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柔性电子前景可期

作者:http://www.zjysshg.com 发布时间:22-11-10 点击:22

耐受高温与低热膨胀系数两项物理特性加上硅可藉由掺杂(Doping)来改变电性(半导体特性),玻璃具有高光穿透性、高水氧阻隔性,这些特性让硅与玻璃材料分别在电子领域与光电领域占有无可取代的地位,然而,硅晶圆与玻璃属于脆性材料,在柔性电子的柔性需求时就面临挑战。

从制程温度范围来看,不锈钢能够承受的温度范围比较宽广,许多可以应用在硅晶圆的制程有机会应用到不锈钢箔上,Uni Solar就是利用不锈钢箔制作柔性硅薄膜太阳能电池、nano Solar则用铝箔制作CIGS箔膜太阳能电池,只是金属箔是导体材料,在较复杂的柔性电子组件设计上需有绝缘层等设计。

超薄无碱玻璃的特性与目前制程成熟的平板无碱玻璃相近,现在应用到平板无碱玻璃的制程几乎都可以转移到超薄柔性玻璃上,是近年来包括康宁、NEG、Schott等玻璃大厂在极力推广的材料。

然而,超薄无碱玻璃虽然有一定的柔软度,但是能够承受的弯曲程度有限,以Corning的Willow玻璃为例,100μm厚度的超薄玻璃在弯曲半径达4mm时,玻璃承受的弯曲应力(Bending Stress)就达近100Mpa,因此,超薄玻璃在需要弯曲很大的可挠性电子组件应用上空间就比较小。

高分子的塑料材料一直以来都是柔性电子寄予厚望的材料,然而,塑料膜材的耐温不如玻璃,提高塑料基板的耐温度与降低热膨胀系数,是塑料基板应用到柔性电子制程发展的重点。

高分子材料可以透过分子设计、奈米材料的添加来提高耐温特性。以高分子材料的玻璃转化温度(Glass Transition Temperature, Tg)做为指针,一般的制程温度以不超过Tg为宜,较高的Tg就能够有比较大的制程温度空间,不同的高分子材料在有不同的Tg


近代电子可以说是建立在晶体管的架构下发展,晶体管的基本材料是介电层(Dielectric Layer),导电层(Conductor Layer)与半导体层(Semiconductor Layer)。

无机介电层材料如SiO2、Al2O3、或其他氧化物比较脆性,不适合用于柔性电子组件,所幸有机材料一般有比较好的绝缘性,如poly(4-vinylphenol)(PVP), poly(methyl methacrylate, PMMA), Polyethylene Terephthalate(PET), Polyimide(PI), Polyvinyl alcohol (PVA)与Polystyrene(PS)都可以用于介电层。

由于仅属材料本身的可挠性佳,所以柔性电子可以选择金属做为导电层材料,只是柔性基材一般能承受的加工温度较低,因此可以沈积的金属受到限制,一般以银最适合,银的导电性佳(6.30×107S/m.),容易沈积与图案化。

若将奈米银粒子调配成浆料,则无论是喷印(Inkjet)或是网印(Screen Printing)的加工方式都适用于柔性电子。

至于有机的导电高分子包括oly(p-phenylene vinylene)(PPV)、polythiophene、polyaniline(PAN)、PEDOT:PSS等有机材料,其导电度也可达300S/cm,虽然远低于金属导电度,但是这些导电高分子液体的特性适用于印刷加工方式,特别适用于柔性电子。

柔性半导体是柔性电子最具挑战的一个材料。无机的半导体材料如硅、ZnO等除了脆性以外,一般的制程温度较高,柔性基板较难承受。

有机半导体材料则是开发的方向,目前如poly(3-hexylthiophene)(P3HT),、poly(triarylamine)、poly(3,3-didodecyl quaterthiophene, PQT)、 poly(2,5-bis(3-tetradecyllthiophen-2-yl)与thieno[3,2-b]thiophene, PBTTT)等材料都有半导体的特性,此外利用石墨烯(Graphene)、奈米碳管(Carbon nano tube, CNT)或是富勒烯(Fullerenes)来修饰有机半导体也有许多研发。

载子(Carrier)在半导体材料中的迁移率(Mobility)是评量电子组件响应(response time)的一个重要因素,图7是以迁移率为指标看有机半导体材料的发展(8)。

由图7可以看出,目前有机半导体的载子迁移率大约超过非晶硅(amorphous Si, a-Si)的程度,对于应用来说,已经达到LCD与RFID的应用规格,英国SmartKem,德国Plastic Logic都致力于有机薄膜晶体管(Organic Thin Film Transistor, OTFT)研发,在材料部份都有一定的成果,搭载OTFT的柔性电子纸已经商品化,是目前Plastic Logic主推的产品。