Какво е органична електроника?
Това е клон на електрониката, който използва органични материали
Традиционната електроника се основава на солиднасилиций, който се използва за създаване на полупроводници. Те са неорганични (т.е. не съдържат въглерод). За разлика от тях, органичната електроника използва молекули на основата на въглерод - или малки молекули, или полимери, които са дълги вериги от молекули. Почти всички биологични молекули са органични съединения, но също така и вещества, получени от въглеводороди като нефтохимикали, масла и пластмаси. Много хора могат да мислят за полимерите по-специално като непроводими - например пластмасовите полимери се използват за изолиране на медни проводници. Но някои органични полимери и молекули могат да провеждат електричество.
По какво се различават от традиционната силициева електроника?
Органичните съединения имат някоипредимства пред неорганичните съединения. Те са леки, гъвкави и прозрачни - всички те се различават значително от класическата силициева технология. Те също могат да бъдат по-евтини за производство.
Защо органичната електроника предизвиква толкова голям шум?
Има толкова много органични съединения и голямо разнообразие от функционални групи (клъстери от атоми със свои собствени отличителни свойства).Техните електронни свойства стават много лесни за персонализиране чрез добавяне на функционални групи.Някои функционални групи отклоняват електрони, а някои даряват електрони, така че чрез комбинирането им учените могат даНапример, можете да регулирате флуоресценцията за светодиоди .
Как се появи нов вид електроника?
Органичната електроника започва през 50-те годинигодини, когато Х. Инокучи и колегите му откриват първата проводяща органична молекула. От това откритие беше установено, че органичните молекули могат да бъдат полупроводници, термин, често използван за силиций, германий и други подобни елементи. Оказва се, че органичните полупроводници имат няколко предимства пред традиционните полупроводници.
Органични полупроводници
W. Helfrich и V.G.Шнайдер откри, че органичните молекули могат да излъчват светлина. За първи път такова свойство е открито в молекулата на антрацена. Единственият недостатък е, че този ефект изисква високо напрежение, което прави откритието и възможното по-нататъшно развитие изключително неефективни. След това, през 80-те години, трима учени - Хегер, Макдиармид и Ширакава - произвеждат проводими полимери, за което през 2000 г. получават Нобелова награда за химия. Няколко години по-късно е открито, че перилен тетракарбоксилният дианхидрид - PTCDA, органична молекула на багрилото, все още използвана в автомобилните бои, има полупроводникови свойства.
Следващият важен момент е откриването на органични светодиоди (OLED), полупроводникови устройства, изработени от органични съединения, които ефективно излъчват светлинаТова устройство е изобретено през 1987 г. от Чинг Танг и Стивън Ван Слайк от Kodak.Устройството може да излъчва светлина с напрежение от само 5 волта, завинаги променяйки индустрията на дисплеите.
Къде се използва такава електроника сега и какво е нейното бъдеще?
По словам профессора Андреаса Хирша, заведующего Катедра по органична химия в университета "Фридрих-Александър" в Ерланген-Нюрнберг, Германия, електрониката, направена от въглерод, а не от силиций, може да доведе до ново поколение медицински устройства, сензори и може би дори роботи.
„Повечето хора вероятно ще използватекранни технологии. Органичните светодиоди (OLED) вече са доста разпространени в мобилните телефони, а с тях можете да закупите и телевизори. Но дори и преди това дисплеите с течни кристали (LCD), които могат да се считат за вид органична електроника, са били използвани в много приложения от години“, обяснява Хирш в интервю с Ричард Грей от Horizon.
„Убеден съм, че след около 50 години виеще видите много повече роботи, които изглеждат органични, които могат да изпълняват функции, които роботите на метална основа не могат “, казва ученият.
Спектър на приложения на органичната електроника
Органичната електроника има широко приложение. Четири от тях могат да бъдат наречени най-обещаващи: дисплеи, фотоволтаични и транзисторни технологии и биомедицина.
Дисплеи
OLED (органични диоди, излъчващи светлина) —това е пионерска технология, разработена от Ching Tang и Stephen Van Slyke. OLED се състоят от органичен филм, който използва свойството на фосфоресценция, за да генерира собствена светлина, вместо да използва подсветка. Фосфоресценцията е излъчване, дължащо се на възбуждане на електрони, което продължава за дълъг период от време. Може би сте забелязали това в ръчните часовници и циферблатите, които светят в тъмното.
