一文讀懂柔性電子常用材料及應用領域

熱設計 2022-01-05

柔性電子是將無機/有機器件附著于柔性基底上，形成電路的技術。相對于傳統(tǒng)硅電子，柔性電子是指可以彎曲、折疊、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(zhàn)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(tài)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）、聚酰亞胺（PI）、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN）、紙片、紡織材料等。

聚亞酰胺材料具有耐高溫、耐低溫、耐化性與良好電氣特性的優(yōu)點，是柔性電子基底最具潛力的材料，因為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(yōu)勢包括方便易得、化學性質穩(wěn)定、透明和熱穩(wěn)定性好等。尤其在紫外光下粘附區(qū)和非粘附區(qū)分明的特性使其表面可以很容易地粘附電子材料。

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。

來源：國化新材料

2、金屬材料

金屬材料一般為金銀銅等導體材料，主要用于電極和導線。對于現(xiàn)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(guī)模壓力傳感器陣列對未來可穿戴傳感器的發(fā)展非常重要。基于壓阻和電容信號機制的壓力傳感器存在信號串擾，導致了測量的不準確，這個問題成為發(fā)展可穿戴傳感器最大的挑戰(zhàn)之一。

由于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，在可穿戴傳感器和人工智能領域的很多研究都是圍繞如何獲得大規(guī)模柔性壓敏晶體管展開的。

傳統(tǒng)上用于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。萘四酰亞二胺和苝四酰亞二胺顯示了良好的n型場效應性能，是研究最為廣泛的n型半導體材料，被廣泛應用于小分子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于其出色的壓電特性，在可穿戴柔性電子傳感器領域顯示出了廣闊的應用前景。

比如有一種基于直接將機械能轉換為光學信號的柔性壓力傳感器被開發(fā)出來。這種矩陣利用了ZnS:Mn顆粒的力致發(fā)光性質。

力致發(fā)光的核心是壓電效應引發(fā)的光子發(fā)射。

壓電ZnS的電子能帶在壓力作用下產(chǎn)生壓伏效應而產(chǎn)生傾斜，這樣可以促進錳離子的激發(fā)，接下來的去激發(fā)過程發(fā)射出黃光。

5、碳材料

柔性可穿戴電子傳感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。

來源：國化新材料

石墨烯具有輕薄透明、導電導熱性好等特點。在傳感技術、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復合并通過印刷方式得到的導電聚合物傳感器，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，可以制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(wǎng)格通道。由于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(huán)下，沒有漏極電流變化，顯示出了很好的可持續(xù)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臺上研發(fā)出來的全新產(chǎn)品，是由柔軟材料制成，可變型可彎曲的顯示裝置。目前可實現(xiàn)柔性顯示模式（電子紙技術、LCD、OLED等）制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。

來源：國化新材料

2、柔性儲能

柔性儲能是將有機/無機材料電子器件制作在柔性/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、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療、國防等領域具有廣泛應用前景，現(xiàn)已成功應用于柔性電子顯示器、有機發(fā)光二極管OLED、印刷RFID、薄膜太陽能電池板、電子用表面粘貼等。