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电子塑料与时俱进 |
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11/15/2010 12:36:00 PM
Modern Plastics & polymers
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 作者：Lawrence Gasman
从卷式电视到智能包装，再到大面积传感器阵列，塑料电子展示全新应用。印刷硅何以成为重要的研究项目？它怎样才能嵌入方兴未艾的塑料电子太阳能领域？与较发达的有机材料方法相比，作为塑料电子的印刷硅优势在哪？它有哪些不同形式？
塑料电子技术兴起于一种信念：未来几年，在大面积柔性基材上装造电子、光电及光伏产品的规模化市场即将发展起来。但是，这些产品的款式和最佳销售去向仍在探想中。每一种塑料电子产品和市场将以自身优势受评判。譬如，价格点、市场动力和太阳能屋顶瓦的挑战不同于卷式电视的显示器，而后者在这些方面又与智能包装有区别。
需要新材料
各类塑料电子应用有一个共同点 ：需要满足塑料电子的两大核心要求。事实上，这些要求隐含在“塑料电子”自身名称中。材料必须“塑料”（即柔软的）到可制成不裂不断的产品，同时其“电子”特性达到某一特定产品所要求的性能水平。同时满足性能和柔性是有挑战的。
传统高性能电子材料和制品不轻易挠曲，如玻璃基材不会弯曲或卷折，用作显示器和太阳能板透明导电层的氧化铟锡（ITO）受曲折或用力不慎时会破裂，就象触摸显示屏那样。但最大的挑战并非来自于基材和导体领域，而是半导体，如反复折弯“奔腾”芯片。
加入少许创新，老的材料可能继续使用，这样做的动力也很大。生产商巨资投建厂房，积累数十年使用成熟材料的经验，不会轻易放弃老材料。过于几年里，超薄基材玻璃得到普遍采用，因为具有一定程度的柔性。同时，粉末涂料有助于ITO维护它在触摸领域的声誉。此外，相当传统的薄膜晶体管（TFTs）在比一般显示玻璃更柔软的基材上生产，但这一工作主要停留在研发阶段。
柔软但性能差
硬质材料如玻璃和硅片过去绝不会带上柔性，但确有好几种替代的电子材料有柔性，如塑料基材和导电聚合物薄膜，后者在特定情形下是一种实用的ITO替代品。
不幸的是，能挠曲的电子材料常常讨好产品和系统设计师，在生产经理面前体现不出优良性能。塑料基材会有变形，高温环境下无法使用。同样地，迄今所有ITO替代品都不能象ITO本身具备电阻率和透明度的良好搭配。性能上的不足还延伸到了“塑料半导体”，当今这一领域意味着TFTs和有机半导体材料制成的存储器。
但从1960、1970年代以来，这些材料经历了许多改进。那时，有机材料制成的晶体管不过是实验杰作而已，如今已成商业现实。第一批带有机TFT（OTFT）底板的e-纸产品计划今年卖到零售货架上。OTFT基RFID标签以小批试验数量已存在一两年。
有机材料
OTFTs是真正的塑料产品，因为它们就是塑料制成的。但其性能，按电子迁移率测算却不好，与硅TFTs相比差数量级。这方面的进展几乎可确定，现在有大量资金投向有机电子。但不应该低估挑战，在当前形式下有机电子的性能可实际提高多少还不清楚。
相比硅和其它无机合成的半导体，有机材料对环境敏感得多。因此，需要采用特别封装来储存以防氧气（即空气）和水蒸汽的破坏。由于CMOS（因其大量降低噪音和节省电力）在传统硅材微电子中的广泛使用向前迈了一步，有机CMOS还没有开发出来。几家重要公司正在解决这一问题。
但是，很难清楚聚合物，低聚体和小型有机分子能否象硅变成微电子那样为塑料电子所用。有机电子将来极可能在塑料电子空间占一席之地。但是，预测塑料电子或其它材料要发挥的重大作用为时过早。
