Hvad er organisk elektronik?
Dette er en gren af elektronik, der bruger organiske materialer
Traditionel elektronik er baseret på solidtsilicium, som bruges til at skabe halvledere. De er uorganiske (dvs. de indeholder ikke kulstof). I modsætning hertil bruger organisk elektronik kulstofbaserede molekyler - enten små molekyler eller polymerer, som er lange molekylkæder. Næsten alle biologiske molekyler er organiske forbindelser, men også stoffer afledt af kulbrinter som petrokemikalier, olier og plast. Mange mennesker kan især tænke på polymerer som ikke-ledende - for eksempel bruges plastpolymerer til at isolere kobbertråde. Men nogle organiske polymerer og molekyler kan lede elektricitet.
Hvordan adskiller de sig fra traditionel siliciumbaseret elektronik?
Organiske forbindelser har noglefordele i forhold til uorganiske forbindelser. De er lette, fleksible og gennemsigtige - som alle adskiller sig markant fra klassisk siliciumteknologi. De kan også være billigere at fremstille.
Hvorfor forårsager organisk elektronik så meget spænding?
Der er så mange organiske forbindelser ogen lang række funktionelle grupper (klynger af atomer med deres egne karakteristiske egenskaber). Deres elektroniske egenskaber bliver meget nemme at tune ved at tilføje funktionelle grupper. Nogle funktionelle grupper trækker elektroner tilbage og nogle donerer elektroner, så ved at kombinere dem kan forskerne meget præcist indstille de ønskede egenskaber. For eksempel kan du justere fluorescensen for lysemitterende dioder.
Hvordan opstod en ny type elektronik?
Organisk elektronik begyndte i 1950'erneår, da H. Inokuchi og hans kolleger opdagede det første ledende organiske molekyle. Fra denne opdagelse blev det bestemt, at organiske molekyler kunne være halvledere, et udtryk, der almindeligvis blev brugt om silicium, germanium og andre lignende elementer. Det viser sig, at organiske halvledere har en række fordele i forhold til traditionelle halvledere.
Organiske halvledere
V. Helfrikh og V.G.Schneider opdagede, at organiske molekyler kan udsende lys. Denne egenskab blev først opdaget i antracenmolekylet. Den eneste ulempe var, at denne effekt krævede en høj spænding, hvilket gjorde opdagelsen og mulig videreudvikling ekstremt ineffektiv. I 1980'erne lavede tre forskere - Heeger, McDiarmid og Shirakawa - ledende polymerer, som de modtog Nobelprisen for kemi i 2000. Flere år senere blev det opdaget, at perylentetracarboxyldianhydrid - PTCDA, et organisk farvestofmolekyle, der stadig anvendes i bilmaling, har halvledende egenskaber.
Den næste vigtige milepæl var åbningenorganiske lysemitterende dioder - OLED - halvlederenheder lavet af organiske forbindelser, der effektivt udsender lys, når elektrisk strøm passerer gennem dem. Denne enhed blev opfundet i 1987 af Ching Tang og Stephen Van Slykme fra Kodak. Enheden kunne udsende lys med kun 5 volt og ændrede skærmindustrien for altid.
Hvor anvendes sådan elektronik nu, og hvad er dens fremtid?
Ifølge professor Andreas Hirsch, chef forInstitut for organisk kemi ved Friedrich-Alexander Universitet i Erlangen-Nürnberg i Tyskland kunne elektronik fremstillet af kulstof i stedet for silicium føre til en ny generation af medicinsk udstyr, sensorer og måske endda robotter.
”De fleste vil nok brugeskærmteknologier. Organiske lysdioder (OLED'er) er efterhånden ret almindelige i mobiltelefoner, og du kan også købe tv med dem. Men selv før det har flydende krystalskærme (LCD'er), som kan opfattes som en type organisk elektronik, været brugt i mange applikationer i årevis,” forklarer Hirsch i et interview med Richard Gray fra Horizon.
”Jeg er overbevist om, at du om 50 årdu vil se mange flere robotter, der ser organiske ud, der kan udføre funktioner, som metalbaserede robotter ikke kan, ”siger videnskabsmanden.
Spektrum af anvendelser af organisk elektronik
Organisk elektronik har en lang række anvendelser. Fire af dem kan kaldes de mest lovende: displays, solceller og transistorteknologier og biomedicin.
Skærm
OLED (Organic Light Emitting Diodes) & # 8212;det er en banebrydende teknologi udviklet af Ching Tang og Stephen Van Slyke. OLED'er består af en organisk film, der bruger phosphorescens til at generere sit eget lys i stedet for at bruge en baggrundsbelysning. Fosforescens er emission på grund af excitation af elektroner, der varer i lang tid. Du har måske bemærket dette i armbåndsure og urskiver, der lyser i mørke.
