在“硬质”世界里，柔性电子技术大有可为
折叠屏手机已上市，柔性芯片也来了，马斯克刚刚发布的脑机接口系统，让可植入大脑的超细柔性电极火了一把。尽管如此，在以“硬质”为主导的电子世界里，柔性电子技术才刚刚起步。
日前，第二届柔性电子国际学术大会（ICFE 2019）在杭州举行。会议期间，中国科技新闻学会和光明网还联合举办了以柔性电子技术为主题的第二期“科学麻辣烫”科学沙龙活动。
科技日报记者采访了解到，方兴未艾的柔性电子技术，要实现与现有电子系统“刚柔并济”，还需要突破不少挑战。
力学与封装是两大难题
柔性屏幕、柔性芯片、柔性电极只是柔性电子技术的冰山一角。实际上，信息技术所涉及的传感、信息传输、信息处理、能源存储等多种环节都有望实现柔性化。
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。
“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。
清华大学材料学院副院长沈洋认为，整体而言，目前柔性电子技术主要面临两个挑战。“第一个挑战是力学问题，柔性电子元器件在反复折叠、弯曲时会不断承受交变应力，时间久了容易开裂、出问题，目前主要通过结构设计克服这个问题。”沈洋说，第二个挑战是电子封装问题，就是把在柔性基板上集成的部件严丝合缝地封装在一起，并实现预期功能。
南洋理工大学材料科学与工程学院教授陈晓东以柔性传感器举例说，一方面，现阶段还缺乏可靠的制备工艺实现大规模生产。另一方面，科学家仍在探索如何让柔性传感器与人体形成可靠的黏附界面层，并具备生物兼容性。此外，动态耐受性也是柔性传感器面临的重要考验，因为它常常需要在用户身体处于动态的情况下采集数据。
二维材料或是未来选择之一
在柔性电子器件的材料选择上，科研人员也在不断摸索。
沈洋介绍，美国西北大学教授约翰·罗杰斯是柔性电子领域的先驱之一，罗杰斯的研究证实，像硅这样原本又硬又脆的材料，在变得非常薄或尺度非常小之后，会具有一定柔性。
这当然是个好消息。因为硅在目前半导体材料中占主导地位，把硅基片柔性化，可以说是实现柔性电子系统的“捷径”。
“一代材料一代器件，材料是我们做电子器件最重要的基础之一。目前我们正在探索将硅基电子元器件柔性化的同时，又保证其高频、高速的导电特性。”冯雪说。
不过，受摩尔定律制约，硅基半导体的性能几乎发挥到淋漓尽致，逐渐接近天花板。对于柔性电子领域而言，探索新的适用于不同应用场景的柔性材料，也变得迫切起来。
陈晓东介绍，目前国际上对柔性电子材料的选择主要有两种思路。一种思路是从传统的无机材料转向有机材料，比如将高分子材料、有机半导体用于柔性电子材料。另一种思路是将有机材料和无机材料相结合，使用所谓的混合材料来研发柔性电子技术。
自石墨烯被制备出来后，由单层原子构成的锡烯、二硫化钼和黑磷等二维材料受到半导体行业关注。沈洋在接受科技日报记者采访时表示，二维材料的相关研究也将有益于柔性电子技术发展。
“很多二维材料已经表现出比传统硅材料更加优越的性能，比如更高的电荷迁移率，更小的功耗等等。”沈洋认为，研究基于二维材料的柔性电子元器件，可能是未来的发展方向之一。
文中图片来自网络
一文看柔性电子常用材料及应用
柔性电子是将无机/有机器件附着于柔性基底上，形成电路的技术。 相对于传统硅电子，柔性电子是指可以弯曲、折叠、扭曲、压缩、拉伸、甚至变形成任意形状但仍保持高效光电性能、可靠性和集成度的薄膜电子器件。
美日韩等国已战略布局柔性电子项目，其在高精尖领域将长期保持高速增长态势，也是我国应该尽量抓住的历史机遇。
柔性电子常用材料
1 柔性基底为了满足柔性电子器件的要求，轻薄、透明、柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀等性质成为了柔性基底的关键指标。
常见的柔性材料有：聚乙烯醇( PVA ) 、聚酯 ( PET ) 、聚酰亚胺 ( PI ) 、聚萘二甲酯乙二醇酯( PEN ) 、纸片 、纺织材料等 。
聚亚酰胺材料 具有耐高温、耐低温、耐化性与良好电气特性的优点，是柔性电子基本最具潜力的材料，唯在柔性基材选择上除了耐高温的特性要考虑以外，柔性基板的光穿透率、表面粗糙度与材料成本都是选择须考虑的因素。
聚二甲基硅氧烷（PDMS） 也是被广泛认可的柔性材料，它的优势包括方便易得、化学性质稳定、透明和热稳定性好等。尤其在紫外光下粘附区和非粘附区分明的特性使其表面可以很容易地粘附电子材料。
PET 虽然转化温度低，约70~80℃之间，但是PET价格低廉，光穿透性佳，是透明导电膜性价比很高的材料。
