Co je organická elektronika?
Jedná se o odvětví elektroniky, které využívá organické materiály
Tradiční elektronika je založena na pevné látcekřemík, který se používá k výrobě polovodičů. Jsou anorganické (tj. Neobsahují uhlík). Naproti tomu organická elektronika používá molekuly na bázi uhlíku - buď malé molekuly, nebo polymery, které jsou dlouhými řetězci molekul. Téměř všechny biologické molekuly jsou organické sloučeniny, ale také látky odvozené od uhlovodíků, jako jsou petrochemické látky, oleje a plasty. Mnoho lidí si může představovat zejména polymery jako nevodivé - například plastové polymery se používají k izolaci měděných drátů. Ale některé organické polymery a molekuly mohou vést elektřinu.
Jak se liší od tradiční elektroniky na bázi křemíku?
Organické sloučeniny některé majívýhody oproti anorganickým sloučeninám. Jsou lehké, pružné a transparentní - všechny se výrazně liší od klasické silikonové technologie. Mohou být také levnější na výrobu.
Proč organická elektronika způsobuje tolik humbuku?
Existuje tolik organických sloučenin aširokou škálu funkčních skupin (shluky atomů s vlastními charakteristickými vlastnostmi). Jejich elektronické vlastnosti se dají velmi snadno ladit přidáním funkčních skupin. Některé funkční skupiny odebírají elektrony a některé elektrony darují, takže jejich kombinací mohou vědci velmi přesně vyladit požadované vlastnosti. U svítivých diod můžete například upravit fluorescenci.
Jak se objevil nový druh elektroniky?
Organická elektronika začala v 50. letechroky, kdy H. Inokuchi a jeho kolegové objevili první vodivou organickou molekulu. Z tohoto objevu bylo zjištěno, že organické molekuly mohou být polovodiče, což je termín běžně používaný pro křemík, germanium a další podobné prvky. Ukazuje se, že organické polovodiče mají oproti tradičním polovodičům několik výhod.
Organické polovodiče
V. Helfrich a V.G. Schneider objevil, že organické molekuly mohou vyzařovat světlo. Poprvé byla taková vlastnost nalezena v molekule antracenu. Jedinou nevýhodou bylo, že tento efekt vyžadoval vysoké napětí, díky čemuž byl objev a další vývoj extrémně neúčinný. Poté v 80. letech tři vědci - Heeger, McDiarmid a Shirakawa - vyrobili vodivé polymery, za které v roce 2000 obdrželi Nobelovu cenu za chemii. O několik let později bylo zjištěno, že perylen-tetrakarboxylová dianhydrid - PTCDA, molekula organického barviva, která se stále používá v automobilových barvách, má polovodičové vlastnosti.
Dalším důležitým milníkem bylo otevřeníorganické světelné diody - OLED - polovodičová zařízení vyrobená z organických sloučenin, které účinně vyzařují světlo, když jimi prochází elektrický proud. Toto zařízení vynalezli v roce 1987 Ching Tang a Stephen Van Slykme ze společnosti Kodak. Zařízení mohlo vydávat světlo pouze s 5 volty a navždy změnilo průmysl displejů.
Kde se taková elektronika používá nyní a jaká je její budoucnost?
Podle profesora Andrease Hirscha, vedoucíhoOddělení organické chemie na univerzitě Friedrich-Alexander v Erlangen-Norimberku v Německu by elektronika vyrobená spíše z uhlíku než z křemíku mohla vést k nové generaci lékařských přístrojů, senzorů a možná i robotů.
„Většina lidí pravděpodobně využijetechnologie obrazovky. Organické světelné diody (OLED) jsou dnes v mobilních telefonech zcela běžné a můžete si k nim pořídit i televizory. Ale ještě předtím se v mnoha aplikacích po léta používají displeje s tekutými krystaly (LCD), které lze považovat za typ organické elektroniky,“ vysvětluje Hirsch v rozhovoru s Richardem Grayem z Horizon.
"Jsem přesvědčen, že asi za 50 let ty."uvidíte mnohem více robotů, kteří vypadají organicky a mohou vykonávat funkce, které kovové roboty nemohou, “říká vědec.
Spektrum aplikací organické elektroniky
Organická elektronika má širokou škálu použití. Čtyři z nich lze označit za nejslibnější: displeje, fotovoltaické a tranzistorové technologie a biomedicínu.
Zobrazuje
OLED (Organic Light Emitting Diodes) —jde o průkopnickou technologii vyvinutou Ching Tangem a Stephenem Van Slykem. OLED se skládají z organického filmu, který využívá vlastnost fosforescence k generování vlastního světla namísto použití podsvícení. Fosforescence je emise způsobená excitací elektronů, která trvá dlouhou dobu. Možná jste si toho všimli u náramkových hodinek a ciferníků, které svítí ve tmě.
