美國柔性電子技術初探及柔性電子技術的研究方向

美國柔性電子技術研發政策與方向。美國在新興柔性電子領域擁有眾多優勢，具有世界上最大和最好的研究型大學系統，其中有許多從事柔性電子相關的研究項目。美國還擁有世界級的企業，這些企業在柔性和印刷電子相關的競爭力、設備、工藝技術，以及知識產權方面都是世界一流，並且大部分的企業從事重要的研究與發展活動。美國國防部也非常重視柔性電子技術在軍事領域的應用，支持必要的研究基礎設施的開發，建立了一些柔性和印刷電子研究中心。美國聯邦政府通過國防、民用等眾多機構渠道，促進柔性電子技術的發展。

一、重視柔性電子技術的軍事應用

美國武裝部隊一直處於支持柔性電子技術發展的前沿。美國陸軍研究實驗室、美國海軍研究辦公室、空軍研究實驗室和美國特種部隊司令部等都支持顯示技術在國防領域的應用。美國國防高級研究計劃局在部署顯示研究方面也發揮了重要作用。根據未來作戰系統等類似項目，軍隊尋求改善和現代化其功能，開始對柔性顯示進行重大的開發投資，尤其是亞利桑那州立大學柔性顯示中心的建立。陸軍研究實驗室指出柔性顯示對於士兵具有潛在的重要意義，顯示系統可為士兵提供所需的裝備信息，並且還具有低功率、不會磨損等性能。

20世紀80年代至本世紀初，美國國防高級研究計劃局投資超過6.5億美元用於高清系統計劃，主要促進顯示技術在軍事領域的發展。在20世紀80年代，雖然美國國防高級研究計劃局努力推進，但美國在顯示技術方面的製造能力還不強，佔世界主導地位的日本液晶顯示器生產商也拒絕與美國國防高級研究計劃局合作，韓國和中國台灣的液晶顯示器生產商卻願意與美國國防高級研究計劃局合作，並在某些情況下接受美國國防高級研究計劃局的資助。美國國防高級研究計劃局的柔性顯示項目於1999年啟動，為國防應用開發和示範大面積、高解析度的顯示屏，還可應用于飛機、船隻、車輛、步兵制服和設備等。

2013年，美國空軍研究實驗室授權柔性技術聯盟(FlexTech Alliance)發起組織一個新納米生物製造聯盟，主要目標是彙集納米技術、生物技術、添加製造技術和柔性電子技術方面的一流研究人員，建造原型監測設備。納米生物製造將多種功能如遙感、通信和電源集成在一個柔性電子平台。它可以在醫療領域中利用一個小型電子器件無線監控人的表情，也可以將感測器嵌入到飛機表面來衡量應力和進行結構完整性的實時分析。美國空軍最初關注監控飛行員操作和技術支持人員，衛生保健企業也盯上了這一新技術的商業用途，用於病人實時監測。納米生物製造聯盟將設備共享，以幫助企業和高校獲取尖端能力，並有利於教育和培養先進位造技術方面的學生和工人。

2015年，美國國防部與蘋果公司、波音公司、哈佛大學等機構一起，加入了由柔性混合電子製造創新研究所(FHEMII)主導的一個研發項目，共同開發柔性可穿戴式感測器。儘管這個項目剛剛成立，但已經擁有了162名成員。這個項目的主要目的是開發可用于軍事的穿戴裝置，還將開發用於醫療中心和醫院的帶有感測器的穿戴裝備，可以造福於老年人，使3D列印可穿戴裝置能夠轉化為更加民用化的應用。目前這個項目的資金非常充足，總投資高達1.71億美元，美國政府和私營資本共同參與，其中美國國防部將在5年內投入7 500萬美元，其他9 600萬美元將來自實體的投資，其中還包括一些來自地方政府的資金。柔性混合電子製造創新研究所的總部設在加州的聖何塞，由柔性技術聯盟負責籌組和管理。

二、政府資助機構支持柔性電子技術發展

美國國家標準與技術研究院的技術創新項目通常提供300萬～500萬美元的基金來支持國家所需要的關鍵領域的研究和創新。美國國家標準與技術研究院在自己的實驗室開發了專有的柔性電子技術，比如柔性存儲設備，類似於記憶電阻。美國國家標準與技術研究院的測量設備促進了有機光電技術開發，包括可列印和柔性薄膜和混合有機太陽能電池。

