引言：什么是柔性电子技术在线视频

我们的世界

正处于剧烈的科技变革当中

昔日科幻电影的神奇场景

如今已成为现实

我们即将迎来的智能时代

将人类生活

信息网络与物理世界紧密交融

大家都知道

比如说你现在用的电子器件

比如说你的手机也好

像你的电脑也好都是硬的

都是刚性的 都是平的

而人体呢

都是弹性的 是软的 是曲面的

所以你怎么把一个刚性的

平的东西和一个曲面的东西

能够结合起来

这是一个很不容易做到的东西

而柔性电子技术

就是实现这一融合的介质

柔性电子技术

可以将现有的电子系统

和电子器件变得可拉伸

可弯曲 可变形

这种柔性化的改变

颠覆了传统信息器件的

刚性物理形态

从而实现了人 信息

和物体之间的高效共融

它最主要的好处

就是它可以完全保证

你现在所用的电子器件的功能

而同时把它柔性化

在过去40年间

柔性电子技术在人工智能

医疗监测 显示屏技术等领域

实现了无数突破

所以这个技术的发展前景

是非常广泛的

它不是说局限于

只是在电子器件的行业

它可以和医学结合

可以在很多地方

找到很有用的应用

未来 我们的身边

将出现更多柔性信息器件与系统

柔性将成为改变世界的新力量

人类社会将进入智能时代

智能时代的信息发展趋势

是人 机 物三元融合

人是指人类社会

机是指网络空间

物是指物理世界

我们可以设想这样一个生活场景

在我们居住的所有的楼宇

我们可以自动 动态 实时地

监测所有的环境信息

在我们去上班的路上

我们可以监测交通信息

和交通设备的信息

在医院里面可以监测

所有病人的动态的生理状况

在我们做运动的时候

可以获取到人体的所有生理信息

把所有这些信息进行深度地融合

可以极大地去改变

我们现有的生活状态

柔性电子技术

是人 机 物融合的界面

我们以脑机接口为例

如果我们把脑机接口中间的脑电极

和处理电路做成柔性

可以高度的与神经融合

这样我们可以获取大量的

神经动态实时的信息

我们再以医疗为例

如果我们把医疗电子做成柔性

那么医疗电子的话

不但可以在体表于人类自然融合

还可以在组织里面（与人）自然融合

它不但可以精准的去监测到

人的所有的生理信息

更能起到高效的治疗作用

柔性电子技术还可以

与重大工业装备紧密结合

以清洁能源中的风力发电机为例

柔性传感器 柔性电路

可以与风力发电机的关键部件

比如叶片和发电机自然融合

可以动态实时去监测出

它的运行状态

从而可以高效地转换电能

高铁在高速运行中间

轮轴 轮对 齿轮箱

是它的关键部件

容易疲劳失效引起重大安全隐患

如果我们把柔性传感器 柔性电路

能够与这些关键部件自然融合

像创可贴一样贴附

在这些关键部件上

我们将可以极大地去提高

整个高铁运行的安全

以及降低它的维护成本

从信息器件的发展趋势而言

柔性电子技术

是后摩尔定律的发展路径之一

摩尔定律指出集成器件的话

朝着更小的线宽

更高的集成度发展

但是随着工艺进入了10nm节点以来

遇到了越来越多的困难和挑战

而后摩尔定律指出器件

可以集成上模拟电路 传感器

电源管理等不同的器件

使得整个系统具备更强的功能

柔性电子技术恰恰具备这样的优势

柔性电子技术简而言之

就是将现有的电子系统和

电子器件柔性化

它将会变革性改变传统信息器件

信息系统的刚性物理形态

实现信息与人 物体

环境的高效共融

我们可以给出柔性电子技术

确切的定义

那就是在柔性衬底上

大面积 大规模

集成不同材料体系

不同功能元器件

来构成可拉伸 可弯曲

可变形的柔性信息器件与系统

具有质量轻 形态可变

功能可重构的特点

针对它的结构柔性

将会具有空间结构的高度适应性

针对它的功能柔性

我们可通过

结构柔性重组系统的元器件

实现不同的功能或者性能

那么柔性电子技术

针对它的器件可以包含

柔性传感器件

柔性芯片 柔性显示器件

柔性能源器件 柔性电路等

柔性器件要实现与人和装备的

自然集成

因此对器件的可延展柔性

及其环境适应性

构成了对器件的挑战和难点

