柔性电子主要是指器件、电路、基板和功能系统可弯曲、可折叠、可拉伸,并且像动物皮肤一样柔软的新兴电子技术。 灵活的电子系统可以与传统的硅基电子系统无缝联网。 随着世界信息化、生产数字化、智能化生活和日常监控的发展,电子产品的人性化、个性化至关重要,并受到柔性显示、柔性传感、柔性存储、柔性发光、柔性检测等需求的驱动。 它带来的新特性更加符合工程应用对象复杂的结构接口需求,必将给电子信息产业带来革命性的变化。

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定义

柔性电子器件的柔性主要由超薄坚韧基材提供。 为了在高度变形下保持装置的结构和功能完整性,需要将高延展性和高稳定性的抗疲劳导体材料结合起来。 半导体材料共同实现电子器件的柔性化。

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分类

1、软导体材料:

指具有导体特性的柔性材料,包括金属导体、聚合物导体和纳米材料导体。 其中,金属导体包括传统的金、银、铜和液态金属(镓铟锡合金)等,主要用于柔性电子器件电极和连接不同器件的导线。 由于金属易发生疲劳断裂的特性,当反复进行高水平变形时,很容易因断裂而失效。 但可以通过结构设计方法对其进行有效改进。 这类结构具有优异的导电性,但加工过程通常需要光刻、电子学等。束流沉积、反应离子蚀刻等微加工方法操作复杂、成本高昂,不适合大规模应用。 由于其流动性和优异的电性能,液态金属为柔性无源器件的器件扩展提供了新的思路。 石墨烯作为一种具有优异储能性能的电极材料,广泛应用于柔性电池和超级电容器中。 印刷过程中使用的导电材料大多使用导电纳米油墨,例如纳米颗粒和纳米线。 除了具有良好的导电性外,金属纳米粒子还需要具有可以制成薄膜或电线的特性。 纳米线的硬度比普通材料高10倍以上,而且弹性极强,变形后恢复速度很快。 上述小尺度特性使得纳米线在新兴领域得到广泛应用。

2、柔性半导体材料:

指具有半导体特性的柔性材料,可分为无机半导体材料、金属氧化物(IGZO、氧化铟镓锌)半导体材料、有机半导体材料等。其中以ZnO、ZnS为代表的无机半导体材料具有良好的压电性特性,适用于可穿戴柔性电子传感器。 IGZO薄膜具有迁移率高、稳定性好、生产工艺简单等特点。 适用于制备柔性透明导电薄膜。 其透光率可达83%,电阻率极小。 可用于液晶显示器和静电屏蔽。 在太阳能电池中。 有机半导体材料可分为小分子型和聚合物型两大类。 小分子有机半导体材料包括三苯胺、富勒烯、酞菁、苝衍生物和花青等。 常见的聚合物型有机半导体材料包括聚乙炔型、聚芳环型和共聚物型。 通常有机半导体材料迁移率低、空气稳定性差、寿命短; 无机纳米半导体材料在电学性能、稳定性、可靠性等方面具有明显优势。 此外,石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、黑磷等二维纳米材料以其优异的电学和热学性能为柔性半导体设计提供了新的发展思路。

3、柔性介质材料:

指具有绝缘性能的柔性材料,包括柔性显示器中使用的基材、聚合物电容器介质以及压力电子皮肤传感器的介电材料。 用于柔性显示器的基材具有良好的光学透明性、热稳定性、水氧阻隔性和柔韧性。 现阶段主要的柔性基板材料包括聚合物基板、超薄玻璃基板、不锈钢基板以及新兴的纸基板和生物复合薄膜基板。 天然植物材料作为压力电子皮肤的介质是一个新兴的研究方向。 天然植物材料具有长期耐用、环保、成本低廉、易于制造等特点。 其中,花粉、花瓣、叶子和丝等材料因其优异的结构性能吸引了国内外学者的大量研究。 新加坡南洋理工大学Nam-Joon Cho课题组通过模拟花粉微胶囊结构(SFP),改进了电容压力电子皮肤介电层(即活性功能材料层)的空心球微结构,以提高电子皮肤的灵敏度。皮肤。 向日葵花粉天然微胶囊电子皮肤; 利用树叶等材料作为聚二甲基硅氧烷(PDMS,聚二甲基硅氧烷)软光刻模具,可以获得植物微结构; 万等人。 采用玫瑰花瓣等天然植物材料经过临界点干燥后,可直接用作高灵敏压电压力电子皮肤的介电材料。

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不同状态的玫瑰花瓣如下图:

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实施方法及流程

实现柔性电子器件和系统的方法有很多种,主要概括为两种方法:将柔性引入材料和将柔性引入结构。

1)材料引入柔性:即利用柔性敏感的半导体材料可以直接实现电子器件的柔性。 近年来,新兴的石墨烯、黑磷、液态金属(镓铟锡合金)等新型柔性材料在电学、光学、力学性能等方面表现出了良好的性能,具有良好的应用前景。

