造を形成しました。 図3aに示すように、センチメートルスケールのさまざまな寸法のコンデンサは、良好な歩留まりを維持するために、誘電体インクを2回または3回塗布して製造されました。 図 3b は、誘電体の総厚が 21 μm となるように、誘電体を 2 層コーティングして製造さ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。 上部電極と下部電極はそれぞれ 5064H の 1 層と 6 層の電極です。 ミクロンスケールのチタン酸バリウム粒子は、SEM 画像では暗い有機結合剤に囲まれた明るい領域として見えます。 高倍率の挿入図に示すように、誘電体インクは下部電極を十分に濡らし、印刷された金属膜との明確な界面を形成します。

(a) 5 つの異なる領域のコンデンサの写真。 (b) チタン酸バリウム誘電体と銀電極を示す、誘電体を 2 層コーティングしたコンデンサの断面 SEM 顕微鏡写真。 (c) チタン酸バリウム誘電体を 2 層および 3 層コーティングし、面積を変化させたコンデンサの静電容量 (1 MHz で測定)。 (d) 誘電体を 2 層コーティングした 2.25 cm2 コンデンサの静電容量、ESR、誘電正接と周波数の関係。

図3cに示すように、静電容量は予想どおり面積に比例し、比静電容量は誘電体の2つのコートで0.53 nF/cm2、3つのコートで0.33 nF/cm2になります。 これらの値は、誘電率 13 に相当します。図 3d に示すように、誘電体を 2 層コーティングした 2.25 cm2 のコンデンサについて、静電容量と誘電正接 (DF) もさまざまな周波数で測定しました。 静電容量は対象の周波数範囲にわたって比較的平坦であり、1 ～ 10 MHz で 20% 増加しますが、同じ範囲で DF は 0.013 から 0.023 に増加することがわかりました。 散逸率は、AC サイクルごとに蓄えられるエネルギーに対する損失エネルギーの比率であるため、DF が 0.02 ということは、コンデンサによって処理される電力の 2% が散逸されることを意味します。 この損失は、コンデンサと直列の周波数依存の等価直列抵抗 (ESR) (DF/ωC に等しい) としても表されることがよくあります。 図 3d に示すように、ESR は 1 MHz を超える周波数では 1.5 Ω 未満、4 MHz を超える周波数では 0.5 Ω 未満です。 DC-DC コンバータに必要な μF スケールの静電容量は、このコンデンサ技術を使用すると法外に広い面積を必要としますが、これらのコンデンサの静電容量範囲は 100 pF ～ nF で損失が低いため、フィルタや共振回路などの他のアプリケーションに適しています。 静電容量を増やすには、多くのアプローチを使用できます。 誘電率が高くなると、比静電容量が増加します37。 これは、たとえば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することもできるが、これには、スクリーン印刷された銀フレークよりも低い粗さの下部電極が必要となる。 コンデンサ用のより薄く、より粗度の低い層は、スクリーン印刷プロセスと統合できるインクジェット印刷 31 またはグラビア印刷 10 によって堆積できます。 最後に、金属と誘電体の複数の交互層を積層して印刷し、並列接続することで、単位面積あたりの静電容量を増加させることができます34。

一対の抵抗器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、印刷抵抗は kΩ ～ MΩ の範囲の抵抗値を示し、デバイス間のばらつきが小さい必要があります。 ここで、スクリーン印刷されたカーボンインクの単一コートのシート抵抗は 900 Ω/□ であることがわかりました。 この情報は、公称抵抗がそれぞれ 10 kΩ、100 kΩ、1.5 MΩ の 2 つの直線抵抗器 (R1 と R2) と 1 つの蛇行抵抗器 (R3) を設計するために使用されました。 3 つの抵抗器の写真とともに図 4 に示すように、インクを 2 回または 3 回印刷することによって、公称値の間の抵抗値が得られました。 各タイプのサンプルが 8 ～ 12 個作成されました。 すべての場合において、抵抗の標準偏差は 10% 以下でした。 2 回または 3 回のコートを施したサンプルは、1 回のコートを施したサンプルよりも抵抗の変動がわずかに小さい傾向がありました。 測定された抵抗値の変動が小さく、公称値とほぼ一致していることは、抵抗器の形状を変更することでこの範囲内の他の抵抗値を直接取得できることを示唆しています。

