柔性电子制造的应用_

柔性电子制造的应用华中科技大学 机制 08 摘要：近年来,柔性电子制造技术作为一种现代化工业生产的技术和工厂自动 化的先进模式已为国际上所公认,可以认为:柔性制造技术是人们在自动化技术 与信息技术及制造技术的基础上,将以往企业中的相互独立工程设计、生产制造 及经营管理等过程,在计算机与其软件的支持下,构成一个覆盖整个企业的完整 而有机的系统,以实现全局动态最优化,总体高效益、高柔性,并进而赢得竞争全 胜的智能制造技术。它作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技,为未来机 构制造工厂提供了一幅宏伟的蓝图,将成为 21 世纪机构制造业的主要生产模式。 在新的世纪，柔性电子在柔性显示器、柔性薄膜太阳能电池板、柔性电子皮肤以 及 RFID 技术方面有着较为突出的应用。关键词 ：柔性电子 应用 柔性显示器 柔性薄膜太阳能电池板 柔性电子皮肤柔性电子制造的发展与应用随着社会的进步和生活水平的提高,社会对低制造成本，产品多样化及短制 造周期等需求日趋迫切,传统的制造技术已不能满足市场对多品种小批量,更具 特色符合顾客个人要求样式和功能的产品的需求。90年代后,由于微电子技术、 计算机技术、通信技术、机械与控制设备的发展,制造业自动化进入一个崭新的 时代,技术日臻成熟。柔性制造技术已经成为各工业化国家机械制造自动化的研 制发展重点。伴随着柔性电子技术的发展，各种电子产品应运而生。正如微电子技术 为大规模集成电路和计算机芯片技术提供技术平台一样，柔性电子技术为新产品 的研发提供了崭新的的技术平台。柔性电子产品目前正处于研发起步阶段，部分 产品已经投放市场。采用SMT加工技术的柔性电路可以制造的很薄、很精巧，绝缘厚度小于25 口m, 这种柔性电路能够被任意弯曲并且可以卷曲后放入圆柱体中,以充分利用三维体 积。它打破了传统固有使用面积的思维定势，从而形成充分利用体积形状的能力， 这能够在目前常规采用的每单位面积所使用的导体长度上，显着地增强有效使用 密度，形成高密度的组装形式。近年来柔性电路的使用已经扩展到了无线电通信、 计算机和汽车电子设备等领域。以前柔性电路专门作为刚性线缆的替代物来使用 它己经能够很成熟地作为刚性电路和印刷电路板的替代品应用在要求采用薄型 电路或者三维电路的场合。为了能够满足刚柔相济的应用要求，刚柔技术在刚性 电路板上结合了柔性电路。虽然采用SMT技术的柔性电路是一项现代高科技技术，但是它采用了最早的 印刷电路线的基本原理，其根源可以一直追溯到20世纪70年代。可能最早使用SMT 柔性电路技术的情形发生在20世纪70年代的初期。美国德州仪器公司在开发计算 器时，将双列直插式集成电路放入欧翼型器件，然后通过热条焊接在柔性电路上 面。柔性电路的基层薄膜是对热敏感的涤纶薄膜，其工艺制造方式为根据电路制 造的方式连续滚压。另外一个早期SMT柔性电路技术的应用例子是宝丽来 (Polaroid)照相机中采用的电路。宝丽来照相机是一种在拍照后立即可以进行冲 洗的照相机，宝丽来公司转向采用SMT柔性电路技术是在20世纪80年代初期，柔性电路的基层薄膜是涤纶薄膜，采用波峰焊接技术进行焊接。自从20世纪 80年代初期以来，柔性电路与SMT技术相结合已取得了很大的成功。当明白了对 于薄膜基片而言的各种要求一般都能够得到满足。对于无线电信产品、计算机、 医疗、工业和汽车电子产品来说，柔性电路材料将继续扮演一个非常重要的角色。 从现在的研发趋势来看，柔性电子技术在以下3个方面有着广泛的应用。一、 柔性电子显示器1.柔性显示器的概念柔性显示器又称为可卷曲显示器，是用柔性材料制成可视柔性面板而构成的 可弯曲变形的显示装置。柔性显示器是显示技术领域的最热趋势之一。虽然它还 没有被上市普及，但可以预见，卷轴式的PDA或者电子书阅读器已经不再遥远， 而大幅面的壁挂柔性显示器也将会很快成为现实。例如，所有可视资料，包括各 种书籍、报纸、杂志和视频文件都可以通过这种显示器来呈现，而且可以随时随 地观看。