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导电塑料技术应用

2007-11-19 19:39:23本站原创 点击数: 【字体:

    当传统半导体行业的科学家们正致力于将电子元件的尺寸进一步缩小,挑战摩尔定律的极限时,也有一批持不同目标的科研人员在为新型半导体材料的应用而努力。导电塑料(有机半导体材料)就是其中的一个例子。如果他们的研究进展顺利,导电塑料将向硅晶体的霸主地位发起冲击,给半导体行业带来天翻地覆的变化。

    通常情况下,塑料由许多排列无序的大分子组成,通电后,当电流增大时,塑料内部会形成凌乱的网状物,并马上停止导电。然而,科学家却发现,某些结构的塑料却具有半导体特性,也能传输电流。后来,科学家们又进一步发现,通过在塑料内渗入某些物质,可以改变其物理化学特性,使其具有较好的导电性能。这些发现为导电塑料日后取代硅晶体成为新一代半导体材料奠定了基础。

    塑料RFID标签

    在超市采购结束后,你无需去排队等待收银员一一读取各个商品的条形码,直接推着满满一车货物走过检测器,大约不到一分钟,货品的总额就显示出来了———这是无线射频识别标识技术(RFID)为我们勾画出的美妙场景。

    这种非接触式自动识别技术的便利之处在此毋庸赘言,RFID商品标签被认为将是今后全球商品交易及物流中采用最广的技术之一。但RFID标签的成本问题却可能成为制约这一技术普及的瓶颈。有资料显示,RFID标签目前的成本大约每枚0.2美元,这一价格也许对于汽车、电视等贵重商品来说无关紧要,可是对超市中的众多低价商品来说就变得难以承受了。

    美国的3M公司正在致力于解决这个问题,科学家要用一种便宜的导电塑料来替代传统的硅晶体材料,这种材料名叫并五苯(Pentacene)。根据该公司最近公布的消息,利用并五苯作为芯片半导体材料的标签已经可以被几厘米外的读取装置识别,如果这种技术在未来得到进一步完善,RFID标签就会像条形码一样被印在洗发水包装、罐头盒外面。

    2003年11月5日,零售业巨头沃尔玛百货公司正式宣布,在2005年底,所有供应沃尔玛百货的商品包装箱上,都要有应用RFID技术的电子商品条形码。塑料RFID标签的研制使这一目标的实现成为可能。RFID的应用范围也就是塑料RFID标签将来潜在的市场,包括门禁管制、货物管理、资产回收、物料处理、废物处理、医疗应用、交通运输、防盗应用、自动控制、联合票证等许多领域。

    有机材料显示器

    实际上,以并五苯为代表的导电塑料应用前景非常广泛。自从1980年代中期研发出有机晶体管(organictransistor)后,由于其相较于一般玻璃和半导体,具有成本低、重量轻、能变形的优点,不少研究机构开始尝试以有机晶体管为材料制造塑料平面显示器。但在过去的十多年里,较低的电子迁移率、高工作电压以及令人失望的处理速度一直是阻碍有机薄膜晶体管(OTFT)显示器研发的主要难题。

    这种情况在最近几年中发生了改变,IBM的研究人员通过改变有机晶体管中掺杂的绝缘材料,把塑料平面显示器的工作电压降低到了目前已批量生产的非晶硅晶体管液晶显示器的水平,有机材料的电子迁移率也得到了大幅提高。这项研究突破了有机半导体的研发瓶颈,而目前具有最高迁移率的有机半导体材料就是并五苯。

    今年5月,在美国西雅图举行的"SID2004"展示会上,荷兰菲利浦电子公司展示了分别利用美国E-Ink公司的微胶囊型电泳显示屏,及利用美国SiPix公司的MicroCup型电泳显示器研制的两种卷轴型电子纸。这两种电子纸屏幕尺寸均为5英寸,屏幕解析度为320×240像素。卷轴型电子纸样品由OTFT所在的塑料底板与电泳显示屏构成,可以一层一层卷成半径2cm以下的圆筒。而索尼公司今年初推出的电子书籍就使用了E-Ink公司两年前开发的电子纸技术。此外,日本普利斯通公司和九州大学也在会上宣布开发出了以并五苯膜为基础的电子纸,虽然其无源数组式(PM)驱动面板尺寸仅3.1英寸,屏幕解析度也只有160×160像素,但0.2ms的响应时间为今后电子纸显示动态图像创造了条件。

    未来,把显示器像报纸一样卷起来放进背包将成为时尚,人们可以随时打开它来收看电视节目或者连入因特网,随着有机材料显示技术的不断发展,柔性视频显示器将越来越受到人们的青睐。

    电子人工皮肤

    导电塑料的又一个奇特应用是在机器人领域。研究人员将并五苯有机晶体管阵列植入感压橡胶下,使它摇身一变,成了对压力敏感的机器人的"皮肤"。

    在日本东京大学生产技术研究所的试验中,科学家首先制作出约10cm见方的一个塑料薄膜底板,其上有1000个左右的开关用有机晶体管组成有机晶体管阵列,再在晶体管上涂上一层具有感觉作用的感压橡胶,并将晶体管相互连接起来,产生出一块有1000个痛点的人造皮肤。这时,安装在晶体管阵列周围的解码器会不断逐个扫描有机晶体管,读取其电阻值。在感压橡胶没有受到压力时,晶体管电阻较高,当人造皮肤的某部位受到压力时,受压部分的电阻就会降低。由于将1000个有机晶体管全部扫描一遍耗时约1秒,所以如果施加压力的时间超过1秒,人工皮肤就一定会感受到。此外,试验中的解码器等外部电路也是利用有机晶体管实现的。

