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折叠屏手机、柔性芯片......柔性电子技术未来大有可为

更新时间:2020-06-22 08:58:01点击次数:203154次字号:T|T
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。其又称为塑料电子、印刷电子、有机电子以及聚合体电子等;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。由于其独特的柔性和延展性,柔性电子技术在很多方面有着广阔的应用前景。



   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。其又称为塑料电子、印刷电子、有机电子以及聚合体电子等;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。由于其独特的柔性和延展性,柔性电子技术在很多方面有着广阔的应用前景。


发展中的柔性电子技术


   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、医疗和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、印刷射频识别(RFID)、薄膜太阳能电池板、电子报纸以及电子皮肤(SkinPatches)/人工肌肉等。而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-andNanopatterning)制造,涉及机械、材料、物理、化学和电子等多学科交叉研究。



   除此之外它整合电子电路、电子组件、材料、平面显示和纳米技术等领域技术外,同时横跨半导体、封测、材料、化工、印刷电路板及以显示面板等产业,可协助传统产业,如塑料、印刷、化工和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。


  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。




   据介绍,柔性电子概念最早可追溯至对有机电子学的研究,大约起步于上世纪60年代,当时科研人员试图用有机半导体替代硅等无机半导体,从而使有机电子器件具备柔性特点。

 

   柔性电子技术是一场全新的电子技术革命,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、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而获得2000年诺贝尔化学奖。




  “现在柔性电子技术仍处于起步阶段,研发人员很多时候在尝试,试图突破传统思路,创造新的领域和产业。”清华大学柔性电子技术研究中心主任冯雪说。 

  不难想象,作为一个新兴领域,目前柔性电子技术的研发过程仍充满重重挑战。


柔性电子与传统电子的区别



  目前电子产业基本上都是属于传统的半导体产业,制造用到的设备相当庞大,且费用高昂,制造效率低;整个柔性电子的概念是希望能够把传统半导体产品、组件及线路用印刷的方式来替代。主要从三方面来看柔性电子与传统电子电路不同之处:

(1)应用前景

一旦将很柔软的基材应用在设计方面或把线路做成无形的或可折迭的东西,那就跟传统的硬式基材有很大的不同。

(2)制造成本

柔性电子采用卷到卷印刷工艺,并且在材料的使用上也可避免像光刻技术浪费95%以上材料的问题,而采用印刷方式印制上去的面积则等同于使用的面积,其使用率在90%以上,以长期发展角度来看,印刷方式会比传统光刻技术的成本低很多;硅CMOS晶元一般造价为每平方厘米10美元,复合半导体甚至更贵,柔性电子实现的理想造价为每平方厘米0.1美元,从造价就可以看出柔性电子的巨大优势。





(3)投资角度

 传统的半导体厂动不动就要数十亿甚至上百亿的投资,但柔性电子印刷的方式就像传统的印刷,只要投资数千万就可把基本的规模建立起来。要强调的是印刷所要用的油墨跟传统的印刷不一样,需要特别研制,开发初期成本由于量少也比较高,但批量生产后成本就会变得较低廉了。



柔性电子的应用


  伴随着柔性电子技术的发展,各种电子产品应运而生。正如微电子技术为大规模集成电路和计算机芯片技术提供技术平台一样,柔性电子技术为新产品的研发提供了崭新的的技术平台。柔性电子产品目前正处于研发起步阶段,部分产品已经投放市场。从现在的研发趋势来看,柔性电子技术在以下几个方面有着广泛的应用。




1、柔性电子显示器


  柔性电子显示器(flexible electronic display)是在柔性电子技术平台上研发出来的全新产品。与传统平板显示器不同,这种显示器能够被反复的弯曲和折叠,因而给我们的生活带来极大的便利。 


  例如,所有可视资料,包括各种书籍、报纸、杂志和视频文件都可以通过这种显示器来呈现,而且可以随时随地观看。尽管诸如MP4播放器和个人数字助理器(personal digital assistant,PDA)也能满足这样的使用需要,但其显示屏不能弯曲和折叠,只能在很小的屏幕范围内阅读和观看这些文字和视频,视觉效果受到极大的制约。相比而言,柔性电子显示器具有无可比拟的优势,它就像报纸一样,在需要时将其展开,使用完毕后将其卷曲甚至折叠,在保证携带方便的同时充分的兼顾了视觉效果。





2、柔性电子在RFID领域的应用


  射频识别(RFID)技术以无需人工接触即可完成信息输入和处理、操作快捷方便、发展迅速等特点,广泛运用于生产、物流、交通、医疗、食品和防伪等领域。射频识别系统通常由应答器、阅读器组成。





  电子标签的构造形式朝着轻、薄、小和软的方向发展。在这方面,柔性电子器件有着别的材料无法比拟的优势,因此,射频识别系统电子标签未来的发展很可能会与柔性电子制造相结合,使得RFID电子标签的使用更加广泛和方便。另外,还可以很大程度上降低成本,带来更高的效益。这也是柔性电子制造将来的发展方向之一。 


