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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6 オルトメトリック

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．