Namsan Seoul Tower 1F— OLED Tunnel
Phosphorescens er en speciel type fotoluminescens.I modsætning til et fluorescerende stof udsender et fosforescerende stof ikke straks absorberet energi. Længere genoptagelsestider er forbundet med "forbudte" energiovergange i kvantemekanik.
OLED-drift er ret ligetil.En organisk film består af to lag: emitterende og ledende. Der er huller på grænsen mellem de to lag. Det emitterende lag udsender elektroner, og rekombinationen af elektroner og huller resulterer i dannelsen af fotoner, der udgør lys.
Der er grundlæggende to typer OLED'er - passiv og aktiv matrix.
- Passiv matrix OLED (PMOLED) har striberkatode- og anodestrimler, de er vinkelrette på hinanden. Krydsene og danner de pixels, hvorfra der udsendes lys. Eksterne kredsløb anvender strøm på udvalgte strimler af anoden og katoden og bestemmer, hvilke pixels der skal være tændt, og hvilke der forbliver slukkede. Lysstyrken afhænger af størrelsen af den anvendte strøm. Deres ulempe er, at de bruger meget strøm og derfor bruges i små skærme som PDA'er (Personal Digital Assistant) og MP3-afspillere.
- Den anden type OLED er en aktiv matrix OLED(AMOLED). AMOLED'er har også fulde lag af katode, organisk materiale og anode, men anodelaget overlapper en tyndfilmtransistor (TFT) matrix. Et TFT-array er et kredsløb, der bestemmer, hvilke pixels der er tændt for at danne et billede.
AMOLED'er bruger meget mindre strøm endPMOLED, fordi TFT-arrayet kræver mindre strøm end eksterne kredsløb. Som et resultat er de velegnede til store skærme som computerskærme, fjernsyn og elektroniske billboards.
Til gengæld har OLED LED'er mangefordele i forhold til LCD'er (liquid crystal displays). Traditionelle LCD-skærme består af mange dele. Flydende krystaller har ikke deres eget baggrundsbelysning, så de bruger et baggrundslys. Derudover Skærmdesignerne har reflektorark til at forbedre lysstyrken, diffuserark til at adskille og fordele lys jævnt, en bundpolarisator og en toppolarisator, et farvefilter til at skabe farvet lys og selvfølgelig flydende krystaller, som er nøgleelementerne. Dette øger tykkelsen af skærmen dramatisk.
Quantum Light Emitting Diodes (QLED) - Andetretning. De indeholder polarisatorer og farvefiltre. De har også brug for baggrundsbelysning, fordi kvanteprikker ikke kan udsende deres eget lys. Som et resultat bliver disse skærme for tykke. OLED-LED'er er slanke, producerer mere absolut sort end QLED'er og fungerer bedre i svagt lys, fordi hver pixel er individuelt belyst. OLED-skærme kan være meget tynde. Og alligevel vælger de fleste virksomheder og forbrugere OLED-skærme til deres smartphones.
Fotovoltaiske applikationer
Organiske solcelleanordninger er imest organiske solceller. Polymerer anvendes almindeligvis som fotovoltaisk materiale. En af de største fordele ved at bruge organiske materialer til at fremstille solceller er, at den "optiske absorptionskoefficient" for organiske molekyler er høj, så en stor mængde lys kan absorberes af en lille mængde materiale, normalt i størrelsesordenen hundreder af nanometer. De er også meget fleksible og meget tyndere end deres silicium-kolleger. Mens den nuværende OPV (Organic Photovoltaic) teknologi kan prale af konverteringseffektivitet på over 10% og nå op på 12%, forudsiger nogle forskere, at organiske solceller vil opnå 15-20% effektivitet. De kan også rulles sammen og endda komposteres.
Og selvom vi lever i en stadig mere elektronisk verden,adgang til denne verden er begrænset. Anslået 1,3 milliarder mennesker mangler adgang til elektricitet, hvor mange mennesker stoler på petroleum, batterier eller dieselgeneratorer. På grund af billigere produktionsomkostninger lover organisk elektronik ikke kun at ændre den måde, hvorpå folk bruger teknologi, men også at udvide deres brug til befolkninger uden adgang til nettet.
Den største ulempe ved organisksolceller har lav effektivitet sammenlignet med uorganiske solceller, såsom silicium solceller. Men der forskes på for at løse dette problem, og der opdages nye materialer hver dag, der kan revolutionere solenergiindustrien.
