Was ist organische Elektronik?
Dies ist ein Zweig der Elektronik, der organische Materialien verwendet
Traditionelle Elektronik basiert auf FeststoffSilizium, aus dem Halbleiter hergestellt werden. Sie sind anorganisch (d. H. Sie enthalten keinen Kohlenstoff). Im Gegensatz dazu verwendet die organische Elektronik Moleküle auf Kohlenstoffbasis - entweder kleine Moleküle oder Polymere, bei denen es sich um lange Molekülketten handelt. Fast alle biologischen Moleküle sind organische Verbindungen, aber auch Substanzen, die aus Kohlenwasserstoffen wie Petrochemikalien, Ölen und Kunststoffen stammen. Viele Menschen mögen Polymere insbesondere als nicht leitend betrachten - zum Beispiel werden Kunststoffpolymere verwendet, um Kupferdrähte zu isolieren. Einige organische Polymere und Moleküle können jedoch Elektrizität leiten.
Wie unterscheiden sie sich von herkömmlicher Elektronik auf Siliziumbasis?
Organische Verbindungen haben einigeVorteile gegenüber anorganischen Verbindungen. Sie sind leicht, flexibel und transparent - alle unterscheiden sich erheblich von der klassischen Siliziumtechnologie. Sie können auch billiger in der Herstellung sein.
Warum sorgt organische Elektronik für so viel Aufregung?
Es gibt so viele organische Verbindungen undeine Vielzahl funktioneller Gruppen (Atomcluster mit ihren eigenen charakteristischen Eigenschaften). Ihre elektronischen Eigenschaften lassen sich durch das Hinzufügen funktioneller Gruppen sehr einfach anpassen. Einige funktionelle Gruppen ziehen Elektronen ab, andere geben Elektronen ab, sodass Wissenschaftler durch ihre Kombination die gewünschten Eigenschaften sehr genau einstellen können. Beispielsweise können Sie die Fluoreszenz für Leuchtdioden anpassen.
Wie ist eine neue Art von Elektronik entstanden?
Die organische Elektronik begann in den 1950er JahrenJahre, als H. Inokuchi und seine Kollegen das erste leitende organische Molekül entdeckten. Aus dieser Entdeckung wurde bestimmt, dass organische Moleküle Halbleiter sein können, ein Begriff, der üblicherweise für Silizium, Germanium und andere ähnliche Elemente verwendet wird. Es stellt sich heraus, dass organische Halbleiter gegenüber herkömmlichen Halbleitern mehrere Vorteile haben.
Organische Halbleiter
V. Helfrich und V.G. Schneider entdeckte, dass organische Moleküle Licht emittieren können. Zum ersten Mal wurde eine solche Eigenschaft im Anthracenmolekül gefunden. Der einzige Nachteil war, dass dieser Effekt eine hohe Spannung erforderte, was die Entdeckung und mögliche Weiterentwicklung äußerst unwirksam machte. In den 1980er Jahren stellten drei Wissenschaftler - Heeger, McDiarmid und Shirakawa - leitfähige Polymere her, für die sie 2000 den Nobelpreis für Chemie erhielten. Einige Jahre später wurde entdeckt, dass Perylentetracarbonsäuredianhydrid - PTCDA, ein organisches Farbstoffmolekül, das immer noch in Autolacken verwendet wird, halbleitende Eigenschaften aufweist.
Der nächste wichtige Meilenstein war die EröffnungOrganische Leuchtdioden – OLED – Halbleiterbauelemente aus organischen Verbindungen, die effektiv Licht emittieren, wenn elektrischer Strom durch sie fließt. Dieses Gerät wurde 1987 von Ching Tang und Stephen Van Slykme von Kodak erfunden. Das Gerät konnte Licht mit nur 5 Volt aussenden und veränderte die Display-Industrie für immer.
Wo wird solche Elektronik jetzt eingesetzt und wie sieht ihre Zukunft aus?
Laut Professor Andreas Hirsch, Leiter vonAm Institut für Organische Chemie der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen-Nürnberg könnte Elektronik aus Kohlenstoff statt Silizium zu einer neuen Generation von medizinischen Geräten, Sensoren und vielleicht sogar Robotern führen.
