柔性電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

賈異，卞曙光

（1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心；2.天津大學(xué)）

柔性電子器件以其獨(dú)特的柔性/延展性以及高效、低成本的制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。本文對(duì)柔性電子技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)國(guó)內(nèi)外柔性電子領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，提出了我國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)展建議。

一、柔性電子技術(shù)

（一）定義與特性

柔性電子技術(shù)是將有機(jī)/無(wú)機(jī)材料電子器件制作在柔性/可延性基板上，形成電路的技術(shù)。

柔性電子技術(shù)顛覆性地改變了傳統(tǒng)剛性電路的物理形態(tài)，極大促進(jìn)了人-機(jī)-物的融合，是融合實(shí)體、數(shù)字和生物世界的變革性力量，在光電性能，尤其是柔性化、大面積、低成本，以及節(jié)能環(huán)保等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

（二）理論基礎(chǔ)

柔性電子學(xué)是建立在現(xiàn)有多個(gè)學(xué)科理論基礎(chǔ)上，以材料學(xué)和力學(xué)為核心，包括理論設(shè)計(jì)、模擬仿真、材料物理、器件工藝、電路系統(tǒng)和制造封裝等學(xué)科內(nèi)涵。化學(xué)、物理、材料學(xué)、力學(xué)和電子科學(xué)與技術(shù)為柔性電子學(xué)理學(xué)部分打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),柔性電子學(xué)的工學(xué)部分包括柔性電子材料與加工工程、柔性電子器件制備、柔性電子系統(tǒng)集成、光學(xué)工程和力學(xué)中的工程力學(xué)部分。尤其是生物醫(yī)學(xué)工程有力支撐了生物光電子學(xué)和柔性電子器件/系統(tǒng)中的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

柔性電子學(xué)是一類高度交叉融合的顛覆性科技形式，涉及物理、化學(xué)、材料、電子、生物和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科，是建立在自然科學(xué)技術(shù)和社會(huì)科學(xué)兩大領(lǐng)域交叉之上的高度綜合、系統(tǒng)完整的學(xué)科理論體系。柔性電子器件以其獨(dú)特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝等優(yōu)勢(shì)，在信息、能源、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。柔性電子學(xué)科涉及內(nèi)容豐富，包含核心學(xué)科和拓展學(xué)科兩大發(fā)展階段，其中4 個(gè)核心學(xué)科是有機(jī)電子學(xué)、塑料電子學(xué)、生物電子學(xué)、印刷電子學(xué)，2 個(gè)拓展學(xué)科是智能電子學(xué)、軍用電子學(xué)。

柔性電子學(xué)的重大理論突破和原理創(chuàng)新，將引領(lǐng)電子信息科技的變革和跨越式發(fā)展，全面帶動(dòng)“FAMISHED”八大科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，服務(wù)于我國(guó)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求。

（三）作用和意義

柔性電子技術(shù)主要涵蓋柔性顯示、有機(jī)電致發(fā)光(OLED)顯示與照明、化學(xué)與生物傳感器、柔性光伏、柔性邏輯與存儲(chǔ)、柔性電池、可穿戴設(shè)備等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

柔性電子技術(shù)與材料科學(xué)的交叉融合，如結(jié)合仿生材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展，能夠充分優(yōu)化仿生系統(tǒng)的力學(xué)動(dòng)態(tài)行為，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高力學(xué)性能的柔性電子器件，應(yīng)用于大量可穿戴/可植入設(shè)備，從而極大地豐富了健康數(shù)據(jù)采集和疾病檢測(cè)的手段。

柔性電子器件的質(zhì)輕、便攜、可大面積加工和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，也將為空間科學(xué)的發(fā)展提供重要的助力，如：航空航天過(guò)程中的柔性信息顯示器件、信息存儲(chǔ)及處理器件等，將極大顛覆傳統(tǒng)航天器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行模式。

