柔性电子的崛起之路

长期以来，人们一直期望将柔性电子作为高级制造和产品开发的下一代革命性技术，在过去的十年中，它引起了学术界，工业界和政府的高度关注。行业专家预测，柔性电子产品的全球市场将以两位数的速度增长，到2025年将达到2500亿美元。

柔性电子产品的普及源于其在制造和功能上的独特优势。潜在的低成本，大面积加工和易于制造的可配置性为大批量生产提供了很大的成本效益和灵活性，而重量轻，形状适应能力和机械柔软性使这些功能无法实现 基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的常规刚性电子产品。

具有机械柔性活性材料的电子技术的出现可以追溯到20世纪60年代，当时人们试图将单晶硅太阳能电池变得更薄更轻，用于太空应用。

从20世纪90年代开始，对有机印刷电子进行大面积、低成本处理的探索取得了积极的成果，但这些薄膜电子的机械灵活性并没有得到太多的重视。

15年来，在先进医疗保健、人机界面和物联网等领域电子产品对外形适应性和界面软性需求的推动下，柔性电子技术的研究进展迅速。一个丰富的柔性器件库迅速建立，从集成电路元件(逆变器、环形振荡器、放大器、数据/电力传输电路、存储器等)到环境交互单元(能量收集和存储设备、传感器、显示器、执行器等)。此外，机械灵活性远远超出了可弯曲性;可折叠、可扭转、抗皱和可拉伸的设备随处可见。此外，对软功能材料的广泛研究推动了生物电子学的发展，使得电子对于脆弱的组织来说变得难以察觉。

尽管学术界取得了令人兴奋的进展，但柔性技术在工业中的应用非常有限。目前，柔性电子产品市场的主要贡献者是柔性显示器和薄膜光电，医用x射线成像仪和射频识别(RFID)标签占据了显著的市场份额。

虽然目前还没有对柔性电子产品进行详尽的市场研究，但相关行业，如卷对卷柔性设备和印刷电子产品，在2012年至2017年的市场规模在100亿至150亿美元之间，远远低于预期。一些开创性的初创公司提供可穿戴健康监测产品。

      例如，BioStamp nPoint，一种由MC10开发的多模态生物传感皮肤贴片，可以在与皮肤表面连接时，收集生命体征、活动、姿势、睡眠和表面肌电图(表面肌电图)的44个标准指标。Hexoskin的衬衫内置了纺织ECG(心电图)和呼吸传感器，以及一个精确的活动传感器，即使在积极运动时也能提供经过临床验证的健康数据。然而，这些医疗级健康监测可穿戴设备目前的市场规模相当小，部分原因是高端技术更适合研究和医疗领域的专业人士使用。

最近柔性电子产品市场最明显的动荡可能是2019年华为和三星推出的可折叠智能手机。不幸的是，令人望而却步的价格标签和令人质疑的长期稳定性阻止了许多消费者尝试最新的技术。除了有限的产品种类和市场份额，商用柔性设备只允许一定程度的弯曲，而且在使用过程中经常禁止动态变形。此外，医疗设备，特别是植入物，虽然经常在学术期刊上报道，但对于现实世界的应用来说，还远远不够成熟。

从技术上讲，柔性电子产品的工业采用受到两个因素的影响：设备性能（由技术准备水平（TRL）评估）和制造能力（由制造准备水平（MRL）评估）。具体来说，设备的机械耐久性（耐磨损，抗疲劳），电气耐久性（使用寿命，开-关循环）和环境耐久性（对湿度的稳定性，极端温度）都应足够坚固，以满足实际要求。此外，缺乏面向消费者的系统级集成功能设备。尽管近年来有一些关于完全集成的柔性系统的报告，但大多数报告的设备仍需要额外的设备/组件来支持适当的功能。

