第一節(jié) 產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

塑料是20世紀的重大發(fā)明之一。在人們的印象中，塑料是不導電的，普通電纜就常使用塑料作為導線外面的絕緣層。但是，三位科學家卻在1977年首次發(fā)現(xiàn)這種聚合物也能導電，而他們亦因此獲得2000年諾貝爾化學獎。經(jīng)過了一段時間的沉寂，受惠于大筆 研究 經(jīng)費，該領域的 研究 在最近十多年里發(fā)展迅猛，多項技術(shù)即將進入應用階段。

當傳統(tǒng)半導體 行業(yè) 的科學家們正致力于將電子元件的尺寸進一步縮小，挑戰(zhàn)摩爾定律的極限時，也有一批持不同目標的科研人員在為新型半導體材料的應用而努力。導電塑料（有機半導體材料）就是其中的一個例子。如果他們的 研究 進展順利，導電塑料將向硅晶體的霸主地位發(fā)起沖擊，給半導體 行業(yè) 帶來天翻地覆的變化。

通常情況下，塑料由許多排列無序的大分子組成，通電后，當電流增大時，塑料內(nèi)部會形成凌亂的網(wǎng)狀物，并馬上停止導電。然而，科學家卻發(fā)現(xiàn)，某些結(jié)構(gòu)的塑料卻具有半導體特性，也能傳輸電流。后來，科學家們又進一步發(fā)現(xiàn)，通過在塑料內(nèi)滲入某些物質(zhì)，可以改變其物理化學特性，使其具有較好的導電性能。這些發(fā)現(xiàn)為導電塑料日后取代硅晶體成為新一代半導體材料奠定了基礎。

（一）塑料RFID標簽

在超市采購結(jié)束后，你無需去排隊等待收銀員一一讀取各個商品的條形碼，直接推著滿滿一車貨物走過檢測器，大約不到一分鐘，貨品的總額就顯示出來了———這是無線射頻識別標識技術(shù)（RFID）為勾畫出的美妙場景。

這種非接觸式自動識別技術(shù)的便利之處在此毋庸贅言，RFID商品標簽被認為將是今后全球商品交易及物流中采用最廣的技術(shù)之一。但RFID標簽的成本問題卻可能成為制約這一技術(shù)普及的瓶頸。有資料顯示，RFID標簽目前的成本大約每枚0.2美元，這一價格也許對于汽車、電視等貴重商品來說無關緊要，可是對超市中的眾多低價商品來說就變得難以承受了。

美國的3M公司正在致力于解決這個問題，科學家要用一種便宜的導電塑料來替代傳統(tǒng)的硅晶體材料，這種材料名叫并五苯（Pentacene）。根據(jù)該公司最近公布的消息，利用并五苯作為芯片半導體材料的標簽已經(jīng)可以被幾厘米外的讀取裝置識別，如果這種技術(shù)在未來得到進一步完善，RFID標簽就會像條形碼一樣被印在洗發(fā)水包裝、罐頭盒外面。

2003年11月5日，零售業(yè)巨頭沃爾瑪百貨公司正式宣布，在2005年底，所有供應沃爾瑪百貨的商品包裝箱上，都要有應用RFID技術(shù)的電子商品條形碼。塑料RFID標簽的研制使這一目標的實現(xiàn)成為可能。RFID的應用范圍也就是塑料RFID標簽將來潛在的市場，包括門禁管制、貨物管理、資產(chǎn)回收、物料處理、廢物處理、醫(yī)療應用、交通運輸、防盜應用、自動控制、聯(lián)合票證等許多領域。

（二）有機材料顯示器

實際上，以并五苯為代表的導電塑料應用前景非常廣泛。自從1980年代中期研發(fā)出有機晶體管(organictransistor)后，由于其相較于一般玻璃和半導體，具有成本低、重量輕、能變形的優(yōu)點，不少 研究 機構(gòu)開始嘗試以有機晶體管為材料制造塑料平面顯示器。但在過去的十多年里，較低的電子遷移率、高工作電壓以及令人失望的處理速度一直是阻礙有機薄膜晶體管（OTFT）顯示器研發(fā)的主要難題。

這種情況在最近幾年中發(fā)生了改變，IBM的 研究 人員通過改變有機晶體管中摻雜的絕緣材料，把塑料平面顯示器的工作電壓降低到了目前已批量生產(chǎn)的非晶硅晶體管液晶顯示器的水平，有機材料的電子遷移率也得到了大幅提高。這項 研究 突破了有機半導體的研發(fā)瓶頸，而目前具有最高遷移率的有機半導體材料就是并五苯。

