淺析柔性電子常用材料及其應(yīng)用案例

柔性電子是將無機(jī)/有機(jī)器件附著于柔性基底上，形成電路的技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)硅電子，柔性電子是指可以彎曲、折疊、扭曲、壓縮、拉伸、甚至變形成任意形狀但仍保持高效光電性能、可靠性和集成度的薄膜電子器件。

美日韓等國已戰(zhàn)略布局柔性電子項(xiàng)目，其在高精尖領(lǐng)域?qū)㈤L期保持高速增長態(tài)勢，也是我國應(yīng)該盡量抓住的歷史機(jī)遇。

柔性電子常用材料

柔性基底

為了滿足柔性電子器件的要求，輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質(zhì)成為了柔性基底的關(guān)鍵指標(biāo)。

常見的柔性材料有：聚乙烯醇( PVA ) 、聚酯 ( PET ) 、聚酰亞胺 ( PI ) 、聚萘二甲酯乙二醇酯( PEN ) 、紙片 、紡織材料等 。

聚亞酰胺材料具有耐高溫、耐低溫、耐化性與良好電氣特性的優(yōu)點(diǎn)，是柔性電子基本最具潛力的材料，唯在柔性基材選擇上除了耐高溫的特性要考慮以外，柔性基板的光穿透率、表面粗糙度與材料成本都是選擇須考慮的因素。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）也是被廣泛認(rèn)可的柔性材料，它的優(yōu)勢包括方便易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、透明和熱穩(wěn)定性好等。尤其在紫外光下粘附區(qū)和非粘附區(qū)分明的特性使其表面可以很容易地粘附電子材料。

PET雖然轉(zhuǎn)化溫度低，約70~80℃之間，但是PET價(jià)格低廉，光穿透性佳，是透明導(dǎo)電膜性價(jià)比很高的材料。

金屬材料

金屬材料一般為金銀銅等導(dǎo)體材料，主要用于電極和導(dǎo)線。對(duì)于現(xiàn)代印刷工藝而言，導(dǎo)電材料多選用導(dǎo)電納米油墨，包括納米顆粒和納米線等。金屬的納米粒子除了具有良好的導(dǎo)電性外，還可以燒結(jié)成薄膜或?qū)Ь€。

有機(jī)材料

大規(guī)模壓力傳感器陣列對(duì)未來可穿戴傳感器的發(fā)展非常重要?；趬鹤韬?a href="http://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)致了測量的不準(zhǔn)確，這個(gè)問題成為發(fā)展可穿戴傳感器最大的挑戰(zhàn)之一。

由于晶體管完美的信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大性能，晶體管的使用為減少信號(hào)串?dāng)_提供了可能。因此，在可穿戴傳感器和人工智能領(lǐng)域的很多研究都是圍繞如何獲得大規(guī)模柔性壓敏晶體管展開的。

傳統(tǒng)上用于場效應(yīng)晶體管研究的p型聚合物材料主要是噻吩類聚合物，其中最為成功的例子便是聚（3-己基噻吩）（P3HT）體系。萘四酰亞二胺和苝四酰亞二胺顯示了良好的n型場效應(yīng)性能，是研究最為廣泛的n型半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于小分子n型場效應(yīng)晶體管當(dāng)中。

無機(jī)半導(dǎo)體材料

以ZnO和ZnS為代表的無機(jī)半導(dǎo)體材料由于其出色的壓電特性，在可穿戴柔性電子傳感器領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。

比如有一種基于直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)的柔性壓力傳感器被開發(fā)出來。這種矩陣?yán)昧薢nS:Mn顆粒的力致發(fā)光性質(zhì)。

力致發(fā)光的核心是壓電效應(yīng)引發(fā)的光子發(fā)射。

壓電ZnS的電子能帶在壓力作用下產(chǎn)生壓伏效應(yīng)而產(chǎn)生傾斜，這樣可以促進(jìn)錳離子的激發(fā)，接下來的去激發(fā)過程發(fā)射出黃光。

碳材料

柔性可穿戴電子傳感器常用的碳材料有碳納米管和石墨烯等。碳納米管具有結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大、微孔大小可通過合成工藝加以控制、比表面利用率可達(dá)100%的特點(diǎn)。

石墨烯具有輕薄透明，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)。在傳感技術(shù)、移動(dòng)通訊、信息技術(shù)和電動(dòng)汽車等方面具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景；

在碳納米管的應(yīng)用上，利用多臂碳納米管和銀復(fù)合并通過印刷方式得到的導(dǎo)電聚合物傳感器，在140%的拉伸下，導(dǎo)電性仍然高達(dá)20S/cm。

當(dāng)碳納米管和石墨烯綜合應(yīng)用時(shí)，可以制備高度拉伸的透明場效應(yīng)晶體管。其結(jié)合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有褶皺的無機(jī)介電層單壁碳納米管網(wǎng)格通道。由于存在褶皺的氧化鋁介電層,在超過一千次20%幅度的拉伸-舒張循環(huán)下，沒有漏極電流變化，顯示出了很好的可持續(xù)性。

柔性電子的應(yīng)用領(lǐng)域

柔性電子顯示

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，比如可書寫的電子書、U盤容量顯示等。

柔性儲(chǔ)能

柔性儲(chǔ)能是將有機(jī)/無機(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儲(chǔ)能技術(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、國防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，現(xiàn)已成功應(yīng)用于柔性電子 顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管OLED、印刷RFID、薄膜太陽能電池板、電子用表面粘貼等。

比如三星做的一種可折疊的210毫安/時(shí)小電池，用在可穿戴設(shè)備里，電池本身的厚度可以做到0.3毫米厚，能夠在人的手腕上進(jìn)行5萬次的彎曲折疊，而且不出現(xiàn)任何的故障。

柔性醫(yī)療電子

柔性醫(yī)療電子基本特征是將各種電子元器件集成在柔性基板之上，從而形成皮膚狀的柔性電路板，像皮膚一樣具有很高的柔韌性和彈性。

柔性醫(yī)療電子可與人體組織長期自然融合，能精準(zhǔn)測量醫(yī)學(xué)指標(biāo)，如體溫、呼吸、血壓、心電等，為大數(shù)據(jù)醫(yī)療提供實(shí)時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

柔性電路板

柔性電路板（Flexible Printed Circuit 簡稱FPC）是以聚酰亞胺或聚酯薄膜為基材制成的一種具有高度可靠性，絕佳的可撓性印刷電路板。具有配線密度高、重量輕、厚度薄、彎折性好的特點(diǎn)，完美地契合了輕薄化、小型化的發(fā)展主旋律。

FPC行業(yè)由日美韓主導(dǎo)，近年來生產(chǎn)成本增加促使FPC產(chǎn)業(yè)重心逐漸轉(zhuǎn)向國內(nèi)。FPC處于電子產(chǎn)業(yè)鏈的中上游，其直接原材料上游為撓性覆銅板FCCL，下游為終端消費(fèi)電子產(chǎn)品。

目前日資企業(yè)以先發(fā)優(yōu)勢占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈上游的主導(dǎo)地位，國內(nèi)起步較晚，相對(duì)較為弱勢。

近幾年柔性電子市場迅速擴(kuò)張，成為一些國家支柱產(chǎn)業(yè)，在信息、能源、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

根據(jù)IDTechEX預(yù)測，2018年全球柔性電子市場為469.4億美元，2028年為3010億美元，是各個(gè)國家爭先搶占的科技制高點(diǎn)，也是我們國家應(yīng)該重視，并抓住的機(jī)遇。