柔性电子：让电路从“硬板”走向“可弯曲”的未来

本文介绍了柔性电子及其典型应用。

一、柔性电子

柔性电子或柔性电路是建立在柔性衬底之上的一类新型电子技术。与传统刚性电路相比，其核心特征在于将导电层、半导体层、介电层以及各类功能器件集成在可弯曲、可卷绕甚至可一定程度变形的基底材料上，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）、聚酰亚胺（polyimide，PI）以及纸基材料等。由于柔性衬底质量轻、可加工面积大，并且适用于印刷、涂布和卷对卷等连续化制造方式，柔性电子在生产效率、材料利用率和制造成本方面表现出明显优势。因此，在显示、能源、传感、通信和可穿戴设备等领域，柔性电路逐渐成为替代或补充传统刚性电路的重要技术路线。

图 (a)在PET衬底上制备的叉指状电极结构的柔性气体传感器；(b)基于石墨烯/碳纳米管的柔性场效应晶体管阵列的器件结构图；(c)光学照片

柔性电路的价值不仅在于“可以弯曲”，更在于其能够突破传统电路板在空间形态、安装方式和应用场景上的限制。柔性电路可根据实际使用需求贴附于曲面、织物、人体皮肤或复杂结构表面，也可通过折叠、卷绕等形式减小器件体积，从而提高电子系统的集成自由度。正因如此，柔性电子在有机发光二极管显示器、柔性太阳能电池、柔性传感器、柔性晶体管以及CMOS集成电路等方向均展现出较强的发展潜力。

二、柔性电子的典型应用

柔性电子器件通常应用于传统刚性电路难以满足需求的场景。当电子系统受到空间形态、重量、机械变形或低成本连续制造等条件限制时，柔性电路便能够发挥其独特优势。与手动接线或刚性电路板相比，柔性电路更适合复杂表面贴装、轻薄化集成和可穿戴化设计，因此在显示、光伏、传感和集成电路等领域获得了广泛关注。

**2.1 柔性显示**

柔性显示是柔性电子最具代表性的应用之一。其中，有机发光二极管（organic light-emitting diode，OLED）因不需要传统液晶显示中的背光源，能够实现更薄、更轻和可弯曲的显示结构，已成为柔性显示技术的重要基础。基于OLED的柔性显示器在弯曲状态下仍能保持发光功能，同时具有低功耗、轻量化、面发光和自发光等特点，适合用于可折叠屏幕、卷曲式显示器以及可穿戴显示终端。

在材料设计方面，柔性显示器对衬底材料的透明性、热稳定性、机械强度和表面平整度提出了较高要求。有研究人员制备了由细菌纤维素和聚氨基甲酸乙酯（polyurethane，PU）树脂组成的纳米复合膜，并将其用于柔性OLED显示器衬底。该类复合衬底兼具柔韧性和一定的机械支撑能力，有助于改善柔性显示器件在弯曲过程中的结构稳定性。

2.2 柔性太阳能电池

柔性太阳能电池是柔性电子与新能源技术结合的重要方向。随着可再生能源需求的增加，轻质、可弯曲、可大面积制备的光伏器件为低成本供电提供了新的解决方案。与传统刚性太阳能电池相比，柔性太阳能电池可卷曲、易展开，并能够贴附或集成到建筑表面、交通工具、卫星系统、便携设备和可穿戴终端中，从而拓展了光伏器件的应用边界。

柔性光伏器件通常以塑料薄膜、金属箔或其他柔性材料作为衬底，并可通过卷对卷印刷等高通量制造技术制备有机、无机以及有机—无机杂化太阳能电池。这类器件并非简单地安装在某一表面上，而是可以直接与目标结构集成，形成轻量化、低成本和形态适应性较强的供能单元。因此，柔性太阳能电池不仅适用于传统光伏无法覆盖的复杂表面，也为自供能柔性传感器和可穿戴电子系统提供了重要的能源基础。

2.3 柔性传感器

柔性传感器是柔性电子中发展最快的应用方向之一。随着环境监测、健康管理、安全防护和智能制造需求的提升，能够贴附于曲面或人体表面的柔性传感器逐渐成为研究与产业化的重要对象。此类传感器可用于有害气体检测、空气质量监测、化学过程控制、人体运动识别、健康状态监测以及人机交互等场景。

以柔性气体传感器为例，其通常可在PET等柔性衬底上构筑叉指电极结构，并在电极表面引入气敏材料。当目标气体与敏感层发生吸附、反应或电荷转移时，器件的电阻、电流或电容等信号随之变化，从而实现气体检测。相比刚性传感器，柔性传感器更易集成于可穿戴、手持式和便携式消费电子产品中，并能够适应人体皮肤、衣物或复杂设备表面的动态形变需求。

**2.4 柔性晶体管和CMOS电路**

柔性场效应晶体管是构建柔性集成电路的基本单元，可作为逻辑门、传感单元、存储单元或信号调控元件使用。随着有机半导体、二维材料、碳纳米管和氧化物半导体的发展，柔性晶体管的迁移率、开关比、工作稳定性和集成度不断提升，为柔性逻辑电路和柔性CMOS系统奠定了材料与器件基础。

石墨烯和碳纳米管（carbon nanotube，CNT）等材料因具有优良的电学性能和力学柔韧性，被广泛用于柔性场效应晶体管阵列。基于晶体管结构，柔性CMOS集成电路也取得了重要进展，其中柔性反相器作为集成电路的基础组成部分，在柔性逻辑运算和信号处理系统中具有代表性意义。除显示和传感领域外，柔性电路还广泛应用于照相机、平板电脑、手机、计算器、运动监测设备以及计算机键盘中的开关矩阵等结构。

总体来看，柔性电路正逐步从特定功能器件走向智能化、便携化和可穿戴化的综合电子系统，并不断进入日常消费电子产品之中。