軟性電子是藉由在軟性基板上添加適當的材料層來製作,相較於矽晶片製程,所需步驟較少,溫度也低得多;軟性電子的主訴求是成本比目前的電子元件低許多倍,此外我們也能將各種應用直接整合在任何一種材料中,而且是以任何形狀。

如果我們成功了,將掀起一場新革命──我們能把所有的物品變得智慧化;而從筆者從實驗室所看到的,相關技術進展快速、方向也正確。而我認為軟性電子目前得克服的主要挑戰,是如何擴展初生技術,賦予其更多內涵,同時更具能源效益;我們知道這在理論上是可行的,但還需要有耐心地探索與微調。

以下是我與其他研究人員希望能達成的幾個目標:

讓電晶體更小、電路更密集。到目前為止,我們只證實了最多能內含幾千個電晶體的少數電路,我們仍在軟性電子的「摩爾定律」(Moore’s Law)起點,而且應該要能進展到每平方公分1萬甚至100萬個電晶體,而且成本只要1美分。這樣的密度才能讓事情開始變得有趣,我們才能開始打造強大、創新的應用。

對於功耗有更好的掌控。目前我們擁有的軟性電子最佳材料,是n型薄膜半導體;這種能傳導電子的材料可讓電流在源極與汲極之間流動,但不同於矽晶片的CMOS技術,我們尚未有相對的p型材料,能抵銷並阻擋數位電路中的電流。

在我們的軟性電路中,總是會有在電源與接地之間流動的電流;在近期與中期,我的研究會聚焦於尋找只有n型電晶體、但是能降低寄生漏電流的電路解決方案。針對複雜電路,應該有可能把功耗降低10到100倍。

開發新的製造技術與工具。今日,大規模軟性電子量產是顯示器製造商的天下,這些廠商的生產設備能製作出微米等級的特徵尺寸,如果我們想把電晶體做得更小、電路更密集,我們需要達到次微米等級的特徵尺寸,因此會需要開發新一代的工具與生產線,設備製造商與製造業者需要加快速度。

在應用方面,以下有三種我認為軟性電子有助於開發的項目:

高密度顯示器。可應用在能彎折、捲起的表面,眼鏡…甚至是隱形眼鏡;高品質的AR/VR體驗會需要更小、排列更緊密的畫素,比我們目前所生產的密度再高一個量級。

醫療保健用可穿戴裝置或貼片,能接觸皮膚、量測人體的生理參數;例如能持續監測傷口癒合、不會干擾病患日常生活的貼片。長期來看,那些裝置甚至可能取代智慧手錶。

內建儲存、感測與資料處理功能的標籤。想像我們能設計一種可貼在蔬果、食品包裝上檢測食物品質的標籤,你會需要一顆能量測多種參數的感測器,甚至需要具備一些化學處理功能;此外你也會需要感測器電路以及電池,在標籤不在天線範圍內的時候支援資料分析。這種裝置可能會是物品級(item-level)物聯網的開始。

以上的應用都已經能使用矽晶片,或許要以軟性電子達到同樣的複雜程度,還有一段很長的距離,但我們若能將密度提升到理想中的等級,而且能開始推展軟性電子的「摩爾定律」,我們的夢想終有一天會實現。

編譯:Judith Cheng

(參考原文:Flex Electronics Approach an Inflection,by Kris Myny;本文作者為比利時研究機構Imec的研發團隊成員,專攻薄膜電晶體電路,最近被列為比利時50大科技菁英之一)