美國國家科學基金會主要通過電子部門、通信和網路系統資助柔性電子相關項目。美國國家科學基金會支持了約200個該領域的研究項目，但項目通常較小，包括的研究主題晶體管、氧化鋅、有機發光二極體和印刷電子。每個項目資助金額約30萬美元，資助周期為3年，這些項目大多與產業進行合作。

美國能源部2013年巨額撥款支持4家企業研發OLED顯示技術。Litecontrol公司、Plextronics公司、InnoSys公司和Universal Displays公司成功獲得美國能源部的款項支持，其中最重要的原因不是OLED本身，而且OLED技術直接帶來的就是節能，OLED不僅可以應用於液晶面板，可作為一種超高清、超薄的顯示器使用，而且還可以在節能燈方面得到應用。

美國商務部經濟發展管理局在培育和支持全國地區經濟發展中發揮了重要作用，通過創造就業和吸引私人投資等戰略投資措施，大力支持了經濟陷入困境地區的發展。2011年，美國商務部經濟發展管理局領導多個機構努力支持了20個高增長的區域產業集群。資助金主要來自3個聯邦機構，技術援助來自13個機構，共支持了21個州農村和城市地區先進位造、信息技術、航空航天和清潔技術的發展。俄亥俄東北技術聯盟(NorTech)領導的財團組織獲得200萬美元的資助，創建東北俄亥俄州市場加速器，主要為俄亥俄州東北部的先進能源和柔性電子元件(FlexMatters)集群提供製造、市場開發和勞動力發展服務。

三、柔性技術聯盟和集群促發展

柔性技術聯盟是一個致力於推進柔性顯示器和印刷電子產業鏈發展的組織。柔性技術聯盟旨在確定技術差距，與產業界合作建立試點生產基地，並開發相關的供應鏈。該聯盟已經贊助了超過150個在柔性電子領域的技術項目。其中最值得注意的是，開發了用於玻璃襯底上的連續印刷電子製造技術，這種技術被認為在商業上是可行的。還有一項就是開發了用於印刷薄膜晶體管器件的高性能可溶液加工的有機半導體。2013年，柔性技術聯盟發起組織一個新納米生物製造聯盟。2014年，聯盟從空軍研究實驗室獲得350萬美元的資金資助，用於開發特定類型的柔性和印刷電子相關的尖端工具、材料和工藝。4個研究主題包括：利用三維添加製造工藝，開發一種工具來處理三維表面上的電子元件和混合集成電路;開發有著不同軍事用途的能源儲存、捕獲和無線傳輸的柔性集成系統;開發新的集成混合硅 (Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS) 互補金屬氧化物半導體技術解決方案，包括新的製造系統和互連技術的系統設計，應用在醫療監控、身體感測器、物流標籤、結構完整性監測上;開發適用於發電、儲能、感測器、通信和照明等領域的印刷和柔性電子產品。聯盟還成立「用戶俱樂部」加強柔性電子產品的應用，促進和供應鏈公司的網路關係，並且推進主題領域的先導研發，例如可穿戴設備和一次性電子產品。

柔性顯示中心(FDC)是一個研究與創新中心，是軍隊與亞利桑那州立大學合作建立，專註於柔性顯示屏的商業化。合作夥伴包括軍隊、19家美國和外國的公司和7所大學。柔性顯示中心擁有第2代試驗性生產流水線，可以用來生產OLED顯示器以及有機電子器件，包括高純有機薄膜層表面的精密加工。這條生產線能夠使其開發的技術應用到生產中，同時在有需要的時候製造有限批次的顯示器。2012年，柔性顯示中心宣稱開發出世界上最大的柔性彩色顯示屏，一個對角線為7.4英寸長的OLED原型，滿足美國國防部對全彩、全運動視頻的柔性顯示組件的要求。2013年，柔性顯示中心和施樂公司宣布已經成功通過使用先進的薄膜晶體管製造出世界上最大的柔性X射線探測器原型，對角線長7.9英寸。2013年7月，亞利桑那州立大學生產了一種更大的柔性彩色OLED顯示屏，有14.7英寸長。