Namsan Seoul Tower 1F— OLED tunel
Fosforescence je speciální typ fotoluminiscence. Na rozdíl od fluorescenční látky fosforeskující látka nevyzařuje absorbovanou energii okamžitě. Delší doby remise jsou spojeny se „zakázanými“ energetickými přechody v kvantové mechanice.
Provoz OLED je docela přímočarý. Organický film se skládá ze dvou vrstev: emitující a vodivé. Na hranici mezi dvěma vrstvami jsou díry. Vyzařující vrstva vyzařuje elektrony a rekombinace elektronů a děr vede ke generování fotonů, které tvoří světlo.
V zásadě existují dva typy OLED - pasivní a aktivní matice.
- Pasivní matice OLED (PMOLED) má pruhykatodové a anodové proužky, jsou umístěny kolmo na sebe. Průsečíky a tvoří pixely, ze kterých je vyzařováno světlo. Externí obvody dodávají proud vybraným proužkům anody a katody a určují, které pixely budou zapnuté a které zůstanou vypnuté. Jas závisí na velikosti aplikovaného proudu. Jejich nevýhodou je, že spotřebovávají hodně energie, a proto se používají na malých obrazovkách, jako jsou PDA (Personal Digital Assistant) a MP3 přehrávače.
- Druhým typem OLED je OLED s aktivní maticí(AMOLED). AMOLED mají také plné vrstvy katody, organického materiálu a anody, ale anodová vrstva překrývá matici pole tenkovrstvých tranzistorů (TFT). TFT pole je obvod, který určuje, které pixely jsou zapnuty za účelem vytvoření obrazu.
AMOLED spotřebovávají mnohem méně energie nežPMOLED, protože pole TFT vyžaduje méně energie než externí obvody. Díky tomu jsou vhodné pro velké displeje, jako jsou počítačové monitory, televizory a elektronické billboardy.
Na druhé straně, OLED LED mají mnohovýhody oproti LCD (displeje z tekutých krystalů). Tradiční LCD displeje se skládají z mnoha částí. Tekuté krystaly nemají vlastní podsvícení, proto využívají podsvícení. Navíc Designy displejů mají reflektorové fólie pro zlepšení jasu, difuzní fólie pro rovnoměrné oddělování a distribuci světla, spodní polarizátor a horní polarizátor, barevný filtr pro vytvoření barevného světla a samozřejmě tekuté krystaly, které jsou klíčovými prvky. To dramaticky zvyšuje tloušťku obrazovky.
Kvantové světelné diody (QLED) – jinésměr. Obsahují polarizátory a barevné filtry. Potřebují také podsvícení, protože kvantové tečky nemohou vyzařovat vlastní světlo. V důsledku toho jsou tyto displeje příliš tlusté. OLED LED jsou elegantní, produkují více absolutní černé než QLED a fungují lépe v šeru, protože každý pixel je samostatně osvětlen. Obrazovky OLED mohou být velmi tenké. A přesto většina společností a spotřebitelů volí pro své smartphony displeje OLED.
Fotovoltaické aplikace
Organická fotovoltaická zařízení jsou vvětšinou organické solární články. Jako fotovoltaický materiál se běžně používají polymery. Jednou z hlavních výhod používání organických materiálů k výrobě solárních článků je, že „optický absorpční koeficient“ organických molekul je vysoký, takže velké množství světla může být absorbováno malým množstvím materiálu, obvykle v řádu stovek nanometrů. Jsou také velmi flexibilní a mnohem tenčí než jejich silikonové protějšky. Zatímco současná technologie OPV (Organic Photovoltaic) se může pochlubit účinností přeměny přesahující 10% a dosahující dokonce 12%, někteří vědci předpovídají, že organické solární články dosáhnou účinnosti 15-20%. Mohou být také srolovány a dokonce kompostovány.
A ačkoli žijeme ve stále elektroničtějším světě,přístup do tohoto světa je omezený. Odhaduje se, že 1,3 miliardy lidí nemá přístup k elektřině, přičemž mnoho z nich spoléhá na petrolej, baterie nebo naftové generátory. Kvůli levnějším výrobním nákladům slibuje organická elektronika nejen změnu způsobu, jakým lidé používají technologii, ale také rozšíří své použití na populace bez přístupu k síti.
Hlavní nevýhodou organickýchfotovoltaické články mají nízkou účinnost ve srovnání s anorganickými fotovoltaickými články, jako jsou křemíkové solární články. Probíhá však výzkum k vyřešení tohoto problému a každý den jsou objevovány nové materiály, které by mohly způsobit revoluci v odvětví solární energie.
