柔性电子技术发展现状及趋势

贾异，卞曙光

（1.科技部高技术研究发展中心；2.天津大学）

柔性电子器件以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本的制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。本文对柔性电子技术进行了简要介绍，并对国内外柔性电子领域的研究现状进行了总结，提出了我国在该领域的发展建议。

一、柔性电子技术

（一）定义与特性

柔性电子技术是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上，形成电路的技术。

柔性电子技术颠覆性地改变了传统刚性电路的物理形态，极大促进了人-机-物的融合，是融合实体、数字和生物世界的变革性力量，在光电性能，尤其是柔性化、大面积、低成本，以及节能环保等方面具有显著优势。

（二）理论基础

柔性电子学是建立在现有多个学科理论基础上，以材料学和力学为核心，包括理论设计、模拟仿真、材料物理、器件工艺、电路系统和制造封装等学科内涵。化学、物理、材料学、力学和电子科学与技术为柔性电子学理学部分打下坚实的理论基础,柔性电子学的工学部分包括柔性电子材料与加工工程、柔性电子器件制备、柔性电子系统集成、光学工程和力学中的工程力学部分。尤其是生物医学工程有力支撑了生物光电子学和柔性电子器件/系统中的生物医学应用。

柔性电子学是一类高度交叉融合的颠覆性科技形式，涉及物理、化学、材料、电子、生物和医学等多学科，是建立在自然科学技术和社会科学两大领域交叉之上的高度综合、系统完整的学科理论体系。柔性电子器件以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺等优势，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广阔应用前景。柔性电子学科涉及内容丰富，包含核心学科和拓展学科两大发展阶段，其中4 个核心学科是有机电子学、塑料电子学、生物电子学、印刷电子学，2 个拓展学科是智能电子学、军用电子学。

柔性电子学的重大理论突破和原理创新，将引领电子信息科技的变革和跨越式发展，全面带动“FAMISHED”八大科学技术领域的快速发展，服务于我国信息技术产业升级，满足国家重大战略需求。

（三）作用和意义

柔性电子技术主要涵盖柔性显示、有机电致发光(OLED)显示与照明、化学与生物传感器、柔性光伏、柔性逻辑与存储、柔性电池、可穿戴设备等多种应用场景。

柔性电子技术与材料科学的交叉融合，如结合仿生材料领域的研究进展，能够充分优化仿生系统的力学动态行为，进而实现高力学性能的柔性电子器件，应用于大量可穿戴/可植入设备，从而极大地丰富了健康数据采集和疾病检测的手段。

柔性电子器件的质轻、便携、可大面积加工和适应性强的特点，也将为空间科学的发展提供重要的助力，如：航空航天过程中的柔性信息显示器件、信息存储及处理器件等，将极大颠覆传统航天器的设计与运行模式。

柔性能源电子器件具有能源转化与能源存储功能，为未来大规模柔性电子器件的应用提供了能源保障，与绿色可再生能源的集成将深刻变革现有的能源结构，诱导能源科学的创新发展。

柔性电子应用于人工智能，将极大地推动机器学习、人机交互和仿生机器人的进步，为计算科学中的感知、推理、决策和学习等智能活动提供划时代的硬件基础，为我国产业智能制造能力提升贡献力量。

柔性电子器件是泛物联网的主要组成部分，在物联网的人机交互中，各类柔性传感器件的出现和大规模应用将极大地拓展物联网的覆盖范围，令人与物体的交互方式变得更加简便、舒适，真正做到了智能信息过程无处不在、无所不包。

柔性电子的发展也将极大地启发健康科学，大量可穿戴/可植入设备围绕人体研发的应用层出不穷，柔性电子传感器件将极大地丰富健康数据采集和疾病检测的手段。

智能时代要求电子系统具有微型化、柔性化、泛在化等特征，以此为核心来实现人-机-物高度融合。而柔性电子是颠覆原有信息载体形态，全面提升信息感知、存储和显示等能力的关键技术基础，是智能时代的颠覆性创新技术。当前，我国电子信息技术的发展正处于系统创新和智能引领的重大变革期，深入开展柔性电子领域的研究是驱动我国创新发展的新引擎，是国家发展新兴信息产业的重大战略需求。

柔性电子未来必将在军事智能、航空航天、生物电子、新型能源、脑机融合等领域产生巨大影响。我国迫切需要紧密围绕柔性电子领域的关键科学问题及共性技术展开基础研究，力争在高性能材料的设计与制造、柔性器件加工工艺技术、器件稳定性以及柔性多功能器件集成化等方面取得重大突破，为我国柔性电子技术及其相关产业实现快速发展与开道超越奠定坚实的基础。探索柔性电子相关的新现象与新功能应用于显示照明、纳米传感、生物医学等领域，实现从基础研究向应用技术研究转移，推动有机柔性电子、纳米柔性电子和生物柔性电子发展，促进我国尽早在柔性电子、智能制造、新型显示和先进能源等领域的跨越式发展，为我国相关产业的发展提供原创性动力以及自主知识产权与关键技术保障。

