柔性電子

柔性電子（Flexible Electronics）是一種技術的通稱，是將有機/無機材料電子器件製作在柔性/可延性基板上的新興電子技術。相對於傳統電子，柔性電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應不同的工作環境，滿足設備的形變要求。但是相應的技術要求同樣制約了柔性電子的發展。首先，柔性電子在不損壞本身電子性能的基礎上的伸展性和彎曲性，對電路的製作材料提出了新的挑戰和要求；其次，柔性電子的製備條件以及組成電路的各種電子器件的性能相對於傳統的電子器件來說仍然不足，也是其發展的一大難題。

基本介紹

• 中文名：柔性電子
• 外文名：Flexible Electronics
• 類別：技術術語
• 版次：塑膠電子

簡介

概述

隨著電子設備的發展，柔性電子設備越來越受到大家的重視，這種設備是指在存在一定範圍的形變（彎曲、摺疊、扭轉、壓縮或拉伸）條件下仍可工作的電子設備。

定義

柔性電子可概括為是將有機/無機材料電子器件製作在柔性/可延性塑膠或薄金屬基板上的新興電子技術，以其獨特的柔性/延展性以及高效、低成本製造工藝，在信息、能源、醫療、國防等領域具有廣泛套用前景，如柔性電子顯示器、有機發光二極體OLED、印刷RFID、薄膜太陽能電池板、電子用表面貼上(Skin Patches)等。與傳統IC技術一樣，製造工藝和裝備也是柔性電子技術發展的主要驅動力。柔性電子製造技術水平指標包括晶片特徵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製造出特徵尺寸更小的柔性電子器件。

柔性電子領域

柔性電子涵蓋有機電子、塑膠電子、生物電子、納米電子、印刷電子等，包括RFID、柔性顯示、有機電致發光(OLED)顯示與照明、化學與生物感測器、柔性光伏、柔性邏輯與存儲、柔性電池、可穿戴設備等多種套用。隨著其快速的發展，涉及到的領域也進一步擴展，目前已經成為交叉學科中的研究熱點之一。

柔性電子器件的材料

1) 碳納米管

碳納米管（CNT）由於其高的本徵載流子遷移率，導電性和機械靈活性而成為用於柔性電子學的有前途的材料，既作為場效應電晶體（FET）中的溝道材料又作為透明電極。管狀碳基納米結構可以被構想成石墨烯捲成一個無縫的圓柱體，它們獨特的性質使其成為理想的候選材料。因為它們具有高的固有載流子遷移率和電導率，機械靈活性以及低成本生產的潛力。另一方面，薄膜基碳納米管設備為實現商業化提供了一條實用途徑。John A. Rogers與鮑哲楠教授分別發表了專題文章描述了基於CNT的柔性器件的處理和套用，回顧了柔性電子器件中碳納米管的最新進展。

基於碳納米管的柔性電子製造

2)氧化錫

氧化鋅是一種眾所周知的寬頻隙半導體材料（室溫下3.4 eV，晶體），它有很多套用，如透明導體，壓敏電阻，表面聲波，氣體感測器，壓電感測器和UV檢測器。並因為可能套用於薄膜電晶體方面正受到相當的關注。同時氧化鋅還具有相當良好的生物相容性，可降解性。E.Fortunato教授介紹了基於氧化鋅的新型薄膜電晶體所帶來的主要優勢，這些薄膜電晶體在下一代柔性電子器件中非常有前途。

除此之外，還有眾多的二維材料被套用於柔性電子領域，包括石墨烯、半導體氧化物，納米金等。2014年發表在chemical review和nature nanotechnology上的兩篇經典綜述詳盡闡述了二維材料在柔性電子的套用。

柔性電子製造方法

1) 轉移印刷

轉印是一系列用於將微米和納米材料確定性組裝成具有二維和三維布局的空間組織的功能性布置技術。John A. Rogers總結了各種轉移印刷技術的最新進展，從機械和材料方面，到在不同複雜程度的系統中使用它們的工程特點。並介紹了基礎和套用研究以及這些方法在高產量工業規模製造中的套用。

2)噴墨印刷

噴墨印刷，被稱為數字書寫技術，可以直接沉積功能性材料以在基材上形成圖案。黃永安教授的文章概述了用於柔性電子產品的噴墨列印技術。包括材料挑戰，工藝進展以及設備研究情況。

3) 纖維結構形成

除了常見的印刷以及經典的沉積方法，基於纖維結構的柔性電子器件製作方法也非常適合可穿戴電子產品，這些電子產品具有重量輕，持久，靈活和舒適的特點。陶小明教授討論了關於基於纖維結構的柔性電子器件當前材料的限制，製造技術，以及設備的限制，以及在廣泛推廣使用之前必須加以改進的科學理解。

纖維機構的柔性器件

意義

柔性電子技術有可能帶來一場電子技術革命，引起全世界的廣泛關注並得到了迅速發展。美國《科學》雜誌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、生物克隆技術等重大發現並列。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於他們在導電聚合物領域的開創性工作獲得2000年諾貝爾化學獎。

柔性電子技術是行業新興領域，它的出現不但整合電子電路、電子組件、材料、平面顯示、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、顯示面板等產業，可協助傳統產業，如塑膠、印刷、化工、金屬材料等產業的轉型。其在信息、能源、醫療、製造等各個領域的套用重要性日益凸顯，已成為世界多國和跨國企業競相發展的前沿技術。美國、歐盟、英國、日本等相繼制定了柔性電子發展戰略並投入大量科研經費，旨在未來的柔性電子研究和產業發展中搶占先機。

計畫與研究

西方已開發國家紛紛制定了針對柔性電子的重大研究計畫，如美國FDCASU計畫、日本TRADIM計畫、歐盟第七框架計畫中PolyApply和SHIFT計畫等，僅歐盟第七框架計畫就投入數十億歐元的研發經費，重點支持柔性顯示器、聚合物電子的材料/設計/製造/可靠性、柔性電子器件批量化製造等方面基礎研究。

在最近的10年間，康奈爾大學、普林斯頓大學、哈佛大學、西北大學、劍橋大學等國際著名大學都先後建立了柔性電子技術專門研究機構，對柔性電子的材料、器件與工藝技術進行了大量研究。柔性電子技術同樣引起了我國研究人員的高度關注與重視，在柔性電子有機材料製備、有機電子器件設計與套用等方面開展了大量的基礎研究工作，並取得了一定進展。中國科學院長春套用化學研究所、中國科學院化學研究所、中國科學技術大學、華南理工大學、清華大學、西安電子科技大學、天津大學、浙江大學、武漢大學、復旦大學、南京郵電大學、上海大學等單位在有機光電（高）分子材料和器件、發光與顯示、太陽能電池、場效應管、場發射、柔性電子表征和製備、平板顯示技術、半導體器件和微圖案加工等方面進行了頗有成效的研究。近年來，華中科技大學在RFID封裝和卷到卷製造、廈門大學在靜電紡絲等方面取得了研究進展。