Flexibilní tištěné organické tranzistory
Tranzistory jsou základní stavební kamenybloky moderních elektronických zařízení, která buď zesilují signály, nebo fungují jako spínače. Tranzistor s efektem organického pole (OFET) je tranzistor s efektem pole, který obsahuje vodivé elektrody, organický polovodič a dielektrikum. Jeho zvláštností je, že používá velmi malou sílu k hlídání velmi vysokého proudu a také funguje jako dobrý vypínač. Tyto tranzistory se vyrábějí v tištěných obvodech za použití flexibilních organických barviv. Zvláštní pozornost je věnována tomu, aby do materiálu nevnikly žádné nečistoty, protože by to mohlo negativně ovlivnit vodivost materiálu.
Tištěný obvod využívající OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, licencovaná pod CC BY 4.0
V posledních letech zájem o OFETenormně vzrostl a z dobrého důvodu. Z hlediska svých vlastností může OFET konkurovat amorfnímu křemíku (a-Si). V důsledku toho je nyní zvýšený zájem o průmyslové využití OFET pro aplikace, které jsou v současné době nekompatibilní s použitím a-Si nebo jiných technologií anorganických tranzistorů. Jednou z jejich hlavních technologických výhod je, že všechny vrstvy OFET lze nanášet a strukturovat při pokojové teplotě, díky čemuž jsou ideální pro realizaci levných velkoplošných elektronických zařízení na flexibilních substrátech. Křemík musí být zahřát na vysoké teploty přesahující 40 °C, aby mohl být odlit do formy. O širokém využití OFETu je však kvůli nedokonalosti technologie příliš brzy.
Biomedicína
Další důležité využití organickéhoelektronika je lék. Například k léčbě slepoty pomocí retinálního čipu, který se implantuje do oka. Zařízení detekuje světelné signály vstupující do oka a převádí je na elektrické signály, které jsou vysílány do mozku. Elektrody potažené organickými barvivy přenášejí elektrické signály do receptorových buněk oka.
Složení musí být biokompatibilní.Výběr správných materiálů a směsí složek je zásadní. Právě teď umožňoval nevidomým pacientům vnímat světlo a tmu, obrysy předmětů, někdy dokonce písmena a mimiku. Cílem vědců je, aby zařízení mělo nejen vysoké rozlišení, ale také dobrý výkon. Toto je skvělý příklad toho, jak technologie a medicína spolupracují na zlepšování životů lidí.
Budoucnost nové elektroniky
Pole organické elektroniky v budoucnu budenadále se vyvíjejí způsoby, které si dnes ani nelze představit. Některé nápady již byly implementovány, jako jsou OLED smartphony, televizory a levné solární panely, které jsou instalovány na střechách ve venkovských oblastech. V budoucnu se skládací smartphony stanou běžnějšími, a například vývoj elektronické kůže, která napodobuje lidskou pokožku v hmatové citlivosti, bude trvat déle. Jiné předpovědi zatím nelze učinit, protože možnosti aplikace jsou rozmanité a pokrývají mnoho oblastí - medicínu a biomedicínský výzkum, energii a životní prostředí, komunikaci a zábavu, domácí a kancelářský nábytek, oblečení a osobní doplňky a mnoho dalšího.
Dokáže to i organická elektronikavýroba, používání a recyklace elektroniky šetrnější k životnímu prostředí. Vědci a inženýři hledají způsoby, jak učinit novou elektroniku energeticky účinnější než dnešní konstrukce na bázi křemíku.
Jaké jsou výhody používání organických látek pro elektronickou výrobu?
- Nové příležitosti
Organické materiály jsou jedinečnévlastnosti, kterých nelze dosáhnout s elektronikou na bázi křemíku. Mezi jejich vlastnosti patří citlivost, biokompatibilita a flexibilita. Snímání je použití elektronických zařízení k detekci chemických nebo biologických látek v prostředí nebo na lidském těle.
Vědci si představují biosenzory, které nenejen detekovat hladinu glukózy u lidí s cukrovkou, ale také skutečně distribuovat vhodnou dávku inzulínu ve správný čas. Organické elektronické materiály jsou nejen více chemicky kompatibilní s biologickými systémy než zařízení na bázi křemíku; dodávají látce pružnost, roztažnost a mechanickou „měkkost“.
Společně tyto vlastnosti vytvářejí potenciál pro inovativní bioelektronické senzory, které mohou odpovídat zakřivení a pohyblivým částem lidského těla.