柔性能源電子器件具有能源轉(zhuǎn)化與能源存儲(chǔ)功能，為未來(lái)大規(guī)模柔性電子器件的應(yīng)用提供了能源保障，與綠色可再生能源的集成將深刻變革現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)能源科學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展。

柔性電子應(yīng)用于人工智能，將極大地推動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互和仿生機(jī)器人的進(jìn)步，為計(jì)算科學(xué)中的感知、推理、決策和學(xué)習(xí)等智能活動(dòng)提供劃時(shí)代的硬件基礎(chǔ)，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)智能制造能力提升貢獻(xiàn)力量。

柔性電子器件是泛物聯(lián)網(wǎng)的主要組成部分，在物聯(lián)網(wǎng)的人機(jī)交互中，各類柔性傳感器件的出現(xiàn)和大規(guī)模應(yīng)用將極大地拓展物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍，令人與物體的交互方式變得更加簡(jiǎn)便、舒適，真正做到了智能信息過(guò)程無(wú)處不在、無(wú)所不包。

柔性電子的發(fā)展也將極大地啟發(fā)健康科學(xué)，大量可穿戴/可植入設(shè)備圍繞人體研發(fā)的應(yīng)用層出不窮，柔性電子傳感器件將極大地豐富健康數(shù)據(jù)采集和疾病檢測(cè)的手段。

智能時(shí)代要求電子系統(tǒng)具有微型化、柔性化、泛在化等特征，以此為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)人-機(jī)-物高度融合。而柔性電子是顛覆原有信息載體形態(tài)，全面提升信息感知、存儲(chǔ)和顯示等能力的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，是智能時(shí)代的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)。當(dāng)前，我國(guó)電子信息技術(shù)的發(fā)展正處于系統(tǒng)創(chuàng)新和智能引領(lǐng)的重大變革期，深入開展柔性電子領(lǐng)域的研究是驅(qū)動(dòng)我國(guó)創(chuàng)新發(fā)展的新引擎，是國(guó)家發(fā)展新興信息產(chǎn)業(yè)的重大戰(zhàn)略需求。

柔性電子未來(lái)必將在軍事智能、航空航天、生物電子、新型能源、腦機(jī)融合等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。我國(guó)迫切需要緊密圍繞柔性電子領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題及共性技術(shù)展開基礎(chǔ)研究，力爭(zhēng)在高性能材料的設(shè)計(jì)與制造、柔性器件加工工藝技術(shù)、器件穩(wěn)定性以及柔性多功能器件集成化等方面取得重大突破，為我國(guó)柔性電子技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展與開道超越奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。探索柔性電子相關(guān)的新現(xiàn)象與新功能應(yīng)用于顯示照明、納米傳感、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用技術(shù)研究轉(zhuǎn)移，推動(dòng)有機(jī)柔性電子、納米柔性電子和生物柔性電子發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)盡早在柔性電子、智能制造、新型顯示和先進(jìn)能源等領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，為我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供原創(chuàng)性動(dòng)力以及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)與關(guān)鍵技術(shù)保障。

二、國(guó)外研究現(xiàn)狀

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)柔性電子領(lǐng)域的研究啟動(dòng)較早，并有計(jì)劃地培養(yǎng)了一批相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新人才。