„Die meisten Leute werden es wahrscheinlich nutzenBildschirmtechnologien. Organische Leuchtdioden (OLEDs) sind mittlerweile in Mobiltelefonen weit verbreitet und man kann damit auch Fernseher kaufen. Aber schon davor werden Flüssigkristallanzeigen (LCDs), die man als eine Art organische Elektronik betrachten kann, schon seit Jahren in vielen Anwendungen eingesetzt“, erklärt Hirsch im Interview mit Richard Gray von Horizon.
„Ich bin davon überzeugt, dass Sie in ungefähr 50 JahrenSie werden viel mehr Roboter sehen, die organisch aussehen und Funktionen ausführen können, die metallbasierte Roboter nicht können “, sagt der Wissenschaftler.
Anwendungsspektrum der organischen Elektronik
Organische Elektronik hat eine Vielzahl von Anwendungen. Vier davon können als die vielversprechendsten bezeichnet werden: Displays, Photovoltaik- und Transistortechnologien sowie Biomedizin.
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OLED (Organische Leuchtdioden) —Es handelt sich um eine bahnbrechende Technologie, die von Ching Tang und Stephen Van Slyke entwickelt wurde. OLEDs bestehen aus einer organischen Folie, die die Eigenschaft der Phosphoreszenz nutzt, um ihr eigenes Licht zu erzeugen, anstatt eine Hintergrundbeleuchtung zu verwenden. Phosphoreszenz ist eine Emission aufgrund der Anregung von Elektronen, die über einen langen Zeitraum anhält. Möglicherweise ist Ihnen dies bei Armbanduhren und Zifferblättern aufgefallen, die im Dunkeln leuchten.
Namsan Seoul Tower 1F - OLED-Tunnel
Die Phosphoreszenz ist eine spezielle Art der Photolumineszenz. Im Gegensatz zu einer fluoreszierenden Substanz emittiert eine phosphoreszierende Substanz nicht sofort absorbierte Energie. Längere Wiederemissionszeiten sind mit „verbotenen“ Energieübergängen in der Quantenmechanik verbunden.
Die OLED-Bedienung ist ziemlich einfach. Ein organischer Film besteht aus zwei Schichten: emittierend und leitend. An der Grenze zwischen den beiden Schichten befinden sich Löcher. Die emittierende Schicht emittiert Elektronen, und die Rekombination von Elektronen und Löchern führt zur Erzeugung von Photonen, aus denen Licht besteht.
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von OLEDs - passive und aktive Matrix.
- Passive Matrix OLED (PMOLED) hat StreifenKathoden- und Anodenstreifen liegen senkrecht zueinander. Die Schnittpunkte und bilden die Pixel, von denen Licht emittiert wird. Externe Schaltkreise versorgen ausgewählte Streifen der Anode und Kathode mit Strom und bestimmen, welche Pixel eingeschaltet sind und welche ausgeschaltet bleiben. Die Helligkeit hängt von der Größe des angelegten Stroms ab. Ihr Nachteil ist, dass sie viel Strom verbrauchen und daher in kleinen Bildschirmen wie PDAs (Personal Digital Assistant) und MP3-Playern verwendet werden.
- Die zweite Art von OLED ist eine Aktivmatrix-OLED(AMOLED). AMOLEDs haben auch volle Schichten aus Kathode, organischem Material und Anode, aber die Anodenschicht überlappt eine Dünnschichttransistor-(TFT)-Matrix. Ein TFT-Array ist eine Schaltung, die bestimmt, welche Pixel eingeschaltet werden, um ein Bild zu erzeugen.
AMOLEDs verbrauchen viel weniger Strom alsPMOLED, weil das TFT-Array weniger Strom benötigt als externe Schaltungen. Dadurch eignen sie sich für große Displays wie Computermonitore, Fernseher und elektronische Werbetafeln.
OLED-LEDs wiederum haben vieleVorteile gegenüber LCDs (Flüssigkristallanzeigen). Herkömmliche LCD-Displays bestehen aus vielen Teilen. Flüssigkristalle haben keine eigene Hintergrundbeleuchtung und verwenden daher eine Hintergrundbeleuchtung. Darüber hinaus Die Displaydesigns verfügen über Reflektorfolien zur Verbesserung der Helligkeit, Diffusorfolien zur gleichmäßigen Trennung und Verteilung des Lichts, einen unteren und einen oberen Polarisator, einen Farbfilter zur Erzeugung farbigen Lichts und natürlich Flüssigkristalle, die die Schlüsselelemente sind. Dadurch erhöht sich die Dicke des Bildschirms erheblich.
