柔性电子将会带来怎样的反响?

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柔性电子是藉由在软性基板上添加适当的材料层来制作,相较于硅芯片制程,所需步骤较少,温度也低得多;柔性电子的主要求是成本比目前的电子组件低许多倍,此外我们也能将各种应用直接整合在任何一种材料中,而且是以任何形状。

如果我们成功了,将掀起一场新革命──我们能把所有的物品变得智能化;而从笔者从实验室所看到的,相关技术进展快速、方向也正确。而我认为柔性电子目前得克服的主要挑战,是如何扩展初生技术,赋予其更多内涵,同时更具能源效益;我们知道这在理论上是可行的,但还需要有耐心地探索与微调。

以下是我与其他研究人员希望能达成的几个目标:

让晶体管更小、电路更密集。到目前为止,我们只证实了最多能内含几千个晶体管的少数电路,我们仍在柔性电子的“摩尔定律”(Moore’s Law)起点,而且应该要能进展到每平方公分1万甚至100万个晶体管,而且成本只要1美分。这样的密度才能让事情开始变得有趣,我们才能开始打造强大、创新的应用。

对于功耗有更好的掌控。目前我们拥有的柔性电子最佳材料,是n型薄膜半导体;这种能传导电子的材料可让电流在源极与汲极之间流动,但不同于硅芯片的CMOS技术,我们尚未有相对的p型材料,能抵销并阻挡数字电路中的电流。

在我们的软性电路中,总是会有在电源与接地之间流动的电流;在近期与中期,我的研究会聚焦于寻找只有n型晶体管、但是能降低寄生漏电流的电路解决方案。针对复杂电路,应该有可能把功耗降低10到100倍。

开发新的制造技术与工具。今日,大规模柔性电子量产是显示器制造商的天下,这些厂商的生产设备能制作出微米等级的特征尺寸,如果我们想把晶体管做得更小、电路更密集,我们需要达到次微米等级的特征尺寸,因此会需要开发新一代的工具与生产线,设备制造商与制造业者需要加快速度。

在应用方面,以下有三种我认为柔性电子有助于开发的项目:

高密度显示器。可应用在能弯折、卷起的表面,眼镜…甚至是隐形眼镜;高质量的AR/VR体验会需要更小、排列更紧密的画素,比我们目前所生产的密度再高一个量级。

医疗保健用可穿戴装置或贴片,能接触皮肤、量测人体的生理参数;例如能持续监测伤口愈合、不会干扰病患日常生活的贴片。长期来看,那些装置甚至可能取代智能手表。

集成储存、感测与数据处理功能的卷标。想象我们能设计一种可贴在蔬果、食品包装上检测食物质量的卷标,你会需要一颗能量测多种参数的传感器,甚至需要具备一些化学处理功能;此外你也会需要传感器电路以及电池,在卷标不在天线范围内的时候支持数据分析。这种装置可能会是物品级(item-level)物联网的开始。

以上的应用都已经能使用硅芯片,或许要以柔性电子达到同样的复杂程度,还有一段很长的距离,但我们若能将密度提升到理想中的等级,而且能开始推展柔性电子的“摩尔定律”,我们的梦想终有一天会实现。

 

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