挑战一

如何实现固体器件的可延展柔性

固体器件通常是在刚性的衬底上

沉积多层薄膜

通过刻蚀形成不同的功能单元

我们重点要解决固体器件的

可延展柔性化

与集成化设计理论这个难点

通过解决这个难点

发展可延展柔性设计理论

挑战二

如何调控柔性器件中的界面的粘附

对于柔性器件

通常我们在刚性的衬底上

制备出功能单元

将其剥离并印制到柔性的衬底上

从而构成柔性器件

因此我们必须要解决

柔性器件中转印的实现

及其界面的物理机理

通过解决这一难点

我们发展出刚/柔界面的集成方法

挑战三

如何解决疲劳载荷作用下

柔性器件的寿命问题

柔性器件在使用过程中间

会受到大变形的拉伸 扭转

以及反复的拉伸和扭转

这些载荷容易导致器件的

失效和破坏

因此我们必须要解决

柔性器件中异质界面调控

及其对器件的寿命影响机制

通过对这一难点的解决

我们可以发展针对柔性器件的

结构设计和寿命评估

关于柔性电子技术是什么

我相信大家已经有了基本的概念

那么它作为一门

非常年轻的交叉型学科

是从什么样的契机中

逐渐发展出来的呢

我们知道

柔性电子按照材料进行分类

可以分为有机柔性电子

和无机柔性电子

首先我们来看一看无机柔性电子

在航天领域

卫星能源供给

主要依靠硅基太阳能电池

基于航天器结构和载荷的特殊要求

研究者们一直希望

对太阳能电池进行减重

同时为了便于发射装载

也希望能把太阳能电池

做成可弯曲来适应卫星的狭小空间

因此他们通过将硅片减薄的方式

实现了100微米厚的柔性太阳能电池

实现太阳能电池初步柔性化以后

研究人员就开始尝试

将太阳能电池的功能单元

和不同的柔性衬底进行集成

比较具有代表性的

在20世纪70年代

实现了在聚合物基板上

直接沉积形成氧化非晶硅电池

在不锈钢薄基板上制备出

肖特基势垒太阳能电池

到了1996年

研究者们进一步成功

在0.2mm厚的柔性不锈钢钢板基板上

制备出了非晶硅薄膜晶体管

1998年哈佛大学

Ned Bowden课题组

通过电子束蒸发沉积方法

直接在PDMS衬底上沉积金薄膜

金薄膜与柔性衬底之间的热失配

导致金薄膜形成有序周期图案

该研究对柔性可拉伸导线设计

提供了重要的启发

2003年

普林斯顿和哈佛大学的研究者

在弹性聚合物衬底上

直接制备波纹状褶皱金薄膜条带

并作为可拉伸电子互连导线

构建一个实现反相器功能的电路

在拉伸率大于10%的情况下

反相器的信号不受影响

因此实现了电子器件的局部可拉伸

2006年伊利诺伊大学

John Rogers教授团队

利用通过预应变控制的方法

将从硅基底上剥离的条带状硅薄膜

转移集成到可拉伸的

硅胶PDMS衬底上

最终形成波纹状屈曲结构

该结构最早体现了

可拉伸硅晶体管概念器件

该器件在拉伸以后

可以恢复到初始状态

并且在拉升过程中

器件性能不发生变化

该概念器件突破了

无机器件不可拉伸的物理限制

实现结构可延展

是无机柔性电子器件发展史上的

重要突破

随后几年中

无机柔性电子技术

受到广泛关注并快速发展

先后出现了复杂度更高的

可延展硅基CMOS集成器件

可延展无机LED显示阵列

半球型可变形电子眼成像阵列等器件

这些展示出无机柔性器件

独特的优势和应用场景

讲到这里

我们可以注意到

柔性无机器件的重要结构形式是

将基于无机材料的功能器件结构

与柔性衬底集成

然而由于无机薄膜材料

制备工艺条件的限制

无法在柔性衬底上直接生长

而是需要在无机的硬衬底上生长

如何实现这些无机功能薄膜

与柔性衬里的集成

将是最重要的挑战

要解决这一问题的关键

就是发展转印集成技术

这种方法是在2006年首次提出

用于可延展硅晶体管器件的制备

一直影响着

后来无机柔性器件制备技术的发展

其主要实现机理

是采用一个粘弹性的印章

把在硬衬底上

制备好的器件结构剥离

然后再转移印制到柔性的衬底上

该过程是利用材料的

率相关界面特性

调控转运过程的界面粘附

及竞争性界面断裂

从而实现薄膜电子器件的

高效剥离和转移印制