2)在结构中引入柔性:要实现电子器件和系统的柔性,需要材料和结构的匹配。 从力学角度来看,通过复杂的褶皱连接结构实现整体的拉伸性,通过改变薄膜和连接线的屈曲结构的波长和振幅来调节变形,可以避免材料本身产生较大的应变。 实现过程可以是光刻、转移印刷、电子束沉积等,将各种导电材料构造成波纹状、网状、条纹、蛇形甚至多维结构。 其中,引入结构的灵活性可以分为以下三类。

1、硬膜屈曲结构

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2、岛桥互联结构

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3. 预应变超柔性互连结构

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柔性电子器件的应用

目前柔性电子器件的应用主要集中在柔性应变传感器、柔性显示器和薄膜太阳能电池等方面。 随着柔性电子技术的发展,柔性电子器件和系统将大规模服务于人们的生活。

1.应变传感装置

柔性电子应变传感器不仅具有应变电子特性,还具有满足可穿戴显示器、电子皮肤等需求的柔性特性,可广泛应用于日常人体健康评估、日常健康监测、工业机器人等领域。 与传统电子应变传感器相比,柔性电子应变传感器克服了脆性的缺点,具有更好的生物相容性、可拉伸性、透明性、耐磨性、易于连续检测等优点。

用于健康监测的柔性应变传感装置:

柔性电子器件在健康监测领域的应用是最早提出的方向之一。 基本方法是可穿戴触摸监视器和表面电子皮肤传感器,用于监测人体生理状况,包括手、手臂和腿的大幅弯曲运动。 以及呼吸、吞咽和发声过程中肌肉振动、血压和眼压的微小变化。 这些柔性可穿戴电子传感器可以有效、连续地将生理活动信号转换为可测量的可见电信号。 电化学双通道无创血糖测量方法如下图所示。 该方法消除了传统扎手指的痛苦,更有利于糖尿病患者的长期血糖监测需求。 重复测量误差小于1%。

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2、柔性显示

柔性显示器是指在柔性基板上制备的柔性平板显示器件。 分为柔性曲面屏、柔性折叠屏和柔性可弯曲卷屏。 它轻、薄、耐用且可伸缩。 优点。

目前,柔性显示技术主要采用有机发光二极管(OLED)显示方案来实现。 OLED显示质量高、响应速度快、可弯曲,成为柔性显示领域的主流解决方案。 目前,以LG集团、三星集团为代表的电子厂商已经实现了部分柔性显示产品的产业化。 上海天马微电子、京东方、维信诺相继推出柔性显示样机。 京东方第六代柔性AMOLED显示屏屏幕如下图所示。

最近,基于PDLC薄膜摩擦电LC排列的滑模摩擦纳米发电机自供电OTM已经推出。 OTM在受到轻微的接触滑动运动后会产生瞬时电场。 摩擦发电机产生的交变电场可以是摩擦电荷实时产生的连续滑动过程,进而对液晶薄膜施加驱动力,液晶薄膜具有快速改变其初始半透明状态的能力运动轨迹上的瞬时透明状态。 通过 20 kPa 的低阈值接触压力和 0.3 m/s 的阈值滑动速度,可以实现 0.17 至 0.72 的相对透射光强度的适当调光范围。 此外,由于接触起电很容易发生并且普遍适用于任何材料,因此OTM可以由多种滑动材料有效驱动,在许多情况下具有广泛的适用性。 此外,对于所开发的 OTM 的实际应用,成功地演示了信息覆盖和选择性可视化,而无需使用任何额外的光学组件和外部电源。 考虑到OTM在可扩展性、持久性、响应性、成本、实现和可移植性方面的其他优势,它为隐私保护、电子商务、防伪图标、轨迹跟踪等各种潜在的交互应用提供了有前景的解决方案。智能窗户)开启了无电光调制的新范例。

3、薄膜太阳能电池

柔性太阳能电池是具有能量收集、转换和存储功能的柔性能源系统。 主要类型包括柔性非晶硅太阳能电池、柔性有机太阳能电池和柔性钙钛矿太阳能电池。 由于必须适应移动、保形、全时的应用场景,在结构、机制、电路等方面面临着巨大的挑战。 传统的太阳能电池板基于平板电路印刷技术,只能安装在平板钢框架上。 巴卡等人。 提出将大量超薄硅太阳能电池集成在塑料片上,以实现在弯曲圆柱体或各种复杂曲面上的安装。

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现状与前景

柔性电子器件具有光、电、磁、力、温度、能量等多种功能,可以满足不同的应用需求。 从目前的情况来看,近年来对拉伸、卷曲、折叠等灵活性要求的程度和范围都有了很大的提高。 材料和结构是实现柔性的两个主要手段。 短期内,柔性电子产品在高速、高性能器件领域还无法与硅基电子产品竞争。 因此,它不是要取代传统的微电子技术,而是要创造颠覆性的新型电子器件和产品。 与硅基电子的成熟工艺相比,柔性电子在规模、效率和制备方法方面面临着巨大的技术挑战。 根据目前的发展情况,未来几年柔性电子器件将对可穿戴通信、可穿戴计算、分布式能源、感应器件、共形显示等领域产生重大影响。

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