    引人注目的是,导电塑料不仅可以用来制造电子人工皮肤,用它制造出来的人造肌肉也可以通过电化学方法进行控制,使之膨胀和收缩。利用这种技术工艺,科学家能制造出非常类似人类的机器人的肢体,机器人也将不再只能生硬地完成程序指令,而是可以更加灵活地做出各种复杂的动作,这是机器人制造技术的一项重大突破。

    塑料太阳能电池

    我们可以在卫星和宇宙飞船上看到巨大的太阳能电池板,但生活中遇到的太阳能电池却往往局限于计算器、手表等小型电子设备。由于传统的硅太阳能电池成本太高,制造复杂,太阳能电池的大规模商业应用一直无法实现,不过塑料太阳能电池的出现将在不久的将来改变这一现象。塑料薄膜的导电性能使其在制造薄型轻质电池、高分子聚合物电池方面有着极其广阔的应用前景。这种能够在多种材质表面"印制"的太阳能电池因具有成本低廉、制造容易、重量轻和易弯曲的特点而成为目前研究的热点。

    德国西门子公司的研究人员将导电塑料与巴基球(碳-60分子)结合制成了新型电池。导电塑料吸收光子,释放出电子然后被巴基球吸引,并被输送到一电极。在这里,薄膜起到了太阳能电池的作用。据称这种电池的转换效率在2001年已经达到了10%%.

    而美国贝尔实验室的科学家则利用并五苯来取代太阳能电池中的硅。这种电池的最佳光电转换效率达到了4.5%%.

    美国加州大学伯克利分校的科学家也在2002年报告了他们研制的塑料太阳能电池。整个电池就像一块三明治,两侧的电极间夹着几百纳米厚的特殊塑料P3HT,塑料中的硒化镉(CdSe)纳米棒在受到特定波长的光照射之后就能产生电子和空穴,从而产生了电势差。当时这种电池能把1.9%%的太阳能转化成电能。

    这些数字也许听起来还不是很让人满意,但要知道,目前普通的硅太阳能电池板的光电转换率也只有10%。可以想象,虽然转换效率不高,但如果能将这种便宜的电池"刷"在每栋建筑物外面,产生的能源也相当可观。再理想一些,如果这种导电塑料能像普通涂料一样色彩丰富,我们还可以把太阳能电池穿在身上,那样随身携带的电子设备的供电问题也许也将得到解决。

    将来,最有希望的太阳能装置是导电塑料和纳米材料的混合产品,科学家希望这两种材料的混合溶液能以类似于喷墨打印的方式,印刷在物体表面上,从而实现大批量生产。

    塑料芯片

    导电塑料的发现者、美国物理学家马克迪尔米德教授领导的研究小组利用普通塑料研制出了纳米电子线路。这种纳米电子线路成本非常低廉,一块纳米电子线路板的成本仅为1美分,是硅芯片价格的1%%~10%%.现在,他们正在研制直径仅为100纳米的纳米材料———聚苯胺纤维,直径仅有头发丝的1/500.如果能将纳米导电纤维与纳米电子电路结合起来,就可以把计算机做得非常小。

    目前,IBM、三菱、日立、朗讯、施乐、菲利浦等多家IT业巨头已经或正在组建研究塑料芯片的专门机构,他们已经研制出集成了几百只电子元器件的塑料芯片样品,探索出能够批量生产的集成度较低的塑料芯片。尽管与奔腾或AMD公司硅芯片数GHz的速度相比,目前塑料芯片不到1MHz的速度显得有些微不足道,但随着技术难题的解决,塑料芯片的市场前景非常广阔,不仅在电子工业与计算机工业领域,而且在环境保护、医学卫生、能源利用、太空探索等各个领域都有着巨大的市场潜力。随着巨资的投入,集成度更高的塑料芯片将陆续出现,一步步向替代硅芯片的目标迈进。

    塑料芯片带来的革命还将使信息技术以前所未有的程度更加贴近人们的日常生活。将来,你只需要一套类似打印机的设备,就能够在家里制造电脑芯片,你甚至还可以从互联网上下载电路设计图,根据自己的需要进行修改后生产出为你量身定做个性化的芯片。

    半导体技术的日新月异使传统的半导体芯片制造商正面临着前所未有的挑战。不论是芯片技术还是芯片制造市场,都在酝酿着变革。不仅传统的芯片制造商将受到威胁,芯片生产设备制造商的日子也不会好过。而塑料制造与化学公司如道化学公司和杜邦公司,打印机厂商如佳能、惠普和爱普生公司,都将从中大大获益,当然,获益最大的还是广大消费者。

    尽管目前导电塑料的性能还不尽如人意,尽管目前相关产品易受环境影响,寿命较短,但简单的制作方式以及低廉的生产成本使它必将大量地进入人们的日常生活之中。除了以上介绍的几个领域之外,导电塑料还将带来各种廉价的或一次性的电子产品进入市场,它甚至会创造出一个新兴的产品应用市场,这也许就是塑料时代的来临。



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