金属材料一般为金银铜等导体材料 ，主要用于电极和导线。对于现代印刷工艺而言，导电材料多选用导电纳米油墨，包括纳米颗粒和纳米线等。金属的纳米粒 子 除了具有良好的导电性外，还可以烧结成薄膜或导线。
3 有机材料大规模压力传感器阵列对未来可穿戴传感器的发展非常重要。基于压阻和电容信号机制的压力传感器存在信号串扰，导致了测量的不准确，这个问题成为发展可穿戴传感器最大的挑战之一。
由于晶体管完美的信号转换和放大性能，晶体管的使用为减少信号串扰提供了可能。因此，在可穿戴传感器和人工智能领域的很多研究都是围绕如何获得大规模柔性压敏晶体管展开的。
传统上用于场效应晶体管研究的p型聚合物材料主要是噻吩类聚合物，其中最为成功的例子便是聚（3-己基噻吩）（P3HT）体系。萘四酰亚二胺和苝四酰亚二胺 显示了良好的n型场效应性能，是研究最为广泛的n型半导体材料，被广泛应用于小分子n型场效应晶体管当中。
4 无机半导体材料以ZnO和ZnS为代表的无机半导体材料由于其出色的压电特性，在可穿戴柔性电子传感器领域显示出了广阔的应用前景。
比如有一种基于直接将机械能转换为光学信号的柔性压力传感器被开发出来。这种矩阵利用了ZnS:Mn颗粒的力致发光性质。
力致发光的核心是压电效应引发的光子发射。
压电ZnS的电子能带在压力作用下产生压伏效应而产生倾斜，这样可以促进锰离子的激发，接下来的去激发过程发射出黄光。
5 碳材料柔性可穿戴电子传感器常用的碳材料有碳纳米管和石墨烯等 。碳纳米管具有结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制、比表面利用率可达100%的特点。
石墨烯 具有轻薄透明，导电导热性好等特点。在传感技术、移动通讯、信息技术和电动汽车等方面具有极其重要和广阔的应用前景；
在碳纳米管的应用上，利用多臂碳纳米管和银复合并通过印刷方式得到的导电聚合物传感器，在140%的拉伸下，导电性仍然高达20S/cm。
当碳纳米管和石墨烯综合应用时，可以制备高度拉伸的透明场效应晶体管。其结合了石墨烯/单壁碳纳米管电极和具有褶皱的无机介电层单壁碳纳米管网格通道。由于存在褶皱的氧化铝介电层,在超过一千次20%幅度的拉伸-舒张循环下，没有漏极电流变化，显示出了很好的可持续性。
柔性电子的应用领域
1 柔性电子显示柔性电子显示器是在柔性电子技术平台上研发出来的全新产品，是由柔软材料制成，可变型可弯曲的显示装置。目前可实现柔性显示模式（电子纸技术、LCD、OLED等）制作在柔性基板上的显示器件，比如可书写的电子书、U盘容量显示等。
柔性储能是将有机/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储能技术，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，现已成功应用于柔性电子 显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子用表面粘贴等。
比如三星做的一种可折叠的210毫安/时小电池，用在可穿戴设备里，电池本身的厚度可以做到0.3毫米厚，能够在人的手腕上进行5万次的弯曲折叠，而且不出现任何的故障。
3 柔性医疗电子柔性医疗电子基本特征是将各种电子元器件集成在柔性基板之上 ，从而形成皮肤状的柔性电路板，像皮肤一样具有很高的柔韧性和弹性。
柔性医疗电子可与人体组织长期自然融合，能精准测量医学指标，如体温、呼吸、血压、心电等，为大数据医疗提供实时基础数据。
4 柔性电路板柔性电路板（Flexible Printed Circuit 简称FPC）是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路板 。具有配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点，完美地契合了轻薄化、小型化的发展主旋律。
FPC行业由日美韩主导，近年来生产成本增加促使FPC产业重心逐渐转向国内。FPC处于电子产业链的中上游，其直接原材料上游为挠性覆铜板FCCL，下游为终端消费电子产品。
目前日资企业以先发优势占据产业链上游的主导地位，国内起步较晚，相对较为弱势。
近几年柔性电子市场迅速扩张，成为一些国家支柱产业，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景。
根据IDTechEX预测，2018年全球柔性电子市场为469.4亿美元，2028年为3010亿美元， 是各个国家争先抢占的科技制高点，也是我们国家应该重视，并抓住的机遇。
来源：国化新材料相关问答
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