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美国柔性电子技术研发政策与方向
发布时间:2018-02-05

美国在新兴柔性电子领域拥有众多优势,具有世界上最大和最好的研究型大学系统,其中有许多从事柔性电子相关的研究项目。美国还拥有世界级的企业,这些企业在柔性和印刷电子相关的竞争力、设备、工艺技术,以及知识产权方面都是世界一流,并且大部分的企业从事重要的研究与发展活动。美国国防部也非常重视柔性电子技术在军事领域的应用,支持必要的研究基础设施的开发,建立了一些柔性和印刷电子研究中心。美国联邦政府通过国防、民用等众多机构渠道,促进柔性电子技术的发展。

一、重视柔性电子技术的军事应用

美国武装部队一直处于支持柔性电子技术发展的前沿。美国陆军研究实验室、美国海军研究办公室、空军研究实验室和美国特种部队司令部等都支持显示技术在国防领域的应用。美国国防高级研究计划局在部署显示研究方面也发挥了重要作用。根据未来作战系统等类似项目,军队寻求改善和提高其功能,开始对柔性显示进行重大的开发投资,尤其是亚利桑那州立大学柔性显示中心的建立。陆军研究实验室指出柔性显示对于士兵具有潜在的重要意义,显示系统可为士兵提供所需的装备信息,并且还具有低功率、不会磨损等性能。

20世纪80年代末至本世纪初,美国国防高级研究计划局投资超过6.5亿美元用于高清系统计划,主要促进显示技术在军事领域的发展。在20世纪80年代,虽然美国国防高级研究计划局努力推进,但美国在显示技术方面的制造能力还不强,占世界主导地位的日本液晶显示器生产商也拒绝与美国国防高级研究计划局合作,韩国和中国台湾的液晶显示器生产商却愿意与美国国防高级研究计划局合作,并在某些情况下接受美国国防高级研究计划局的资助。美国国防高级研究计划局的柔性显示项目于1999年启动,为国防应用开发和示范大面积、高分辨率的显示屏,并应用于飞机、船只、车辆、步兵制服和设备等。

2013年,美国空军研究实验室授权柔性技术联盟(FlexTechAlliance)发起组织一个新纳米生物制造联盟,主要目标是汇集纳米技术、生物技术、添加制造技术和柔性电子技术方面的一流研究人员,建造原型监测设备。纳米生物制造将多种功能如遥感、通信和电源集成在一个柔性电子平台。它可以在医疗领域中利用一个小型电子器件无线监控人的表情,也可以将传感器嵌入到飞机表面来衡量应力和进行结构完整性的实时分析。美国空军最初关注监控飞行员操作和技术支持人员,卫生保健企业也盯上了这一新技术的商业用途,用于病人实时监测。纳米生物制造联盟将设备共享,以帮助企业和高校获取尖端能力,并有利于教育和培养先进制造技术方面的学生和工人。

2015年,美国国防部与苹果公司、波音公司、哈佛大学等机构一起,加入了由柔性混合电子制造创新研究所(FHEMII)主导的一个研发项目,共同开发柔性可穿戴式传感器。尽管这个项目刚刚成立,却已经拥有了162名成员。这个项目的主要目的是开发可用于军事的可穿戴装置,还将开发用于医疗中心和医院的带有传感器的穿戴装备,可以造福于老年人,使可穿戴装置能够转化为更加民用化的应用。目前这个项目的资金非常充足,总投资高达1.71亿美元,美国政府和私营资本共同参与,其中美国国防部将在5年内投入7 500万美元,其他9 600万美元将来自实体的投资,其中还包括一些来自地方政府的资金。柔性混合电子制造创新研究所的总部设在加州的圣何塞,由柔性技术联盟负责筹组和管理。

二、政府资助机构支持柔性电子技术发展

美国国家标准与技术研究院的技术创新项目通常提供 300万~500万美元的基金来支持国家所需要的关键领域的研究和创新。美国国家标准与技术研究院在自己的实验室开发了专有的柔性电子技术,比如柔性存储设备,类似于记忆电阻。美国国家标准与技术研究院的测量设备促进了有机光电技术开发,包括可打印和柔性薄膜和混合有机太阳能电池。