Namsan Seoul Tower 1F - OLED тунел
Фосфоресценцията е специален вид фотолуминесценция.За разлика от флуоресцентното вещество, фосфоресциращото вещество не излъчва веднага абсорбираната енергия. По-дългите периоди на повторно излъчване са свързани със „забранени“ енергийни преходи в квантовата механика.
Работата с OLED е доста ясна.Органичният филм се състои от два слоя: излъчващ и проводящ. На границата между двата слоя има дупки. Излъчващият слой излъчва електрони, а рекомбинацията на електрони и дупки води до генериране на фотони, които съставят светлина.
По същество има два вида OLED - пасивна и активна матрица.
- Пасивната матрица OLED (PMOLED) има ивицикатодни и анодни ленти, те са разположени перпендикулярно една на друга. Пресичанията и образуват пикселите, от които се излъчва светлина. Външните вериги подават ток към избрани ленти на анода и катода, определяйки кои пиксели ще бъдат включени и кои ще останат изключени. Яркостта зависи от величината на приложения ток. Недостатъкът им е, че консумират много енергия и поради това се използват в малки екрани като PDA (Personal Digital Assistant) и MP3 плейъри.
- Вторият тип OLED е OLED с активна матрица(АМОЛЕД). AMOLED също имат пълни слоеве катод, органичен материал и анод, но анодният слой припокрива матрицата на масив от тънък филм транзистор (TFT). TFT масив е схема, която определя кои пиксели са включени, за да образуват изображение.
AMOLED консумират много по-малко енергия отPMOLED, защото TFT масивът изисква по-малко енергия от външните вериги. В резултат на това те са подходящи за големи дисплеи като компютърни монитори, телевизори и електронни билбордове.
От своя страна OLED светодиодите имат многопредимства пред LCD (дисплеи с течни кристали). Традиционните LCD дисплеи се състоят от много части. Течните кристали нямат собствена подсветка, затова използват подсветка. Освен това Дизайнът на дисплея има рефлекторни листове за подобряване на яркостта, дифузьорни листове за разделяне и равномерно разпределяне на светлината, долен поляризатор и горен поляризатор, цветен филтър за създаване на цветна светлина и разбира се течни кристали, които са ключовите елементи. Това драстично увеличава дебелината на екрана.
Квантови диоди, излъчващи светлина (QLED) - другипосока. Те съдържат поляризатори и цветни филтри. Те също се нуждаят от подсветка, защото квантовите точки не могат да излъчват собствена светлина. В резултат на това тези дисплеи стават твърде дебели. OLED светодиодите са елегантни, произвеждат повече абсолютно черно от QLED и се представят по-добре при слаба светлина, тъй като всеки пиксел е индивидуално осветен. OLED екраните могат да бъдат много тънки. И въпреки това повечето компании и потребители избират OLED дисплеи за своите смартфони.
Фотоволтаични приложения
Включени са органични фотоволтаични устройствапредимно органични слънчеви клетки. Като фотоволтаичен материал обикновено се използват полимери. Едно от основните предимства на използването на органични материали за направата на слънчеви клетки е, че "коефициентът на оптично поглъщане" на органичните молекули е висок, така че голямо количество светлина може да бъде погълнато от малко количество материал, обикновено от порядъка на стотици нанометри. Те също са много гъвкави и много по-тънки от техните силициеви колеги. Докато сегашната OPV (Organic Photovoltaic) технология може да се похвали с ефективност на преобразуване над 10%, достигайки дори 12%, някои изследователи прогнозират, че органичните слънчеви клетки ще постигнат 15-20% ефективност. Те също могат да се навиват и дори да се компостират.
И въпреки че живеем във все по-електронен свят,достъпът до този свят е ограничен. Около 1,3 милиарда души нямат достъп до електричество, като много хора разчитат на керосин, батерии или дизелови генератори. Поради по-ниските производствени разходи, органичната електроника обещава не само да промени начина, по който хората използват технологията, но и да разшири тяхното използване до популации без достъп до мрежата.
Основният недостатък на органичнитефотоволтаичните клетки са с ниска ефективност в сравнение с неорганичните фотоволтаични клетки като силициеви слънчеви клетки. Но се правят изследвания за решаване на този проблем и всеки ден се откриват нови материали, които могат да революционизират индустрията на слънчевата енергия.
