¿Qué es la electrónica orgánica?
Esta es una rama de la electrónica que utiliza materiales orgánicos.
La electrónica tradicional se basa en sólidossilicio, que se utiliza para crear semiconductores. Son inorgánicos (es decir, no contienen carbono). Por el contrario, la electrónica orgánica utiliza moléculas basadas en carbono, ya sean moléculas pequeñas o polímeros, que son largas cadenas de moléculas. Casi todas las moléculas biológicas son compuestos orgánicos, pero también sustancias derivadas de hidrocarburos como petroquímicos, aceites y plásticos. Mucha gente puede pensar en los polímeros en particular como no conductores; por ejemplo, los polímeros plásticos se utilizan para aislar cables de cobre. Pero algunos polímeros y moléculas orgánicos pueden conducir electricidad.
¿En qué se diferencian de la electrónica tradicional basada en silicio?
Los compuestos orgánicos tienen algunosventajas sobre los compuestos inorgánicos. Son livianos, flexibles y transparentes, todos los cuales son significativamente diferentes de la tecnología de silicio clásica. También pueden ser más económicos de fabricar.
¿Por qué la electrónica orgánica está causando tanta emoción?
Hay tantos compuestos orgánicos yuna amplia variedad de grupos funcionales (grupos de átomos con sus propias propiedades distintivas). Sus propiedades electrónicas resultan muy fáciles de ajustar añadiendo grupos funcionales. Algunos grupos funcionales retiran electrones y otros los donan, por lo que, al combinarlos, los científicos pueden ajustar con mucha precisión las propiedades deseadas. Por ejemplo, puede ajustar la fluorescencia de los diodos emisores de luz.
¿Cómo surgió un nuevo tipo de electrónica?
La electrónica orgánica comenzó en la década de 1950.años cuando H. Inokuchi y sus colegas descubrieron la primera molécula orgánica conductora. A partir de este descubrimiento, se determinó que las moléculas orgánicas podrían ser semiconductores, un término comúnmente utilizado para el silicio, el germanio y otros elementos similares. Resulta que los semiconductores orgánicos tienen una serie de ventajas sobre los semiconductores tradicionales.
Semiconductores orgánicos
V. Helfrich y V.G.Schneider descubrió que las moléculas orgánicas pueden emitir luz. Esta propiedad se descubrió por primera vez en la molécula de antraceno. El único inconveniente fue que este efecto requirió un alto voltaje, lo que hizo que el descubrimiento y el posible desarrollo posterior fueran extremadamente ineficaces. Luego, en la década de 1980, tres científicos, Heeger, McDiarmid y Shirakawa, fabricaron polímeros conductores, por los que recibieron el Premio Nobel de Química en 2000. Varios años más tarde, se descubrió que el dianhídrido tetracarboxílico de perileno - PTCDA, una molécula de colorante orgánico que todavía se usa en pinturas para automóviles, tiene propiedades semiconductoras.
El siguiente hito importante fue la aperturaDiodos emisores de luz orgánicos (OLED): dispositivos semiconductores fabricados a partir de compuestos orgánicos que emiten luz de manera efectiva cuando la corriente eléctrica pasa a través de ellos. Este dispositivo fue inventado en 1987 por Ching Tang y Stephen Van Slykme de Kodak. El dispositivo podía emitir luz con sólo 5 voltios y cambió la industria de las pantallas para siempre.
¿Dónde se utilizan estos dispositivos electrónicos ahora y cuál es su futuro?
Según el profesor Andreas Hirsch, director deDepartamento de Química Orgánica de la Universidad Friedrich-Alexander en Erlangen-Nuremberg en Alemania, la electrónica hecha de carbono en lugar de silicio podría conducir a una nueva generación de dispositivos médicos, sensores y quizás incluso robots.
"La mayoría de la gente probablemente usarátecnologías de pantalla. Los diodos emisores de luz orgánicos (OLED) son ahora bastante comunes en los teléfonos móviles y también se pueden comprar televisores con ellos. Pero incluso antes, las pantallas de cristal líquido (LCD), que pueden considerarse un tipo de electrónica orgánica, se utilizan desde hace años en muchas aplicaciones”, explica Hirsch en una entrevista con Richard Gray de Horizon.