二、国外研究现状

欧美发达国家对柔性电子领域的研究启动较早，并有计划地培养了一批相关领域的创新人才。

早在2007 年，欧盟通过第七框架计划中的PolyApply 和SHIFT计划，投入了数十亿欧元的研发经费，重点支持柔性显示、光伏、传感和可穿戴器件等方面的研究；英国的“抛石机”计划、建设英国的未来计划则均将柔性电子作为先进制造业的重点领域；德国更是投资数十亿欧元，建立柔性显示大规模生产线；法国国立圣埃蒂安高等矿业大学的普罗旺斯微电子中心专设了柔性电子系，研究方向涉及柔性可拉伸微电池、柔性射频标签、电子皮肤、人工视网膜、有机晶体管和可穿戴器件等。2012 年，美国《总统报告》中将柔性电子制造作为先进制造11 个优先发展的尖端领域；同年，NASA 制定柔性电子战略，2014 年成立柔性混合电子器件制造创新中心。日本的TRADIM 计划成立了先进印刷电子技术研发联盟，重点发展印刷与柔性电子材料与工艺关键技术；IT 业高度发达的印度也对柔性电子研究非常重视，印度政府依托印度理工学院和印度科学院设立国家柔性电子中心；此外，泰国也成立了国家级的印刷电子创新中心（TOPIC）等。

在柔性显示与照明领域，以英国帝国理工学院聚合物半导体之父Donal Bradley 爵士为代表，专门设立了塑料电子中心，针对有机半导体光电材料及其光电性质开展研究，涉及有机/聚合物发光二极管（OLED、PLED）的工艺开发、自柔性信息显示与照明等领域；荷兰霍斯特中心和德国弗劳恩霍夫研究所在柔性信息显示工艺，尤其是“卷对卷”工艺制备大面积柔性OLED 器件中做出了突出贡献；美国亚利桑那州立大学设立柔性电子与显示中心，重点围绕全彩OLED 显示、电子纸和X 射线检测器开展研究，已实现了小面积柔性显示原型器件的中试量产。

在化学与生物传感器及可穿戴设备等领域，美国西北大学生物集成电子中心主任John A. Rogers 院士是国际知名的柔性电子学专家，在仿生电子器件的设计与制造、可穿戴生物医学电子器件等研究领域走在世界最前沿；英国苏塞克斯大学传感技术研究中心则设有可穿戴/植入技术和柔性/可拉伸电子实验室；美国斯坦福大学化学工程学院院长鲍哲南院士在柔性薄型显示器的全塑晶体管的新型高性能有机、高分子半导体材料方面做出突出贡献，尤其在人工电子皮肤领域；美国的伊利诺伊大学香槟分校、斯坦福大学、加州大学伯克利分校和圣地亚哥分校在柔性生物电子和柔性传感领域有着重要贡献；美国苹果公司、波音公司、哈佛大学等机构联合柔性混合电子制造创新研究所，共同致力于开发柔性可穿戴式传感器。

在柔性光伏领域，韩国首尔国立大学的电子与计算机工程系下设柔性电子与能源中心；光州科学技术学院成立了柔性光电子实验室聚焦先进光电子器件系统、多功能纳米光电电子学和下一代光学医疗体系；柔性集成技术是柔性电子实现产业化的关键，而这类技术主要垄断在韩国三星公司和LG 公司手中。

三、我国研究现状及面临问题

（一）国内现状

我国在柔性电子技术领域已做出颇多努力。国家自然科学基金委针对柔性电子技术专门设立了重大国际合作项目和系列面上项目，比如，面向柔性制造的人-机技能共享与互助协作方法与技术，柔性与可穿戴材料化学，个性定制与柔性制造智能化技术，有机/柔性光电子器件与集成，柔性光电子技术及器件等；国家“973”计划则支持了高效有机/聚合物太阳电池材料与器件研究、可印刷塑料电子材料及其大面积柔性器件相关基础研究、可延展柔性无机光子/电子集成器件的基础研究等项目；国家“863”计划也设立了“柔性显示关键材料与器件技术”专项；国家重点研发计划设立了12 个与柔性电子技术相关的项目；“新一代人工智能”重大专项中的“新型感知和智能芯片”方向，则要求开发功能类似生物、性能超越生物的柔性感知系统等。各高校、企业和地方政府也积极支持柔性电子技术的研究，为我国柔性电子技术的发展奠定了坚实基础。