Гъвкави отпечатани органични транзистори
Транзисторите са основни градивни елементиблокове от съвременни електронни устройства, които или усилват сигналите, или действат като превключватели. Транзисторът с органично полево действие (OFET) е транзистор с полеви ефект, който съдържа проводими електроди, органичен полупроводник и диелектрик. Неговата особеност е, че използва много малко мощност за патрулиране на много голям ток и също така действа като добър превключвател. Тези транзистори се произвеждат в печатни платки с помощта на гъвкави органични багрила. Полагат се специални грижи, за да не попаднат замърсители в материала, тъй като това може да повлияе неблагоприятно на проводимостта на материала.
Печатна схема, използваща OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, лицензиран под CC BY 4.0
През последните няколко години интересът към OFETе нараснал неимоверно и има защо. По отношение на своите характеристики OFET може да се конкурира с аморфния силиций (a-Si). В резултат на това сега има повишен интерес към индустриалната употреба на OFETs за приложения, които в момента са несъвместими с използването на a-Si или други неорганични транзисторни технологии. Едно от основните им технологични предимства е, че всички OFET слоеве могат да бъдат отложени и структурирани при стайна температура, което ги прави идеални за реализиране на евтини електронни устройства с голяма площ върху гъвкави субстрати. Силиконът трябва да се нагрее до високи температури над 40°C, за да бъде излят във форма. Въпреки това е твърде рано да се говори за широкото разпространение на OFET поради несъвършенството на технологията.
Биомедицина
Друга важна употреба на органичниелектрониката е медицина. Например за лечение на слепота с помощта на ретинален чип, който се имплантира в окото. Устройството засича светлинни сигнали, влизащи в окото, и ги преобразува в електрически сигнали, които се изпращат до мозъка. Електродите, покрити с органични багрила, предават електрически сигнали към рецепторните клетки на окото.
Съставът трябва да е биосъвместим.Изборът на подходящите материали и комбинация от компоненти е от решаващо значение. В момента той позволи на слепите пациенти да възприемат светлина и тъмнина, очертания на предмети, понякога дори букви и изражения на лицето. Целта на учените е, че устройството има не само висока разделителна способност, но и добра производителност. Това е чудесен пример за това как технологиите и медицината работят заедно, за да подобрят живота на хората.
Бъдещето на новата електроника
Областта на органичната електроника в бъдеще ще бъдепродължават да се развиват по начини, които днес дори не могат да бъдат представени. Някои идеи вече са реализирани, като OLED смартфони, телевизори и евтини слънчеви панели, които са инсталирани на покривите в селските райони. В бъдеще сгъваемите смартфони ще стават все по-често срещани и, например, електронната кожа, която имитира човешката кожа в тактилната си чувствителност, ще отнеме повече време, за да се развие. Все още не могат да се правят други прогнози, тъй като възможностите за приложение са разнообразни и обхващат много области - медицина и биомедицински изследвания, енергетика и околна среда, комуникации и развлечения, мебели за дома и офиса, облекло и лични аксесоари и много други са засегнати.
Органичната електроника също можепроизводство, използване и рециклиране на електроника, по-щадящи околната среда. Учените и инженерите търсят начини да направят новата електроника по-енергийно ефективна от днешните дизайни, базирани на силиций.
Какви са ползите от използването на органични продукти за електронно производство?
- Нови възможности
Органичните материали са уникалнисвойства, които не могат да бъдат постигнати с базирана на силиций електроника. Техните свойства включват чувствителност, биосъвместимост и гъвкавост. Сензорът е използването на електронни устройства за откриване на химически или биологични вещества в околната среда или върху човешкото тяло.
Учените предвиждат биосензори, които не го правятне само открива нивата на глюкозата при хора с диабет, но и действително разпределя подходящата доза инсулин в точното време. Органичните електронни материали са не само химически по-съвместими с биологичните системи, отколкото базираните на силиций устройства; те придават на веществото гъвкавост, разтегливост и механична „мекота“.
Заедно тези свойства създават потенциал за иновативни биоелектронни сензори, които могат да съответстват на кривината и движещите се части на човешкото тяло.
- Енергийна ефективност
Както продължават учените и инженеритеподобряват синтеза и характеризирането на органични материали за използване в електрониката, те се надяват, че използването на такива материали ще доведе до по-енергийно ефективни електронни дисплеи, осветление и други устройства.
