互动科普

图1.1 柔性电子的典型应用

柔性电子是将有机/无机薄膜电子器件制作在柔性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术。

柔性电子（flexible electronics）技术是当今最令人激动和最有前景的信息技术（information technology，IT）之一，受到学术界和工业界的广泛关注。柔性电子技术目前处于起步阶段，还没有统一的定义，不同领域的定义和内涵也不尽相同。

柔性电子是建立在可弯曲或可延展基板（塑料基板、金属薄板、玻璃薄板、橡胶基板等）上的新兴电子技术，即将主动/被动的有机/无机电子器件制作在柔性基板（flexible substrate）上的技术及其应用，要求柔性电子产品在弯曲、卷曲、压缩或拉伸状态下仍能正常运行。

从制造工艺方面考虑，采用印制工艺，如喷墨打印（inkjet printing）、丝网印刷（screen printing）、纳米压印（nanoimprint）或软刻蚀（soft lithography）等工艺，在柔性基板上制备电子电路，称为印制电子；从功能材料方面考虑，采用塑料、有机材料和聚合物作为功能层制备电子器件，称为塑料电子（plastic electronics）、有机电子（organic electronics）或聚合物电子；从产品尺寸方面考虑，在柔性基板上制作面积较大的电子器件，如显示器、传感器等，则称为宏电子（macro electronics）或大面积电子等。尽管目前还没有统一明确定义，但是随着电子科技的不断进步与完善，对电子产品越来越强调人性化、移动化，轻、薄、短、小已成为发展趋势。柔性电子产品更省电、更便宜、更多样化，而且操作简单、容易携带，更符合人体工程学设计。

自1962年首次在半导体（semiconductor）上制作晶体管开始，微电子技术主宰了过去50年电子工业的发展，成为通信和网络技术的核心，在国民经济、国防建设等领域中发挥着重要的作用。微电子技术以减小功能元器件特征尺寸、提高集成度为主要驱动力，达到增加运行速度和计算能力、降低操作电压的目的。传统微电子采用较硬的硅基板或平面玻璃，产品形状固定而坚硬，虽然有利于保护电子元器件，使其在使用中不会轻易损坏，但不可避免地制约了产品的延展性、柔韧性以及产品开发的灵活性和应用范围。

20世纪60年代开始对有机材料电学性能进行研究，20世纪70年代以来，光导有机材料、导电聚合物、共轭半导体聚合物等的相继发现，极大地促进了有机/柔性电子的发展。低成本产品是电子领域发展的主要驱动力，要求低成本材料、低成本工艺、高生产率制造，如卷到卷（roll-to-roll，R2R）制造平台，集成了真空沉积、光刻（lithography）和印制等工艺平台。

柔性电子不仅注重于集成度和性能的提高，而且注重向超轻、超薄、耐摔、耐冲击、可以折叠、挠曲以及形状不规则等方向发展，构造分布式主动系统，将开创许多新的电子应用领域。

柔性电子与微电子的主要区别如下：

1.实现目标不一样，柔性电子以柔性基板取代传统的刚性基板，在满足一定集成度和性能的同时，实现可卷曲折叠、轻质、透明、大面积分布式的电子系统；

2.采用不同的材料，柔性电子大量采用有机功能材料、纳米功能材料，在采用硅、金属等材料时需要进行特殊结构设计，以满足大变形能力的要求；

3.采用不同的制造工艺，柔性电子更倾向于大规模采用溶液化工艺，与大面积快速印制和R2R制造兼容，极大提高了制造效率,降低了制造成本。如果采用传统的光刻工艺，还需要转印（transfer printing）工艺将制备好的器件或结构转移到柔性基板上。

柔性电子涉及新的材料及制造技术，产生了柔性通信、柔性显示、柔性医疗、柔性传感和柔性能源等新的应用，如图1-1所示，被视为下一代电子技术平台：①大面积的应用，包括柔性显示器（flexible display）、柔性扫描仪、电子纸、盲人阅读设备、飞机的智能蒙皮等；②优异变形性能的应用，如仪表化人造生物假体、柔性电池（flexible cell）、太空膨胀结构的电子系统、柔性照明、仿生电子眼、柔性传感器（flexible sensor）和驱动器等；③多功能集成应用，实现同一平面上集成多个功能，如生物体内传感器，需要集成应变、应力、温度等传感器，并要求实现自供电等。柔性电子能够做什么，应该做什么？这些仍是现阶段值得研究的课题。

