導電塑料技術應用 2005年2月4日
塑料是20世紀的重大發明之一。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年首次發現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。經過了一段時間的沉寂，受惠于大筆研究經費，該領域的研究在最近十多年里發展迅猛，多項技術即將進入應用階段
當傳統半導體行業的科學家們正致力于將電子元件的尺寸進一步縮小，挑戰摩爾定律的極限時，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起沖擊，給半導體行業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，塑料內部會形成凌亂的網狀物，并馬上停止導電。然而，科學家卻發現，某些結構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現，通過在塑料內滲入某些物質，可以改變其物理化學特性，使其具有較好的導電性能。這些發現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。
塑料RFID標簽
在超市采購結束后，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（RFID）為我們勾畫出的美妙場景。
這種非接觸式自動識別技術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之一。但RFID標簽的成本問題卻可能成為制約這一技術普及的瓶頸。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的硅晶體材料，這種材料名叫并五苯（Pentacene）。根據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可以被幾厘米外的讀取裝置識別，如果這種技術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水包裝、罐頭盒外面。
2003年11月5日，零售業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技術的電子商品條形碼。塑料RFID標簽的研制使這一目標的實現成為可能。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、資產回收、物料處理、廢物處理、醫療應用、交通運輸、防盜應用、自動控制、聯合票證等許多領域。
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、能變形的優點，不少研究機構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）顯示器研發的主要難題。
這種情況在最近幾年中發生了改變，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。
今年5月，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公司兩年前開發的電子紙技術。此外，日本普利斯通公司和九州大學也在會上宣布開發出了以并五苯膜為基礎的電子紙，雖然其無源數組式（PM）驅動面板尺寸僅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圖像創造了條件。
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目或者連入因特網，隨著有機材料顯示技術的不斷發展，柔性視頻顯示器將越來越受到人們的青睞。
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技術研究所的試驗中，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的一項重大突破。
塑料太陽能電池
我們可以在衛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。由于傳統的硅太陽能電池成本太高，制造復雜，太陽能電池的大規模商業應用一直無法實現，不過塑料太陽能電池的出現將在不久的將來改變這一現象。塑料薄膜的導電性能使其在制造薄型輕質電池、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。據稱這種電池的轉換效率在2001年已經達到了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生電子和空穴，從而產生了電勢差。當時這種電池能把1.9%%的太陽能轉化成電能。
這些數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換率也只有10％。可以想象，雖然轉換效率不高，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，我們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，從而實現大批量生產。
塑料芯片
導電塑料的發現者、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，直徑僅有頭發絲的1/500.如果能將納米導電纖維與納米電子電路結合起來，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業巨頭已經或正在組建研究塑料芯片的專門機構，他們已經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的集成度較低的塑料芯片。盡管與奔騰或AMD公司硅芯片數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，不僅在電子工業與計算機工業領域，而且在環境保護、醫學衛生、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出現，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網上下載電路設計圖，根據自己的需要進行修改后生產出為你量身定做個性化的芯片。
半導體技術的日新月異使傳統的半導體芯片制造商正面臨著前所未有的挑戰。不論是芯片技術還是芯片制造市場，都在醞釀著變革。不僅傳統的芯片制造商將受到威脅，芯片生產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，盡管目前相關產品易受環境影響，壽命較短，但簡單的制作方式以及低廉的生產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品進入市場，它甚至會創造出一個新興的產品應用市場，這也許就是塑料時代的來臨。
