柔性電子 FLEXIBLE ELECTRONICS

關(guān)鍵詞：柔性電子，柔性材料，柔性顯示，醫(yī)療生物材料

導(dǎo)語(yǔ)：柔性電子（Flexible Electronics）是一種技術(shù)的通稱，是將有機(jī)/無(wú)機(jī)材料電子器件制作在柔性/可延性基板上的新興電子技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)電子，柔性電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應(yīng)不同的工作環(huán)境，滿足設(shè)備的形變要求。但是相應(yīng)的技術(shù)要求同樣制約了柔性電子的發(fā)展。首先，柔性電子在不損壞本身電子性能的基礎(chǔ)上的伸展性和彎曲性，對(duì)電路的制作材料提出了新的挑戰(zhàn)和要求；其次，柔性電子的制備條件以及組成電路的各種電子器件的性能相對(duì)于傳統(tǒng)的電子器件來(lái)說(shuō)仍然不足，也是其發(fā)展的一大難題。柔性電子（Flexible Electronics）又稱為塑料電子（Plastic Electronics）、印刷電子（PrintedElectronics）、有機(jī)電子（Organic Electronics）、聚合體電子（Polymer Electronics）等；是將有機(jī)/無(wú)機(jī)材料電子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術(shù)。在人們的印象中，有機(jī)材料，如塑料等，都是很好的絕緣體，很少有人會(huì)想到塑料也能導(dǎo)電。

近年來(lái)，由于對(duì)導(dǎo)電高分子的研究有了新突破，有機(jī)材料可以從傳統(tǒng)的絕緣體變成可導(dǎo)電的半導(dǎo)體，柔性電子便應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)代化學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了柔性電子這樣一門(mén)學(xué)科的發(fā)展。柔性電子制造的關(guān)鍵包括制造工藝、基板和材料等，其核心是微納米圖案化（Micro- and Nanopatterning）制造，涉及機(jī)械、材料、物理、化學(xué)、電子等多學(xué)科交叉研究。柔性電子以其獨(dú)特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，如柔性電子顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管OLED、印刷RFID、薄膜太陽(yáng)能電池板、電子報(bào)紙、電子皮膚(Skin Patches)/人工肌肉等。柔性電子除整合電子電路、電子組件、材料、平面顯示、納米技術(shù)等領(lǐng)域技術(shù)外，同時(shí)橫跨半導(dǎo)體、封測(cè)、材料、化工、印刷電路板、顯示面板等產(chǎn)業(yè)，可協(xié)助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如塑料、印刷、化工、金屬材料等產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，提升產(chǎn)業(yè)附加值，因此柔性電子技術(shù)的發(fā)展必將為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人類生活帶來(lái)革命性的變化。

柔性電子的定義及領(lǐng)域

一

什么是柔性電子？

柔性電子可概括為是將有機(jī)/無(wú)機(jī)材料電子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術(shù)，以其獨(dú)特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，如柔性電子顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管OLED、印刷RFID、薄膜太陽(yáng)能電池板、電子用表面粘貼(Skin Patches)等。與傳統(tǒng)IC技術(shù)一樣，制造工藝和裝備也是柔性電子技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。柔性電子制造技術(shù)水平指標(biāo)包括芯片特征尺寸和基板面積大小，其關(guān)鍵是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性電子器件。隨著電子設(shè)備的發(fā)展，柔性電子設(shè)備越來(lái)越受到大家的重視，這種設(shè)備是指在存在一定范圍的形變（彎曲、折疊、扭轉(zhuǎn)、壓縮或拉伸）條件下仍可工作的電子設(shè)備。

二

二

柔性電子的領(lǐng)域

柔性電子涵蓋有機(jī)電子、塑料電子、生物電子、納米電子、印刷電子等，包括RFID、柔性顯示、有機(jī)電致發(fā)光(OLED)顯示與照明、化學(xué)與生物傳感器、柔性光伏、柔性邏輯與存儲(chǔ)、柔性電池、可穿戴設(shè)備等多種應(yīng)用。隨著其快速的發(fā)展，涉及到的領(lǐng)域也進(jìn)一步擴(kuò)展，目前已經(jīng)成為交叉學(xué)科中的研究熱點(diǎn)之一。