在美國西雅圖舉行的“SID2004”展示會上，荷蘭菲利浦電子公司展示了分別利用美國E-Ink公司的微膠囊型電泳顯示屏，及利用美國SiPix公司的MicroCup型電泳顯示器研制的兩種卷軸型電子紙。這兩種電子紙屏幕尺寸均為5英寸，屏幕解析度為320×240像素。卷軸型電子紙樣品由OTFT所在的塑料底板與電泳顯示屏構(gòu)成，可以一層一層卷成半徑2cm以下的圓筒。而索尼公司今年初推出的電子書籍就使用了E-Ink公司兩年前開發(fā)的電子紙技術(shù)。此外，日本普利斯通公司和九州大學也在會上宣布開發(fā)出了以并五苯膜為基礎的電子紙，雖然其無源數(shù)組式（PM）驅(qū)動面板尺寸僅3.1英寸，屏幕解析度也只有160×160像素，但0.2ms的響應時間為今后電子紙顯示動態(tài)圖像創(chuàng)造了條件。

未來，把顯示器像報紙一樣卷起來放進背包將成為時尚，人們可以隨時打開它來收看電視節(jié)目或者連入因特網(wǎng)，隨著有機材料顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，柔性視頻顯示器將越來越受到人們的青睞。

（三）電子人工皮膚

導電塑料的又一個奇特應用是在機器人領域。 研究 人員將并五苯有機晶體管陣列植入感壓橡膠下，使它搖身一變，成了對壓力敏感的機器人的“皮膚”。

在日本東京大學生產(chǎn)技術(shù) 研究 所的試驗中，科學家首先制作出約10cm見方的一個塑料薄膜底板，其上有1000個左右的開關用有機晶體管組成有機晶體管陣列，再在晶體管上涂上一層具有感覺作用的感壓橡膠，并將晶體管相互連接起來，產(chǎn)生出一塊有1000個痛點的人造皮膚。這時，安裝在晶體管陣列周圍的解碼器會不斷逐個掃描有機晶體管，讀取其電阻值。在感壓橡膠沒有受到壓力時，晶體管電阻較高，當人造皮膚的某部位受到壓力時，受壓部分的電阻就會降低。由于將1000個有機晶體管全部掃描一遍耗時約1秒，所以如果施加壓力的時間超過1秒，人工皮膚就一定會感受到。此外，試驗中的解碼器等外部電路也是利用有機晶體管實現(xiàn)的。

引人注目的是，導電塑料不僅可以用來制造電子人工皮膚，用它制造出來的人造肌肉也可以通過電化學方法進行控制，使之膨脹和收縮。利用這種 技術(shù)工藝 ，科學家能制造出非常類似人類的機器人的肢體，機器人也將不再只能生硬地完成程序指令，而是可以更加靈活地做出各種復雜的動作，這是機器人制造技術(shù)的一項重大突破。

（四）塑料太陽能電池

可以在衛(wèi)星和宇宙飛船上看到巨大的太陽能電池板，但生活中遇到的太陽能電池卻往往局限于計算器、手表等小型電子設備。由于傳統(tǒng)的硅太陽能電池成本太高，制造復雜，太陽能電池的大規(guī)模商業(yè)應用一直無法實現(xiàn)，不過塑料太陽能電池的出現(xiàn)將在不久的將來改變這一現(xiàn)象。塑料薄膜的導電性能使其在制造薄型輕質(zhì)電池、高分子聚合物電池方面有著極其廣闊的應用前景。這種能夠在多種材質(zhì)表面“印制”的太陽能電池因具有成本低廉、制造容易、重量輕和易彎曲的特點而成為目前 研究 的熱點。

德國西門子公司的 研究 人員將導電塑料與巴基球（碳-60分子）結(jié)合制成了新型電池。導電塑料吸收光子，釋放出電子然后被巴基球吸引，并被輸送到一電極。在這里，薄膜起到了太陽能電池的作用。據(jù)稱這種電池的轉(zhuǎn)換效率在2001年已經(jīng)達到了10%%。

而美國貝爾實驗室的科學家則利用并五苯來取代太陽能電池中的硅。這種電池的最佳光電轉(zhuǎn)換效率達到了4.5%%。

美國加州大學伯克利分校的科學家也在2002年報告了他們研制的塑料太陽能電池。整個電池就像一塊三明治，兩側(cè)的電極間夾著幾百納米厚的特殊塑料P3HT，塑料中的硒化鎘（CdSe）納米棒在受到特定波長的光照射之后就能產(chǎn)生電子和空穴，從而產(chǎn)生了電勢差。當時這種電池能把1.9%%的太陽能轉(zhuǎn)化成電能。

