生物合成材料於電子產業應用及發展趨勢：材料世界網

張珮菁、廖弘玉 / 工研院材化所

基於全球環境保護及減碳意識提升，使用綠色材料為全球發展趨勢。隨著生物技術的發展，生物合成材料生產技術進步幅度超乎預期，低毒性、高生物相容性、可降解、低碳環保為其主要特性。以生物合成材料製造之柔性電子產品受到國際消費性電子品牌商越來越多注目，本文列舉一些生物合成材料於柔性電子產品之應用，藉其材料特性克服傳統電子產品中常遇到的材料形態限制，並擴大應用範圍。

【內文精選】

合成生物學

近年來，合成生物技術被認為是一種永續的綠色科技，是除了使用石化原料及化學合成技術以外的另一種高潛力技術。由於微生物具有容易培養、生長週期短、易於基因改質等特性，可透過生物質或回收有機廢棄物作為微生物營養源，以基因改質微生物進行化學品的合成，隨後進行工業化放大其生產製程。因此，減少對原油的依賴以及增加環境友善產品生產，成為推動合成生物技術生產化學品之發展契機。

生物合成化學品於柔性電子材料及電子傳感器之應用

1. 聚乳酸

聚乳酸(Polylactic Acid; PLA)為一種可生物降解的環保聚合物，乳酸為其聚合原料，可經由大腸桿菌利用葡萄糖為料源透過醱酵生產而得，具有良好的生物相容性及生物降解特性，受到美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration; FDA)批准為生物醫學材料。聚乳酸有良好的極性和物理性能，且易於加工並具有良好透明度。Chu等人於2016年指出，PLA分子可引發Charge Trapping Effect，進而提升其高光敏性和熱敏性，可於有機光電晶體管(Organic Phototransistor; OPT)作為柵極介電材料(圖二(a))，PLA的極性基團可使半導體/介電界面(Semiconductor/Dielectric Interface)引發Charge Trapping Effect，致使黑暗中的漏極電流(Drain Current)降低，因此將PLA及OPT整合測試其光敏性，可顯現出與星體相似的圖案，表明PLA與OPT整合適用於光電應用。此外，由圖二(b)所示，將PLA與Semiconductor 2,7-Diocty lbenzothieno及Benzothiophen混合製備柔性OPT，PLA與Benzothiophene也會發生Charge Trapping Effect使得OPT靈敏度提高，且在彎曲條件下光敏性也不受影響，所以結合其透明性、可降解性和生物相容性，PLA可應用於環境友好的電子產品、植入式醫療設備和人工皮膚。此外，Ando等人於2017年研究指出，PLA的壓電常數會隨著拉伸比的增加而增加，並在拉伸比約為4~5時達到最大值，使PLA可為一良好的壓電傳感器(Piezoelectric Sensors)材料。

圖二、PLA應用於軟性光電材料

2. 絲蛋白

微生物已經廣泛作為生產蛋白質的宿主系統。由於它們易於改質基因及其代謝流，且醱酵生產的費用相對低廉，是生產蛋白質不可或缺之工具。絲蛋白(Silk Fibroin)目前以仿生蛋白質纖維開發為主，國外亦有廠商如：Kraig Biocraft、Bolt Threads及AMSilk等公司，分別以基因轉殖蠶、酵母菌及大腸桿菌作為生產仿生蛋白質纖維之宿主，生產具有高生物相容性、高強度及高韌性於一身的機能型纖維。如今更擴大應用範圍，以絲蛋白應用於薄膜的技術，因其堅固的機械特性、可人為設計的蛋白質結構和優異的光學特性，具有強大的彈性變形/折疊能力，推廣應用於生物醫學領域，例如：可植入之醫療設備、生物傳感器和電子皮膚，藉其特性以符合各種器官之形狀，將電子元件傳輸到各種器官的表面。以下列舉絲蛋白於光電領域之應用。

3. 纖維素

纖維素(Cellulose)是一種天然的生物合成材料，由於其環保、易於編織成薄膜、表面積大、具優異的機械性能和可變的導電性能，已經被廣泛應用於柔性傳感器。而其也易於和奈米管、氧化石墨烯、金屬和半導體聚合物等形成複合材料。Nogi等人於2009年使用拋光方法獲得了一種透明的纖維素基材並對其進行機械特性之測試，結果顯示其具有低熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)、高楊式模型係數(Young's Modulus)、高透明度、高強度及高折疊性等特性(圖四(a))。同時Okahisa等人將該素材成功應用於OLED顯示面板且具有多點觸控性能，能應用於智慧電話、手錶、眼鏡或醫療顯示器等(圖四(b))。除了纖維素在顯示面板應用外，Derikvand等人於2016年開發以纖維素為基底的生物螢光傳感器，嫁接具有能發射螢光基團之化學結構於纖維素製成之薄膜上，用於檢測各種無機、有機和生物待測物，透過螢光基團與分析物之結合顯色，從而無需大型或昂貴的分析儀器，可應用於---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。