Quantenlichtemittierende Dioden (QLED) – SonstigesRichtung. Sie enthalten Polarisatoren und Farbfilter. Außerdem benötigen sie eine Hintergrundbeleuchtung, da Quantenpunkte kein eigenes Licht aussenden können. Dadurch werden diese Displays zu dick. OLED-LEDs sind elegant, erzeugen mehr absolute Schwarztöne als QLEDs und funktionieren bei schwachem Licht besser, da jedes Pixel einzeln beleuchtet wird. OLED-Bildschirme können sehr dünn sein. Und doch entscheiden sich die meisten Unternehmen und Verbraucher für OLED-Displays für ihre Smartphones.
Photovoltaik-Anwendungen
Organische Photovoltaik-Geräte sind inmeist organische Solarzellen. Als photovoltaisches Material werden üblicherweise Polymere verwendet. Einer der Hauptvorteile der Verwendung organischer Materialien zur Herstellung von Solarzellen besteht darin, dass der "optische Absorptionskoeffizient" organischer Moleküle hoch ist, sodass eine große Lichtmenge von einer kleinen Menge an Material absorbiert werden kann, normalerweise in der Größenordnung von Hunderten von Nanometer. Sie sind auch sehr flexibel und viel dünner als ihre Silikon-Pendants. Während die aktuelle OPV-Technologie (Organic Photovoltaic) einen Umwandlungswirkungsgrad von über 10 % und sogar 12 % aufweist, sagen einige Forscher voraus, dass organische Solarzellen einen Wirkungsgrad von 15-20 % erreichen werden. Sie können auch aufgerollt und sogar kompostiert werden.
Und obwohl wir in einer zunehmend elektronischen Welt leben,Der Zugang zu dieser Welt ist begrenzt. Schätzungsweise 1,3 Milliarden Menschen haben keinen Zugang zu Elektrizität, viele sind auf Kerosin, Batterien oder Dieselgeneratoren angewiesen. Aufgrund günstigerer Herstellungskosten verspricht die organische Elektronik nicht nur die Art und Weise, wie Menschen Technologie nutzen, sondern auch ihre Nutzung für Bevölkerungen ohne Zugang zum Stromnetz auszuweiten.
Der Hauptnachteil von BioPhotovoltaikzellen haben im Vergleich zu anorganischen Photovoltaikzellen wie Siliziumsolarzellen einen geringen Wirkungsgrad. Aber an der Lösung dieses Problems wird geforscht, und täglich werden neue Materialien entdeckt, die die Solarenergiebranche revolutionieren könnten.
Flexible gedruckte organische Transistoren
Transistoren sind grundlegende BausteineBlöcke moderner elektronischer Geräte, die entweder Signale verstärken oder als Schalter fungieren. Ein organischer Feldeffekttransistor (OFET) ist ein Feldeffekttransistor, der leitende Elektroden, einen organischen Halbleiter und ein Dielektrikum enthält. Seine Besonderheit ist, dass es sehr wenig Strom verbraucht, um einen sehr hohen Strom zu patrouillieren, und auch als guter Schalter fungiert. Diese Transistoren werden in gedruckten Schaltungen mit flexiblen organischen Farbstoffen hergestellt. Dabei ist besonders darauf zu achten, dass keine Verunreinigungen in das Material gelangen, da diese die Leitfähigkeit des Materials negativ beeinflussen können.
Gedruckte Schaltung mit OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, lizenziert unter CC BY 4.0
In den letzten Jahren ist das Interesse an OFET gestiegenist enorm gewachsen und das aus gutem Grund. Hinsichtlich seiner Eigenschaften kann OFET mit amorphem Silizium (a-Si) konkurrieren. Infolgedessen besteht nun ein erhöhtes Interesse an der industriellen Nutzung von OFETs für Anwendungen, die derzeit mit der Verwendung von a-Si oder anderen anorganischen Transistortechnologien nicht kompatibel sind. Einer ihrer wichtigsten technologischen Vorteile besteht darin, dass alle OFET-Schichten bei Raumtemperatur abgeschieden und strukturiert werden können, was sie ideal für die Realisierung kostengünstiger, großflächiger elektronischer Bauelemente auf flexiblen Substraten macht. Um Silizium in eine Form gießen zu können, muss es auf Temperaturen über 40 °C erhitzt werden. Aufgrund der Unvollkommenheit der Technologie ist es jedoch noch zu früh, über den weit verbreiteten Einsatz von OFET zu sprechen.