  例如,现在已经能够生产的柔性电路板,是一种含有精致导线,采用薄薄的、柔顺的聚合物薄膜制造的电路,它能够适用表面安装技术并能够被弯曲为无数种所需形状。


  采用SMT技术的柔性电路很薄、很轻巧,绝缘厚度小于25微米,这种柔性电路能够被任意弯曲并且可以弯曲后放入圆柱体中,以充分利用三维体积。





  它打破了传统固有使用面积的思维定势,从而形成充分利用体积形状的能力,这能够在目前的采用的方法上极 大的增加有效使用密度,形成高密度组装形式。顺应了电子产品“柔性化”的发展趋势。 


 另一方面,能够加速射频识别技术在我国的被认识和发展的过程。射频识别系统中,应答器是技术关键所在。电子标签是RFID应答器诸多形式中的一种,而柔性化的电子标签更是适用于更多场合,电子标签成本的降低将大力推动射频识别技术的真正广泛应用。


3、薄膜太阳能电池板



  薄膜太阳能电池板(thin film solar cell)是柔性电子技术的另一项具体应用。在当今世界里,能源已成为全球高度关注的话题,而我国不仅面临能源短缺,还面临环境污染。太阳能作为一种清洁能源,可以在环境零污染的前提下有效的缓解能源短缺的矛盾。 


  作为最常用的利用太阳能的方式,太阳能电池板能够以最低的成本覆盖较大的面积从而有效的利用太阳能。目前,非晶硅薄膜太阳能电池板已经研发成功并进入市场销售。

 

  基于柔性电子技术的薄膜太阳能电池板能够满足大功率的发电需要,比如可以在阳光充足的沙漠地区的太阳能发电厂里使用这种薄膜太阳能电池板。 


  除此以外,还可以充分利用其柔韧和轻质的特点,将其集成在衣服上。穿上这种衣服在阳光下行走或运动,随身携带的小电器(如MP3播放器和笔记本电脑)的电源就 可由衣服上的薄膜太阳能电池板供给,从而达到既节约又环保的目的。





4、电子皮肤


  柔性电子技术的另一项重要应用就是电子皮肤(electronic skin)。电子皮肤又称为皮肤状电子,其基本特征是将各种电子元器件集成在柔性基板之上从而形成皮肤状的电路板,像皮肤一样具有很高的柔韧性和弹性,可以用于许多其它电器设备。


  例如,在机器人技术中可以广泛的应用电子皮肤:电子皮肤集成了各种传感器和导电体,将外界的受力或受热情况转换为电信号后传递给机器人的电脑进行信号处理, 因此电子皮肤又称敏感皮肤(sensitive skin)。 




   目前,国内外对电子皮肤的研究方兴未艾。针对机器人皮肤的重要电子元器件——传感器,国内在其原理及应用研究方面取得了一定进展。基于红外传感器的电子皮肤的设计方法,提高了机器人对未知环境的感知能力以便及时避让障碍物。


  在医疗领域中,“子皮”技术也得到了相应的应用。据麦姆斯咨询报道,医疗保健领域最早采用该项技术,集成了柔性传感器的技术是远程监测和跟踪患者康复系统的组成部分。这种新型柔性传感器已被证实可通过良好的柔性与监测效果,改善患者的治疗状况,从而得到更快速有效的康复。在医疗领域,由于人体温度的重要性以及其与人体各种病变的密切关系,人体温度是生理学的基础指标。长期实时监测体温在临床医学中具有重要意义,特别是对跟踪新生婴儿或处于麻醉情况下的患者,其医疗保健质量而言。




△疫情期间国内某公司研发的可穿戴测温贴,柔软贴合皮肤

 

   在传统情况下,人体体温是通过水银温度计测得的腋窝温度。但是,这种方法不适用于不能保持静止的婴儿或患者。当前用于快速无创地测量体温的一种方法是基于非接触式的红外测温仪。但是,这样的设备成本高,并且不能准确地监视局部温度。因此,灵活、可穿戴的温度监测设备是一种可行且实用的解决方案。


   表皮温度传感器可以贴合在皮肤上,并且将环境的影响最小化,精确地测量体温。基于表皮电子学的概念和柔性电子技术,现已开发出部分可穿戴温度传感器,这些传感器有望在疾病诊断和人类保健中发挥重要作用。



  除了机器人,在人造器官中也可以应用电子皮肤,例如治疗心脏病所用的人造心脏,当然这对电子皮肤的材料提出了更苛刻的要求。总之,电子皮肤充分发挥了柔性电子系统结构轻质、柔韧的特点,具有广泛的应用前景。


  伴随着柔性电子技术的发展,各种电子产品应运而生。正如微电子技术为大规模集成电路和计算机芯片技术提供技术平台一样,柔性电子技术为新产品的研发提供了崭新的技术平台。

 

资料来源:中国新闻网、科技日报、龙城科普、荷清柔电、百度信息、微信信息
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