早在2007 年，歐盟通過(guò)第七框架計(jì)劃中的PolyApply 和SHIFT計(jì)劃，投入了數(shù)十億歐元的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，重點(diǎn)支持柔性顯示、光伏、傳感和可穿戴器件等方面的研究；英國(guó)的“拋石機(jī)”計(jì)劃、建設(shè)英國(guó)的未來(lái)計(jì)劃則均將柔性電子作為先進(jìn)制造業(yè)的重點(diǎn)領(lǐng)域；德國(guó)更是投資數(shù)十億歐元，建立柔性顯示大規(guī)模生產(chǎn)線；法國(guó)國(guó)立圣埃蒂安高等礦業(yè)大學(xué)的普羅旺斯微電子中心專設(shè)了柔性電子系，研究方向涉及柔性可拉伸微電池、柔性射頻標(biāo)簽、電子皮膚、人工視網(wǎng)膜、有機(jī)晶體管和可穿戴器件等。2012 年，美國(guó)《總統(tǒng)報(bào)告》中將柔性電子制造作為先進(jìn)制造11 個(gè)優(yōu)先發(fā)展的尖端領(lǐng)域；同年，NASA 制定柔性電子戰(zhàn)略，2014 年成立柔性混合電子器件制造創(chuàng)新中心。日本的TRADIM 計(jì)劃成立了先進(jìn)印刷電子技術(shù)研發(fā)聯(lián)盟，重點(diǎn)發(fā)展印刷與柔性電子材料與工藝關(guān)鍵技術(shù)；IT 業(yè)高度發(fā)達(dá)的印度也對(duì)柔性電子研究非常重視，印度政府依托印度理工學(xué)院和印度科學(xué)院設(shè)立國(guó)家柔性電子中心；此外，泰國(guó)也成立了國(guó)家級(jí)的印刷電子創(chuàng)新中心（TOPIC）等。

在柔性顯示與照明領(lǐng)域，以英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院聚合物半導(dǎo)體之父Donal Bradley 爵士為代表，專門設(shè)立了塑料電子中心，針對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體光電材料及其光電性質(zhì)開展研究，涉及有機(jī)/聚合物發(fā)光二極管（OLED、PLED）的工藝開發(fā)、自柔性信息顯示與照明等領(lǐng)域；荷蘭霍斯特中心和德國(guó)弗勞恩霍夫研究所在柔性信息顯示工藝，尤其是“卷對(duì)卷”工藝制備大面積柔性O(shè)LED 器件中做出了突出貢獻(xiàn)；美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)設(shè)立柔性電子與顯示中心，重點(diǎn)圍繞全彩OLED 顯示、電子紙和X 射線檢測(cè)器開展研究，已實(shí)現(xiàn)了小面積柔性顯示原型器件的中試量產(chǎn)。

在化學(xué)與生物傳感器及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域，美國(guó)西北大學(xué)生物集成電子中心主任John A. Rogers 院士是國(guó)際知名的柔性電子學(xué)專家，在仿生電子器件的設(shè)計(jì)與制造、可穿戴生物醫(yī)學(xué)電子器件等研究領(lǐng)域走在世界最前沿；英國(guó)蘇塞克斯大學(xué)傳感技術(shù)研究中心則設(shè)有可穿戴/植入技術(shù)和柔性/可拉伸電子實(shí)驗(yàn)室；美國(guó)斯坦福大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院院長(zhǎng)鮑哲南院士在柔性薄型顯示器的全塑晶體管的新型高性能有機(jī)、高分子半導(dǎo)體材料方面做出突出貢獻(xiàn)，尤其在人工電子皮膚領(lǐng)域；美國(guó)的伊利諾伊大學(xué)香檳分校、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校和圣地亞哥分校在柔性生物電子和柔性傳感領(lǐng)域有著重要貢獻(xiàn)；美國(guó)蘋果公司、波音公司、哈佛大學(xué)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合柔性混合電子制造創(chuàng)新研究所，共同致力于開發(fā)柔性可穿戴式傳感器。

在柔性光伏領(lǐng)域，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的電子與計(jì)算機(jī)工程系下設(shè)柔性電子與能源中心；光州科學(xué)技術(shù)學(xué)院成立了柔性光電子實(shí)驗(yàn)室聚焦先進(jìn)光電子器件系統(tǒng)、多功能納米光電電子學(xué)和下一代光學(xué)醫(yī)療體系；柔性集成技術(shù)是柔性電子實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，而這類技術(shù)主要壟斷在韓國(guó)三星公司和LG 公司手中。

