折疊屏手機(jī)、柔性芯片......柔性電子技術(shù)未來(lái)大有可為

   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。其又稱為塑料電子、印刷電子、有機(jī)電子以及聚合體電子等；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)。由于其獨(dú)特的柔性和延展性，柔性電子技術(shù)在很多方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)展中的柔性電子技術(shù)

   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)療和國(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、印刷射頻識(shí)別（RFID）、薄膜太陽(yáng)能電池板、電子報(bào)紙以及電子皮膚（SkinPatches）/人工肌肉等。而柔性電子制造的關(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-andNanopatterning）制造，涉及機(jī)械、材料、物理、化學(xué)和電子等多學(xué)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(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、印刷電路板及以顯示面板等產(chǎn)業(yè)，可協(xié)助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如塑料、印刷、化工和金屬材料等產(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。

  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。

   據(jù)介紹，柔性電子概念最早可追溯至對(duì)有機(jī)電子學(xué)的研究，大約起步于上世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)科研人員試圖用有機(jī)半導(dǎo)體替代硅等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，從而使有機(jī)電子器件具備柔性特點(diǎn)。

   柔性電子技術(shù)是一場(chǎng)全新的電子技術(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、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)性工作而獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

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

  不難想象，作為一個(gè)新興領(lǐng)域，目前柔性電子技術(shù)的研發(fā)過(guò)程仍充滿重重挑戰(zhàn)。

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

（1）應(yīng)用前景

一旦將很柔軟的基材應(yīng)用在設(shè)計(jì)方面或把線路做成無(wú)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(shù)浪費(fèi)95%以上材料的問(wèn)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(zhǎng)期發(fā)展角度來(lái)看，印刷方式會(huì)比傳統(tǒng)光刻技術(shù)的成本低很多；硅CMOS晶元一般造價(jià)為每平方厘米10美元，復(fù)合半導(dǎo)體甚至更貴，柔性電子實(shí)現(xiàn)的理想造價(jià)為每平方厘米0.1美元，從造價(jià)就可以看出柔性電子的巨大優(yōu)勢(shì)。

（3）投資角度

 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體廠動(dòng)不動(dòng)就要數(shù)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(shù)千萬(wàn)就可把基本的規(guī)模建立起來(lái)。要強(qiáng)調(diào)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(kāi)發(fā)初期成本由于量少也比較高，但批量生產(chǎn)后成本就會(huì)變得較低廉了。

柔性電子的應(yīng)用

  伴隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。正如微電子技術(shù)為大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)提供技術(shù)平臺(tái)一樣，柔性電子技術(shù)為新產(chǎn)品的研發(fā)提供了嶄新的的技術(shù)平臺(tái)。柔性電子產(chǎn)品目前正處于研發(fā)起步階段，部分產(chǎn)品已經(jīng)投放市場(chǎng)。從現(xiàn)在的研發(fā)趨勢(shì)來(lái)看，柔性電子技術(shù)在以下幾個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)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(shù)平臺(tái)上研發(fā)出來(lái)的全新產(chǎn)品。與傳統(tǒng)平板顯示器不同，這種顯示器能夠被反復(fù)的彎曲和折疊，因而給我們的生活帶來(lái)極大的便利。 

  例如，所有可視資料，包括各種書(shū)籍、報(bào)紙、雜志和視頻文件都可以通過(guò)這種顯示器來(lái)呈現(xiàn)，而且可以隨時(shí)隨地觀看。盡管諸如MP4播放器和個(gè)人數(shù)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(nèi)閱讀和觀看這些文字和視頻，視覺(jué)效果受到極大的制約。相比而言，柔性電子顯示器具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，它就像報(bào)紙一樣，在需要時(shí)將其展開(kāi)，使用完畢后將其卷曲甚至折疊，在保證攜帶方便的同時(shí)充分的兼顧了視覺(jué)效果。

2、柔性電子在RFID領(lǐng)域的應(yīng)用

  射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)以無(wú)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(diǎn)，廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)、物流、交通、醫(yī)療、食品和防偽等領(lǐng)域。射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由應(yīng)答器、閱讀器組成。

  電子標(biāo)簽的構(gòu)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，因此，射頻識(shí)別系統(tǒng)電子標(biāo)簽未來(lái)的發(fā)展很可能會(huì)與柔性電子制造相結(jié)合，使得RFID電子標(biāo)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(lái)更高的效益。這也是柔性電子制造將來(lái)的發(fā)展方向之一。 

