未來之光：柔性電子常用材料及應用！

柔性電子是將無機/有機器件附著於柔性基底上，形成電路的技術。相對於傳統硅電子，柔性電子是指可以彎曲、摺疊、扭曲、壓縮、拉伸、甚至變形成任意形狀但仍保持高效光電性能、可靠性和集成度的薄膜電子器件。

美日韓等國已戰略布局柔性電子項目，其在高精尖領域將長期保持高速增長態勢，也是我國應該盡量抓住的歷史機遇。

柔性電子常用材料

1、柔性基底

為了滿足柔性電子器件的要求，輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質成為了柔性基底的關鍵指標。常見的柔性材料有：聚乙烯醇( PVA ) 、聚酯 ( PET ) 、聚醯亞胺 ( PI ) 、聚萘二甲酯乙二醇酯( PEN ) 、紙片 、紡織材料等 。

聚亞醯胺材料具有耐高溫、耐低溫、耐化性與良好電氣特性的優點，是柔性電子基本最具潛力的材料，惟在柔性基材選擇上除了耐高溫的特性要考慮以外，柔性基板的光穿透率、表面粗糙度與材料成本都是選擇須考慮的因素。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)也是被廣泛認可的柔性材料，它的優勢包括方便易得、化學性質穩定、透明和熱穩定性好等。尤其在紫外光下粘附區和非粘附區分明的特性使其表面可以很容易的粘附電子材料。

PET雖然轉化溫度低，約70~80℃之間，但是PET價格低廉，光穿透性佳，是透明導電膜性價比很高的材料。

2、金屬材料

金屬材料一般為金銀銅等導體材料，主要用於電極和導線。對於現代印刷工藝而言，導電材料多選用導電納米油墨，包括納米顆粒和納米線等。金屬的納米粒子除了具有良好的導電性外，還可以燒結成薄膜或導線。

3、有機材料

大規模壓力感測器陣列對未來可穿戴感測器的發展非常重要。基於壓阻和電容信號機制的壓力感測器存在信號串擾，導致了測量的不準確，這個問題成為發展可穿戴感測器最大的挑戰之一。

由於晶體管完美的信號轉換和放大性能，晶體管的使用為減少信號串擾提供了可能。因此，在可穿戴感測器和人工智慧領域的很多研究都是圍繞如何獲得大規模柔性壓敏晶體管展開的。

傳統上用於場效應晶體管研究的p型聚合物材料主要是噻吩類聚合物，其中最為成功的例子便是聚(3-己基噻吩)(P3HT)體系。萘四醯亞二胺(NDI)和苝四醯亞二胺(PDI)顯示了良好的n型場效應性能，是研究最為廣泛的n型半導體材料，被廣泛應用於小分子n型場效應晶體管當中。

4、無機半導體材料

以ZnO和ZnS為代表的無機半導體材料由於其出色的壓電特性，在可穿戴柔性電子感測器領域顯示出了廣闊的應用前景。

比如有一種基於直接將機械能轉換為光學信號的柔性壓力感測器被開發出來。這種矩陣利用了ZnS:Mn 顆粒的力致發光性質。力致發光的核心是壓電效應引發的光子發射。壓電 ZnS 的電子能帶在壓力作用下產生壓伏效應而產生傾斜，這樣可以促進錳離子的激發，接下來的去激發過程發射出黃光(580nm左右)。

5、碳材料

柔性可穿戴電子感測器常用的碳材料有碳納米管和石墨烯等。碳納米管具有結晶度高、導電性好、比表面積大、微孔大小可通過合成工藝加以控制，比表面利用率可達100%的特點。

石墨烯具有輕薄透明，導電導熱性好等特點，在感測技術、移動通訊、信息技術和電動汽車等方面具有極其重要和廣闊的應用前景；在碳納米管的應用上，利用多臂碳納米管和銀複合並通過印刷方式得到的導電聚合物感測器，在140%的拉伸下，導電性仍然高達20S/cm。

當碳納米管和石墨烯綜合應用時，可以製備高度拉伸的透明場效應晶體管。其結合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有褶皺的無機介電層單壁碳納米管網格通道。由於存在褶皺的氧化鋁介電層,在超過一千次20%幅度的拉伸-舒張循環下，沒有漏極電流變化，顯示出了很好的可持續性。

柔性電子的應用領域

1、柔性電子顯示

柔性電子顯示器是在柔性電子技術平台上研發出來的全新產品，是由柔軟材料製成，可變型可彎曲的顯示裝置。目前可實現柔性顯示模式（電子紙技術、LCD、OLED等）製作在柔性基板上的顯示器件，比如可書寫的電子書、U盤容量顯示等等。

2、柔性儲能

柔性儲能是將有機/無機材料電子器件製作在柔性/可延性塑料或薄金屬基板上的新興儲能技術，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應用前景，現已成功應用於柔性電子 顯示器、有機發光二極體OLED、印刷RFID、薄膜太陽能電池板、電子用表面粘貼等。

比如三星做的一種可摺疊的210毫安/時小電池，用在可穿戴設備里，電池本身的厚度可以做到0.3毫米厚，能夠在人的手腕上進行5萬次的彎曲摺疊，而且不出現任何的故障。

3、柔性醫療電子

柔性醫療電子基本特徵是將各種電子元器件集成在柔性基板之上，從而形成皮膚狀的柔性電路板，像皮膚一樣具有很高的柔韌性和彈性。

柔性醫療電子可與人體組織長期自然融合，能精準測量醫學指標，如體溫、呼吸、血壓、心電等，為大數據醫療提供實時基礎數據。

4、柔性電路板

柔性電路板（Flexible Printed Circuit 簡稱FPC）是以聚醯亞胺或聚酯薄膜為基材製成的一種具有高度可靠性，絕佳的可撓性印刷電路板。具有配線密度高、重量輕、厚度薄、彎折性好的特點，完美地契合了輕薄化、小型化的發展主旋律。

FPC行業由日美韓主導，近年來生產成本增加促使FPC產業重心逐漸轉向國內。FPC處於電子產業鏈的中上游，其直接原材料上游為撓性覆銅板FCCL，下游為終端消費電子產品。目前日資企業以先發優勢佔據產業鏈上游的主導地位，國內起步較晚，相對較為弱勢。

近幾年柔性電子市場迅速擴張，成為一些國家支柱產業，在信息、能源、醫療、國防等領域具有廣泛的應用前景。根據IDTechEX預測，2018年全球柔性電子市場為469.4億美元，2028年為3010億美元，是各個國家爭先搶佔的科技制高點，也是我們國家應該重視，並抓住的機遇。

（參考文獻來源：感測器技術、印刷電子在線、浙江清華柔性電子技術研究院等）

三分鐘看懂尼龍（PA）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！