柔性器件的可延展结构设计理论

不断发展

先后经历了最初的屈曲可延展结构

到后来先后发展了岛桥结构

以及基于岛桥结构衍生出来的

分型互连结构

液体悬浮应变隔离结构

不断推动无机柔性电子器件

可延展性和可靠性的提升

详细的结构设计理论

我们在后面再详细展开介绍

到这里

我们一直在讲

传统刚性电子器件趋于柔性

可延展性

那么柔性化的电子器件

它的优势到底体现在哪里呢

大家可以想想

为什么我们需要柔性化的东西

从日常生活的角度

首先对我们人本身来讲

人体本身是柔软 轻薄的东西

才能让我们感觉有舒适感

你甚至感觉不到它的存在

比如说像创可贴

它能和我们身体的

任何一个部位很好的共形

同时不影响我们施展动作

它只是作为

一个愈合创口的小贴片存在

我们想象一下

如果有一个柔性的电子器件

它也能做到像创可贴那样轻薄

贴在身上

还能监测脉搏 心跳 血压

这些生理数据

那么它的功能会更强大

形态会更炫酷

在2011年研究人员提出了

柔性可拉伸皮肤电子的概念

它可以像纹身贴膜一样

直接贴在皮肤表面

实现皮肤表面温度 应变

肌电等参数的实时测量

以及无线传输

除了贴在皮肤表面

柔性电子器件可以植入体内

与器官组织集成

进行疾病的诊断和治疗

比如Rogers教授课题组

发展了多功能柔性器件

可自然包裹在心脏上

实现心脏的温度 变形 心电

PH值等参数的接触式测量

在过去十几年中

柔性电池技术也取得了重要的发展

2013年研究人员发展了

可拉伸锂电池

采用可延展互连导线设计

该电池最大拉伸可达300%

同期也出现了

各种柔性能量收集器件

他们可与生物体组织集成

在实现生理监测的同时

将其他能量转化为电能

这些技术为柔性电子技术发展

提供能源

柔性无机电子技术

从实验室研究向工业界转化

能让我们在日常生活中

真正体验到它的强大功能

举个例子

比如说夏天大家都很关心紫外线

长时间的日晒

轻者晒伤重者

可能会累积造成皮肤癌

2017年

欧莱雅和相关柔性电子创业团队合作

推出了可以监测紫外线系数的智能产品

My UV Patch

它的厚度只有0.05mm

可以直接贴在皮肤的任何地方

通过显示出的不同颜色

来直观反映紫外线照射强度

这样我们就可以通过

关联手机的APP

来建立防晒的智能监测与管理方案

清华大学柔性电子技术团队

在国家973项目的资助下

体系化开展在柔性材料

柔性传感 柔性芯片 柔性电路

以及制造工艺等方面的研究

下面我给大家简单讲解

几个代表性的成果

首先该团队提出了

蛇形互连导线

齿形柔性基底的可延展结构设计

字面意思就很好理解

就是S型的互连导线

把它放在Z型

就是齿轮状的软基体上

通过蛇形导线

在齿形柔性基底上形成的部分接触

构成了一种可延展结构

通过理论分析

我们可以确定蛇形导线

和齿形基底的关键几何参数

建立对拉伸性能的调控机理

同时还可以通过拉伸实验

验证该结构设计在拉伸性能

和可靠性方面的性能

除此之外

清华大学的柔性电子技术团队

大力发展转印技术

针对柔性印章

和硬薄膜的界面粘附问题

来建立粘弹性的分析模型

发展粘弹性界面强度的

实验表征方法

这种方法是通过温度

来控制印章表面的微结构形态

从而实现印章

粘附特性调控的转印方法

并且制备了

基于形状记忆聚合物（SMP）

表面带微图案的印章

实现了多种不同材料单元器件的

高效转印

接下来的工作成果

主要用于一些生理体征的连续监测

同时团队也发展了

基于金刚石纳米颗粒的物理减薄方法

搭建了相应的制造装备系统

可以实现硅基器件

最小厚度减薄到5m微米

而且同时保证它的性能不受影响

利用这项技术

实现了柔性呼吸无线监测器件

柔性心电无线监测器件

柔性血氧 血压监测器件

还有医学相关的工作

团队基于可延展结构设计

和转印集成制备工艺

设计并制备了多种

可延展柔性传感器件

通过更好的贴合度

来获取更精准的生理参数

这些传感器包括柔性温度传感器

柔性应变传感器 柔性血糖传感器

把这些柔性传感器