三

柔性電子帶來(lái)的電子技術(shù)革命

柔性電子技術(shù)有可能帶來(lái)一場(chǎng)電子技術(shù)革命，引起全世界的廣泛關(guān)注并得到了迅速發(fā)展。美國(guó)《科學(xué)》雜志將有機(jī)電子技術(shù)進(jìn)展列為2000年世界十大科技成果之一，與人類基因組草圖、生物克隆技術(shù)等重大發(fā)現(xiàn)并列。美國(guó)科學(xué)家艾倫黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學(xué)家白川英樹(shù)由于他們?cè)趯?dǎo)電聚合物領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性工作獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。柔性電子技術(shù)是行業(yè)新興領(lǐng)域，它的出現(xiàn)不但整合電子電路、電子組件、材料、平面顯示、納米技術(shù)等領(lǐng)域技術(shù)外，同時(shí)橫跨半導(dǎo)體、封測(cè)、材料、化工、印刷電路板、顯示面板等產(chǎn)業(yè)，可協(xié)助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如塑料、印刷、化工、金屬材料等產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型。其在信息、能源、醫(yī)療、制造等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用重要性日益凸顯，已成為世界多國(guó)和跨國(guó)企業(yè)競(jìng)相發(fā)展的前沿技術(shù)。美國(guó)、歐盟、英國(guó)、日本等相繼制定了柔性電子發(fā)展戰(zhàn)略并投入大量科研經(jīng)費(fèi)，旨在未來(lái)的柔性電子研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中搶占先機(jī)。

柔性電子常用材料の紹介

一

柔性基板

為了滿足柔性電子器件的要求，薄、透明、 靈活和可拉伸。絕緣性和耐腐蝕性等性能已成為柔性基板的關(guān)鍵指標(biāo)。常見(jiàn)的柔性材料有：聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PET）、聚酰亞胺（PI）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、紙張、紡織材料等。聚酰亞胺材料具有 具有耐高溫、耐低溫、耐化學(xué)藥品和良好的電氣性能等優(yōu)點(diǎn)。它是柔性電子產(chǎn)品最具潛力的材料。僅在柔性基板的選擇上，除了耐高溫特性外，柔性基板的透光率、表面粗糙度和材料成本都是選擇時(shí)必須考慮的因素。聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 也是一種廣泛認(rèn)可的柔性材料。其優(yōu)點(diǎn)包括方便易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、透明和良好的熱穩(wěn)定性。尤其是在紫外光下，粘附和不粘附的區(qū)別特性使表面容易粘附電子材料。PET雖然轉(zhuǎn)化溫度低，在70~80°C之間，但價(jià)格便宜，透光性好。它是一種極具成本效益的透明導(dǎo)電薄膜材料。

二

金屬材料

金屬材料一般是金、銀、銅等導(dǎo)電材料，主要用于電極和導(dǎo)線。對(duì)于現(xiàn)代印刷工藝，導(dǎo)電納米油墨主要用作導(dǎo)電材料，包括納米顆粒和納米線。除了良好的導(dǎo)電性外，金屬納米顆粒還可以燒結(jié)成薄膜或?qū)Ь€。

三

有機(jī)材料

大規(guī)模壓力傳感器陣列對(duì)于未來(lái)可穿戴傳感器的發(fā)展非常重要?；趬鹤?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電容/" target="_blank">電容信號(hào)機(jī)制的壓力傳感器存在信號(hào)串?dāng)_，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)成為發(fā)展的問(wèn)題。佩戴傳感器的最大挑戰(zhàn)之一。由于晶體管完美的信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大性能，晶體管的使用使得減少信號(hào)串?dāng)_成為可能。 因此，可穿戴傳感器和人工智能領(lǐng)域的大量研究都集中在如何獲得大規(guī)模柔性壓敏晶體管上。場(chǎng)效應(yīng)晶體管研究中傳統(tǒng)使用的p型高分子材料主要是噻吩聚合物，最成功的例子是聚（3-己基噻吩）（P3HT）體系。 萘四亞胺和苝四亞胺表現(xiàn)出良好的n型場(chǎng)效應(yīng)性能，是研究最廣泛的n型半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于小分子n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