尽管目前流行的MP4播放器和个人数字助理器(personal digital assistant, PDA)也能满足这样的使用需要，但其显示屏不能弯曲和折叠，只能 在很小的屏幕范围内阅读和观看这些文字和视频，视觉效果受到极大的制约。相 比而言，柔性电子显示器具有无可比拟的优势，它就像报纸一样，在需要时将其 展开，使用完毕后将其卷曲甚至折叠，在保证携带方便的同时充分的兼顾了视觉 效果。柔性电子显示一直是柔性电子制造方面最为重要的一方面，这是由于柔性电2.柔性电子显示器的应用 如下图，这便是一款可以折叠的笔记本电脑它的名字叫Feno。Feno采用柔性OLED屏幕设计，二次折叠之后让其变得更加便携。这也是柔 性材料制造的显示屏所呈现出来的最大最显著的特点可折叠，这点使得所生 产出来的显示器在携带方面极大的得到提高，极大的方便了用户。另外柔性电子 制造的产品还有质量轻，不易摔碎的优点，使得它更有遇见的将成为了广大消费 者所青睐的产品。使用柔性电子制造所得到的这款笔记本目前还没有上市，但是 他的概念的提出，无疑给笔记本行业带来了崭新的消费心理，作为笔记本，本来 便携就是其非常重要的一个特点，而Feno的这种模式使得其发挥出最大的优势， 但是就目前的制造水平和成本来说，大批量的生产和销售这种笔记本还是不现实 的，我们还有许多困难需要克服，例如如何增加显示屏的使用寿命，如何最大可 能的降低成本，如何提高其发光性能。柔性显示器的应用机会或市场依其技术及基板特性，有许多应用产品的组合, 可分别在替代或新兴市场中取得机会。替代应用以现有的平面显示器应用市场为 目标，主要挑战目前的平面显示画质及成本；另一方面，由于柔性显示器的可挠 及耐冲击的特性而引发的新兴应用，将是更具想象空间及革命性的新领域，因此 不论是类纸或类布的型式，均可延伸更多应用机会。在替代性市场方面，又可分为可携式、信息用及视讯用之产品，各种不同的 产品其需求功能各不相同，柔性显示器要开发替代市场机会，除了要符合或超过现有平面显示器产品的特性之外，并需达到低成本的生产方式，才能激活替代市 场机会。在新兴市场方面，则较具想象空间，以目前较受各研发单位所列为目标产品 则为Paper-like Display,目标是开发和纸张特性相近的产品，包括可挠、外 部光源阅读、耐冲击等机械特性，并具纸张所没有的功能如重复使用、记忆等功 能；汽车用显示器包括车座后的屏幕，其功能为娱乐，重视显像品质(全彩)、耐 冲、亮度，其次为仪表板及其它应用，其特性要求则为耐冲及亮度，显示器只需 具有可小幅弯曲的面板特性即可；手机及PDA用面板现阶段的玻璃基板显示器，即为高规格的技术具有全彩、 动画显示等特性，但若能加上轻薄及耐冲的特性将可使附加价值更高，但由于在 高画质的柔性显示器开发仍有很多技术及材料的瓶颈，因此要取代现有产品尚需 更长的时间，但目前有许多厂商则展示其搭配柔性电子的柔性手机；看板或标志的应用范围相当广，可以是应用商店的标示看板或公共场所的指 示看板等，其可有记忆并随时可更换内容，并可允许客制化的规格，另一方面， 标志或标示板不一定要可挠性，但耐冲击性及低成本是其比较需求的特性；电子 书(e-book)，电子书主要的功能需求在于可记忆、轻量、薄型、反应速度快及省 电等特性，当然，若能具有图片显示的彩色化特性将更具优势，2004由E-Ink 所提出的电泳法(玻璃基板)电子书已有展示，目前也积极的发展柔性显示器的技 术。由于具备可挠曲、不会破、及轻薄等特性，下一波新兴显示器技术，柔性电 子技术被期待可广泛用于电子书、布告栏、卷标等应用。当前，柔性电子还处在即将产业化的前夜，仍然还存在很多的技术瓶颈，对 于材料、工艺、设计等还处在研究和探索的阶段。过高的工作电压、较低的载子 迁移率、不稳定的材料与组件特性、缺乏互补式晶体管技术及组件模型等都使材 料、工艺的使用均有较多的不确定性。因此，整体而言，国际上在柔性电子领域 的研究尚在起步阶段，拥有极大的技术突破和专利申请空间。二、柔性薄膜太阳能电池板1.柔性薄膜太阳能电池板的市场背景在当今世界里，能源已成为全球高度关注的话题，而我国不仅面临能源短缺， 还面临环境污染.