Например, необходимо е да се направи органичнослънчевите клетки са по-ефективни, така че да могат да се използват на места като Северна Европа и голяма част от Русия, където нощите са много дълги и има само кратки периоди на слънчева светлина, особено през зимата.
Инженерите се опитват да създават устройства оторганичните материали, които продължават по-дълго, са рециклируеми или може би дори биоразградими. Методите за производство на органична електроника също ще станат по-енергийно ефективни, което ще доведе до по-малко стъпки и по-малко методи за оползотворяване на отпадъчната топлина.
- По-малко отпадъци, повече безопасност
Използване на органични материали засъздаването на електронни устройства дава надежда, че бъдещите методи за производство на електроника ще разчитат на по-малко суровини и освен това ще бъдат по-безопасни.
Материалите могат да бъдат спестени, като се разчита на по-малкоразточителни процеси като печат. Материалите се добавят към структури или устройства слой по слой, докато се създават, за разлика от центрофугирането, което включва премахване на материали и изхвърляне на излишъка.
Освен да използвате по-малкоматериали, химиците търсят начини за използване на по-безопасни материали. Например, много полимери изискват канцерогенни разтворители. Някои разтворители дори не са разрешени в печатарската индустрия в ЕС поради тяхната токсичност.
- Стабилна електроника
Създаване на по-екологични електронни продуктиСтава въпрос не само за създаване на повече „зелени“ слънчеви панели или други устройства, но и за използване на повече „зелени“ производствени методи. Устойчивостта на околната среда трябва да се прилага на всеки етап от производствения цикъл, от придобиването на суровини до изхвърлянето на отпадъци. Органичните материали могат да задвижат електрониката в бъдещето по по-устойчив начин, отколкото е възможно в днешния електронен свят.
И накрая, „зелена електроника“ означаваче самата електроника е издръжлива. Универсалността на органичната електроника, съчетана с обещанието на областта за екологична и социална устойчивост, посочва пътя към много дълготраен технологичен пакет.
Пазарна ситуация
Според Allied Market Research до 2027гПазарът на органична електроника ще достигне 159,1 милиарда долара при CAGR от 21,0%. Нарастващото търсене поради приемането на технологии, подкрепящи устойчивото развитие и необходимостта от органична електроника за разработване на най-новите технологии, подхрани растежа на глобалния пазар на органична електроника. Въз основа на материалите сегментът на полупроводниците представлява най-големият дял през 2019 г. Въз основа на региона, пазарът на Азиатско-тихоокеанския регион държеше лъвския дял през 2019 г.
Освен това тази седмица беше пуснатголям доклад „Обем на пазара на органична електроника, дял, растеж и отчет до 2020-2028 “. Според него в прогнозния период глобалният пазар на органична електроника само ще расте. Този изследователски доклад разглежда пазарния пейзаж и перспективите за неговото развитие в близко бъдеще. След преглед на ключовите компании, докладът се фокусира върху новите участници, движещи растежа на пазара. Повечето компании на световния пазар на органична електроника в момента възприемат новите технологични тенденции на пазара.
И накрая, изследователите хвърлят светлина върху различни начини за идентифициране на силните, слабите страни, възможностите и заплахите, засягащи растежа на глобалния пазар на органична електроника.
Някои от ключовите играчи, работещи по товапазар, включват компании като Fujifilm Dimatix, AU Optronics, BASF, Bayer MaterialScience, H.C. STARCK, DuPont, Koninklijke Philips, LG Display, Sumitomo, Merck, AGC Seimi Chemical, Novaled, Samsung Display, Sony, Universal Display, Heliatek, Evonik.
Какъв е долният ред?
През последните няколко десетилетия регионъторганичната електроника очевидно е постигнала огромен напредък: много устройства вече са на пазара и много прототипи са в процес на разработване. Тази област ще продължи да се развива, променяйки начина, по който обществото взаимодейства с технологиите, докато химици, физици и други учени и инженери се справят с предизвикателствата на научните изследвания. Интердисциплинарните програми за изследвания и обучение, които обединяват учени и инженери от различни области на знанието, както и от различни сектори на дейност (например академични среди, индустрия, правителство), ще допринесат за съвместните усилия, необходими за справяне с тези предизвикателства
Прочетете също
За първи път изследователите са разработили чиста енергия от графен
На 3-ти ден от заболяването повечето пациенти с COVID-19 губят обонянието си и често страдат от хрема
Ледникът на Страшния съд се оказа по-опасен, отколкото учените смятаха. Казваме основното