前言：半導體產業過去發展迅速，不但製程日新月異，產量也隨之飛漲。但是這些基於傳統矽晶片的技術有其極限，為了符合更多的功能需求，晶片架構越來越複雜，加上為了有效提升產量，因此導入新的製程也成了不得不為的趨勢，但製程改進的成本非常龐大，晶片產量雖然增加了，但是成本未必較低，加上數位產品價格不升反跌，更是壓縮的半導體廠商的利潤空間，因此研發與生產成本也越來越難以回收。
低成本是塑膠晶片的最大優勢
過去矽之所以能夠長期成為電子材料領域的佼佼者，是由於矽在物理特性上具有獨特的優勢，採用矽製造的電子元件和晶片在速度、精密性或導電性要遠比目前已知的材質來得具有優勢，矽晶片的電流能以每伏1000cm2/s的高速度在電路之間快速傳輸，不過在目前的生產製程條件下，矽的生產成本十分昂貴，尤其是那些對成本比較敏感的消費電子產品中，晶片的成本比例往往是最高的。與矽晶片相比，塑膠晶片價格則非常低廉，僅為矽晶片價格的 1％~10％，因此極具市場競爭力。
過去塑膠只是做為半導體晶片的載體，這些產品的核心依然是以矽材質製作而成的，就過去的應用來說，矽晶片的地位幾乎無可取代，但隨著時間過去，這樣的慣例似乎已經發生了變化，在上個世紀70年代，就已經有科學家研究出以有機聚合物製成導體的技術。
嚴格意義上上來說，塑膠晶片並不算一種新事物，其實早在2003年這個時候就有相關的報導。當時飛利浦（Philips）公司的研究人員捨棄了傳統的矽材料，改用塑膠材質的半導體，製造出郵票大小的螢幕，這種顯示螢幕僅有3.5平方公分，包含4096點像素，能以每秒100次的速度更新畫面。在此同時，英國劍橋的風險投資公司創辦的PlasticLogic公司也開發出了以塑膠為原料的微晶片，具備了主動式顯示特徵，並且規劃將在2008年正式投產以其為基礎的有機主動式顯示技術（OTFT），基礎塑膠基板的材質是聚乙烯對苯二甲酸酯（polyethy-lene terephthalate；PET），跟用來裝飲料的PET寶特瓶同材質。
應用於塑膠電子的材料技術
在電子裝置裡的導電塑膠有2大類，第一類是有機小分子，這種材質的塑膠是由五個苯環排成一直線所組成的並五苯（pentacene）；另外1種則是屬於長鏈狀的共軛聚合物分子，這種材質是由成百上千個碳原子串成的。「共軛」的意思是指長鏈裡的碳原子是由雙鍵及單鍵交替連結的。苯環可以看成是由6個這種碳原子所組成的短鏈，它們的單雙鍵交替，並且頭尾相連形成一個封閉迴圈，不過對這些分子來說，這種單雙鍵交替的圖像並不是最精確的。有些雙鍵裡的電子四處游移，由許多原子所共有，而非停留在兩個原子間的特定一根鍵上。
塑膠基本上是聚合物，就好像珍珠項鍊一般具有長鏈而且以固定的單元不斷重複的結構，當它要變得能導電時就必須能模擬金屬的行為，亦即電子必須能不受原子的束縛而能自由移動，要達到此目的的第一個條件就是這個聚合物應該具有交錯的單鍵與雙鍵，亦稱為共軛的雙鍵，透過乙炔所聚合而得的聚乙炔即具有這樣的結構。
這種不受侷限的行為和金屬以及半導體中所發生的類似，游移電子只能在具有特定能量的狀態上存在，這些能量形成帶狀，只能擺進一定數量的電子，填有電子而能量最高的能帶稱為價帶，相鄰的更高能帶稱為導帶。
並五苯之類的小分子在純態時可以導電，而且它們可以直接做成晶體或薄膜供各種裝置使用。相比之下，單純的長鏈聚合物通常是很差的導體，因為它們的價帶之中填滿了電子，電流無法順利流動。能帶中的每個電子都無處可去，因為沒有空的狀態可以去，導帶裡的空間則由於能量太高而無法利用。
不過，具有共軛雙鍵的長鏈並不足以造成它的導電，要能導電必須對這種塑膠動點手腳，一則將部分電子移出（氧化），另一則加入一些電子（還原），這種過程稱為摻雜（doping）。研究人員在長鏈聚合物中進行摻雜動作之後，摻雜的原子如果不是在導帶裡添加電子，就是從價帶中移除電子以產生電洞（電洞就像帶正電的粒子）。不管是藉由導電電子在幾乎全空的導帶裡流動，或是藉由電洞在價帶裡移動，都可以使電流更容易流動。（以電洞的觀點來說，價帶幾乎是空的：換句話說，該處的電洞可以移到任何一個電子的位置上）。
導電塑膠的成功開發，讓以塑膠為基礎的晶片架構得以實現，除了製成晶片以外，導電塑膠在其他方面的應用也非常廣泛，比如說防腐蝕劑、電子線路的電磁屏障、感光劑的防靜電層，甚至可以利用來做為先進戰機的外殼塗料，可以吸收雷達微波，以達到隱形的目的。
塑膠晶片的應用
一般我們常見的塑膠晶片應用，目前較為成熟的如：LED、OLED、OTFT等顯示技術，與RFID的塑膠無線射頻晶片，以及近來越來越熱門的儲存應用。