贴附在皮肤的表面

就可以实现体征信号的高精度测量

还有一个非常有趣的工作

这是受大自然里攀爬植物的启发

攀爬植物

比如说像爬山虎 牵牛花

它们生长的过程可以自然而然地

依附于某个支撑物顺势生长

无论风吹雨打

他不会遭受到破坏使它脱离

这就是它们强大自适应生长的能力

所以

针对这个受到启发

我们建立了有限变形分析的理论

揭示了攀爬植物

实现自然攀爬和缠绕的机理

基于这个理论指导

设计和制备了

基于形状记忆聚合物衬底的

可延展柔性电极

实现了该电极攀爬到外周的神经束

并且自然稳定贴合

这一原理性的突破

可对神经调控

提供一种强有力的工具

最后我再给大家介绍一下

清华大学柔性电子技术团队

关于柔性集成电路方面的

最新研究成果和应用

该团队重点研究了

柔性芯片及其制造工艺

柔性芯片

是通过特殊的力学结构设计

晶圆的减薄工艺 封装设计等

实现芯片的柔性化

晶圆减薄加工处理后

传统的半导体硅基芯片厚度

可降低到人体头发丝直径的

1/3或1/4以下

通过柔性封装设计和加工

使传统的刚性半导体硅芯片

呈现出柔性特征

并能按照一定的曲率半径

进行弯曲变形

团队针对这样的工艺

制备了两款柔性芯片

柔性蓝牙芯片和柔性运放芯片

通过系统级封装技术

将它们集成在同一个柔性的衬底上

制备出柔性无线传感模组

可以贴附在任何异形的物件

任何的部位

实时获取传感测试数据

采用柔性芯片技术

可以设计出轻薄柔软的

电子感知系统

能够与机器人

或人体更好的贴合共形

对环境或人体的感知也将更加灵敏

因此柔性芯片技术

将会对未来的人工智能

和医疗领域产生深远的影响

好 我们回到柔性电子本身

还有一类是有机柔性电子

是通过有机半导体材料

制备电子器件

本身就具有很好的柔性

1986年

日本研究人员首次利用

半导体聚合物作为沟道

制备了有机场效应晶体管

开启了有机光电子器件的序幕

1987年

美国科学家邓青云教授制备了

第一个有实用意义的有机发光器件

这是历史上首次实现

有机发光二极管

英文简写OLED概念结构

1992年加州大学的Heeger教授

发明了柔性高分子显示器件

并在Nature上首次报道

进一步推动了OLED发展

在2000年

Bell实验室科学家

将薄膜晶体管与柔性衬底结合

实现大面积有机集成电路

他们在电极上直接沉积有机半导体

进而制备出集成电路

2004年

普林斯顿大学的Forrest教授

发表了有机电子的研究现状

与发展方向综述

其中提出了概念性设计和制造方法

并展示了像铅笔一样的柔性

可卷曲可拉伸的显示器

到2009年有机显示屏

取得了重要进展

日本东京大学Someya课题组

通过可打印弹性导体的导电性

和良好的延展性

制造了可延展OLED显示屏

显示屏的拉伸性能

可以达到30%~50%

而且显示效果可以保持稳定

这里展示的是近年来

有机显示技术的发展历程

可以看到

柔性有机显示技术

已经越来越接近生活应用

其实这也是大多数观众接触到

柔性电子

首先所想到的柔性显示屏

我们之前已经提到过晶体管的实现

是柔性电子中

尤为重要的一个里程碑

2006年

斯坦福大学鲍哲楠教授课题组

在有机聚合物衬底上

实现了有机单晶晶体管

电子迁移率高于前期报道的性能

在有机压力传感方面

2004年日本东京大学研究团队

将有机晶体管用于实现柔性有源矩阵

来实现压力测量

2010年鲍哲楠课题组

通过引入微结构

在柔性衬底上制备了

模仿皮肤触觉的

柔性有机压力传感器

随后该课题组

在聚合物薄膜晶体管中

引入PDMS微结构电介质

制备出超高灵敏度的电子皮肤器件

充分开发柔性有机晶体管器件

高灵敏的优势

用于穿戴式传感

有机柔性电子的大规模应用

取得了重要进展

在2019年华为 三星等相继发布了

Mate X和Galaxy Fold可折叠手机

柔性有机显示技术

已经逐渐进入社会化应用

相信未来随着

柔性电子技术的不断迭代发展

我们日常使用的智能终端

将很快可以实现从折叠

到全柔的颠覆性转变