Biomedizin
Eine weitere wichtige Verwendung von BioElektronik ist Medizin. Beispielsweise zur Behandlung von Blindheit mithilfe eines Netzhautchips, der in das Auge implantiert wird. Das Gerät erkennt Lichtsignale, die in das Auge gelangen, und wandelt sie in elektrische Signale um, die an das Gehirn gesendet werden. Mit organischen Farbstoffen beschichtete Elektroden übertragen elektrische Signale an die Rezeptorzellen des Auges.
Die Zusammensetzung muss biokompatibel sein.Die Auswahl der richtigen Materialien und Mischungen von Komponenten ist entscheidend. Bisher können blinde Patienten damit Licht und Dunkelheit, Umrisse von Objekten, manchmal sogar Buchstaben und Mimik wahrnehmen. Ziel der Wissenschaftler ist es, dass das Gerät nicht nur eine hohe Auflösung, sondern auch eine gute Leistung hat. Dies ist ein großartiges Beispiel dafür, wie Technologie und Medizin zusammenarbeiten, um das Leben der Menschen zu verbessern.
Die Zukunft der neuen Elektronik
Der Bereich der organischen Elektronik wird in Zukunft seinentwickeln sich in einer Weise weiter, die heute noch nicht einmal vorstellbar ist. Einige Ideen wurden bereits umgesetzt, wie zum Beispiel OLED-Smartphones, Fernseher und günstige Solarpanels, die in ländlichen Gebieten auf Dächern installiert werden. Zukünftig werden faltbare Smartphones häufiger werden, und beispielsweise elektronische Haut, die in ihrer Haptik die menschliche Haut nachahmt, wird mehr Zeit brauchen, um sich zu entwickeln. Andere Vorhersagen sind noch nicht möglich, da die Anwendungen vielfältig sind und viele Bereiche abdecken – Medizin und biomedizinische Forschung, Energie und Umwelt, Kommunikation und Unterhaltung, Wohn- und Büromöbel, Kleidung und persönliche Accessoires und vieles mehr.
Organische Elektronik kann das auchElektronik umweltfreundlicher produzieren, verwenden und recyceln. Wissenschaftler und Ingenieure suchen nach Möglichkeiten, neue Elektronik energieeffizienter zu machen als die heutigen siliziumbasierten Designs.
Was sind die Vorteile der Verwendung organischer Stoffe für die Elektronikproduktion?
- Neue Möglichkeiten
Organische Materialien haben EinzigartigkeitEigenschaften, die mit siliziumbasierter Elektronik nicht erreicht werden können. Zu ihren Eigenschaften zählen Empfindlichkeit, Biokompatibilität und Flexibilität. Unter Sensorik versteht man den Einsatz elektronischer Geräte zur Erkennung chemischer oder biologischer Substanzen in der Umwelt oder im menschlichen Körper.
Wissenschaftler stellen sich Biosensoren vor, die das nicht tunEs erkennt nicht nur den Glukosespiegel bei Diabetikern, sondern verteilt auch tatsächlich die richtige Insulindosis zum richtigen Zeitpunkt. Organische elektronische Materialien sind nicht nur chemisch besser mit biologischen Systemen verträglich als Geräte auf Siliziumbasis; Sie verleihen dem Stoff Flexibilität, Dehnbarkeit und mechanische „Weichheit“.
Zusammen schaffen diese Eigenschaften das Potenzial für innovative bioelektronische Sensoren, die sich der Krümmung und den beweglichen Teilen des menschlichen Körpers anpassen können.
- Energieeffizienz
Während Wissenschaftler und Ingenieure weitermachenSie wollen die Synthese und Charakterisierung organischer Materialien für den Einsatz in der Elektronik verbessern und hoffen, dass die Verwendung solcher Materialien zu energieeffizienteren elektronischen Displays, Beleuchtung und anderen Geräten führen wird.
Beispielsweise ist es notwendig, biologisch zu produzierenSolarzellen sind effizienter, so dass sie an Orten wie Nordeuropa und weiten Teilen Russlands eingesetzt werden können, wo die Nächte sehr lang sind und es vor allem im Winter nur kurze Zeiträume mit Sonnenlicht gibt.
Ingenieure versuchen, Geräte aus zu erstellenlänger haltbare organische materialien sind recycelbar oder vielleicht sogar biologisch abbaubar. Die Herstellungsverfahren für organische Elektronik werden auch energieeffizienter, was zu weniger Schritten und weniger Abwärmerückgewinnungsverfahren führt.