カーボン抵抗インクのコーティング回数を変えた 3 つの異なる抵抗体形状の抵抗。 3 つの抵抗器の写真を右側に示します。

RLC 回路は、抵抗器、インダクタ、コンデンサを組み合わせた古典的な教科書の例であり、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作成されました。 この回路では、8μHのインダクタと0.8nFのコンデンサが直列に接続され、25kΩの抵抗がそれらに並列に配置されています。 フレキシブル回路の写真を図 5a に示します。 この特定の直並列の組み合わせが選択されたのは、その動作が異なる周波数の 3 つのコンポーネントのそれぞれによって支配され、それぞれのパフォーマンスを強調して評価できるためです。 回路の予想される周波数応答は、インダクタの 7 Ω 直列抵抗とコンデンサの 1.3 Ω ESR を考慮して計算されました。 回路図を図5bに示し、計算されたインピーダンスの大きさと位相を測定値とともに図5cおよび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 の抵抗によって支配されることを意味します。 周波数が増加すると、LC パスのインピーダンスが減少します。 回路全体の動作は、2.0 MHz の共振周波数までは容量性です。 共振周波数を超えると、インダクタの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、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ここで使用されるモデルが、これらの周波数での回路の動作を正確に予測できることを意味します。

(a) 8 μH インダクタと 0.8 nF コンデンサの直列組み合わせを 25 kΩ 抵抗と並列に使用した、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のモデル。 (c,d) 回路のインピーダンスの大きさ (c) と位相 (d)。

最後に、印刷されたインダクタと抵抗が昇圧電圧レギュレータに実装されました。 このデモンストレーションで使用された IC は、500 kHz で動作する PWM ベースの同期昇圧レギュレータである Microchip MCP1640B14 でした。 回路図を図 6a 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。 抵抗値は出力電圧を 5 V に安定化するように選択されました。回路は PCB 上に製造され、その性能は 3 ～ 4 V の負荷抵抗と入力電圧の範囲にわたって測定され、リチウム イオン バッテリーの電圧をシミュレートしました。さまざまな充電状態。 プリントされたインダクタと抵抗器の効率を SMT インダクタと抵抗器の効率と比較しました。 このアプリケーションに必要な静電容量が大きすぎて、プリントされたコンデンサを使用して達成できないため、すべての場合に SMT コンデンサが使用されました。

(a) 電圧調整回路の図。 (b–d) プリントインダクタを使用して測定した、(b) Vout、(c) Vsw、および (d) 入力電圧 4.0 V、負荷抵抗 1 kΩ でのインダクタに流れる電流の波形。 この測定には、表面実装の抵抗とコンデンサが使用されました。 (e) さまざまな負荷抵抗および入力電圧に対する、すべての表面実装部品を使用した電圧レギュレータ回路と、印刷されたインダクタおよび抵抗器を使用した電圧レギュレータ回路の効率。 (f) (e) に​​示されている表面実装回路とプリント回路の効率の比。

入力電圧 4.0 V、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された波形を図 6b ～ d に示します。 図 6c は、IC の Vsw 端子の電圧を示しています。 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を入力電圧と負荷抵抗の関数として図6eに示します。図6fはプリント部品の効率とSMT部品の効率の比を示しています。 SMT コンポーネントで測定された効率は、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、直列抵抗が高いため、プリントインダクタの効率はSMTインダクタよりも大幅に低くなります。 ただし、入力電圧と出力電流が高くなると、抵抗損失はそれほど重要ではなくなり、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。 Vin = 4.0 V で負荷抵抗が >500 Ω、または Vin = 3.5 V で >750 Ω の場合、プリント インダクタの効率は SMT インダクタの >85% です。

図6dの電流波形と測定された電力損失を比較すると、予想通り、インダクタの抵抗損失が主にプリント回路とSMT回路の効率の差の原因であることがわかります。 4.0 V の入力電圧と 1000 Ω の負荷抵抗で測定された入出力電力は、SMT コンポーネントを備えた回路ではそれぞれ 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 でした。 したがって、プリント回路の損失は 7.9 mW となり、SMT コンポーネントを使用した回路よりも 3.4 mW 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、直列抵抗が 4.9 Ω であるため、予想される電力損失は 3.2 mW となります。 これは、測定された DC 電力の差 3.4 mW の 96% です。 さらに、印刷インダクタと印刷抵抗、および印刷インダクタと SMT 抵抗を使用して回路を製造しましたが、それらの間で効率に大きな違いは観察されませんでした。

次に、電圧レギュレータがフレックスPCB上に製造され（プリントコンポーネントとSMTコンポーネントを備えたこの回路の性能は補足図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バッテリーと負荷としてのOLEDアレイの間に接続されました。 。 OLED は Lochner et al.9 に従って製造され、各 OLED ピクセルは 5 V で 0.6 mA を消費しました。この電池は、カソードとアノードとしてそれぞれコバルト酸化リチウムとグラファイトを採用し、最も一般的な電池印刷法であるブレード コーティングによって製造されました。 7 試験時の電池容量は 16 mAh、電圧は 4.0 V でした。 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、フレックス PCB 上の回路の写真を示しています。 このデモンストレーションは、プリントされた電源コンポーネントを他の柔軟な有機デバイスと統合して、より複雑な電子システムを形成できる可能性を示しています。