這些數(shù)字也許聽起來還不是很讓人滿意，但要知道，目前普通的硅太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換率也只有10％?？梢韵胂?，雖然轉(zhuǎn)換效率不高，但如果能將這種便宜的電池“刷”在每棟建筑物外面，產(chǎn)生的能源也相當可觀。再理想一些，如果這種導電塑料能像普通涂料一樣色彩豐富，還可以把太陽能電池穿在身上，那樣隨身攜帶的電子設備的供電問題也許也將得到解決。

將來，最有希望的太陽能裝置是導電塑料和納米材料的混合產(chǎn)品，科學家希望這兩種材料的混合溶液能以類似于噴墨打印的方式，印刷在物體表面上，從而實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

（五）塑料芯片

導電塑料的發(fā)現(xiàn)者、美國物理學家馬克迪爾米德教授領導的 研究 小組利用普通塑料研制出了納米電子線路。這種納米電子線路成本非常低廉，一塊納米電子線路板的成本僅為1美分，是硅芯片價格的1%%~10%%.現(xiàn)在，他們正在研制直徑僅為100納米的納米材料———聚苯胺纖維，直徑僅有頭發(fā)絲的1/500.如果能將納米導電纖維與納米電子電路結(jié)合起來，就可以把計算機做得非常小。

目前，IBM、三菱、日立、朗訊、施樂、菲利浦等多家IT業(yè)巨頭已經(jīng)或正在組建 研究 塑料芯片的專門機構(gòu)，他們已經(jīng)研制出集成了幾百只電子元器件的塑料芯片樣品，探索出能夠批量生產(chǎn)的集成度較低的塑料芯片。盡管與奔騰或AMD公司硅芯片數(shù)GHz的速度相比，目前塑料芯片不到1MHz的速度顯得有些微不足道，但隨著技術(shù)難題的解決，塑料芯片的市場前景非常廣闊，不僅在電子工業(yè)與計算機工業(yè)領域，而且在環(huán)境保護、醫(yī)學衛(wèi)生、能源利用、太空探索等各個領域都有著巨大的市場潛力。隨著巨資的投入，集成度更高的塑料芯片將陸續(xù)出現(xiàn)，一步步向替代硅芯片的目標邁進。

塑料芯片帶來的革命還將使信息技術(shù)以前所未有的程度更加貼近人們的日常生活。將來，你只需要一套類似打印機的設備，就能夠在家里制造電腦芯片，你甚至還可以從互聯(lián)網(wǎng)上下載電路設計圖，根據(jù)自己的需要進行修改后生產(chǎn)出為你量身定做個性化的芯片。

半導體技術(shù)的日新月異使傳統(tǒng)的半導體芯片制造商正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。不論是芯片技術(shù)還是芯片制造市場，都在醞釀著變革。不僅傳統(tǒng)的芯片制造商將受到威脅，芯片生產(chǎn)設備制造商的日子也不會好過。而塑料制造與化學公司如道化學公司和杜邦公司，打印機廠商如佳能、惠普和愛普生公司，都將從中大大獲益，當然，獲益最大的還是廣大消費者。

盡管目前導電塑料的性能還不盡如人意，盡管目前相關產(chǎn)品易受環(huán)境影響，壽命較短，但簡單的制作方式以及低廉的生產(chǎn)成本使它必將大量地進入人們的日常生活之中。除了以上介紹的幾個領域之外，導電塑料還將帶來各種廉價的或一次性的電子產(chǎn)品進入市場，它甚至會創(chuàng)造出一個新興的產(chǎn)品應用市場，這也許就是塑料時代的來臨。

第二節(jié) 產(chǎn)品生產(chǎn)工藝特點或流程

導電塑料工藝流程圖

第三節(jié) 國內(nèi)外生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢 分析

高分子材料代替金屬材料是今后材料學科領域的發(fā)展趨勢。由此帶來導電性聚合物的市場需求日益增長，其應用領域逐步擴大，這就必然對導電性聚合物提出更高的要求。對于結(jié)構(gòu)型導電性聚合物來說，要想進一步實用化，必須解決目前存在的下述主要問題：

（一）穩(wěn)定性欠缺

導電性高分子中的氧原子對水是極不穩(wěn)定的，這是防礙其實用化的最大問題。

（二）摻雜劑多是有毒的

如AsF5、I2、Br2等。

（三）成型困難

導電聚合物主鏈中的共軛結(jié)構(gòu)使分子鏈僵硬，不溶不融，從而給自由地成形加工帶來困難。

（四）經(jīng)濟性差

其價格比金屬及普通塑料高，難以實用化。

對于復合型導電塑料來說，當前需要著重 研究 的是金屬纖維填充的電磁波屏蔽材料，需要解決的主要課題是：1、減小比重；2、使導電性均一；3、降低成本；④改善外觀。

對于導電性聚合物的未來展望，最主要的是開發(fā)以下三種材料：1、高導電性高分子；2、有機太陽能電池；3、有機超電導材料。

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