- Weniger Abfall, mehr Sicherheit
Die Verwendung organischer Materialien fürDie Herstellung elektronischer Geräte bietet die Hoffnung, dass die Herstellung von Elektronik in Zukunft mit weniger Rohstoffen auskommt und auch sicherer wird.
Durch den Verzicht auf weniger können Materialien eingespart werdenverschwenderische Prozesse wie das Drucken. Im Gegensatz zur Zentrifugation, bei der Materialien entfernt und überschüssige Materialien entsorgt werden, werden den Strukturen oder Geräten bei ihrer Entstehung Schicht für Schicht Materialien hinzugefügt.
Außer weniger zu verbrauchenMaterialien suchen Chemiker nach Möglichkeiten, sicherere Materialien zu verwenden. Viele Polymere benötigen beispielsweise krebserregende Lösungsmittel. Einige Lösungsmittel sind aufgrund ihrer Giftigkeit in der EU nicht einmal in der Druckindustrie erlaubt.
- Stabile Elektronik
Schaffung umweltfreundlicherer elektronischer Produkte- es geht nicht nur darum, "grünere" Solarzellen oder andere Geräte zu schaffen, sondern auch "grünere" Produktionsverfahren einzusetzen. Die ökologische Nachhaltigkeit muss in jeder Phase des Produktionszyklus angewendet werden, von der Beschaffung der Rohstoffe bis zur Entsorgung von Abfällen. Organische Materialien können die Elektronik nachhaltiger in die Zukunft bringen, als dies in der heutigen elektronischen Welt möglich ist.
Schließlich bedeutet grüne Elektronikdass die Elektronik selbst langlebig ist. Die Vielseitigkeit der organischen Elektronik, gepaart mit dem Versprechen des Feldes für ökologische und soziale Nachhaltigkeit, weist den Weg zu einer sehr langlebigen Technologiesuite.
Marktsituation
Laut Allied Market Research bis 2027Der Markt für organische Elektronik wird 159,1 Milliarden US-Dollar erreichen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 21,0 %. Die steigende Nachfrage aufgrund der Einführung von Technologien zur Unterstützung einer nachhaltigen Entwicklung und der Notwendigkeit, die neuesten Technologien für organische Elektronik zu entwickeln, hat das Wachstum des globalen Marktes für organische Elektronik vorangetrieben. Bezogen auf die Materialien hatte das Halbleitersegment im Jahr 2019 den größten Anteil. Basierend auf der Region machte der asiatisch-pazifische Markt im Jahr 2019 den Löwenanteil aus.
Außerdem wurde es diese Woche veröffentlichtgroßer Bericht „Marktvolumen, Marktanteil, Wachstum und Bericht bis 2020–2028“. Demnach wird der globale Markt für organische Elektronik im Prognosezeitraum nur wachsen. Dieser Forschungsbericht untersucht die Marktlandschaft und ihre Entwicklungsaussichten in der nahen Zukunft. Nach der Untersuchung der wichtigsten Unternehmen konzentriert sich der Bericht auf neue Marktteilnehmer, die das Wachstum des Marktes vorantreiben. Die meisten Unternehmen auf dem globalen Markt für organische Elektronik nehmen derzeit neue technologische Trends auf dem Markt auf.
Abschließend beleuchten die Forscher verschiedene Möglichkeiten zur Identifizierung der Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken, die das Wachstum des globalen Marktes für organische Elektronik beeinflussen.
Einige der Hauptakteure, die daran arbeitenMarkt umfassen Unternehmen wie 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.
Was ist das Endergebnis?
In den letzten Jahrzehnten hat die RegionDie organische Elektronik hat offensichtlich enorme Fortschritte gemacht: Viele Geräte sind bereits auf dem Markt, viele Prototypen befinden sich in der Entwicklung. Dieses Feld wird weiter wachsen und die Art und Weise verändern, wie die Gesellschaft mit Technologie interagiert, da Chemiker, Physiker und andere Wissenschaftler und Ingenieure die Forschungsherausforderungen angehen. Interdisziplinäre Forschungs- und Ausbildungsprogramme, die Wissenschaftler und Ingenieure aus unterschiedlichen Wissensgebieten sowie aus unterschiedlichen Tätigkeitsbereichen (z
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