四

無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料

以ZnO、ZnS為代表的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料在可穿戴柔性電子傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的壓電性能。應(yīng)用前景廣闊。例如，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種基于將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的柔性壓力傳感器。該基質(zhì)利用了 ZnS:Mn 顆粒的光致發(fā)光特性。荔枝發(fā)光的核心是壓電效應(yīng)引起的光子發(fā)射。壓電ZnS的電子能帶在壓力作用下發(fā)生傾斜，可以促進(jìn)錳離子的激發(fā)，隨后的去激發(fā)過(guò)程發(fā)出黃光。

五

碳材料

柔性可穿戴電子傳感器中常用的碳材料包括碳納米管和石墨烯。 碳納米管具有結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大、微孔尺寸可通過(guò)合成過(guò)程控制等特點(diǎn)，比表面利用率可達(dá)100%。石墨烯具有輕、薄、透明、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)。在傳感技術(shù)、移動(dòng)通信、信息技術(shù)和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景；在碳納米管的應(yīng)用中，使用了多臂碳納米管和銀復(fù)合材料，通過(guò)印刷這種方式得到的導(dǎo)電聚合物傳感器在140%拉伸下的電導(dǎo)率仍然高達(dá)20S/cm。當(dāng)碳納米管和石墨烯結(jié)合使用時(shí)，可以制備高度拉伸的透明場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它將石墨烯/單壁碳納米管電極和單壁碳納米管網(wǎng)格通道與波紋狀無(wú)機(jī)介電層結(jié)合在一起。由于波紋氧化鋁介電層，超過(guò)一千在20%幅度的舒張舒張循環(huán)下漏電流沒(méi)有變化，顯示出良好的可持續(xù)性。

柔性電子的應(yīng)用領(lǐng)域

一

柔性電子的領(lǐng)域

柔性電子顯示器是在柔性電子技術(shù)平臺(tái)上研發(fā)出來(lái)的全新產(chǎn)品，是由柔軟材料制成，可變型可彎曲的顯示裝置。目前可實(shí)現(xiàn)柔性顯示模式（電子紙技術(shù)、LCD、OLED等）制作在柔性基板上的顯示器件，比如可書(shū)寫(xiě)的電子書(shū)、U盤(pán)容量顯示等。

二

柔性儲(chǔ)能

柔性儲(chǔ)能是由有機(jī)/無(wú)機(jī)材料電子器件在柔性/延展性塑料或薄金屬基板上制成 /延展性和高效低成本制造技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)上新興的儲(chǔ)能技術(shù)在信息、能源、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。已成功應(yīng)用于柔性電子顯示器和有機(jī)發(fā)光二極管。OLED、印刷RFID、薄膜太陽(yáng)能電池板、電子產(chǎn)品表面粘合等。

三

柔性醫(yī)療電子

柔性醫(yī)療電子的基本特征是將各種電子元件集成在柔性基板上，形成皮膚狀的柔性電路板。像皮膚一樣，它具有很高的柔韌性和彈性。柔性醫(yī)療電子可以長(zhǎng)時(shí)間與人體組織自然融合，可以準(zhǔn)確測(cè)量體溫、呼吸、血壓、心電圖等醫(yī)療指標(biāo)，并提供 大數(shù)據(jù)醫(yī)療實(shí)時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

四

柔性印刷電路板

柔性印刷電路板（FPC）是一種以聚酰亞胺或聚酯薄膜為基材的具有高可靠性、優(yōu)良的柔性印刷電路板。具有布線密度高、重量輕、厚度薄、彎曲性好等特點(diǎn)，完美契合輕、薄、小型化的發(fā)展主題。FPC產(chǎn)業(yè)以日美韓為主。近年來(lái)，生產(chǎn)成本的增加促使FPC行業(yè)逐漸轉(zhuǎn)移重心。到國(guó)內(nèi)。FPC位于電子產(chǎn)業(yè)鏈的中上游。其直接原材料上游為柔性覆銅板FCCL，下游為終端消費(fèi)電子產(chǎn)品。