■在顯示技術方面
1.LED技術
如同燈泡一般，我們也可以使導電聚合物發光，只不過用的是不同的原理，這種原理稱為電致發光（electroluminescence）並且運用在發光二極體（photodiodes）上，基本上，這種發光二極體較電燈泡更為省電，同時產生的熱也較少。
在電致發光中，光線是由於聚合物的薄層受到電場的激發而放出的。傳統上發光二極體都是使用無機的半導體，例如磷化鎵(gallium phosphide)，但是現在卻可使用具半導體性質的聚合物。
半導體的聚合物之電致發光已經有十幾年的歷史了，現在發光二極體與電致發光二極體(LED)已極具商機。1個電致發光二極體的一端是以導電的聚合物為電極，中間是一層半導體的聚合物，另1端則為一金屬電極，當電極兩端加上電壓時，中間的半導體聚合物就會開始放光。這種塑膠裝置有許多可能的運用，例如利用LED膜所製成的平面電視，道路上的交通號誌以及大型廣告看板等，都可以藉此實現，目前對耗電量甚為敏感的筆記型電腦產業，也計畫全面導入LED背光技術。由於製造大面積的薄層塑膠是相當簡單的，我們可以想像未來在家中使用會發光的壁紙，藉此取代傳統燈具，甚至更大尺寸的螢幕背光等無線可能的應用。
2.OTFT技術
圖說：由富士通所推出的軟性顯示OTFT面板。（www.fujitsu.com）
而在OTFT技術方面，雖然在目前的彩色液晶平面監視器之中，利用非晶矽薄膜電晶體（α-Si TFT）作為驅動元件的主動矩陣驅動型液晶平面監視器的應用領域，乃是以筆記型電腦的用途為主要目的，過去十幾年以來，薄膜電晶體的材料都以無機材料為主，主要原因就是有機半導體材質的載子移動率（Mobility）相對於無機材料而言太低，因此有機薄膜電晶體（Organic thin film transistors 簡稱OTFT）的性能無法達到如無機電晶體（如矽、鍺）般的表現，且兩者的載子移動率差距達3個order以上，故OTFT目前仍不適合應用於需要高切換速率的裝置上。
OTFT技術有另外1個優勢，那就是矽半導體製造過程十分複雜。半導體生產商必須採取數百個措施以確保半導體的純淨度。雖然生產工廠本身效率極高，但是最終還是會產生重金屬以及有毒氣體等工業廢料，同時還得消耗幾十億加侖水，非常的不環保，而且從原始材料開始，必須花費數天的時間，半導體成品才能最終量產。
但是OTFT的工藝則簡單得多，利用噴墨列印技術和設備或者轉印技術，將碳基材料的微細顆粒噴射到晶片的基底上，不到幾分鐘就可以製造出晶片成品，且塑膠晶片可以單片製造，其成本甚至不到0.1美分。而目前如果要建造1座生產矽晶片的工廠，其資金可能要高達百億美金以上，然而同樣的資金卻可以建造超過100個生產塑膠晶片的工廠。不論從前端廠房及材料成本，到後端的應用與生產成本，塑膠電子都極具優勢。
OTFT除了在生產方面的優勢以外，在應用上，除了更新速率較慢是缺點以外，其可彎曲特性，更讓電子紙、電子書的概念可以成真，未來相關技術普及，或許傳統報紙將只能在博物館中見到，消費者手上拿的將是軟性顯示技術監視器，藉由網路付費機制下載新聞內容，如此可以降低媒體營運實體成本，同時也能夠減少砍伐樹木，滿足環保訴求，一舉兩得。
3.OLED/PLED技術
圖說： OLED面板的結構。（www.webpublications.com.au）
OLED(有機發光二極體)是另一項塑膠晶片技術，它又稱塑膠彩色監視器，在1999年進軍移動電話市場立即引起了轟動，當時這一市場由LCD(液 晶監視器)所壟斷。與採用矽材料LCD的相比，OLED在強烈的光線下看得更清楚，當然最重要的是其成本更加低廉。儘管在OLED推出的初期，其尺寸較小，而且其壽命也短，大約只能維持1萬小時，而LCD的壽命在6萬小時左右，但是隨後不久，功能更加強大的OLED接連面市。
OLED依其使用材質方面的不同，可分為2類，1個是以發色有機化合物為材料的小分子元件系統（small moleucule-based device），另1種則是以共軛性高分子材料之高分子元件系統（polymer-based device）。由於具有和發光二極體（LED）類似的特性，因此小分子有機發光二極體被稱為OLED，高分子發光二極體則是稱為PLED。
