塑料革命

塑料看起來似乎不是用來生產(chǎn)電路的材料，但最近的一些科技進(jìn)展讓這有了可能。Mike Bedford在本文里展望了一下塑料技術(shù)是否將來有一天能挑戰(zhàn)硅技術(shù)。

塑料用來做電的絕緣體非常合適，因此人們會認(rèn)為它們在電路方面的用途是有限的。不過，科技家已經(jīng)改變了塑料的一些結(jié)構(gòu)，使之能像導(dǎo)體或半導(dǎo)體一樣。與硅不同的是，這意味著電路也可以是既堅(jiān)固又柔韌的?？梢跃砥饋淼娘@示器和其它類似的技術(shù)將在未來成為現(xiàn)實(shí)。

塑料電路還有其它一些好處。比如，比起硅電路，塑料電路會更便宜和易于生產(chǎn)。

這是否意味著無處不在的智能技術(shù)即將成為現(xiàn)實(shí)？本文我們討論了是什么讓塑料電路成為現(xiàn)實(shí)，它能帶來什么結(jié)果，以及具體什么時候我們能用上這一技術(shù)。

電子的流動

電流就是電子的流動。允許電子自由流動的就是好的導(dǎo)體，反之則是絕緣體。電池是否順暢則取決于電子和原子的結(jié)合有多緊密。

只有二者之間有一點(diǎn)騰挪的空間，比如許多金屬里，電子就可以以電流的形式流動。而在塑料里的話，電子都擠在一起因此無法流動起來。

塑料是聚合物，就是說它有著很大的以一定順序重復(fù)排列的高分子（成團(tuán)的原子）。例如，聚乙烯表示高分子是以乙烯團(tuán)的形式排列的。乙烯是一種氣體，它的化學(xué)式是C₂H₄，當(dāng)它聚合后，它就成了固態(tài)，化學(xué)式是（C₂H₄）nH₂，其中n是一個巨大的數(shù)字。所有的電子要么與碳或氫原子結(jié)合，要么與鄰近的碳原子形成化學(xué)鍵，要么處于碳原子和氫原子之間。結(jié)果就是，聚乙烯是一種很好的絕緣體。

而少數(shù)幾種可以當(dāng)電導(dǎo)體的塑料，則擁有移動電子的獨(dú)特構(gòu)造。通常來說，分子的分子主鏈包括長鏈的交互單/雙碳原子組合。然而，事實(shí)上這種交互組合只是情況之一。有些組合里的電子偏離了原位，在主鏈里從不同的原子里移動到另一個原子里。此外，因?yàn)榫酆衔锢锇罅糠肿?，電子可以從中移動到相?dāng)遠(yuǎn)的距離，就像電導(dǎo)體一樣。

有個例子就是聚苯亞乙烯。正如你在下圖中看到的分子結(jié)構(gòu)一樣，它有著長鏈交互單雙組合，能讓電流通過。

能導(dǎo)電的聚合物的出現(xiàn)意味著塑料也可以用來像電路板上的銅導(dǎo)線一樣連接元件。不過，要直接制造電子元器件，比如微芯片里的晶體管，則還需要另一個元素：半導(dǎo)電性。

簡單來說，塑料也可以變得像半導(dǎo)體一樣。因此，如果我們加上傳統(tǒng)的塑料，再加上塑料的變體，我們就同時有了導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體，可以用來制造電子元件了。

塑料的優(yōu)勢

聚合物化學(xué)領(lǐng)域近來取得的一些進(jìn)展使得直接用塑料制造電子元件成為現(xiàn)實(shí)，但鑒于我們已經(jīng)有了銅和硅，因此值得一問的是為什么要這么做。事實(shí)上，有幾個好處。

首先是價格，雖然硅并非什么稀有元素，畢竟許多巖石和沙子里都有硅，但從中提取出硅并將其純化至能生產(chǎn)半導(dǎo)體這一過程是昂貴的。另一方面，生產(chǎn)塑料的成本則便宜得多。

更重要的一點(diǎn)是，這可以降低把原始材料變成可用元件的成本。生產(chǎn)硅芯片是個非常復(fù)雜和昂貴的過程，涉及沉積、蝕刻、離子注入等其它一些需要高科技的步驟。因?yàn)樗芰峡梢杂糜袡C(jī)溶劑分解，聚合物元件可以用像噴墨打印機(jī)一樣的技術(shù)來生產(chǎn)。其次，塑料即可堅(jiān)硬也可柔軟，毫無疑問，今天手持的電子設(shè)備比幾年前要經(jīng)用得多。盡管如此，把手機(jī)掉到水泥地板上也不是個好主意，屏幕很容易就會支離破碎。塑料，則幾乎難以破壞，事實(shí)上，塑料再加上低成本肯定能催生創(chuàng)新的新設(shè)備。