美国国家科学基金会主要通过电子部门、通信和网络系统资助柔性电子相关项目。美国国家科学基金会支持了约200个该领域的研究项目,但项目通常较小,研究主题包括晶体管、氧化锌、有机发光二极管和印刷电子。每个项目资助金额约 30万美元,资助周期为3年,这些项目大多与企业进行合作。

美国能源部 2013年巨额拨款支持企业研发OLED显示技术。其中,Litecontrol公司、Plextronics公司、InnoSys公司和Universal Displays公司4家企业成功获得支持。最重要的原因是OLED不仅可以应用于液晶面板,作为一种超高清、超薄的显示器使用,而且还可以在节能灯方面得到应用。

美国商务部经济发展管理局在培育和支持全国地区经济发展中发挥了重要作用,通过创造就业和吸引私人投资等战略投资措施,大力支持了经济陷入困境地区的发展。2011年,美国商务部经济发展管理局领导多个机构努力支持了20个高增长的区域产业集群。资助金主要来自3个联邦机构,技术援助来自13个机构,共支持了21个州农村和城市地区先进制造、信息技术、航空航天和清洁技术的发展。俄亥俄东北技术联盟(NorTech)领导的财团组织获得 200万美元的资助,创建东北俄亥俄州市场加速器,主要为俄亥俄州东北部的先进能源和柔性电子元件(FlexMatters)集群提供制造、市场开发和劳动力发展服务。

三、柔性技术联盟和集群促发展

柔性技术联盟是一个致力于推进柔性显示器和印刷电子产业链发展的组织。柔性技术联盟旨在确定技术差距,与产业界合作建立试点生产基地,并开发相关的供应链。该联盟已经赞助了超过150个在柔性电子领域的技术项目。其中最值得注意的是,开发了用于玻璃衬底上的连续印刷电子制造技术,这种技术被认为在商业上是可行的。还有一项就是开发了用于印刷薄膜晶体管器件的高性能可溶液加工的有机半导体。2013年,柔性技术联盟发起成立了一个新纳米生物制造联盟(以下简称“联盟”)。2014年,联盟从空军研究实验室获得350万美元的资金资助,用于开发特定类型的柔性和印刷电子相关的尖端工具、材料和工艺。4个研究主题包括:利用三维添加制造工艺,开发一种工具来处理三维表面上的电子元件和混合集成电路;开发有着不同军事用途的能源储存、捕获和无线传输的柔性集成系统;开发新的集成混合硅(Complementary Metal OxideSemiconductor,CMOS)互补金属氧化物半导体技术解决方案,包括新的制造系统和互连技术的系统设计,应用在医疗监控、身体传感器、物流标签、结构完整性监测上;开发适用于发电、储能、传感器、通信和照明等领域的印刷和柔性电子产品。联盟还成立“用户俱乐部”加强柔性电子的应用,促进和供应链公司的网络关系,并且推进主题领域的先导研发,例如可穿戴设备和一次性电子产品。

柔性显示中心(FDC)是一个研究与创新中心,是军队与亚利桑那州立大学合作建立,专注于柔性显示屏的商业化。合作伙伴包括军队、19家美国和外国的公司和7所大学。柔性显示中心拥有第2代试验性生产流水线,可以用来生产OLED显示器以及有机电子器件,包括高纯有机薄膜层表面的精密加工。这条生产线能够使其开发的技术应用到生产中,同时在有需要的时候制造有限批次的显示器。2012年,柔性显示中心宣称开发出世界上最大的柔性彩色显示屏,一个对角线为7.4英寸长的OLED原型,满足美国国防部对全彩、全运动视频的柔性显示组件的要求。2013年,柔性显示中心和施乐公司宣布已经成功通过使用先进的薄膜晶体管制造出世界上最大的柔性X射线探测器原型,对角线长 7.9英寸。2013年 7月,亚利桑那州立大学生产了一种更大的柔性彩色OLED显示屏,有14.7英寸长。