在化学与生物传感器及可穿戴设备领域，西北工业大学柔性电子研究院、南京工业大学先进材料研究院和南京邮电大学在黄维院士的带领下，在高性能有机光电材料及器件、大批量制备有机半导体薄膜系统开发，以及新型高灵敏柔性健康传感器的研制方面取得了长足的进展。

清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组，在柔性显示、柔性传感、柔性固体器件与健康医疗等方向取得了一系列重要突破，特别是在生物传感器的研究中，研发了类皮肤柔性电子生物传感器，实现了医疗级的血糖监测精度；通过将力学理论与信息、材料、化学等学科交叉，发展了一种能够在体温驱动下自动攀爬至外周神经束上的三维螺旋形缠绕电极，为外周神经调控技术在临床上的应用提供了崭新的思路，成果发表在固体力学顶级期刊。

清华大学医学院生物医学工程系联合中国科学院理化技术研究所，在柔性电子快速制备工艺探索上取得突破，研发了适用于广泛基底的柔性电子制造一步法转印技术，又找到了一种普适性柔性电子快速制造方法，为可穿戴式医疗及个性化电子健康产品的快速制造，提供了崭新的技术和工具，具有十分重要的科学意义和应用价值。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士，以柔性电子为基础，借助新型柔性材料或结构设计，开发了针对能源收集、存储等多功能耦合的可穿戴设备。

成立于2017 年底的浙江清华柔性电子技术研究院在柔性材料器件、柔性传感、柔性显示、柔性光学测量等各个方向均有所研究，且在柔性传感生物信号及检测方面已取得国际领先的研究成果。

在柔性显示照明领域，京东方（BOE）作为国内自主掌握柔性显示技术的企业，首次设计出全球独有的针对外折的AMOLED 产品多膜层结构，实现了曲率半径5mm条件下20 万次弯折，获2019 年度北京市科学技术进步奖特等奖。目前，京东方已在多地布局柔性AMOLED 生产线，绵阳6 代柔性AMOLED 生产线于2019 年7 月开始量产，还将在重庆建设第三条第6代AMOLED 生产线。

广东聚华印刷显示技术有限公司在柔性显示领域一直走在国际前列，是业内唯一一家“国家印刷及柔性显示创新中心”，聚焦印刷显示工艺的基础、关键技术开发和工业化应用，其所研制的印刷显示机，连续多年在全球性消费电子展盛会—美国拉斯维加斯CES 展会上展出。

台湾工业技术研究院设立柔性电子量产开发实验室在卷对卷加工工艺和OLED 照明技术、柔性触摸板模组等方面开展工艺开发。

（二）面临问题

一是起步总体较晚，未摆脱跟随模式。产业起步较晚，尚缺乏原创性成果和完整工艺链条，在国际产业分工中仍处于代工地位和跟跑阶段。在关键材料、关键量产装备、核心技术及专利上虽然努力追赶，但国外厂商已经形成较强的专利布局和产业链分工，国内材料及设备厂商在整个产业链中仍然受制于人，产业链中的利润空间依然被国际巨头公司所把控。

二是关键材料、核心装备严重依赖进口。经过多年的发展，我国柔性电子产业规模已在全球举足轻重，但全产业链发展极不均衡，关键材料对外依存度较高，面临被制约风险；在核心高、精、尖的装备方面，我国基础薄弱，严重依赖进口。

三是人才不足。产业的竞争依赖于技术的竞争，技术的竞争归根到底是人才的竞争。现有柔性电子相关产业仍处在技术、设备和高端人才以海外引进为主阶段，这也是制约我国柔性电子技术可持续发展的重要影响因素之一。

四、对策建议

一是加大支持力度，突破核心关键技术。在国家有关科技计划中，加大投入力度，重点开发柔性显示、柔性生物传感及柔性固体器件技术，扩大我国柔性电子技术的创新优势；开发柔性基板材料，研发蒸镀溅射和化学成膜设备、喷墨打印与封装等关键装备，提高材料和装备的国产化率，破解柔性电子产业的核心关键技术问题，突破国外的技术和专利封锁。

二是建立国家级柔性电子技术创新平台。围绕柔性显示、柔性生物传感及柔性固体器件等方向，整合资源，建立国家级柔性电子研发平台，抢占柔性电子产业制高点；建设柔性半导体材料、显示装备等共性关键技术研发平台，提升柔性电子产业中核心材料与关键装备的国产化率。

三是加强人才培养和团队建设。调整专业和学科布局，扩大本、硕、博培养数量和博士后队伍，培养兼具科学素养与工程素质的复合型人才，培育柔性电子技术及应用领域的创新创业人才团队。