  例如，現(xiàn)在已經(jīng)能夠生產(chǎn)的柔性電路板，是一種含有精致導(dǎo)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(shù)并能夠被彎曲為無(wú)數(shù)種所需形狀。

  采用SMT技術(shù)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(shì)，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(yīng)了電子產(chǎn)品“柔性化”的發(fā)展趨勢(shì)。 

 另一方面，能夠加速射頻識(shí)別技術(shù)在我國(guó)的被認(rèn)識(shí)和發(fā)展的過(guò)程。射頻識(shí)別系統(tǒng)中，應(yīng)答器是技術(shù)關(guān)鍵所在。電子標(biāo)簽是RFID應(yīng)答器諸多形式中的一種，而柔性化的電子標(biāo)簽更是適用于更多場(chǎng)合，電子標(biāo)簽成本的降低將大力推動(dòng)射頻識(shí)別技術(shù)的真正廣泛應(yīng)用。

  薄膜太陽(yáng)能電池板（thin film solar cell）是柔性電子技術(shù)的另一項(xiàng)具體應(yīng)用。在當(dāng)今世界里，能源已成為全球高度關(guān)注的話題，而我國(guó)不僅面臨能源短缺，還面臨環(huán)境污染。太陽(yáng)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(yáng)能的方式，太陽(yáng)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(yáng)能。目前，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池板已經(jīng)研發(fā)成功并進(jìn)入市場(chǎng)銷售。

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

  除此以外，還可以充分利用其柔韌和輕質(zhì)的特點(diǎn)，將其集成在衣服上。穿上這種衣服在陽(yáng)光下行走或運(yùn)動(dòng)，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(yáng)能電池板供給，從而達(dá)到既節(jié)約又環(huán)保的目的。

4、電子皮膚

  柔性電子技術(shù)的另一項(xiàng)重要應(yīng)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(shè)備。

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

   目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電子皮膚的研究方興未艾。針對(duì)機(jī)器人皮膚的重要電子元器件——傳感器，國(guó)內(nèi)在其原理及應(yīng)用研究方面取得了一定進(jìn)展?；诩t外傳感器的電子皮膚的設(shè)計(jì)方法，提高了機(jī)器人對(duì)未知環(huán)境的感知能力以便及時(shí)避讓障礙物。

  在醫(yī)療領(lǐng)域中，“電子皮膚”技術(shù)也得到了相應(yīng)的應(yīng)用。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，醫(yī)療保健領(lǐng)域最早采用該項(xiàng)技術(shù)，集成了柔性傳感器的技術(shù)是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和跟蹤患者康復(fù)系統(tǒng)的組成部分。這種新型柔性傳感器已被證實(shí)可通過(guò)良好的柔性與監(jiān)測(cè)效果，改善患者的治療狀況，從而得到更快速有效的康復(fù)。在醫(yī)療領(lǐng)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(guān)系，人體溫度是生理學(xué)的基礎(chǔ)指標(biāo)。長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體溫在臨床醫(yī)學(xué)中具有重要意義，特別是對(duì)跟蹤新生嬰兒或處于麻醉情況下的患者，其醫(yī)療保健質(zhì)量而言。

 

   在傳統(tǒng)情況下，人體體溫是通過(guò)水銀溫度計(jì)測(cè)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(dāng)前用于快速無(wú)創(chuàng)地測(cè)量體溫的一種方法是基于非接觸式的紅外測(cè)溫儀。但是，這樣的設(shè)備成本高，并且不能準(zhǔn)確地監(jiān)視局部溫度。因此，靈活、可穿戴的溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備是一種可行且實(shí)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(cè)量體溫?；诒砥る娮訉W(xué)的概念和柔性電子技術(shù)，現(xiàn)已開(kāi)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(jī)器人，在人造器官中也可以應(yīng)用電子皮膚，例如治療心臟病所用的人造心臟，當(dāng)然這對(duì)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(jié)構(gòu)輕質(zhì)、柔韌的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

  伴隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。正如微電子技術(shù)為大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)芯片技術(shù)提供技術(shù)平臺(tái)一樣，柔性電子技術(shù)為新產(chǎn)品的研發(fā)提供了嶄新的技術(shù)平臺(tái)。

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