革命性的电子技术——柔性电子

革命性的电子技术——柔性电子

本文由传感器技术（ID:WW_CGQJS）授权转载柔性电子技术是一门新兴的科学技术。建立在柔性和可延性基板之上的新兴电子技术通称为柔性电子技术。由于其独特的柔性和延展性，柔性电子系统在很多方面有着广阔的应用前景。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、科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。

柔性电子与传统电子制造的区别

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10＄/cm2，复合半导体甚至更贵，柔性电子实现的理想造

（3）价为0.1＄/cm2，从造价就可以看出柔性电子的巨大优势。

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。

柔性电子系统的结构和材料

柔性电子技术虽然可应用于不同领域，但是其基本结构相似，至少包含以下4个部分：电子元器件、柔性基板fflexible substrate)、交联导电体finterconnect)和黏合层。柔性电子系统结构以下分别介绍柔性电子系统结构的4个主要部分。1、电子元器件电子元器件是柔性电子产品的基本组成部分，包括电子技术中常用的薄膜晶体管、传感器(sensor)等。这些电子元器件与传统电子技术的元器件没有本质差别，部分元器件采用无机半导体材料(如硅)，由于其材质较脆，在变形过程中易于发生脆断，所以它们通常不直接分布在电路板上，而是先安放在刚性的微胞元岛(cell island)上，然后承载元器件的微胞元岛再分布在柔性基板上，这样做的好处在于有利于保护电子元器件，避免其在弯曲过程中损坏。当然，有些

电子元器件也可以直接分布在柔性基板上，例如部分薄膜晶体管，由于自身特性，可以直接承受一定的应变而不影响其功能。与传统微电子技术相比，在柔性电子技术中，有机电子元器件的使用是一个显著的特点，其中有机薄膜晶体管forganic thin film tran—sistor，OTFT)占据着十分重要的地位，有机材料的使用为减小元器件重量和厚度，提高其柔韧性和延展性创造了条件。2 、柔性基板柔性基板是柔性电子技术不同于传统电子技术的最突出的地方。它具有传统刚性基板的共同特点，首先就是绝缘性：绝缘的柔性基板保证电子设备在使用过程中不至于漏电，既确保其能正常工作，又能保证其使用的安全性。其次是较高的强度：无论在哪种电子技术下，基板所起的作用相当于骨架的作用，没有较高的强度做保障，就不能保证其正常使用。再次就是廉价性：基板材料是电路中使用最多的材料之一，只有使用价格低廉的材料才能有效的降低电子产品的成本。除了上述基板的共同特点以外，柔性基板还有其自身独有的特性。首先是柔韧性：柔性电子系统的柔韧性主要通过基板表现出来，对柔韧性要求不同的产品可使用不同材质的基板；例如，电子皮肤通常采用柔性非常强的硅有机树脂(Si1icone)，而柔性电子显示器对柔性的要求较电子皮肤弱，多采用聚对苯二甲酸乙二醇酯材料(PET)俗称聚脂。其次是薄膜性：虽然称为基板，但其在尺寸上已不再是“板”，而是薄膜；柔性电子系统的基板通

常在1mm 左右，既降低了材料的成本，又减轻了产品的重量．鉴于上述考虑，柔性基板采用高分子聚合物是理想的选择．目前可供选择的柔性基板材料包括杜邦公司的Kapton 聚酰亚胺(Polyimide，PI)薄膜材料，聚二甲基硅氧烷，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等等，它们都能够很好的满足绝缘性、柔韧性以及强度要求。3、交联导电体电子元器件先分布在刚性的微胞元岛上，许多个这样的微胞元岛再分布于柔性基板之上，这些微胞元岛并不独立存在，它们由交联导电体连接，从而组成一个完整的柔性电路，也就是说交联导电体在柔性电子系统中起到了电线的作用。交联导电体以金属薄膜的形式附着在柔性基板上。4 黏合层柔性电子系统各种组成部分的结合需要黏合层，而黏合层对交联导电体和柔性基板的结合尤其重要。柔性电子系统的黏合层应具有以下特性：(1)耐热性．柔性电子产品在装配和使用过程中，不可避免的要经历高于常温的环境，一定的耐热性是必要的。(2)结合力。由于柔性电子产品在使用过程中要不断的经受拉压弯曲变形，而经黏合层连接的两个薄层通常具有不同的力学性能，如果结合力不够大，必然导致两个薄层的相对滑动甚至剥离。(3)弯曲能力。黏合层本身是柔性电子系统结构的一个组成部分，其自身的弯曲能力对整个结构的弯曲能力具有重要影响。目前柔性电路中常用的黏合层材料主要有丙烯酸树脂和环氧树脂。5 、覆盖层覆盖层(又称封装层)主要保护