太阳能作为一种清洁能源，可以在环境零污染的前提下有效的 缓解能源短缺的矛盾。柔性衬底薄膜太阳能电池作为太阳电池的一个新品种，近 年来开始受到人们的重视，世界上许多公司竞相开发研究。目前，非晶硅薄膜 (thin film amorphous Sili一Con)太阳能电池板已经研发成功并进入市场销 售。基于柔性电子技术的薄膜太阳能电池板能够满足大功率的发电需要，比如可以在阳光充足的沙漠地区太阳能发电厂里使用这种薄膜太阳能电池板。除此以外, 还可以充分利用其柔韧和轻质的特点，将其集成在衣服上。穿上这种衣服在阳光 下行走或运动，随身携带的小电器(例如MP3播放器和笔记本电脑)的电源就可 由衣服上的薄膜太阳能电池板供给，从而达到即节约又环保的目的。2.柔性薄膜太阳能电池板的应用柔性太阳电池与平板式晶体硅、玻璃衬底的薄膜电池等硬衬底电池相比，其 最大的特点是重量轻，可折叠，不易破碎，并具有较高的质量比功率(500W/kg)， 故能够安装在流线型汽车的顶部，房屋等建筑物的楼顶与外墙面，以及对地观测 的平流层飞艇表面，应用前景光明。和玻璃衬底上的薄膜电池相比，主要基于金 属膜和有机聚脂膜的柔性衬底薄膜太阳能电池的制备方法有很大的不同。世界上 从事柔性衬底薄膜太阳能电池的研制生产的主要单位是美国的联合太阳能公司 (United Solar)，欧洲的 VHF-technologies 公司，和日本的 Sharp 公司，Sanyo 公司，采用的主要方法是自动化的卷对卷(roll to roll)工艺。相对于普通的太 阳能电池板技术来说，柔性电子制造的柔性薄膜太阳能电池板具有更加广泛的适 应能力和更加方便的用户体验。因而，柔性电子技术在太阳能电池板方向发展和 普及将会十分的迅速。三、柔性电子在RFID器件方面的应用1.柔性电子制造在RFID领域的应用背景自上世纪九十年代以来，射频识别(RFID)技术以无需人工接触即可完成信 息输入和处理、操作快捷方便、发展迅速等特点，广泛运用于生产、物流、交通、 医疗、食品、防伪等领域。射频识别系统通常由应答器、阅读器组成。电子标签是应答器诸多形式中的一种，可以理解为一种薄膜型构造的应答器，具有使用方 便、体积小、轻薄、可嵌入产品内等特点。未来的射频识别系统中将越来越多的 使用电子标签。2.柔性电子与 RFID 的结合电子标签的构造形势朝着轻、薄、小、软的方向发展的趋势。在这方面，柔 性电子器件有着别的材料无法比拟的优势，因此在射频识别系统的电子标签未来 的发展很可能会与柔性电子制造相结合，使得 RFID 电子标签的使用更加广泛和 方便。另外，还可以很大程度上降低成本，带来更高的效益。这也是柔性电子制 造将来的发展方向之一。制作低成本柔性电子标签具有两方面的意义。一方面，是制作柔性电子器件 的有益尝试。电子电路与电子器件朝着“轻、薄、小、软”的方向发展，而柔性 电子电路与电子器件的开发研制则更引人注目。例如现在已经能够生产的柔性电 路板，是一种含有精致导线，采用薄薄的、柔顺的聚合物薄膜制造的电路，它能 够适用表面安装技术并能够被弯曲为无数种所需形状。采用SMT技术的柔性电路 很薄、很轻巧，绝缘厚度小于25微米，这种柔性电路能够被任意弯曲并且可以弯 曲后放入圆柱体中，以充分利用三维体积。它打破了传统固有使用面积的思维定 势，从而形成充分利用体积形状的能力，这能够在目前的采用的方法上极大的增 加有效使用密度，形成高密度组装形式。顺应了电子产品“柔性化”的发展趋势。另一方面,能够加速射频识别技术在我国的被认识和发展的过程。射频识别系统中，应答器是技术关键所在。电子标签是RFID应答器诸多形式中的一种，而 柔性化的电子标签更是适用于更多场合，电子标签成本的降低将大力推动射频识 别技术的真正广泛应用。四、柔性电子皮肤的三种应用外，柔性电子技术的另一项重要应用就是电子皮肤(elec tronic skin)。1.电子皮肤的出现背景电子皮肤又称为皮肤状电子，其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电路板，像皮肤一样具有很 高的柔韧性和弹性，可以用于许多其它电器设备.