折疊屏手機、柔性芯片......柔性電子技術未來大有可為

   在人們的印象中，有機材料，如塑料等，都是很好的絕緣體，很少有人會想到塑料也能導電。近年來，由于對導電高分子的研究有了新突破，有機材料可以從傳統(tǒng)的絕緣體變成可導電的半導體，柔性電子便應運而生。其又稱為塑料電子、印刷電子、有機電子以及聚合體電子等；是將有機/無機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。由于其獨特的柔性和延展性，柔性電子技術在很多方面有著廣闊的應用前景。

發(fā)展中的柔性電子技術

   柔性電子以其獨特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療和國防等領域具有廣泛應用前景，如柔性電子顯示器、有機發(fā)光二極管OLED、印刷射頻識別（RFID）、薄膜太陽能電池板、電子報紙以及電子皮膚（SkinPatches）/人工肌肉等。而柔性電子制造的關鍵包括制造工藝、基板和材料等，其核心是微納米圖案化（Micro-andNanopatterning）制造，涉及機械、材料、物理、化學和電子等多學科交叉研究。

   除此之外它整合電子電路、電子組件、材料、平面顯示和納米技術等領域技術外，同時橫跨半導體、封測、材料、化工、印刷電路板及以顯示面板等產業(yè)，可協(xié)助傳統(tǒng)產業(yè)，如塑料、印刷、化工和金屬材料等產業(yè)的轉型，提升產業(yè)附加值，因此柔性電子技術的發(fā)展必將為產業(yè)結構和人類生活帶來革命性的變化。

  與傳統(tǒng)IC技術一樣，制造工藝和裝備也是柔性電子技術發(fā)展的主要驅動力。柔性電子制造技術水平指標包括芯片特征尺寸和基板面積大小，其關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。

   據介紹，柔性電子概念最早可追溯至對有機電子學的研究，大約起步于上世紀60年代，當時科研人員試圖用有機半導體替代硅等無機半導體，從而使有機電子器件具備柔性特點。

   柔性電子技術是一場全新的電子技術革命，引起全世界的廣泛關注并得到了迅速發(fā)展。美國《科學》雜志將有機電子技術進展列為2000年世界十大科技成果之一，與人 類基因組草圖、克隆技術等重大發(fā)現(xiàn)并列。美國科學家艾 倫黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學家白川英樹由于 他們在導電聚合物領域的開創(chuàng)性工作而獲得2000年諾貝爾化學獎。

  “現(xiàn)在柔性電子技術仍處于起步階段，研發(fā)人員很多時候在嘗試，試圖突破傳統(tǒng)思路，創(chuàng)造新的領域和產業(yè)?！鼻迦A大學柔性電子技術研究中心主任馮雪說。 

  不難想象，作為一個新興領域，目前柔性電子技術的研發(fā)過程仍充滿重重挑戰(zhàn)。

  目前電子產業(yè)基本上都是屬于傳統(tǒng)的半導體產業(yè)，制造用到的設備相當龐大，且費用高昂，制造效率低；整個柔性電子的概念是希望能夠把傳統(tǒng)半導體產品、組件及線路用印刷的方式來替代。主要從三方面來看柔性電子與傳統(tǒng)電子電路不同之處：

（1）應用前景

一旦將很柔軟的基材應用在設計方面或把線路做成無形的或可折迭的東西，那就跟傳統(tǒng)的硬式基材有很大的不同。

柔性電子采用卷到卷印刷工藝，并且在材料的使用上也可避免像光刻技術浪費95%以上材料的問題，而采用印刷方式印制上去的面積則等同于使用的面積，其使用率在90%以上，以長期發(fā)展角度來看，印刷方式會比傳統(tǒng)光刻技術的成本低很多；硅CMOS晶元一般造價為每平方厘米10美元，復合半導體甚至更貴，柔性電子實現(xiàn)的理想造價為每平方厘米0.1美元，從造價就可以看出柔性電子的巨大優(yōu)勢。