印刷硅：前景看好
印刷硅的演变特别得力于它在塑料和柔性电子中的应用前景。许多国外的塑料电子开发一蹴而就，如毫微管或无机纳米线晶体管的问世。理论上，这些产品可能柔软而且具有可观的加工处理水平。实际上，它们比四年前离商业应用显得更远。
但具有某些讽刺意味的是，使用硅材是一种及时方法。与用于传统半导体行业成本高昂的照相平版印刷工艺不同，这一技术包含了成本较低的印刷硅。
印刷硅有两种，其核心价值主张在于硅本身的熟悉度。今天，硅的性能广为人知，强大的处理器和电脑存储器使用这一材料制成。如果这一应用能转移到柔性基材上，硅就能锁定到塑料电子上，就如现今电脑行业一样。
但与有机电子相比，应该认识到印刷硅还只是一项最新课题。从事印刷硅的企业和研究机构比设计、制造和销售有机电子元件的企业和机构少。目前，Semprius和Kovio两家先行者有意使用传统半导体开展印刷电子业务，包括硅材和合成半导体。
Innovalight是另外一家抢先者，已经开发出太阳板用的印刷硅光伏材料。Seiko Epson和几家亚洲的显示器厂家也在从事这一领域的研发。此外，类似NanoGram和道康宁(Dow Corning)等公司也对新型硅电子表示出兴趣。
转移印刷
转移印刷的方法是先将图案印在中间介质如塑料薄膜或纸上，然后通过压力、热量或其它处理工艺永久性地转移到最终产品上。这一方法传统上为纺织行业将设计转移到织物上所用。移印还不同程度地用在功能印刷上，在太阳板和RFID制造中有少许新奇实例。
Semprius和Seiko Epson等公司在研究移印更宽广的应用，它们开发出一种混合工艺，使用相当传统的方法制成TFTs，然后使用低温热工艺转移到柔性塑料基材上。据称这种混合工艺结合了通常与传统热强化半导体制作工艺联系一起的产品高性能和热敏基材。
Semprius 称这一技术使得单晶硅向柔性基材的沉淀按晶体管迁移率测算是a-Si 的1000倍。但是，即便使用转移印刷，仍然存在最终产品（即基材上层的TFT）有多软的问题。Semprius表示，“印刷半导体薄至100纳米不是难事，在如此薄的元件上，能达到可靠度高的柔性。
硅显然是Semprius的核心兴趣所在，这家公司的技术允许设计师们混合、搭配硅和III-V半导体，设计师们能把高成本的III-V半导体经济性地压缩到过去未曾达到的规模上。Seiko Epson尝试被成为SUFTLA的转移印刷，和Semprius的方法相似。在这一技术中，元件被制成后，从玻璃基材上提起转入塑料基材中。Seiko Epson展示了使用该技术生产出来的复杂元件。
硅油墨
理解一下印刷硅，它实际使用了硅油墨，而“印刷”则是喷墨、丝印或其它近似于传统印刷定义的低温工艺。硅油墨通常但不总是基于纳米结晶硅材料，因为这些材料被认为可提供比其它几种硅基材料更高水平的性能。Seiko Epson和Kovio等公司已经考察了硅油墨的潜力。
在使用硅油墨制作光伏材料上，Innovalight走了完全不同的方向。与德国公司Roth & Rao合作，Innovalight在加州Sunnyvale建起了一条10MW生产线。
2008年，Kovio宣称印刷出“世界上第一张硅油墨基RFID标签”，该标签是一种印刷硅HF元件，带有128字符印刷只读存储器，标签的其它性能包括106 kbps数据速度。
全新应用
塑料电子展示出一片全新应用的新型电子前景，从卷式电视到智能包装，再到大面积传感器阵列。当然，使这些成为可能的制造和材料领域还有问题要解决。有机电子备受关注和资金投入，路标比印刷硅工艺伸得更远。但要在塑料电子的变革中定格谁是塑料电子制造技术的赢家和输家，难免为时过早。
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