俄亥俄東北技術聯盟(NorTech)是美國政府為加快俄亥俄東北地區柔性電子產業集群化的計劃。該集群由聯邦政府資助、由許多大型公司組成，還有許多在柔性電子價值鏈中起到多樣化作用的中小企業現在和許多聯邦生產計劃有關聯。該集群戰略路線圖在2013年制定，確定出先進能源和柔性電子元件集群的核心和新興競爭力到2019年將達到420億美元的市場。主要的核心競爭力包括以下幾個方面，液晶薄膜、複雜柔性電路、卷對卷(R2R)製造等。該集群成員具有的先進新興競爭能力包括液晶器件的R2R製造、多功能薄膜的R2R生產、複雜柔性電路的自動化製造、高價值柔性設備的自動化製造等。在2019年的目標是在液晶設備的R2R製造、多功能薄膜的R2R製造、複雜柔性電路的自動化生產領域成為世界主導者。計劃在2019年前利用整個區域價值鏈，在高價值柔性設備的生產上實現全球領先。

四、柔性電子技術的研究方向

1.重點大學

在柔性領域，眾多美國大學均參與到基礎和應用研究中，並有一系列新發現，將學術成果運用於商業化中。儘管諸多研究成果來自個別的大學，但大學間的合作也不少。

哈佛大學是可充電鋰離子電池的3D印表機的先驅者，該電池和一粒沙子一樣大小，比商業應用上最小的微電池還要小1 000倍，在生物醫學設備，微型無人機和「智能塵埃」(分散式感測器陣列)均有潛在應用價值。

麻省理工學院創造了新的聚合物薄膜，可以吸收水蒸氣發電，在吸收少量蒸發的水後通過捲曲向上或向下改變其形狀。潛在的應用包括運轉微型或納米電子設備並且控制小型機器人。從大範圍來看，這項技術可用於衣服上，利用蒸發的汗水給設備提供能量，例如生理監測感測器。如果置於河湖之上，這項技術能進行大型發電。

喬治亞理工學院的有機光電子與電子技術中心通過使用一種包含單脂肪胺基團的聚合物改性劑，發現了一項能減少有機電子導體功函的通用技術。改性劑對大部分導體都有效，包括石墨烯的導電聚合物;且價格便宜，對環境無害，併兼容卷對卷的大規模生產技術。在OLED、有機太陽能電池和有機薄膜晶體管上都有應用價值。在2012年宣布一項新計劃，利用「廉價、環保、容易與現有的R2R製造兼容的材料工藝」，創造出世界第1個塑料太陽能電池。

斯坦福大學結合柔性電子層與壓力感測器來創建一個可穿戴的比美元更薄的心臟監視器。該監視器能讓醫生檢測硬動脈和其他心血管問題，並監測新生兒的安全和高危手術患者的關鍵生命體征。研究人員努力使這些設備能夠通過無線連接，這樣醫生就能通過手機時刻接受到病人的心臟狀況信息。

加州大學伯克利分校開發了一種「電子皮膚」，一種柔性塑料上的用戶交互感測器網路，通過光照響應觸摸，隨著壓力增加發射的光的程度也增加。潛在應用包括增加機器人的觸覺靈敏度、作為觸摸屏顯示的壁紙、司機通過揮動手來調整電子控制的儀錶板。

皇后大學與英特爾等公司合作開發了一種柔性的「紙標籤」顯示屏，未來能夠完全代替紙張甚至完全代替傳統的顯示屏。該顯示屏能歸檔並顯示多份紙質文檔，避免使用計算機顯示器、大量紙張或列印資料。用戶能擁有10個或者更多互動式顯示屏，每一個都代表不同的應用。

2.重點企業

目前，許多美國公司參與到柔性電子產品的研發和生產中，是全球重要的技術提供者。不過大體來看主要的公司並沒有投資和開發一款基於柔性電子技術的高產量、主流的消費產品。

惠普公司的研發部門一直在追求能促進塑料顯示屏和玻璃顯示屏替換的設備和工藝技術。惠普和亞利桑那州立大學柔性顯示屏中心合作開發電子紙和塑料顯示器，儘管該公司在2010年宣稱其首要目標是使顯示器更加輕薄而不是可捲曲，因為先進技術不可能只達到可彎曲的水平。惠普的自對準壓印光刻技術，現在通過升級提高了大型柔性OLED背板的生產。