三、我國(guó)研究現(xiàn)狀及面臨問題

（一）國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

我國(guó)在柔性電子技術(shù)領(lǐng)域已做出頗多努力。國(guó)家自然科學(xué)基金委針對(duì)柔性電子技術(shù)專門設(shè)立了重大國(guó)際合作項(xiàng)目和系列面上項(xiàng)目，比如，面向柔性制造的人-機(jī)技能共享與互助協(xié)作方法與技術(shù)，柔性與可穿戴材料化學(xué)，個(gè)性定制與柔性制造智能化技術(shù)，有機(jī)/柔性光電子器件與集成，柔性光電子技術(shù)及器件等；國(guó)家“973”計(jì)劃則支持了高效有機(jī)/聚合物太陽(yáng)電池材料與器件研究、可印刷塑料電子材料及其大面積柔性器件相關(guān)基礎(chǔ)研究、可延展柔性無(wú)機(jī)光子/電子集成器件的基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目；國(guó)家“863”計(jì)劃也設(shè)立了“柔性顯示關(guān)鍵材料與器件技術(shù)”專項(xiàng)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃設(shè)立了12 個(gè)與柔性電子技術(shù)相關(guān)的項(xiàng)目；“新一代人工智能”重大專項(xiàng)中的“新型感知和智能芯片”方向，則要求開發(fā)功能類似生物、性能超越生物的柔性感知系統(tǒng)等。各高校、企業(yè)和地方政府也積極支持柔性電子技術(shù)的研究，為我國(guó)柔性電子技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在化學(xué)與生物傳感器及可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院、南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院和南京郵電大學(xué)在黃維院士的帶領(lǐng)下，在高性能有機(jī)光電材料及器件、大批量制備有機(jī)半導(dǎo)體薄膜系統(tǒng)開發(fā)，以及新型高靈敏柔性健康傳感器的研制方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)研究中心馮雪教授課題組，在柔性顯示、柔性傳感、柔性固體器件與健康醫(yī)療等方向取得了一系列重要突破，特別是在生物傳感器的研究中，研發(fā)了類皮膚柔性電子生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療級(jí)的血糖監(jiān)測(cè)精度；通過(guò)將力學(xué)理論與信息、材料、化學(xué)等學(xué)科交叉，發(fā)展了一種能夠在體溫驅(qū)動(dòng)下自動(dòng)攀爬至外周神經(jīng)束上的三維螺旋形纏繞電極，為外周神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在臨床上的應(yīng)用提供了嶄新的思路，成果發(fā)表在固體力學(xué)頂級(jí)期刊。

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，在柔性電子快速制備工藝探索上取得突破，研發(fā)了適用于廣泛基底的柔性電子制造一步法轉(zhuǎn)印技術(shù)，又找到了一種普適性柔性電子快速制造方法，為可穿戴式醫(yī)療及個(gè)性化電子健康產(chǎn)品的快速制造，提供了嶄新的技術(shù)和工具，具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士，以柔性電子為基礎(chǔ)，借助新型柔性材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)了針對(duì)能源收集、存儲(chǔ)等多功能耦合的可穿戴設(shè)備。

成立于2017 年底的浙江清華柔性電子技術(shù)研究院在柔性材料器件、柔性傳感、柔性顯示、柔性光學(xué)測(cè)量等各個(gè)方向均有所研究，且在柔性傳感生物信號(hào)及檢測(cè)方面已取得國(guó)際領(lǐng)先的研究成果。

在柔性顯示照明領(lǐng)域，京東方（BOE）作為國(guó)內(nèi)自主掌握柔性顯示技術(shù)的企業(yè)，首次設(shè)計(jì)出全球獨(dú)有的針對(duì)外折的AMOLED 產(chǎn)品多膜層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了曲率半徑5mm條件下20 萬(wàn)次彎折，獲2019 年度北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。目前，京東方已在多地布局柔性AMOLED 生產(chǎn)線，綿陽(yáng)6 代柔性AMOLED 生產(chǎn)線于2019 年7 月開始量產(chǎn)，還將在重慶建設(shè)第三條第6代AMOLED 生產(chǎn)線。