图1.2 微电子和柔性电子产品大面积使用的价格评估

从商业角度而言，与传统由光学微影所支配的半导体产业相比，这些新兴的柔性电子器件可采用更便宜的制造工艺方法，柔性电子与传统微电子的比较如表1-1所示。

表1.1 柔性电子与常规电子比较

硅互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）晶元一般造价为10＄/cm²，复合半导体甚至更贵。如果一个子系统中需要使用非常多的晶片，其成本将非常高。柔性电子与微电子的区别在于：①商业应用层面，将柔软的基材融入电子设计，可以开辟全新的应用市场；②工艺成本层面，印刷工艺可像海报一样快速印制，避免光刻工艺，节约材料，印刷方式会比光刻工艺的成本低很多；③从投资角度层面，柔性电子制造装备投资远低于硅基半导体。传统的半导体厂要数十亿甚至上百亿的投资，但印刷的方式只要投资数千万就可把基本的规模生产能力建立起来。有关微电子和柔性电子大范围使用的价格评估如图1-2所示。例如，射频识别（radio frequency identification，RFID）标签在2006年是每片1美元，2008年是每片0.3美元，印制RFID价格因采用不同的基材，最高仅为0.1美元，最低为0.02美元。

柔性电子已经表现出巨大潜力和无限商机，据IDTechEx统计，2008年柔性电子的市场销售额高达15.8亿美元，预测至2018年为469.4亿美元，其应用范围将超过传统IC，至2028年为3010亿美元，相当于目前传统IC产业的两倍。

各国非常重视柔性电子研发。①美国较早开始研究柔性显示器，主要经费来源于军方，美国陆军与亚利桑那州立大学成立柔性显示器中心，在2006美国印刷电子产品会议上展出了柔性显示器，并在可绕性、非玻璃基板上开发世界第一个触摸屏有源矩阵显示器，第一次实现即时输入的柔性电子显示器。美国陆军ManTech计划近期实施了全彩柔性显示器，以满足陆军转型需要。②欧洲是以欧盟主导的大型计划（FP6 /FP7计划的ICT项目）投入为主，主要集中在有机显示材料、有机半导体、印刷工艺技术等方向。③日本整合产、官、学资源，成立先进移动显示材料技术研究协会，专注于卷对卷相关工艺与材料技术的研发。④韩国以三星电子公司、LG公司为主，重点为全方位产品整合技术，在柔性显示、柔性存储等方面发展迅速。⑤为确保在柔性电子领域的世界领先地位，2009年12月7日，英国商业、创新和技能部部长曼德尔森发表了题为Plastic Electronics:A UKStrategy for Success的柔性电子发展战略，阐述了英国在柔性电子领域的优势和未来的发展目标。⑥我国也非常重视柔性电子的发展，在科技部“十二五”规划中,973计划、863计划以及国家自然科学基金委的“十二五”规划都将柔性电子列为重要的研究内容，从基础研究、技术攻关和产业化等方面对柔性电子的功能材料、制造工艺、创新的产品应用等开展研究。

诸多跨国企业与研究机构致力于柔性电子技术的研发。IBM、飞利浦、LG、索尼、夏普、三星、通用显示器等公司投入了大量的人力和资金开发相关的产品，计划将柔性显示器普及到家庭和个人应用。据Engadget报道，三星在2012年推出弯曲的柔性显示屏，计划在2013或2014年对其实施量产。虽然目前的OLED（organic light-emitting diode）屏可实现超薄、弯曲特性，但是它只限于小型显示屏，未来真正使用到像OLED电视这样大型显示屏上还尚需时日。通用显示器公司研发的新一代柔性显示屏技术，最终提供视频、无线通信全套解决方案，现在已经被美国军方采用，将应用于显示地图、武器状态以及剩余燃料等信息。

柔性电子相对于微电子具有更加丰富的材料、结构与工艺研究内涵。聚合物实现了从绝缘体到半导体和导体演变，是形态跨度最大的物质，并可与旋涂、喷印、压印等溶液化工艺，以及R2R制造兼容，为柔性电子制造带来了巨大的机遇与挑战。随着学科交叉的加深，新的应用不断出现，在新型电子材料与结构、微纳制造工艺和设备等方面不断出现新的研究问题。柔性电子产品整合光、电、感测功能，可以集成显示、传感、能源，形成各种不同形状的电子产品，可以开创全新的应用。柔性电子技术整合电子电路、功能材料、微纳制造等领域技术，同时横跨半导体、封装、检测、材料、化工、印刷电路、显示面板等产业，可提升传统产业附加值。因此，柔性电子技术将为产业结构和人类生活带来革命性的变化。

本文由安静摘编自尹周平、黄永安编著《柔性电子制造：材料、器件与工艺》（科学出版社2016年1月 第1版）第1章部分内容，有删减。

978-7-03-043098-4

《柔性电子制造：材料、器件与工艺》针对柔性显示、能源、传感等新型电子器件高效高精制造需求，从材料、器件与工艺等方面系统介绍了柔性电子制造的前沿研究领域及其进展，主要内容包括：柔性电子的功能材料、柔性功能器件、柔性电子力学与表征、薄膜沉积与器件封装、微纳图案化工艺、卷到卷制造系统以及柔性电子技术应用与展望。