浅析柔性电子常用材料及其应用案例

浅析柔性电子常用材料及其应用案例柔性电子是将无机/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。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。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。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。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。柔性电路板柔性电路板（FlexiblePrintedCircuit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。