塑料电子元器件前景看好

塑料是人类在20世纪的重大发明之一,曾经在电子产品的外壳制造中立下汗马功劳。塑料也曾经小心翼翼地试图进入电子产品的内部, 并且也确实成为制造某些电子元器件产品的重要原料之一。然而，塑料试图进入电子产品的核心部件──半导体芯片的努力，多年以来一直未能成功,只是在2000年荣获诺贝尔奖的两位美国和一位日本科学家发明了导电塑料之后,塑料才得以堂堂皇皇地登皇入室,成为新一代电子芯片的主角。

多年以来,硅晶体一直在电子材料领域居于龙头老大的霸主地位，那么, 新崛起的塑料何以能够向硅晶体的霸位发起冲击呢?

原来,硅晶体之所以能够长期成为电子材料领域的佼佼者,是由于硅晶体具有独特的优势。在硅晶体制造的电子元器件和芯片中,载流子能以0.1m2/V.s的高迁移率快速传输。但在目前的生产工艺条件下,硅晶体的生产成本十分昂贵，尤其是那些对成本比较敏感的消费电子产品行业,往往难以承受这种过于高昂的成本,因此,科学家们不得不想方设法寻找其他的廉价替代品。

而作为晶状硅雏形的非晶硅,虽然价格也比较低廉,但是问题在于,晶状硅芯片与非晶状硅芯片都很硬脆、易碎、比重大,都不是可供大消费品选择的佳品,因此取代非晶硅是塑料芯片短期内的目标。

制造一面大显示屏,如采用硅材料是难以成功的,因为其成本太高,太重,技术难度也很大。更为糟糕的是,晶状硅材料的生产和加工难度高、费时久、耗资大，涉及到洁净室与生产线,生产成本高得难以接受。举例来说,一块晶状硅片的生产成本每平方英寸就需要200美元。 但利用非晶状硅可以把生产成本降低到每平方英寸为2美元,如果利用塑料半导体生产晶片，成本则可以大幅度降低到每平方英寸10美分。

奥地利科学家采用聚苯乙烯等塑料制造成功一款太阳能电池,效率达到3%,尽管这一效率还嫌稍低,但是由于它是在世界上首次采用塑料研制而成的, 因此这项成果引起了业界的普遍关注。

克里斯蒂安·多普勒公司的科学家们研究开发的这项塑料太阳能电池制造技术,其特点是成本较低，解决了长期以来太阳能电池制造成本过于高昂的老大难问题, 使太阳能利用的普及化显露出一线新的希望。

太阳能电池的研制基于导电塑料的理论,需要采用具有半导体性能的导电塑料。奥地利科学家在研制太阳能电池的过程中, 采用了聚苯乙烯等碳氢化合物以及由纯碳组成的富勒式结构,将这些物质进行混合之后,进一步制造出质地柔软的薄膜,在薄膜的两面借助蒸发工艺涂敷一层铟锡氧化物或者铝金属作为电极。由于聚苯乙烯受到光照时能够释放出电子,而富勒式结构能够吸收电子,这时,如果把灯泡连接到两个电极上,电子会流动，从而使灯泡发光。塑料太阳能电池的最大优势是制造简易,耗能极少,成本低廉,因而解决了长期以来硅太阳能电池制造中耗能太大以及成本高昂的瓶颈问题,因此其应用前景十分看好。美国新推出的一款导电塑料电池,是采用一种称为聚苯胺的导电塑料制造一个电极，另外一个电极是锂,生产出仅有一枚硬币大小的可以重复充电的导电塑料电池。德国厂商也用导电塑料制造出仅有普通明信片一般大小的薄型挠性导电塑料电池,可作为便携式产品的电源。

荷兰飞利浦(Philips)公司新推出一款轻薄柔软的塑料计算机显示屏,用来制造这种显示屏的材料就是塑料基半导体,而不是传统的硅基半导体。 据飞利浦公司透露,采用塑料基半导体生产这种轻薄塑料显示屏的工艺过程,比采用硅基半导体生产简单得多,对生产厂房的无尘环境的要求也低得多,因而其生产成本较低,售价也极其低廉,从而有望在将来有朝一日，采用这种廉价的轻薄显示屏取代传统的报纸。此外,用塑料基半导体生产的轻薄显示屏极其容易进行拼接装配,从而容易制造出更大尺寸的显示屏幕，在户外广告领域大有用武之地。

IBM公司的科学家们一直在研究利用有机材料与无机物的混合物来研制晶体管。IBM称，它已成功地在室温状态把这种材料的薄膜从溶液中分离出来。这种做法大大降低了设备成本。而在低温状态下加工也许会使这种材料能够沉淀在一系列基层材料上面，其中包括塑料。IBM公司近日宣布研制成功一种很薄、很柔软的晶体管,用这种晶体管制造出来的计算机显示屏,也像纸一样可以卷起来，因此其用途很广泛。这种晶体管是用一层很薄的材料制成的,它能够涂到塑料上,也可以喷射到塑料上,冷却之后,即成为一种极薄的晶体管。在室温环境里, 将相应的有机物和无机物溶解在溶液中,就能直接进行喷涂,制成显示屏幕。与目前的计算机显示屏，尤其是笔记本电脑显示屏需要在高温下制造不同的是，用这种薄而软的晶体管可以在室温下制造计算机屏幕,其制造成本可以大幅度降低,而且这种计算机屏幕的质量极佳,可谓价廉物美，市场潜力很大。不过,IBM的科学家们目前还无法保持这种材料的稳定性,一旦暴露于空气中,它就会迅速变质。

