유연한 전력 전자 장치용 스크린 인쇄 수동 부품

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 15959(2015) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

적층형 및 저온 인쇄 공정을 통해 저렴한 비용으로 유연한 기판에 전원 공급 및 소비 등 다양한 전자 장치를 통합할 수 있습니다. 그러나 이러한 장치에서 완전한 전자 시스템을 생산하려면 장치의 다양한 작동 전압 간을 ​​변환하기 위해 전력 전자 장치가 필요한 경우가 많습니다. 인덕터, 커패시터, 저항기와 같은 수동 부품은 필터링, 단기 에너지 저장, 전압 측정과 같은 기능을 수행하며 이는 전력 전자 장치 및 기타 여러 응용 분야에 필수적입니다. 본 논문에서는 유연한 플라스틱 기판에 스크린 인쇄된 인덕터, 커패시터, 저항기 및 RLC 회로를 제시하고 전력 전자 장치에 사용할 수 있는 인덕터 직렬 저항을 최소화하기 위한 설계 프로세스에 대해 보고합니다. 그런 다음 인쇄된 인덕터와 저항기가 승압 전압 조정기 회로에 통합됩니다. 유기발광다이오드와 유연한 리튬 이온 배터리가 제작되고 전압 조정기를 사용하여 배터리에서 다이오드에 전력을 공급함으로써 DC-DC 컨버터 응용 분야에서 기존 표면 실장 부품을 대체할 수 있는 인쇄 수동 부품의 잠재력을 보여줍니다.

최근 몇 년 동안 웨어러블, 대면적 전자 장치 및 사물 인터넷 애플리케이션을 위한 다양한 유연한 장치가 개발되었습니다1,2. 여기에는 광전지3, 압전4, 열전5와 같은 에너지 수확 장치; 배터리와 같은 에너지 저장 장치6,7; 센서8,9,10,11,12 및 광원13과 같은 전력 소비 장치. 개별 에너지원과 부하에 대해 많은 발전이 이루어졌지만 이러한 구성 요소를 완전한 전자 시스템으로 결합하는 것은 일반적으로 소스 동작과 부하 요구 사항 간의 불일치를 극복하기 위한 전력 전자 장치도 필요합니다. 예를 들어, 배터리는 충전 상태에 따라 가변 전압을 생성합니다. 부하에 일정한 전압이 필요하거나 배터리가 생성할 수 있는 것보다 더 높은 전압이 필요한 경우 전력 전자 장치가 필요합니다. 전력 전자 장치는 능동 부품인 트랜지스터를 사용하여 스위칭 및 제어 기능을 수행할 뿐만 아니라 수동 부품(인덕터, 커패시터, 저항기)도 사용합니다. 예를 들어, 스위칭 전압 조정기 회로에서는 인덕터를 사용하여 각 스위칭 사이클 동안 에너지를 저장하고 커패시터를 사용하여 전압 리플을 줄이며 피드백 제어에 필요한 전압 측정은 저항 분배기를 사용하여 수행됩니다.

몇 볼트와 몇 밀리암페어가 필요한 산소포화도측정기9와 같은 웨어러블 장치의 요구 사항에 적합한 전력 전자 장치는 일반적으로 수백 kHz에서 몇 MHz 범위의 주파수에서 작동하며 수 μH 및 수 MHz의 인덕턴스와 커패시턴스가 필요합니다. μF, 각각14. 이러한 회로를 제조하기 위한 기존 접근 방식은 개별 부품을 단단한 인쇄 회로 기판(PCB)에 납땜하는 것입니다. 전력 전자 회로의 능동 구성 요소는 단일 실리콘 집적 회로(IC)로 결합되는 경우가 많지만 수동 구성 요소는 일반적으로 회로를 맞춤화하거나 필요한 인덕턴스 및 커패시턴스 값이 너무 커서 달성할 수 없기 때문에 외부에 있습니다. 실리콘으로.

적층 인쇄 공정을 통한 전자 장치 및 회로 제작은 기존 PCB 기반 제조 기술에 비해 단순성과 비용 측면에서 많은 이점을 제공합니다. 첫째, 회로의 많은 구성 요소에는 접점 및 상호 연결을 위한 금속과 같은 동일한 재료가 필요하기 때문에 인쇄를 사용하면 상대적으로 적은 처리 단계와 재료 소스를 사용하여 여러 구성 요소를 동시에 제조할 수 있습니다15. 포토리소그래피 및 에칭과 같은 절삭 공정을 적층 공정으로 대체하면 공정 복잡성과 재료 낭비가 더욱 줄어듭니다16,17,18,19. 또한 인쇄에 사용되는 저온은 유연하고 저렴한 플라스틱 기판과 호환되므로 고속 롤투롤 제조 공정을 사용하여 전자 장치로 넓은 영역을 덮을 수 있습니다. 인쇄된 구성 요소를 사용하여 완전히 실현할 수 없는 응용 분야의 경우 표면 실장 기술(SMT) 구성 요소가 인쇄된 구성 요소와 함께 유연한 기판에 저온에서 부착되는 하이브리드 접근 방식이 개발되었습니다. 이러한 하이브리드 접근 방식에서는 적층 공정의 이점을 활용하고 회로의 전반적인 유연성을 향상시키기 위해 가능한 많은 SMT 부품을 인쇄된 부품으로 교체하는 것이 여전히 바람직합니다. 유연한 전력 전자 장치를 달성하기 위해 우리는 부피가 큰 SMT 인덕터를 평면 나선형 인덕터로 교체하는 데 특히 중점을 두고 SMT 능동 부품과 스크린 인쇄 수동 부품의 조합을 제안합니다. 인쇄 전자 장치를 제조하는 다양한 기술 중에서 스크린 인쇄는 필름 두께가 크고(금속 피처의 직렬 저항을 최소화하는 데 필요함), 센티미터 단위 영역을 덮을 때에도 인쇄 속도가 빠르기 때문에 수동 부품에 특히 적합합니다. 재료24.