俄亥俄东北技术联盟(NorTech)是美国政府为加快俄亥俄东北地区柔性电子产业集群化的计划。该集群由联邦政府资助、由许多大型公司组成,还包括许多在柔性电子价值链中起到多样化作用的中小企业,现在和许多联邦生产计划有关联。该集群战略路线图在2013年制定,确定出先进能源和柔性电子元件集群的核心并预计新兴竞争力到2019年将达到420亿美元的市场。主要的核心竞争力包括以下几个方面,液晶薄膜、复杂柔性电路、卷对卷(R2R)制造等。该集群成员具有的先进新兴竞争能力包括液晶器件的R2R制造、多功能薄膜的R2R生产、复杂柔性电路的自动化制造、高价值柔性设备的自动化制造等。在2019年的目标是在液晶设备的卷对卷制造、多功能薄膜的R2R制造、复杂柔性电路的自动化生产领域成为世界主导者。计划在2019年前利用整个区域价值链,在高价值柔性设备的生产上实现全球领先。

四、柔性电子技术的研究方向

1.重点大学

在柔性领域,众多美国大学均参与到基础和应用研究中,并有一系列新发现,将学术成果运用于商业化中。尽管诸多研究成果来自个别的大学,但大学间的合作也不少。

哈佛大学是可充电锂离子电池3D打印机的先驱者,该电池和一粒沙子一样大小,比商业应用上最小的微电池还要小 1 000倍,在生物医学设备,微型无人机和“智能尘埃(”分布式传感器阵列)均有潜在应用价值。

麻省理工学院创造了新的聚合物薄膜,可以吸收水蒸气发电,在吸收少量蒸发的水后通过卷曲向上或向下改变其形状。潜在的应用包括运转微型或纳米电子设备并且控制小型机器人。从大范围来看,这项技术可用在衣服上,利用蒸发的汗水给设备提供能量,例如生理监测传感器。如果置于河湖之上,这项技术能进行大型发电。

佐治亚理工学院的有机光电子与电子技术中心通过使用一种包含单脂肪胺基团的聚合物改性剂,发现了一项能减少有机电子导体功函的通用技术。改性剂对大部分导体都有效,包括石墨烯的导电聚合物;且价格便宜,对环境无害,并兼容卷对卷的大规模生产技术。在OLED、有机太阳能电池和有机薄膜晶体管上都有应用价值。该机构在2012年宣布一项新计划,利用“廉价、环保、容易与现有的R2R制造兼容的材料工艺”,创造出了世界第1个塑料太阳能电池。

斯坦福大学结合柔性电子层与压力传感器来创建一个可穿戴的比美元更薄的心脏监视器。该监视器能让医生检测硬动脉和其他心血管问题,并监测新生儿的安全和高危手术患者的关键生命体征。研究人员努力使这些设备能够通过无线连接,这样医生就能通过手机时刻接受到病人的心脏状况信息。

加州大学伯克利分校开发了一种“电子皮肤”,一种柔性塑料上的用户交互传感器网络,通过光照响应触摸,随着压力增加发射光程度也增加。潜在应用包括增加机器人的触觉灵敏度、作为触摸屏显示的壁纸、司机通过挥动手来调整电子控制的仪表板等。

皇后大学与英特尔等公司合作开发了一种柔性的“纸标签”显示屏,未来能够完全代替纸张甚至完全代替传统的显示屏。该显示屏能归档并显示多份纸质文档,避免使用计算机显示器、大量纸张或打印资料。用户能拥有10个或者更多交互式显示屏,每一个都代表不同的应用。

2.重点企业

目前,许多美国公司参与到柔性电子产品的研发和生产中,是全球重要的技术提供者。不过大体来看主要的公司并没有投资和开发一款基于柔性电子技术的高产量、主流的消费产品。

惠普公司的研发部门一直在追求能促进塑料显示屏和玻璃显示屏替换的设备和工艺技术。惠普和亚利桑那州立大学柔性显示屏中心合作开发电子纸和塑料显示器,尽管该公司在2010年宣称其首要目标是使显示器更加轻薄而不是可卷曲,因为先进技术不可能只达到可弯曲的水平。惠普的自对准压印光刻技术,现在通过升级提高了大型柔性OLED背板的生产能力。

通用显示集团是世界OLED技术和材料的领导者,在全球拥有独家许可和授权专利三千多项。该集团是全球用于OLED生产的磷光发光材料的主要供应者。它和许多大学有合作,并获得来自军队等的资助。2013年,该集团开设了一个世界级的OLED材料厂,专注于磷光的OLED材料生产研发。