日本科学家研制出包含几百个有机计算机芯片的柔韧的导电塑料，采用这种导电塑料制造出了新颖的平板显示器和电子标签; 导电塑料制造的显示屏可用于移动电话手机、太阳能电池和微型电视等;导电塑料制造的新款芯片,可大大减少计算机的体积,大大提高计算机的运算速度;导电塑料可以用作摄影胶片的抗静电剂 ,可以用作计算机屏幕的防电磁辐射装置,还可以用作智能型窗户的防紫外线装置等。导电塑料兼有易加工和导电的双重优点,因此,只需采用挤压成型法就可以生产出各种型号的印制电路板,这些印制电路板可以广泛地应用于家用电器、 电子机械和汽车部件等。

英国剑桥显示技术公司(CDT)研制成功的发光聚合物(LEP)显示技术是一种全新的显示技术,这种新型显示技术将对目前广泛使用的发光二极管(LED)和液晶显示器 (LCD)技术提出严峻的挑战。LEP技术还可用于开发与阴极射线管(CRT)媲美的产品。英国剑桥显示技术公司和日本爱普生公司已经联合研制成功一款2英寸、仅2mm厚的单色显示器以及12英寸的彩色显示器。

LEP技术的发明人理查德·佛雷德和安德鲁·霍姆斯发现,置于电极间的PPV材料能够发出黄-黄绿光。最初,由于发光效率低于0.01%,其实用价值被低估了。最近,通过改进聚合物的化学成份和发光装置的结构,其效率提高到了2.5%,达到了LED水准。新款LEP显示器是在玻璃或塑料基材上添加发光聚合物薄膜,并由透明的氧化铟、锡电极包着,再在聚合物上形成铝电极。在两个电极间加上电场作用,聚合物就会发光。

发光聚合物显示器重量轻、能耗低、断面薄、柔性好, 在制造便携式PC机、摄像机及数字摄像机监视器、无线电话等便携装置中大有用武之地。

发光聚合物也可以制造大型的电视显示器,这种显示器具有发光二极管的特性,达到能精确地显示活动图像所需要的快的开关速度。与发光二极管相比,它可用到大的平板显示器中,而且成本低,视角不受限制,不会出现液晶显示器中快动作时显像滞后而造成的图像模糊的问题。

LEP技术的初期目标是用于替代对空间、 低电压和低功耗要求严格的现有液晶显示的背景照明,例如移动电话的屏幕显示等,以后再逐渐替代LED和LCD，使用于消费类电子产品,例如个人数字助理(PDA)、CD机、电动剃须刀、闹钟、收音机。LEP技术后期将进入电视机领域。

最近,科学家已经成功地利用成本低廉的塑料来取代用于制造集成电路(IC)芯片的硅晶体。

众所周知,塑料是由许多排列无序的大分子组成的,当通电时, 随电流增大,塑料内部会形成凌乱的网状物,马上停止导电。不过,科学家在80 年代中期获得了一个重大发现:塑料具有半导体特性,有机聚合物塑料也具有传输电流的功能,只是导电速度非常慢。这个发现为科学家进一步开展塑料导电的研究带来了一线希望。90年代,科学家们进一步发现,通过在塑料内部掺入某些物质，可以改变其物理化学特性,使其有较好的导电性能。为了使塑料能够替代硅而成为新一代半导体材料，还需要对塑料的特性进行微调，精确地控制塑料内部的结构变化,添加特殊的化学物质。用来制造芯片的塑料与聚乙烯等传统塑料在概念上是完全不同的,它们是诸如噻吩和寡噻吩等新型成员,可以利用一种与干丝网印刷或者喷墨印刷技术相似的方法来制造塑料芯片。

英国剑桥大学的科学家们创办了一家塑料芯片技术公司, 利用喷墨打印技术和设备,将碳基材料的微细颗粒喷射到芯片的基底上,制造出一种塑料半导体新材料。在制造这种塑料半导体材料时,喷墨打印机可以达到25mm的打印精度，尽管这与目前最先进的微处理器芯片所需的0.2mm的精度还有不小的差距,但是, 这对于制造某些塑料电子元器件来说,已经游刃有余了。

另外,科学家们还研制出一种可以制造塑料芯片的有机材料,它表现出高性能迁移特性,其范围相当于非晶硅。这项科研成果的核心就是并五苯(Pentacene)。诚然, 并五苯也有其不足之处,例如,它一定要在真空状态下加工,这就增加了生产成本,而且并五苯的保存寿命不长,在受控制的实验室环境里最多仅能保存一年,而在自然环境下,平均只能保存1～3周。

虽然并五苯有着这些局限性,但却是迄今为止科学家们发现的最理想的研究材料。在最近几个月,世界上几家著名的实验室都利用并五苯作为研究对象,获得了一些引人瞩目的研究成果。贝尔实验室的科学家在并五苯的基础上研制出了一种名叫F-15的有机材料。利用威尔祖斯喻作丝网印制法的一种工艺, 可将这种类似特氟隆的聚合物沉淀在塑料基层上面。2000年6月,贝尔实验室将其塑料晶体管技术许可授给了生产电子墨水与屏幕的E Ink公司。朗讯与E Ink正在合作研制电子纸原型,这种细薄的塑料片可望充当显示屏。科学家们展望这样一种产品:它能立即通过计算机更新。除此之外,还可应用于电子书藉与屏幕、蜂窝电话以及手持式设备。

目前,已有多家IT业大公司宣布成立塑料芯片的研究项目,如IBM、三菱、日立、朗讯、施乐、飞利浦和Hoechet公司等,这些公司表示将在21世纪投入巨资研究开发塑料芯片,使塑料芯片在将来有朝一日能够与硅芯片平分秋色,使芯片世界变得更加五彩斑斓、多姿多彩。■