- Energetická účinnost
Jak vědci a inženýři pokračujízlepšit syntézu a charakterizaci organických materiálů pro použití v elektronice, doufají, že použití takových materiálů povede k energeticky účinnějším elektronickým displejům, osvětlení a dalším zařízením.
Například je nutné vyrobit biosolární články jsou účinnější, takže je lze použít v místech, jako je severní Evropa a velká část Ruska, kde jsou noci velmi dlouhé a jsou zde jen krátké doby slunečního světla, zejména v zimě.
Inženýři se snaží vytvořit zařízení zorganické materiály, které vydrží déle, jsou recyklovatelné nebo dokonce i biologicky odbouratelné. Metody výroby organické elektroniky se také stanou energeticky účinnějšími, což povede k menším počtem kroků a méně metod zpětného získávání odpadního tepla.
- Méně odpadu, více bezpečnosti
Používání organických materiálů proVytvoření elektronických zařízení nabízí naději, že budoucí metody výroby elektroniky budou záviset na menším množství surovin, a bude také bezpečnější.
Materiály lze ušetřit tím, že se budete méně spoléhatplýtvání procesy, jako je tisk. Materiály jsou přidávány do struktur nebo zařízení vrstva po vrstvě, jak jsou vytvářeny, na rozdíl od centrifugace, která zahrnuje odstraňování materiálů a likvidaci přebytku.
Kromě toho, že používáte méněmateriály, chemici hledají způsoby, jak používat bezpečnější materiály. Například mnoho polymerů vyžaduje karcinogenní rozpouštědla. Některá rozpouštědla nejsou kvůli své toxicitě povolena ani v tiskařském průmyslu v EU.
- Stabilní elektronika
Vytváření ekologičtějších elektronických produktůNejde jen o vytváření více „zelených“ solárních panelů nebo jiných zařízení, ale také o používání více „zelených“ výrobních metod. Udržitelnost životního prostředí musí být uplatňována v každé fázi výrobního cyklu, od získávání surovin až po likvidaci odpadu. Organické materiály mohou pohánět elektroniku do budoucnosti udržitelnějším způsobem, než je to v dnešním elektronickém světě možné.
Konečně znamená „zelená elektronika“že samotná elektronika je odolná. Všestrannost organické elektroniky ve spojení s příslibem oboru pro ekologickou a sociální udržitelnost ukazuje cestu k technologické sadě s velmi dlouhou životností.
Situace na trhu
Podle Allied Market Research do roku 2027Trh s organickou elektronikou dosáhne 159,1 miliardy dolarů při CAGR 21,0 %. Rostoucí poptávka v důsledku přijetí technologií podporujících udržitelný rozvoj a potřeba organické elektroniky pro vývoj nejnovějších technologií podnítila růst globálního trhu s organickou elektronikou. Na základě materiálů měl v roce 2019 největší podíl segment polovodičů. Na základě regionu držel v roce 2019 lví podíl asijsko-pacifický trh.
Tento týden navíc vyšlovelká zpráva „Objem trhu s organickou elektronikou, podíl, růst a zpráva do 2020-2028 “. Podle ní bude v prognózovaném období globální trh s organickou elektronikou pouze růst. Tato výzkumná zpráva zkoumá tržní prostředí a jeho vyhlídky na rozvoj v blízké budoucnosti. Po prozkoumání klíčových společností se zpráva zaměřuje na nové účastníky, kteří řídí růst trhu. Většina společností na globálním trhu s organickou elektronikou v současné době přijímá nové technologické trendy na trhu.
Nakonec výzkumníci vrhají světlo na různé způsoby, jak identifikovat silné a slabé stránky, příležitosti a hrozby ovlivňující růst globálního trhu s organickou elektronikou.
Někteří z klíčových hráčů, kteří na tom pracujípatří společnosti jako 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.
Jaký je konečný výsledek?
Během posledních několika desetiletí regionorganická elektronika jasně udělala obrovský pokrok: mnoho zařízení je již na trhu a mnoho prototypů se připravuje. Toto pole bude i nadále růst a mění způsob, jakým společnost interaguje s technologiemi, protože chemici, fyzici a další vědci a inženýři řeší výzkumné výzvy. Interdisciplinární výzkumné a školicí programy, které sdružují vědce a inženýry z různých oblastí znalostí i z různých sektorů činnosti (např. Akademická obec, průmysl, vláda), přispějí k úsilí o spolupráci nezbytnému k vyřešení těchto problémů
Přečtěte si také
Vědci poprvé vyvinuli čistou energii z grafenu
Ve 3. dni nemoci většina pacientů COVID-19 ztratí čich a často trpí rýmou.
Ledovec Doomsday se ukázal být nebezpečnějším, než si vědci mysleli. Říkáme hlavní věc