通用顯示集團是世界OLED技術和材料的領導者，在全球擁有獨家許可和授權專利三千多項。該集團是全球用於OLED生產的磷光發光材料的主要供應者。它和許多大學有合作，並獲得來自軍隊等的資助。2013年，該集團開設了一個世界級的OLED材料廠，專註於磷光的OLED材料生產研發。

杜邦公司正經歷戰略轉變，開發基於植物和其他可再生資源的綠色技術。眾多杜邦業務正在開發與柔性電子相關的材料和工藝技術。杜邦帝人薄膜公司為杜邦與日本帝人公司的合作公司，開發一種PEN薄膜應用於柔性顯示器上，包括暴露在極端灼熱和惡劣的化學環境下薄膜產品。杜邦正在開發一種新型PET聚酯薄膜能夠在柔性電子卷對卷的生產中提高產量並降低成本。杜邦微電路材料公司開發了用於微電子、光伏、自動汽車和消費電子應用的材料。2011年杜邦與荷蘭霍爾斯特中心合作研發用於柔性基底上印刷金屬結構的技術，可應用於顯示屏、照明、RFID、生物醫學和太陽光電領域。杜邦顯示公司專註於顯示屏研發材料和生產工藝，已經開發出了用於高性能OLED顯示屏的溶液印刷工藝技術，旨在消除資本密集型加工和減少運行成本。

道康寧公司主要生產用於科學和專業工業應用的玻璃、陶瓷及相關材料。該公司開發了一種超纖薄柔性玻璃，在柔性電子產品中有多個應用，包括觸摸屏、柔性太陽能電池、智能手機、平板電腦和其他類型的顯示器。道康寧現在和其他組織合作，驗證基於卷對卷生產技術的柔性玻璃和有機光伏器件印刷的適應性。道康寧還進行柔性基底上使用高性能的石墨烯場效應晶體管的研究等。

保爾佳公司是印刷電子應用功能性油墨生產商。通過參與產業合作項目，在設備的材料設計和油墨方面取得領先地位，包括有機晶體管、光電器件和電路的應用。保爾佳與薄膜電子ASA公司合作開發用於高通量印刷基於凹印的油墨。2011年與歐洲化學集團合作，做成了世界紀錄級別的有機太陽能電池。

Cambrios 技術公司將透明半導體技術用於商業化生產中，研發出了一種用於觸摸屏的基於銀納米線的技術。因為它能夠增加彎曲或包蓋觸摸顯示屏的生產效率，許多公司採用了這項技術。在觸屏、高性能OLED和光伏設備領域，開始取代銦錫氧化物。

Soligie是印刷電子產品設計與製造服務的提供方，在一定程度上和微電子半導體鑄造服務類似。該公司在醫療、安全和物流以及軍事應用上為客戶提供柔性電子產品。Soligie和PARC共同開發用於RFID、智能包裝、醫療和柔性互連市場的印刷電子產品。2011年引入單張的、平板的印刷生產線以適應客戶對產品中低產量的需求。

3M公司生產大範圍的工業與消費產品包括電子材料、電路和光學薄膜。該公司對柔性印刷電子技術十分感興趣，包括觸摸屏、RFID和顯示屏。2012年3M引入柔性透明薄膜，避免電子接觸水蒸汽和氧化。2013年，3M和Cambrios合作開發了其專有的3M銀納米線薄膜，由聚酯薄膜基底上的銀納米線導電油墨微圖案組成，可用於觸摸感測器上。

IBM公司2012年證實了一種高性能、先進的CMOS集成電路，包括在柔性塑料襯底上的環形振蕩器裝置。IBM建立了基於硅的設備並且利用成本低、室溫條件下的製造工藝來剝落硅襯底，此時設備被轉移到柔性塑料帶上。IBM的研究人員證實了在柔性襯底上可將單層石墨烯作為OLED透明電極使用，這在照明和顯示器中擁有潛在應用價值。

五、結語

柔性電子技術被認為是電子行業的未來，因為柔性電子產品可以彎曲、伸展，有時甚至還是可穿戴的，給出人類的生命體征數據，柔性電子技術已經成為美國政府研究的重要課題，許多研究機構和公司都投入資金研究柔性材料。特別是美國軍方斥巨資支持柔性電子的發展，可見柔性電子未來的戰略意義。了解美國在柔性電子領域的政策和發展方向，對於我國在該領域的研究和開發具有指導和啟示作用，為我國柔性電子領域的發展提供一定的參考。

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