柔性电子 FLEXIBLE ELECTRONICS

 

关键词：柔性电子，柔性材料，柔性显示，医疗生物材料

导语：柔性电子（Flexible Electronics）是一种技术的通称，是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术。相对于传统电子，柔性电子具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足设备的形变要求。但是相应的技术要求同样制约了柔性电子的发展。首先，柔性电子在不损坏本身电子性能的基础上的伸展性和弯曲性，对电路的制作材料提出了新的挑战和要求；其次，柔性电子的制备条件以及组成电路的各种电子器件的性能相对于传统的电子器件来说仍然不足，也是其发展的一大难题。柔性电子（Flexible Electronics）又称为塑料电子（Plastic Electronics）、印刷电子（PrintedElectronics）、有机电子（Organic Electronics）、聚合体电子（Polymer Electronics）等；是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术。在人们的印象中，有机材料，如塑料等，都是很好的绝缘体，很少有人会想到塑料也能导电。

 

 

近年来，由于对导电高分子的研究有了新突破，有机材料可以从传统的绝缘体变成可导电的半导体，柔性电子便应运而生。现代化学等技术的发展，促进了柔性电子这样一门学科的发展。柔性电子制造的关键包括制造工艺、基板和材料等，其核心是微纳米图案化（Micro- and Nanopatterning）制造，涉及机械、材料、物理、化学、电子等多学科交叉研究。柔性电子以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如柔性电子显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子报纸、电子皮肤(Skin Patches)/人工肌肉等。柔性电子除整合电子电路、电子组件、材料、平面显示、纳米技术等领域技术外，同时横跨半导体、封测、材料、化工、印刷电路板、显示面板等产业，可协助传统产业，如塑料、印刷、化工、金属材料等产业的转型，提升产业附加值，因此柔性电子技术的发展必将为产业结构和人类生活带来革命性的变化。

  

柔性电子的定义及领域

一

什么是柔性电子？

柔性电子可概括为是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如柔性电子显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子用表面粘贴(Skin Patches)等。与传统IC技术一样，制造工艺和装备也是柔性电子技术发展的主要驱动力。柔性电子制造技术水平指标包括芯片特征尺寸和基板面积大小，其关键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电子器件。随着电子设备的发展，柔性电子设备越来越受到大家的重视，这种设备是指在存在一定范围的形变（弯曲、折叠、扭转、压缩或拉伸）条件下仍可工作的电子设备。

二

二

柔性电子的领域

柔性电子涵盖有机电子、塑料电子、生物电子、纳米电子、印刷电子等，包括RFID、柔性显示、有机电致发光(OLED)显示与照明、化学与生物传感器、柔性光伏、柔性逻辑与存储、柔性电池、可穿戴设备等多种应用。随着其快速的发展，涉及到的领域也进一步扩展，目前已经成为交叉学科中的研究热点之一。

 

 

三

柔性电子带来的电子技术革命

 

柔性电子技术有可能带来一场电子技术革命，引起全世界的广泛关注并得到了迅速发展。美国《科学》杂志将有机电子技术进展列为2000年世界十大科技成果之一，与人类基因组草图、生物克隆技术等重大发现并列。美国科学家艾伦黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科学家白川英树由于他们在导电聚合物领域的开创性工作获得2000年诺贝尔化学奖。柔性电子技术是行业新兴领域，它的出现不但整合电子电路、电子组件、材料、平面显示、纳米技术等领域技术外，同时横跨半导体、封测、材料、化工、印刷电路板、显示面板等产业，可协助传统产业，如塑料、印刷、化工、金属材料等产业的转型。其在信息、能源、医疗、制造等各个领域的应用重要性日益凸显，已成为世界多国和跨国企业竞相发展的前沿技术。美国、欧盟、英国、日本等相继制定了柔性电子发展战略并投入大量科研经费，旨在未来的柔性电子研究和产业发展中抢占先机。

 

柔性电子常用材料の紹介

一

柔性基板

为了满足柔性电子器件的要求，薄、透明、 灵活和可拉伸。绝缘性和耐腐蚀性等性能已成为柔性基板的关键指标。常见的柔性材料有：聚乙烯醇（PVA）、聚酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、纸张、纺织材料等。聚酰亚胺材料具有 具有耐高温、耐低温、耐化学药品和良好的电气性能等优点。它是柔性电子产品最具潜力的材料。仅在柔性基板的选择上，除了耐高温特性外，柔性基板的透光率、表面粗糙度和材料成本都是选择时必须考虑的因素。聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 也是一种广泛认可的柔性材料。其优点包括方便易得、化学性质稳定、透明和良好的热稳定性。尤其是在紫外光下，粘附和不粘附的区别特性使表面容易粘附电子材料。PET虽然转化温度低，在70~80°C之间，但价格便宜，透光性好。它是一种极具成本效益的透明导电薄膜材料。