例 如，在机器人技术中可以广泛的应用电子皮肤：电子 皮肤集成了各种传感器和导电体，将外界的受力或受 热情况转换为电信号后传递给机器人的电脑进行信号 处理，因此电子皮肤又称敏感皮肤(sensitive skin)。 电子皮肤的两个最基本的特点可以概括为：(1)像人 的皮肤一样具有柔性和弹性以便机器人可以像真人一 样行动灵活和敏捷。(2)电子皮肤上分布传感器以便机 器人能敏锐的感觉到外界环境的变化。2电子皮肤的发展前景和应用目前，国内外对电子皮肤的研究方兴未艾。针对机器人皮肤的重要电子元器 件 传感器，国内在其原理及应用研究方面取得了一定进展。王树国等提出 了基于红外传感器的电子皮肤的设计方法，提高了机器人对未知环境的感知能力 以便及时避让障碍物。此外，该课题小组对电子皮肤的信号处理方式进行了深入 研究，解决了电子皮肤中诸多传感器的信号融合问题。张玲等研究了聚偏二氟乙 烯(Polyvinylidene Fluo一ride，PVDF)传感器的基本原理和结构模型，并对其 压电效应进行了实验验证，指出了PVDF作为传感器材料的优越性。由于PVDF压电 薄膜具有压电能力高，柔韧，极薄，质轻，很接近人体皮肤的特性，因此国内外 围绕该材料进行电子皮肤传感器的研究较为普遍。国外对电子皮肤的相关问题研 究也取得了相当的进展日本的研究人员不仅发展了电子皮肤的相关理论，更是 制造出试验性产品.Hoshi和Shinoda提出了电子皮肤的结构形式和构成，并重 点针对电子皮肤的力感受问题进行研究，通过建立受力与传感器电容的关系探讨 了实现力传感的可能性。尽管电子皮肤的基本原理并不复杂，但是如何给机器人 覆盖电子皮肤具有相当的挑战性，因为电子皮肤是感受机器人全身的外界环境， 必须具有整体性，同时，电子皮肤作为一种外表部件，存在受外部因素而损坏的 可能性。当电子皮肤的整体或部分损坏时，需要及时更换。Ohmura等针对电子皮 肤的这种需求、提出了电子皮肤单元模块的概念，通过连续总线(serial bus) 连接各个单元模块，从而实现了电子皮肤的整体性与可扩展性的统一.但是，电 线的使用不可避免的增加了电子皮肤的重量，电线的绝缘橡胶层也在一定程度上 制约了电子皮肤的柔软性，在这种情况下，Wag一ner等对电子皮肤的连接导体进 行了深入研究，提出了金属(金)薄膜附着在预拉伸的聚对苯二甲酸乙二醇酯， 俗称聚酯基板上的新技术。实验表明这种金属薄膜在大到一倍的拉伸变形下(即应变达到100）仍可导电。针对电子皮肤传感器的研究目前大多集中于单一外界信息的传感（例如力）。 但是，作为电子皮肤，对多重外界信息的传感非常重要，即能同时感受到力、温 度、湿度等外界刺激。要实现该目标，至少需要在3个方面实现技术突破：（1） 材料选择：传感器传感功能的实现在一定程度上依赖于传感器材料的功能特性， 例如压电性、热释电性或半导性，所以对功能材料的研究和应用影响着传感器技 术的发展。（2）多重敏感信号的处理：一个完整的（机器人）电子皮肤上汇集着相 当数量的感受微元，每个感受微元都具备对外界环境进行响应的功能，在某些情 况下每个感受微元还要同时对多重信号（例如同时感受力和热）进行响应。在信号 量相当巨大的情况下，如何对信号进行处理进而确定机器人对外界刺激的对策是 一项重要课题。（3）电子皮肤力学性能的优化：作为柔性电子技术的重要应用， 电子皮肤必须满足在强度保证下柔韧性的实现；在不产生破坏前提下的最轻质量 优化设计也是需要考虑的重要内容。除了机器人，在人造器官中也可以应用电子皮肤，例如治疗心脏病所用的人 造心脏，当然这对电子皮肤的材料提出了更苛刻的要求。总之，电子皮肤充分发 挥了柔性电子系统结构轻质、柔韧的特点，具有广泛的应用前景。参考文献【1】 赵庚申 低成本柔性电子标签的设计和制备研究 硕士论文 2005 年 第5页【2】 作者未知 柔性电子制造技术及应用 百度文库 2010 年 第 2页【3】 晓江 柔性电子纸技术 世界电子元器件 2003（12） 第 2 页【4】 许巍 卢天健 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