（3）投資角度

 傳統(tǒng)的半導體廠動不動就要數十億甚至上百億的投資，但柔性電子印刷的方式就像傳統(tǒng)的印刷，只要投資數千萬就可把基本的規(guī)模建立起來。要強調的是印刷所要用的油墨跟傳統(tǒng)的印刷不一樣，需要特別研制，開發(fā)初期成本由于量少也比較高，但批量生產后成本就會變得較低廉了。

柔性電子的應用

  伴隨著柔性電子技術的發(fā)展，各種電子產品應運而生。正如微電子技術為大規(guī)模集成電路和計算機芯片技術提供技術平臺一樣，柔性電子技術為新產品的研發(fā)提供了嶄新的的技術平臺。柔性電子產品目前正處于研發(fā)起步階段，部分產品已經投放市場。從現(xiàn)在的研發(fā)趨勢來看，柔性電子技術在以下幾個方面有著廣泛的應用。

1、柔性電子顯示器

  柔性電子顯示器（flexible electronic display）是在柔性電子技術平臺上研發(fā)出來的全新產品。與傳統(tǒng)平板顯示器不同，這種顯示器能夠被反復的彎曲和折疊，因而給我們的生活帶來極大的便利。 

  例如，所有可視資料，包括各種書籍、報紙、雜志和視頻文件都可以通過這種顯示器來呈現(xiàn)，而且可以隨時隨地觀看。盡管諸如MP4播放器和個人數字助理器（personal digital assistant，PDA）也能滿足這樣的使用需要，但其顯示屏不能彎曲和折疊，只能在很小的屏幕范圍內閱讀和觀看這些文字和視頻，視覺效果受到極大的制約。相比而言，柔性電子顯示器具有無可比擬的優(yōu)勢，它就像報紙一樣，在需要時將其展開，使用完畢后將其卷曲甚至折疊，在保證攜帶方便的同時充分的兼顧了視覺效果。

2、柔性電子在RFID領域的應用

  射頻識別（RFID）技術以無需人工接觸即可完成信息輸入和處理、操作快捷方便、發(fā)展迅速等特點，廣泛運用于生產、物流、交通、醫(yī)療、食品和防偽等領域。射頻識別系統(tǒng)通常由應答器、閱讀器組成。

  電子標簽的構造形式朝著輕、薄、小和軟的方向發(fā)展。在這方面，柔性電子器件有著別的材料無法比擬的優(yōu)勢，因此，射頻識別系統(tǒng)電子標簽未來的發(fā)展很可能會與柔性電子制造相結合，使得RFID電子標簽的使用更加廣泛和方便。另外，還可以很大程度上降低成本，帶來更高的效益。這也是柔性電子制造將來的發(fā)展方向之一。 

  例如，現(xiàn)在已經能夠生產的柔性電路板，是一種含有精致導線，采用薄薄的、柔順的聚合物薄膜制造的電路，它能夠適用表面安裝技術并能夠被彎曲為無數種所需形狀。

  采用SMT技術的柔性電路很薄、很輕巧，絕緣厚度小于25微米，這種柔性電路能夠被任意彎曲并且可以彎曲后放入圓柱體中，以充分利用三維體積。

  它打破了傳統(tǒng)固有使用面積的思維定勢，從而形成充分利用體積形狀的能力，這能夠在目前的采用的方法上極 大的增加有效使用密度，形成高密度組裝形式。順應了電子產品“柔性化”的發(fā)展趨勢。 

 另一方面，能夠加速射頻識別技術在我國的被認識和發(fā)展的過程。射頻識別系統(tǒng)中，應答器是技術關鍵所在。電子標簽是RFID應答器諸多形式中的一種，而柔性化的電子標簽更是適用于更多場合，電子標簽成本的降低將大力推動射頻識別技術的真正廣泛應用。

  薄膜太陽能電池板（thin film solar cell）是柔性電子技術的另一項具體應用。在當今世界里，能源已成為全球高度關注的話題，而我國不僅面臨能源短缺，還面臨環(huán)境污染。太陽能作為一種清潔能源，可以在環(huán)境零污染的前提下有效的緩解能源短缺的矛盾。 