這類顯示技術與LED一樣，同樣是利用材料的物理特性，將電子傳輸層（Electronic Transport Layer,ETL）與電洞傳輸層（Hole Transport Layer,HTL）及發光材料層（Emitting Material Layer,EML）進行結合，並將電子激發的形式降回基態，如此多餘的能量將以光波的形式釋出。OLED由於具備自發光特性，因此不需要背光元件，能夠有效降低模組成本以及系統功耗，同時其回應速度非常高，甚至要高過傳統TFT LCD技術，因此殘影狀況將不復存在。
OLED在大型化的進程上雖然稍嫌緩慢，但是目前最大的實用化尺寸也已經達到27吋，其低功耗、模組簡單的優點，也有全面取代傳統筆記型電腦螢幕的潛力。目前OLED市場前三大由三星SDI、樂金電子（LG Electronics）以及台灣錸寶領頭，其餘市場則是日本先鋒（Pioneer）以及悠景等公司分食，手機螢幕雖然仍然是OLED的主要市場，未來也將往更大螢幕的應用發展。
■RFID應用
由於RFID在推廣初期，內含晶片的標籤價格過高，因此無法取代目前的條碼，然而無晶片RFID技術逐漸普及，單一標籤成本不到0.1美分，因此業界採用的情況也越來越踴躍。
無晶片RFID可以分為2個發展階段，第1階段中的無晶片RFID標籤中，包含了許多種類的技術，包含了聲磁、電子掃頻的RF感應電容陣列以及電磁RF濺射薄膜等等，然而這幾類技術並未受到大量採用，因此成本仍然難以下降。第2階段的無晶片RFID標籤中，採用新一代的SAW表面聲波技術RFID，除了技術更先進以外，成本也得以大幅降低。而在此階段，市面上也出現了採用導電油墨印刷的紙張或塑膠RFID標籤，其中，大約有數十家從事薄膜電晶體的公司在從事這方面的研發生產工作。
薄膜電晶體就是基於塑膠的晶片，也就是在導電性良好的塑膠材料上，透過印刷的方式將邏輯電路直接印在塑膠薄膜上。由於其電路可用面積相當大，因此幾何結構不需要特別精密，其運算速度也不是很快，一般只有1MHz左右。藉由塑膠材質的應用，可以大幅降低單一標籤的成本，而標籤上可以內嵌不同種類的感測器，可以記錄產品因為環境條件或是人為因素而產生的質變，甚至也可以記錄產品本身的生產履歷，管理者只需以簡單方式便能夠收集這些資料，並有效進行產品的管理。
■塑膠晶片的儲存應用
圖說：軟性有機記憶體。（www.itri.org.tw）
除了以上所提到的塑膠晶片技術以外，另外還有1個目前相當熱門的塑膠晶片應用，那就是記憶體。雖然目前記憶體皆是以矽晶片的狀態實現，但是目前也有許多利用狀態變化才進行儲存的媒體，比如說光碟片。因此理論上來說，利用有機體來儲存資料，並且運作於電腦上，並不是見不可能的任務。
利用有機物來製造記憶體，其實在最終產品方面與現有的矽晶片記憶體無太大區別，但是其優勢是在於製造端，有機記憶體不需要昂貴的無塵室以及大量的半導體製程和相關智慧財產，因此最終成品可以達到非常低的價格，除了有利於打開市場以外，也能夠確保廠商的獲利不至於因為製造設備的攤提而被瓜分。
無論是記憶體或是邏輯元件上，最終極技術都是分子電子元件技術（molecular）。其技術構想是利用單一分子或是有機材料分別作為記憶體、開關、或是邏輯運算之用，預期可以達到極高的元件密度。其中記憶體部分就是有機非揮發性記憶體，其原理是使用有機材料的記憶效應作為資料儲存之用，所以凡是具有記憶效 應的新材料都可以嘗試在記憶體元件上使用，目前已經有無數種使用新材料之有機記憶體技術被提出。
目前應用的記憶機制有2種，第1種方式是利用具有鐵電性（Ferroelectric）特性的有機化合物薄膜，製作類似鐵電記憶體（FeRAM）的非揮發性記憶體，第2種則是利用空間電荷（Space Charge）聚集於金屬電極-分子／有機膜介面的特性，達成擁有記憶體效果的元件性質。再以所使用的有機材料大小來作分類，可以概分為分子級有機記憶體與有機薄膜記憶體兩類；所謂分子級有機記憶體是以單一有機分子夾在兩片金屬電極之間，形成1個基本單元，所以最小記憶單元大小就由有機分子大小以及金屬電極製作技術來決定。
有機記憶體可以利用各式軟性材料或不規則物體表面作基板，製作出低成本、全polymer的可繞式記憶體與電子元件。這將顛覆現有半導體記憶體的使用方式，大幅擴展非揮發性記憶體之應用範圍。
結論：塑膠晶片的資訊產業方面包含了半導體以及光電兩大領域，未來甚至擴及能源產業，取代傳統矽晶片，應用於太陽能電池上。其低成本是最大的本錢所在，雖然塑膠晶片還無法達到高速運算的應用，Intel、AMD等傳統半導體廠商還無須緊張被搶飯碗，但是低成本、高環保訴求以及快速的生產流程，雖然若干技術還不成熟，但是以目前應用規模的龐大，也等同於正式宣告，塑膠電子的時代即將來臨！