Fleksible trykte organiske transistorer
Transistorer er grundlæggende byggestenblokke af moderne elektroniske enheder, der enten forstærker signaler eller fungerer som afbrydere. En organisk felt-effekt transistor (OFET) er en felt-effekt transistor, der indeholder ledende elektroder, en organisk halvleder og et dielektrikum. Dens ejendommelighed er, at den bruger meget lidt strøm til at patruljere en meget høj strøm og også fungerer som en god switch. Disse transistorer er fremstillet af trykte kredsløb ved hjælp af fleksible organiske farvestoffer. Der skal udvises særlig omhu for at sikre, at der ikke kommer forurenende stoffer ind i materialet, da dette kan påvirke materialets ledningsevne negativt.
Trykt kredsløb ved hjælp af OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, licenseret under CC BY 4.0
Gennem de seneste år har interessen for OFETer vokset enormt og med god grund. Med hensyn til dets egenskaber kan OFET konkurrere med amorft silicium(a-Si). Som følge heraf er der nu øget interesse for industriel brug af OFET'er til applikationer, der i øjeblikket er uforenelige med brugen af a-Si eller andre uorganiske transistorteknologier. En af deres vigtigste teknologiske fordele er, at alle OFET-lag kan deponeres og struktureres ved stuetemperatur, hvilket gør dem ideelle til at realisere billige elektroniske enheder med stort område på fleksible underlag. Silicium skal opvarmes til høje temperaturer over 40°C for at blive støbt i en form. Det er dog for tidligt at tale om den udbredte brug af OFET på grund af teknologiens ufuldkommenhed.
Biomedicin
En anden vigtig anvendelse af økologiskelektronik er medicin. For eksempel til behandling af blindhed ved hjælp af en nethindechip, der er implanteret i øjet. Enheden registrerer lyssignaler, der kommer ind i øjet og omdanner dem til elektriske signaler, der sendes til hjernen. Elektroder belagt med organiske farvestoffer sender elektriske signaler til øjets receptorceller.
Sammensætningen skal være biokompatibel.Valget af de rigtige materialer og blandinger af komponenter er kritisk. Lige nu har det gjort det muligt for blinde patienter at opfatte lys og mørke, konturer af objekter, undertiden endda bogstaver og ansigtsudtryk. Målet for forskerne er, at enheden ikke kun skal have høj opløsning, men også god ydeevne. Dette er et godt eksempel på, hvordan teknologi og medicin arbejder sammen for at forbedre folks liv.
Fremtiden for ny elektronik
Feltet med organisk elektronik i fremtiden vil værefortsætte med at udvikle sig på måder, som i dag ikke engang kan forestilles. Nogle ideer er allerede implementeret, såsom OLED-smartphones, tv'er og billige solpaneler, der er installeret på hustage i landdistrikterne. I fremtiden vil foldbare smartphones blive mere almindelige, og for eksempel vil elektronisk hud, der efterligner menneskelig hud i sin taktile følsomhed, tage mere tid at udvikle sig. Andre forudsigelser er endnu ikke mulige, da applikationerne er varierede og dækker mange områder - medicin og biomedicinsk forskning, energi og miljø, kommunikation og underholdning, møbler til hjemmet og kontoret, tøj og personligt tilbehør og meget mere.
Økologisk elektronik kan også gøreat producere, bruge og genbruge elektronik mere miljøvenligt. Forskere og ingeniører leder efter måder at gøre ny elektronik mere energieffektiv end nutidens siliciumbaserede designs.
Hvad er fordelene ved at bruge organiske stoffer til elektronisk produktion?
- Nye muligheder
Økologiske materialer har unikkeegenskaber, der ikke kan opnås med siliciumbaseret elektronik. Deres egenskaber omfatter følsomhed, biokompatibilitet og fleksibilitet. Sensing er brugen af elektroniske enheder til at detektere kemiske eller biologiske stoffer i miljøet eller på den menneskelige krop.
Forskere forestiller sig biosensorer, der ikke gør detikke kun registrere glukoseniveauer hos mennesker med diabetes, men også faktisk distribuere den passende dosis insulin på det rigtige tidspunkt. Organiske elektroniske materialer er ikke kun mere kemisk kompatible med biologiske systemer end siliciumbaserede enheder; de giver stoffet fleksibilitet, strækbarhed og mekanisk "blødhed".
Tilsammen skaber disse egenskaber potentialet for innovative bioelektroniske sensorer, der kan matche krumning og bevægelige dele af den menneskelige krop.
- Energieffektivitet
Som videnskabsmænd og ingeniører fortsætterforbedre syntesen og karakteriseringen af organiske materialer til brug i elektronik, håber de, at brugen af sådanne materialer vil føre til mere energieffektive elektroniske displays, belysning og andre enheder.
