2.4.3 生物复合薄膜衬底

目前，针对个性化移动设备、人机界面单元、可穿戴医疗保健系统和仿生智能机器人的柔性电子产品需求巨大，而且在不断增长。基于纤维素的生物复合薄膜衬底，具有成本低、可再生、易加工、可化学改性、可生物降解等优点，并具有良好的机械性能、介电性、压电性等。纤维素具有多种优点，常被用作柔性电子器件的基材、黏合剂、介电层、凝胶电解质和衍生电极材料等。

1.生物复合薄膜衬底的性能

生物复合薄膜衬底主要基于纤维素纳米纤维进行物理、化学特性改良，使其满足特定使用需求。纤维素纳米纤维可以通过植物或细菌产生，具有出色的机械和热学性能，是地球上最丰富的全绿色资源之一。纤维素纳米纤维具有比凯夫拉材料和钢更高的强度和弹性模量，并且具有比石英玻璃更低的热膨胀系数。

中国科学技术大学利用生物基纤维素纳米纤维成功开发了宏观结构材料，称为纤维素纳米纤维板，其具有很高的强度质量比，比钢高四倍，也比传统塑料和铝合金高，密度仅为铝合金的一半，同时韧性更好。纤维素纳米纤维板具有极好的耐极端温度和热冲击的性能，远高于塑料或其他聚合物材料。在-120～150℃之间，纤维素纳米纤维板的热膨胀系数接近陶瓷材料，远低于典型的聚合物和金属，如图 2-27 所示。在 120℃的烤箱和-196℃的液氮之间进行10次快速热冲击后，纤维素纳米纤维板仍能保持其强度。出色的热尺寸稳定性，使得纤维素纳米纤维板在极端温度及冷热交替条件下具有用作结构材料的巨大潜力。

2.生物复合薄膜衬底的应用

基于纤维素纳米纤维的生物复合薄膜衬底，具有许多优点，包括低成本、机械柔韧性、可加工性、生物相容性、可编程/可控生物降解性和多种电气性能。如图2-28所示，生物复合薄膜衬底广泛应用于柔性透明显示、有机超级电容器、薄膜晶体管、柔性电路、智能传感器、OLED显示、有机OTFT、便携式太阳能电池、射频器件、仿生电子皮肤等，对柔性电子的发展起到了巨大的推动作用。

C.Legnani等用革兰氏阴性的醋酸菌（木糖醋酸杆菌）生产的细菌纤维素（BC）膜作为柔性材料用于制造有机发光二极管（OLED）的衬底，在细菌纤维素膜表面依次沉积SiO₂缓冲层和ITO导电层，并以此为衬底制作出了柔性OLED。结果表明，可降解、生物相容性好的细菌纤维素膜可以成功地用于柔性有机光电器件的衬底。S.Ummartyotina等利用细菌纤维素和聚氨基甲酸乙酯基树脂制备了纳米复合薄膜，并将其用作柔性 OLED 的衬底。该纳米复合材料的性能满足柔性OLED衬底的要求，其可见光透光率高达80%，热稳定温度可达150℃，而其热膨胀系数（CTE）小于20ppm/K。在该衬底上通过蒸镀技术制备的OLED，在亮度为200cd/m2的条件下，电流效率最高为0.085cd/A，功率效率为 0.021lm/W。P.Pinto 等以细菌纤维素和蓖麻油基聚氨酯为原料制备了新型BC/PU复合材料。新型BC/PU复合材料在可见光区域，透光率高达90%，机械抗拉强度高达69 MPa，杨氏模量高达6 GPa，表面粗糙度小于1nm。

与合成聚合物材料相比，纤维素材料具有完全生物降解性、低成本和纳米效应的优点，用于OTFT的柔性基材或介电层具有很大优势。Fujisaki等在透明的纤维素纳米纸衬底上，采用光刻和湿法工艺制备了OTFT阵列。纤维素纳米纸具有高效的纳米通道和低热膨胀系数（5-10ppm/K），OTFT器件空穴迁移率为1cm2·V-1·s-1，开态电流大于10-5A，在大气环境中开关比在106～108之间。

柔性传感器在人类健康监测、人机交互和可穿戴设备等方面的应用备受关注。根据不同的操作模式，柔性传感器分为压力-应变传感器、离子-电子传感器和化学耦合传感器。与合成聚合物材料不同，纤维素材料具有生物相容性，可再生，从而增加了可穿戴传感器的可回收性，更加环保。由于表皮神经元间快速的离子转运，人体皮肤对温度、湿度、振动和触觉具有敏锐的感知能力。除柔性传感器等外部应变和刺激传感器外，一些基于纤维素的仿生电子皮肤在医疗保健方面也显示出了非常有前景的应用。仿生电子皮肤具有出色的柔韧性，可以轻松地附着在手腕上或从手腕上取下。仿生电子皮肤感应到的平静、深沉和急促的呼吸分别对应于安静、紧张和不舒适的人类状态。