有機(jī)LED

OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）是塑料首次應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界電子元件里的例子之一，OLED也是一種聚合物的變體。

如今，世界上大部分屏幕都是基于LC D技術(shù)，即讓背光照射穿過透明的液晶。其中有些LCD也叫LED顯示屏，但LED在這些屏幕里僅用于產(chǎn)生背光。不過，事實(shí)上的確有可能只用OLED來形成圖像。

OLED屏在亮光環(huán)境下也能看清楚屏幕，對比度也很高，并且開始在一些消費(fèi)電子設(shè)備上現(xiàn)身了，比如電視機(jī)。

盡管OLED本身是可彎曲的，但它需要與一層薄膜場效應(yīng)晶體管（TFTS）配合才能開啟和關(guān)閉每個像素。TFT本身是基于硅技術(shù)制造的，因此相對來說不可彎曲而且也易于損壞。

不過這很快就要成為歷史了。一家名為Plastic Logic的公司開發(fā)了一種技術(shù)能生產(chǎn)全塑料的TFT背板，它可以通過彩色OLED或是單色電泳技術(shù)（比如Kindle那樣的電子書）結(jié)合到顯示層上去。

早期的一些應(yīng)用受惠于全塑料顯示器幾乎難以損壞的特質(zhì)。比如說，德國汽車站和其它公交設(shè)施就采用這種技術(shù)來顯示時間表。而PopSlate和PocketBook兩家公司也生產(chǎn)了配置了第二塊電子墨水屏的智能手機(jī)保護(hù)殼。

人們對于可卷曲顯示器是否有市場需求，這一點(diǎn)還有待驗(yàn)證。不過，Plastic Logic認(rèn)為塑料顯示屏技術(shù)將讓可穿戴電子設(shè)備不再受到約束，這是肯定的。

塑料處理器

雖然目前全塑料電子設(shè)備目前在顯示器領(lǐng)域的技術(shù)最為先進(jìn)，但如果聚合物想進(jìn)入主流市場，則必須能夠使用這種幾乎不可能的材料來制造處理器。這一塊也有了進(jìn)展。

荷蘭公司Imec接受了這一挑戰(zhàn)，展示出了全球首款塑料微處理器。據(jù)該公司表示，低端硅處理器的價格可以低至1英磅，但很難再往下降了。而塑料處理器似乎有可能以其1/10的價格生產(chǎn)，因此能實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。比如一種智能食品包裝，可以檢測出內(nèi)容物是否還安全；又或者是一種燕麥片包裝盒，可以計(jì)算出每餐的營養(yǎng)價值。

不過，由于這項(xiàng)技術(shù)還處于應(yīng)用的初期，短期內(nèi)不太可能出現(xiàn)10英磅的平板電腦或是智能手機(jī)。

首先，主流處理器是64位的，而這種塑料處理器是8位架構(gòu)，像是上個世紀(jì)80年代的產(chǎn)品。其次，它每秒只能執(zhí)行6個指令，比起硅處理器來說慢了太多。最后一點(diǎn)，盡管性能不佳，它的單元面積占到了2平方厘米。不過，我們別忘了硅處理器的進(jìn)步是好幾十年里發(fā)展起來的，將來會有一天塑料處理器能發(fā)揮出它的全部潛能。

展望未來

塑料處理器乏善可陳的性能表現(xiàn)并不會成為它在某些特定領(lǐng)域的絆腳石，盡管如此，這種非常便宜、幾乎不會損壞的處理器還是需要相當(dāng)長的時間才能發(fā)揮出優(yōu)勢。不過正如Plastic Logic公司所指出的，聚合物電子元件在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大的作用。

可穿戴設(shè)備包括用于追蹤運(yùn)動的智能手機(jī)或是谷歌眼鏡這種智能眼鏡。不過據(jù)一些行業(yè)觀察人士表示，這些只是冰山一角，塑料電子元件將開啟一個更大的市場。

今年一月份的拉斯維加斯CES消費(fèi)電子展上，可穿戴設(shè)備被認(rèn)為是一股主流趨勢，包括電子時尚配飾，健身設(shè)備、附加顯示器和攝像頭等，似乎很快就要來到無處不智能的時代了。