フレキシブル リチウム イオン バッテリーを使用して 3 つの有機 LED に電力を供給する、プリント インダクタと抵抗を使用したフレックス PCB 上の電圧レギュレータ回路の写真。

当社は、パワーエレクトロニクスの表面実装コンポーネント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、抵抗器を実証してきました。 パワーエレクトロニクスにとって大きな関心事であるインダクタの抵抗は、大きな直径、充填率、線幅とスペースの幅の比をもつスパイラルを設計し、また、低抵抗インクの厚い層。 これらのコンポーネントは完全にプリントされたフレキシブルな RLC 回路に統合されており、パワー エレクトロニクスにとって最も重要な kHz ～ MHz の周波数範囲で予測可能な電気的動作を示します。

プリンテッド パワー エレクトロニク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するリチウム イオンなどのフレキシブルな充電式バッテリで駆動されるウェアラブルまたは製品統合型フレキシブル電子システムです。 印刷電子デバイスや有機電子デバイスなどの負荷が定電圧またはバッテリー出力より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、印刷されたインダクタと抵抗は、従来のシリコン IC とともに昇圧電圧レギュレータに統合され、可変電圧バッテリ電源から 5 V の定電圧で OLED に電力を供給するために使用されました。 この回路の効率は、負荷電流と入力電圧の範囲にわたって、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% を超えました。 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した。 しかし、より低い電流では、インダクタの損失が減少し、全体の性能が IC の効率によって制限されるようになります。 私たちのデモで使用した小型 OLED など、多くの印刷デバイスや有機デバイスは比較的低い電流を必要とするため、印刷パワー インダクタはこのタイプのアプリケーションに適していると考えられます。 より高い全体的なコンバータ効率は、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 を利用することによって達成できます。

この研究では、電圧レギュレータは従来の PCB、フレックス PCB、および表面実装コンポーネント用のはんだ付け技術に基づいて構築され、プリントされたコンポーネントは別の基板上に製造されました。 ただし、スクリーン印刷フィルムの製造に使用される低温および高粘度のインクにより、受動部品だけでなく、デバイスと表面実装部品の接触パッド間の相互接続も、任意の基板上に印刷できるはずです。 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 プロセスを使用せずに、PET などの安価な基板上に回路全体を構築できるようになります。 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部品は、安価な基板、主に付加プロセスと最小限の表面実装部品を使用して、エネルギー源と負荷を高性能パワーエレクトロニクスと統合するフレキシブルな電子システムへの道を開くのに役立ちます。

受動部品のすべての層は、Asys ASP01M スクリーン プリンターと Dynamesh Inc. が供給するステンレス スチール スクリーンを使用して、厚さ 76 μm のフレキシブル PET 基板上にスクリーン印刷されました。メッシュ サイズは、金属層では 1 インチあたり 400 スレッド、1 インチあたり 250 スレッドでした。誘電体層と抵抗層用。 スクリーン印刷は、スキージ力 55 N、印刷速度 60 mm/s、スナップオフ距離 1.5 mm、硬度 65 デュロメータ (金属層および抵抗層の場合) または 75 デュロメータ (誘電体層の場合) の Serilor スキージを使用して実行されました。 。

導電層 (インダクターと、コンデンサーと抵抗器への接点) は、Dupont 5082 または Dupont 5064H 銀マイクロ フレーク インクで印刷されました。 抵抗器は Dupont 7082 カーボン導体から印刷されました。 コンデンサ誘電体には、Conductive Compounds BT-101 チタン酸バリウム誘電体を使用しました。 誘電体の各コートは、フィルムの均一性を向上させるためにダブルパス (ウェット-ウェット) 印刷サイクルを使用して生成されました。 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パフォーマンスと変動に及ぼす影響を調べました。 同じ材料を複数回コーティングして作成したサンプルは、コーティング間で 70 °C で 2 分間乾燥させました。 各材料の最終コーティング後、完全に乾燥させるためにサンプルを 140 °C で 10 分間焼き付けました。 スクリーン印刷機の自動位置合わせ機能を使用して、後続の層を位置合わせしました。 インダクタの中心への接点は、中心パッドにビアを切り込み、Dupont 5064H インクで基板の裏側にトレースをステンシル印刷することによって作成されました。 印刷されたデバイス間の相互接続も、Dupont 5064H からステンシル印刷されました。 図 7 に示すフレックス PCB 上でプリント コンポーネントと SMT コンポーネントを一緒にデモンストレーションするために、プリント コンポーネントは Circuit Works CW2400 導電性エポキシを使用して取り付けられ、SMT コンポーネントは従来のはんだ付けを使用して取り付けられました。

