“我们目前研制出的柔性盖板用于电子显示屏中,可以弯折10万次以上,用1公斤的钢丝绒来回摩擦5000次无划痕,可达到本征柔性标准,与国际领先水平相当。”在会议间隙,北京大学化学与分子工程学院教授裴坚举着一卷透明、轻薄的薄膜材料向与会者介绍。

近日,香山科学会议第739次学术讨论会召开,专家学者围绕“本征柔性电子学的科学问题和技术瓶颈前沿”展开研讨。专家表示,在本征柔性电子学领域,我国有一些具有本征柔性的元器件已得到初步印证,但未来规划和产业布局相对匮乏。

当前技术路线难以满足未来需求

随着曲面显示器、折叠屏手机等的问世,柔性电子学逐渐为人们所熟知。柔性电子具有柔软、透明、质轻、曲面的特性,除了应用于显示行业外,还可广泛用于化学与生物传感器、柔性电池、可穿戴设备等多个领域。

从技术上讲,当下柔性电子产品的实现主要依靠物理柔性、结构柔性两种路线,即减薄技术和铰链技术。

“从物理路线来说,任何刚性物质如果变得很薄、很细,都能展示柔性,如曲面屏。”中国科学院院士、中国科学院化学研究所研究员刘云圻介绍,“芯片是刚性的,如果芯片的连线具有分形结构或弹簧结构,则在宏观上具有柔性,如折叠屏。”

随着多元信息交互及物联网时代的到来,消费应用市场对显示器件形态、特性呈现出多样化需求。据英国市场调研公司IDTechEx预测,到2027年,柔性电子产品整体市场将达到700亿美元。

“目前,柔性电子产品让人们的生活更加便利、舒适,未来我们希望为人们服务的电子产品可以无感贴附、卷曲半径更大、任意折叠,真正实现人机交互、无处不在。”中国科学院化学研究所副研究员赵志远介绍。

“然而,依靠目前的减薄技术和铰链技术,显示面板等电子产品受尺寸和形状限制,无法满足大多领域对柔性电子产品的需求。”赵志远对《中国科学报》说。

本征柔性电子学面临挑战

2022年,刘云圻在发表于《国家科学评论》的论文中提出了“本征柔性电子”这一概念,即形态上具有高弹性形变和较小曲率半径(小于0.5毫米),同时具有较好可拉伸性(大于25%)的材料或器件。

他认为,本征柔性电子学研究有助于突破传统电子的应用限制,在智能仿生、柔性皮肤、可穿戴设备、隐身技术等领域产生新的效果,同时有利于深度融合多领域前沿技术,引领信息科技、健康医疗、可再生能源等的发展,是未来柔性电子技术的发展方向。

刘云圻指出,在国际上,欧盟、美国、韩国和日本等都通过材料研究规划和产业项目布局等措施,将柔性可拉伸的电子、显示以及传感等技术列为未来发展的优先领域。我国的研究与国际同步,一些具有本征柔性的发光二极管、晶体管及传感器等元器件已得到初步印证,但未来规划和产业布局相对匮乏,目前至少存在5个急需突破的挑战。

在本征柔性电子材料方面,需要进一步提高材料性能,在保证柔性和拉伸特性的同时有较高的发光效率、传感性能等。

“以显示屏为例,成为本征柔性屏意味着其盖板材料、晶体管驱动电路、像素点、集成电路、基板等均达到本征柔性的标准,这对半导体材料、电极材料、介电材料等都提出了极高的要求。”赵志远解释说。

“而在柔性电路系统方面,如何实现复杂生物信号探测与模拟,使其能应用于不同场景中?如何保证大面积、稳定性与批量制备?如何实现微米级分辨率?这些都有待研究。”刘云圻说。

此外,在柔性电子单元器件、柔性电子加工技术、柔性电子理论基础方面,也存在着许多技术瓶颈。

刘云圻认为,这些科学问题和技术瓶颈将是本征柔性电子学前沿领域的重点方向,未来应从这些方面进行研发布局。(中国科学报 记者刘如楠)