廣東聚華印刷顯示技術(shù)有限公司在柔性顯示領(lǐng)域一直走在國(guó)際前列，是業(yè)內(nèi)唯一一家“國(guó)家印刷及柔性顯示創(chuàng)新中心”，聚焦印刷顯示工藝的基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用，其所研制的印刷顯示機(jī)，連續(xù)多年在全球性消費(fèi)電子展盛會(huì)—美國(guó)拉斯維加斯CES 展會(huì)上展出。

臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院設(shè)立柔性電子量產(chǎn)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室在卷對(duì)卷加工工藝和OLED 照明技術(shù)、柔性觸摸板模組等方面開展工藝開發(fā)。

（二）面臨問題

一是起步總體較晚，未擺脫跟隨模式。產(chǎn)業(yè)起步較晚，尚缺乏原創(chuàng)性成果和完整工藝鏈條，在國(guó)際產(chǎn)業(yè)分工中仍處于代工地位和跟跑階段。在關(guān)鍵材料、關(guān)鍵量產(chǎn)裝備、核心技術(shù)及專利上雖然努力追趕，但國(guó)外廠商已經(jīng)形成較強(qiáng)的專利布局和產(chǎn)業(yè)鏈分工，國(guó)內(nèi)材料及設(shè)備廠商在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中仍然受制于人，產(chǎn)業(yè)鏈中的利潤(rùn)空間依然被國(guó)際巨頭公司所把控。

二是關(guān)鍵材料、核心裝備嚴(yán)重依賴進(jìn)口。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)柔性電子產(chǎn)業(yè)規(guī)模已在全球舉足輕重，但全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展極不均衡，關(guān)鍵材料對(duì)外依存度較高，面臨被制約風(fēng)險(xiǎn)；在核心高、精、尖的裝備方面，我國(guó)基礎(chǔ)薄弱，嚴(yán)重依賴進(jìn)口。

三是人才不足。產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)依賴于技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是人才的競(jìng)爭(zhēng)?，F(xiàn)有柔性電子相關(guān)產(chǎn)業(yè)仍處在技術(shù)、設(shè)備和高端人才以海外引進(jìn)為主階段，這也是制約我國(guó)柔性電子技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的重要影響因素之一。

四、對(duì)策建議

一是加大支持力度，突破核心關(guān)鍵技術(shù)。在國(guó)家有關(guān)科技計(jì)劃中，加大投入力度，重點(diǎn)開發(fā)柔性顯示、柔性生物傳感及柔性固體器件技術(shù)，擴(kuò)大我國(guó)柔性電子技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)；開發(fā)柔性基板材料，研發(fā)蒸鍍?yōu)R射和化學(xué)成膜設(shè)備、噴墨打印與封裝等關(guān)鍵裝備，提高材料和裝備的國(guó)產(chǎn)化率，破解柔性電子產(chǎn)業(yè)的核心關(guān)鍵技術(shù)問題，突破國(guó)外的技術(shù)和專利封鎖。

二是建立國(guó)家級(jí)柔性電子技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)。圍繞柔性顯示、柔性生物傳感及柔性固體器件等方向，整合資源，建立國(guó)家級(jí)柔性電子研發(fā)平臺(tái)，搶占柔性電子產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)；建設(shè)柔性半導(dǎo)體材料、顯示裝備等共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，提升柔性電子產(chǎn)業(yè)中核心材料與關(guān)鍵裝備的國(guó)產(chǎn)化率。

三是加強(qiáng)人才培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)。調(diào)整專業(yè)和學(xué)科布局，擴(kuò)大本、碩、博培養(yǎng)數(shù)量和博士后隊(duì)伍，培養(yǎng)兼具科學(xué)素養(yǎng)與工程素質(zhì)的復(fù)合型人才，培育柔性電子技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才團(tuán)隊(duì)。