Det er for eksempel nødvendigt at lave økologisksolceller er mere effektive, så de kan bruges steder som Nordeuropa og store dele af Rusland, hvor nætterne er meget lange, og der kun er korte perioder med sollys, især om vinteren.
Ingeniører prøver at oprette enheder fraorganiske materialer, der holder længere, er genanvendelige eller måske endda biologisk nedbrydelige. Fremstillingsmetoder til organisk elektronik bliver også mere energieffektive, hvilket fører til færre trin og mindre metoder til genvinding af spildvarme.
- Mindre spild, mere sikkerhed
Anvendelse af organiske materialer tiloprettelsen af elektroniske enheder giver håb om, at fremtidige metoder til fremstilling af elektronik vil stole på færre råmaterialer, og det vil også være mere sikkert.
Materialer kan spares ved at stole på mindrespildprocesser såsom trykning. Materialer føjes til strukturer eller enheder lag for lag, efterhånden som de skabes, i modsætning til centrifugering, som involverer fjernelse af materialer og bortskaffelse af overskydende.
Udover at bruge mindrematerialer, kemikere leder efter måder at bruge sikrere materialer på. For eksempel kræver mange polymerer kræftfremkaldende opløsningsmidler. Nogle opløsningsmidler er ikke engang tilladt i trykningsindustrien i EU på grund af deres toksicitet.
- Stabil elektronik
Oprettelse af grønnere elektroniske produkter- det handler ikke kun om at skabe flere "grønne" solceller eller andre enheder, men også om at bruge mere "grønne" produktionsmetoder. Miljømæssig bæredygtighed skal anvendes på hvert trin i produktionscyklussen, lige fra erhvervelse af råmaterialer til bortskaffelse af affald. Organiske materialer kan drive elektronik ind i fremtiden på en mere bæredygtig måde end det er muligt i nutidens elektroniske verden.
Endelig betyder grøn elektronikat elektronikken selv er holdbar. Alsidigheden af organisk elektronik kombineret med løftet fra feltet for miljømæssig og social bæredygtighed peger vejen mod en meget lang levetid teknologipakke.
Markedsforhold
Ifølge Allied Market Research, inden 2027Det organiske elektronikmarked vil nå $159,1 milliarder ved en CAGR på 21,0%. Stigende efterspørgsel på grund af vedtagelsen af teknologier, der understøtter bæredygtig udvikling og behovet for organisk elektronik til at udvikle nyeste teknologier, har ført til væksten på det globale organiske elektronikmarked. Baseret på materialerne stod halvledersegmentet for den største andel i 2019. Baseret på region havde Asien-Stillehavsmarkedet brorparten i 2019.
Derudover udkom den i denne ugestor rapport "Organisk elektronikmarkedsvolumen, andel, vækst og rapport indtil 2020-2028 ". Ifølge den vil det globale organiske elektronikmarked i prognoseperioden kun vokse. Denne forskningsrapport undersøger markedslandskabet og dets udviklingsmuligheder i den nærmeste fremtid. Efter at have undersøgt nøglevirksomhederne fokuserer rapporten på nye aktører, der driver væksten på markedet. De fleste virksomheder på det globale organiske elektronikmarked omfavner i øjeblikket nye teknologiske tendenser på markedet.
Endelig kaster forskerne lys over forskellige måder at identificere styrker, svagheder, muligheder og trusler, der påvirker væksten af det globale marked for organisk elektronik.
Nogle af de vigtigste aktører arbejder på dettemarked inkluderer virksomheder som 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.
Hvad er bundlinjen?
I løbet af de sidste par årtier har regionenOrganisk elektronik har tydeligvis gjort enorme fremskridt: mange enheder er allerede på markedet, og mange prototyper er under udvikling. Dette felt vil fortsætte med at vokse og ændre måden, som samfundet interagerer med teknologien på, da kemikere, fysikere og andre forskere og ingeniører tackler forskningsudfordringer. Tværfaglige forsknings- og uddannelsesprogrammer, der samler forskere og ingeniører fra forskellige vidensfelter såvel som fra forskellige aktivitetssektorer (for eksempel den akademiske verden, industrien, regeringen), vil bidrage til den samarbejdsindsats, der er nødvendig for at løse disse problemer
Læs også
Forskere har for første gang udviklet ren energi fra grafen
På sygdom 3 mister de fleste COVID-19 patienter deres lugtesans og lider ofte af en løbet næse
Dommedagsbreen viste sig at være farligere end forskere troede. Vi fortæller det vigtigste