  作為最常用的利用太陽能的方式，太陽能電池板能夠以最低的成本覆蓋較大的面積從而有效的利用太陽能。目前，非晶硅薄膜太陽能電池板已經研發(fā)成功并進入市場銷售。

  基于柔性電子技術的薄膜太陽能電池板能夠滿足大功率的發(fā)電需要，比如可以在陽光充足的沙漠地區(qū)的太陽能發(fā)電廠里使用這種薄膜太陽能電池板。 

  除此以外，還可以充分利用其柔韌和輕質的特點，將其集成在衣服上。穿上這種衣服在陽光下行走或運動，隨身攜帶的小電器（如MP3播放器和筆記本電腦）的電源就 可由衣服上的薄膜太陽能電池板供給，從而達到既節(jié)約又環(huán)保的目的。

4、電子皮膚

  柔性電子技術的另一項重要應用就是電子皮膚（electronic skin）。電子皮膚又稱為皮膚狀電子，其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電路板，像皮膚一樣具有很高的柔韌性和彈性，可以用于許多其它電器設備。

  例如，在機器人技術中可以廣泛的應用電子皮膚：電子皮膚集成了各種傳感器和導電體，將外界的受力或受熱情況轉換為電信號后傳遞給機器人的電腦進行信號處理， 因此電子皮膚又稱敏感皮膚（sensitive skin）。 

   目前，國內外對電子皮膚的研究方興未艾。針對機器人皮膚的重要電子元器件——傳感器，國內在其原理及應用研究方面取得了一定進展?；诩t外傳感器的電子皮膚的設計方法，提高了機器人對未知環(huán)境的感知能力以便及時避讓障礙物。

  在醫(yī)療領域中，“電子皮膚”技術也得到了相應的應用。據麥姆斯咨詢報道，醫(yī)療保健領域最早采用該項技術，集成了柔性傳感器的技術是遠程監(jiān)測和跟蹤患者康復系統(tǒng)的組成部分。這種新型柔性傳感器已被證實可通過良好的柔性與監(jiān)測效果，改善患者的治療狀況，從而得到更快速有效的康復。在醫(yī)療領域，由于人體溫度的重要性以及其與人體各種病變的密切關系，人體溫度是生理學的基礎指標。長期實時監(jiān)測體溫在臨床醫(yī)學中具有重要意義，特別是對跟蹤新生嬰兒或處于麻醉情況下的患者，其醫(yī)療保健質量而言。

 

   在傳統(tǒng)情況下，人體體溫是通過水銀溫度計測得的腋窩溫度。但是，這種方法不適用于不能保持靜止的嬰兒或患者。當前用于快速無創(chuàng)地測量體溫的一種方法是基于非接觸式的紅外測溫儀。但是，這樣的設備成本高，并且不能準確地監(jiān)視局部溫度。因此，靈活、可穿戴的溫度監(jiān)測設備是一種可行且實用的解決方案。

   表皮溫度傳感器可以貼合在皮膚上，并且將環(huán)境的影響最小化，精確地測量體溫。基于表皮電子學的概念和柔性電子技術，現(xiàn)已開發(fā)出部分可穿戴溫度傳感器，這些傳感器有望在疾病診斷和人類保健中發(fā)揮重要作用。

  除了機器人，在人造器官中也可以應用電子皮膚，例如治療心臟病所用的人造心臟，當然這對電子皮膚的材料提出了更苛刻的要求?？傊?，電子皮膚充分發(fā)揮了柔性電子系統(tǒng)結構輕質、柔韌的特點，具有廣泛的應用前景。

  伴隨著柔性電子技術的發(fā)展，各種電子產品應運而生。正如微電子技術為大規(guī)模集成電路和計算機芯片技術提供技術平臺一樣，柔性電子技術為新產品的研發(fā)提供了嶄新的技術平臺。

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