 

二

金属材料

金属材料一般是金、银、铜等导电材料，主要用于电极和导线。对于现代印刷工艺，导电纳米油墨主要用作导电材料，包括纳米颗粒和纳米线。除了良好的导电性外，金属纳米颗粒还可以烧结成薄膜或导线。

 

三

有机材料
 

大规模压力传感器阵列对于未来可穿戴传感器的发展非常重要。基于压阻电容信号机制的压力传感器存在信号串扰，导致测量不准确。这个问题已经成为发展的问题。佩戴传感器的最大挑战之一。由于晶体管完美的信号转换和放大性能，晶体管的使用使得减少信号串扰成为可能。 因此，可穿戴传感器和人工智能领域的大量研究都集中在如何获得大规模柔性压敏晶体管上。场效应晶体管研究中传统使用的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）体系。 萘四亚胺和苝四亚胺表现出良好的n型场效应性能，是研究最广泛的n型半导体材料，广泛应用于小分子n型场效应晶体管。

 

四

无机半导体材料

以ZnO、ZnS为代表的无机半导体材料在可穿戴柔性电子传感器领域展现出优异的压电性能。应用前景广阔。例如，已经开发出一种基于将机械能直接转换为光信号的柔性压力传感器。该基质利用了 ZnS:Mn 颗粒的光致发光特性。荔枝发光的核心是压电效应引起的光子发射。压电ZnS的电子能带在压力作用下发生倾斜，可以促进锰离子的激发，随后的去激发过程发出黄光。

 

五

碳材料

柔性可穿戴电子传感器中常用的碳材料包括碳纳米管和石墨烯。 碳纳米管具有结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔尺寸可通过合成过程控制等特点，比表面利用率可达100%。石墨烯具有轻、薄、透明、导电导热性好的特点。在传感技术、移动通信、信息技术和电动汽车等领域具有极其重要和广阔的应用前景；在碳纳米管的应用中，使用了多臂碳纳米管和银复合材料，通过印刷这种方式得到的导电聚合物传感器在140%拉伸下的电导率仍然高达20S/cm。当碳纳米管和石墨烯结合使用时，可以制备高度拉伸的透明场效应晶体管。它将石墨烯/单壁碳纳米管电极和单壁碳纳米管网格通道与波纹状无机介电层结合在一起。由于波纹氧化铝介电层，超过一千在20%幅度的舒张舒张循环下漏电流没有变化，显示出良好的可持续性。

柔性电子的应用领域

一

柔性电子的领域

柔性电子显示器是在柔性电子技术平台上研发出来的全新产品，是由柔软材料制成，可变型可弯曲的显示装置。目前可实现柔性显示模式（电子纸技术、LCD、OLED等）制作在柔性基板上的显示器件，比如可书写的电子书、U盘容量显示等。

 

二

柔性储能

柔性储能是由有机/无机材料电子器件在柔性/延展性塑料或薄金属基板上制成 /延展性和高效低成本制造技术，互联网上新兴的储能技术在信息、能源、医疗、国防等领域具有广阔的应用前景。已成功应用于柔性电子显示器和有机发光二极管。OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子产品表面粘合等。

 

三

柔性医疗电子

柔性医疗电子的基本特征是将各种电子元件集成在柔性基板上，形成皮肤状的柔性电路板。像皮肤一样，它具有很高的柔韧性和弹性。柔性医疗电子可以长时间与人体组织自然融合，可以准确测量体温、呼吸、血压、心电图等医疗指标，并提供 大数据医疗实时基础数据。

 

四

柔性印刷电路板

柔性印刷电路板（FPC）是一种以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材的具有高可靠性、优良的柔性印刷电路板。具有布线密度高、重量轻、厚度薄、弯曲性好等特点，完美契合轻、薄、小型化的发展主题。FPC产业以日美韩为主。近年来，生产成本的增加促使FPC行业逐渐转移重心。到国内。FPC位于电子产业链的中上游。其直接原材料上游为柔性覆铜板FCCL，下游为终端消费电子产品。