杜邦公司正经历战略转变,开发基于植物和其他可再生资源的绿色技术。众多杜邦业务正在开发与柔性电子相关的材料和工艺技术。杜邦帝人薄膜公司为杜邦与日本帝人公司的合作公司,开发一种PEN薄膜应用于柔性显示器上,包括暴露在极端灼热和恶劣的化学环境下薄膜产品。杜邦正在开发一种新型PET聚酯薄膜能够在柔性电子卷对卷的生产中提高产量并降低成本。杜邦微电路材料公司开发了用于微电子、光伏、自动汽车和消费电子应用的材料。2011年杜邦与荷兰霍尔斯特中心合作研发用于柔性基底上印刷金属结构的技术,可应用于显示屏、照明、RFID、生物医学和太阳光电领域。杜邦显示公司专注于显示屏研发材料和生产工艺,已经开发出了用于高性能OLED显示屏的溶液印刷工艺技术,旨在消除资本密集型加工和减少运行成本。

道康宁公司主要生产用于科学和专业工业应用的玻璃、陶瓷及相关材料。该公司开发了一种超纤薄柔性玻璃,在柔性电子产品中有多个应用,包括触摸屏、柔性太阳能电池、智能手机、平板电脑和其他类型的显示器。道康宁现在和其他组织合作,验证基于卷对卷生产技术的柔性玻璃和有机光伏器件印刷的适应性。道康宁还进行在柔性基底上使用高性能的石墨烯场效应晶体管的研究等。

保尔佳公司是印刷电子应用功能性油墨生产商。通过参与产业合作项目,在设备的材料设计和油墨方面取得领先地位,包括有机晶体管、光电器件和电路的应用。保尔佳与薄膜电子ASA公司合作开发用于高通量印刷基于凹印的油墨。2011年与欧洲化学集团合作,做成了世界纪录级别的有机太阳能电池。

Cambrios技术公司将透明半导体技术用于商业化生产中,研发出了一种用于触摸屏的基于银纳米线的技术。因为它能够增加弯曲或包盖触摸显示屏的生产效率,许多公司采用了这项技术。在触屏、高性能OLED和光伏设备领域,开始取代铟锡氧化物。

Soligie是印刷电子产品设计与制造服务的提供方,在一定程度上和微电子半导体铸造服务类似。该公司在医疗、安全和物流以及军事应用上为客户提供柔性电子产品。Soligie和PARC共同开发用于RFID、智能包装、医疗和柔性互连市场的印刷电子产品。2011年引入单张、平板的印刷生产线以适应客户对产品中低产量的需求。

3M公司生产大范围的工业与消费产品包括电子材料、电路和光学薄膜。该公司对柔性印刷电子技术十分感兴趣,包括触摸屏、RFID和显示屏。2012年 3M引入柔性透明薄膜,避免电子接触水蒸汽和氧化。2013年,3M和Cambrios合作开发了其专有的 3M银纳米线薄膜,由聚酯薄膜基底上的银纳米线导电油墨微图案组成,可用于触摸传感器上。

IBM公司2012年证实了一种高性能、先进的CMOS集成电路,包括在柔性塑料衬底上的环形振荡器装置。IBM建立了基于硅的设备并且利用成本低、室温条件下的制造工艺来剥落硅衬底,此时设备被转移到柔性塑料带上。IBM的研究人员证实了在柔性衬底上可将单层石墨烯作为OLED透明电极使用,这在照明和显示器中拥有潜在应用价值。

五、结语

柔性电子被认为是电子行业的未来,因为柔性电子产品可以弯曲、伸展,有时甚至还是可穿戴的,给出人类的生命体征数据,柔性电子技术已经成为美国政府研究的重要课题,许多研究机构和公司都投入资金研究柔性材料。特别是美国军方斥巨资支持柔性电子技术的发展,可见柔性电子技术未来的战略意义。了解美国在柔性电子领域的政策和发展方向,对于我国在该领域的研究和开发具有指导和启示作用,为我国柔性电子领域的发展提供一定的参考。