另一方面，柔性电子产品的工业制造流程复杂。实验室内的制造通常是台式规模的且吞吐量低（通常在几天之内每批生产几到几十个设备），但工业生产必须扩大规模以具有成本效益。同时，降低成本是工业发展的重中之重。工业制造还需要精确的过程控制以确保产品质量，这通常在台式制造中是不够的。学术实验室和工业工厂之间的这些差异凸显了将MRL5和MRL7桥接起来的困难，从与生产相关的环境中的原型设计到试生产线的能力。

柔性电子产品的候选材料很多，这取决于多种设备功能和单个材料的“不完美”，即，没有一种“一刀切”的材料解决方案。以柔性薄膜晶体管（TFT）为例；导体，半导体，电介质和基板是构成TFT的四种主要材料。每个类别下的潜在材料都有其独特的特性，并且没有任何一种材料可以同时兼具电子性能，机械性能和加工可行性的所有优点。

总而言之，CMOS和打印技术在成本和设备性能上是相辅相成的，适合于处理具有不同特性的材料，而有前途的台式技术必须在工业采用之前克服许多障碍。

为了在柔性电子制造中实施该标准流程，必须有两个必要的要素。首先，全面的材料科学，设备物理和加工效果基础知识为设计和制造优化提供了科学指导。其次，在最初的产品设计过程中必须考虑到供应链，设备，环境，劳动力等方面的实际局限性，这为提高可制造性提供了宝贵的工程考虑。关于工程方面的考虑， 应该建立实验室与晶圆厂之间的密切合作，以为科学家提供更现实的工业制造图景。对“可制造性设计”的更多认识将有助于发展“可制造性科学”，并降低翻译研究的障碍。

柔性电子产品严重依赖于柔性功能材料。有机物和纳米材料在这方面具有广阔的前景，但是它们的大规模商业化受到材料供应早期阶段的限制，包括合成，存储，运输和可加工性。

通常被学术研究人员所忽略，原材料的现成加工能力和宽阔的加工窗口对于制造商的接受度很重要。

现有的自动化技术平台（CMOS和印刷）提供了一个工业场所，可进行工艺调整以适应柔性电子产品的批量生产。需要持续的过程创新以进一步提高其成本效益。无论使用哪种制造平台，材料层之间的高质量接口对于柔性电子设备都是一项重大挑战，对设备性能和稳定性至关重要。特别是，对于新开发的功能材料和基于印刷的处理，设备均匀性和稳定性是最明显的问题。

向消费者提供的柔性电子产品的最终展示必须是功能齐全的系统。由于使用的材料种类繁多，并且在使用过程中反复发生机械变形，因此可靠地集成材料和设备是一项艰巨的任务。混合柔性电子产品是硬件芯片的高性能和柔性设备的高适应能力的结合，是最强大和接近成熟的柔性电子系统，因此值得特别关注。虽然功能元件之间的协调需要大量的工程设计，但混合集成的主要障碍来自互连和封装。互连根源在于软硬界面或过渡区域的应变集中模量（刚性）不匹配。它放大了机械异质位置处的外部应变，这些应变随后成为系统故障的常见原因。

柔性电子制造从实验室到工厂的转换需要学术界，工业界和政府的共同努力。晶圆厂和实验室之间的迭代为柔性电子产品的开发和成熟提供了持续的动力：学术实验室已对工业工厂中遇到的实际制造问题进行了彻底调查，并且大学对设备物理的基本了解有助于进一步改进制成品。因此，应从技术发展的早期阶段就鼓励学术界与产业界之间的紧密合作以及产业利益相关者之间的合作，在这种阶段政府可以发挥至关重要的支持作用。

创新者还需要根据目标消费者的需求量身定制设计。例如，医疗设备的开发需要与临床医生紧密合作，以发现实践中的问题。对于建筑集成设备，有必要与建筑公司进行讨论，以了解他们的需求和关注。在达到令人满意的TRL和MRL并确定了市场竞争力之后，挑战仍然存在。另外，社会和文化因素也会影响人们的接受程度，新颖的产品和颠覆性技术，需要自适应的产品设计和商业模式。弹性的未来电子产品充满了挑战和机遇，等待着被学术界，行业和利益相关者发现更广泛的社区。