コバルト酸リチウム (LCO) とグラファイトベースの電極は、それぞれ電池のカソードとアノードとして機能しました。 カソード用のスラリーは、80 wt% LCO (MTI Corp.)、7.5 wt% グラファイト (KS6、Timcal)、2.5 wt% カーボンブラック (Super P、Timcal)、および 10 wt% ポリフッ化ビニリデン (PVDF、Kureha Corp.) の混合物でした。 ）、アノードには、84重量％のグラファイト、4重量％のカーボンブラック、および13重量％のPVDFの混合物を使用した。 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した。 スラリーをボルテックスミキサーで一晩撹拌することにより均質化した。 厚さ 0.0005 インチのステンレス鋼箔と 10 μm のニッケル箔が、それぞれカソードとアノードの集電体として機能しました。インクは、ドクターブレードを使用して 20 mm/s の印刷速度で集電体上に印刷されました。電極は80 °C のオーブンで 2 時間加熱して溶媒を除去しました。乾燥後の電極の高さは約 60 μm で、活物質の重量に基づく理論容量は 1.65 mAh/cm2 でした。電極は次のように切断されました。寸法 1.3 × 1.3 cm2 で、140 °C の真空オーブンで一晩加熱した後、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 パウチで密封 アノードとカソードで分離されたポリプロピレン ベースの膜と、EC/DEC 中の 1M LiPF6 溶液(1:1) はバッテリーの電解液として機能しました。

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-ジイル)-alt- (2,1,3-ベンゾチアジアゾール-4,8-​​ジイル)) (F8BT)、Lochner et al.9 に概説されている手順に従って。

フィルムの厚さは、Dektak 触針式表面形状計を使用して測定されました。 フィルムを切断して、走査型電子顕微鏡 (SEM) による研究用の断面サンプルを準備しました。 FEI Quanta 3D フィールドエミッションガン (FEG) SEM を使用して、印刷されたフィルムの構造を特徴付け、厚さの測定値を確認しました。 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の下で実行されました。

DC 抵抗、電圧、電流はデジタル マルチメーターで測定されました。 インダクタ、コンデンサ、回路の AC インピーダンスは、1 MHz 未満の周波数については Agilent E4980 LCR メータを使用し、500 kHz を超える周波数については Agilent E5061A ネットワーク アナライザを使用して測定しました。 電圧レギュレータの波形は、Tektronix TDS 5034 オシロスコープで測定されました。

この記事を引用する方法: Ostfeld, AE et al. フレキシブルパワーエレクトロニクス用のスクリーン印刷された受動コンポーネント。 科学。 議員 5、15959; 土井: 10.1038/srep15959 (2015)。

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この研究は、協力協定番号 ECCS-1202189 に基づいて国立科学財団によって部分的に支援されました。 AEO と CML は、助成金番号 1106400 に基づく NSF 大学院研究フェローシップ プログラムによって支援されました。OLED 材料を供給してくれた Cambridge Display Technology Limited (CDT) と、有益な技術的な支援をしてくれた Anita Flynn 博士、Balthazar Lechêne 博士、Joseph Corea および Yasser Khan に感謝します。議論。

カリフォルニア大学バークレー校、電気工学およびコンピュータサイエンス学部、94720、米国

アミニー・E・オストフェルド、イガル・デックマン、アビナフ・M・ガイクワード、クレア・M・ロホナー、アナ・C・アリアス

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AEO は受動部品と回路を設計および製造し、電気的特性評価を実施しました。 ID は SEM イメージングを実行しました。 AMGがバッテリーを製造した。 CMLはOLEDを製造した。 AEO が原稿を執筆し、ACA、ID、AMG が実験設計と執筆に貢献しました。 著者全員が結果について議論し、原稿についてコメントしました。

著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Ostfeld, A.、Deckman, I.、Gaikwad, A. 他フレキシブルパワーエレクトロニクス用のスクリーン印刷された受動コンポーネント。 Sci Rep 5、15959 (2015)。 https://doi.org/10.1038/srep15959

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受信日: 2015 年 8 月 20 日

受理日: 2015 年 10 月 5 日

公開日: 2015 年 10 月 30 日

DOI: https://doi.org/10.1038/srep15959

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