“Estoy convencido de que en 50 años más o menos,verá muchos más robots que parecen orgánicos, que pueden realizar funciones que los robots basados en metales no pueden ”, dice el científico.
Espectro de aplicaciones de la electrónica orgánica
La electrónica orgánica tiene una amplia variedad de usos. Cuatro de ellos pueden considerarse los más prometedores: pantallas, tecnologías fotovoltaicas y de transistores y biomedicina.
Pantallas
OLED (diodos emisores de luz orgánicos) —Se trata de una tecnología pionera desarrollada por Ching Tang y Stephen Van Slyke. Los OLED consisten en una película orgánica que utiliza la propiedad de la fosforescencia para generar su propia luz en lugar de utilizar una luz de fondo. La fosforescencia es una emisión debida a la excitación de electrones que dura un largo período de tiempo. Es posible que hayas notado esto en relojes de pulsera y esferas que brillan en la oscuridad.
Torre Namsan Seúl 1F: Túnel OLED
La fosforescencia es un tipo especial de fotoluminiscencia.A diferencia de una sustancia fluorescente, una sustancia fosforescente no emite energía absorbida inmediatamente. Los tiempos de reemisión más largos están asociados con transiciones de energía "prohibidas" en la mecánica cuántica.
El funcionamiento de OLED es bastante sencillo.Una película orgánica consta de dos capas: emisora y conductora. Hay agujeros en el borde entre las dos capas. La capa emisora emite electrones y la recombinación de electrones y huecos da como resultado la generación de fotones que forman la luz.
Básicamente, existen dos tipos de OLED: pasivos y de matriz activa.
- OLED de matriz pasiva (PMOLED) tiene rayastiras de cátodo y ánodo, son perpendiculares entre sí. Las intersecciones y forman los píxeles desde los que se emite la luz. Los circuitos externos aplican corriente a las tiras seleccionadas del ánodo y el cátodo, determinando qué píxeles estarán encendidos y cuáles permanecerán apagados. El brillo depende de la magnitud de la corriente aplicada. Su desventaja es que consumen mucha energía y, por lo tanto, se utilizan en pantallas pequeñas como PDA (Personal Digital Assistant) y reproductores MP3.
- El segundo tipo de OLED es un OLED de matriz activa(AMOLED). Los AMOLED también tienen capas completas de cátodo, material orgánico y ánodo, pero la capa del ánodo se superpone a una matriz de transistor de película delgada (TFT). Una matriz TFT es un circuito que determina qué píxeles se activan para formar una imagen.
Los AMOLED consumen mucha menos energía quePMOLED porque la matriz TFT requiere menos energía que los circuitos externos. Como resultado, son adecuados para pantallas grandes como monitores de computadora, televisores y vallas publicitarias electrónicas.
A su vez, los LED OLED tienen muchasventajas sobre las LCD (pantallas de cristal líquido). Las pantallas LCD tradicionales se componen de muchas partes. Los cristales líquidos no tienen retroiluminación propia, por lo que utilizan retroiluminación. Además Los diseños de pantalla tienen láminas reflectoras para mejorar el brillo, láminas difusoras para separar y distribuir la luz de manera uniforme, un polarizador inferior y un polarizador superior, un filtro de color para crear luz coloreada y, por supuesto, cristales líquidos, que son los elementos clave. Esto aumenta drásticamente el grosor de la pantalla.
Diodos emisores de luz cuánticos (QLED): otrosdirección. Contienen polarizadores y filtros de color. También necesitan luz de fondo porque los puntos cuánticos no pueden emitir su propia luz. Como resultado, estas pantallas se vuelven demasiado gruesas. Los OLED son elegantes, producen un negro más absoluto que los QLED y funcionan mejor en condiciones de poca luz porque cada píxel está iluminado individualmente. Las pantallas OLED pueden ser muy delgadas. Y, sin embargo, la mayoría de las empresas y consumidores eligen pantallas OLED para sus teléfonos inteligentes.
Aplicaciones fotovoltaicas
Los dispositivos fotovoltaicos orgánicos están enen su mayoría células solares orgánicas. Los polímeros se utilizan comúnmente como material fotovoltaico. Una de las principales ventajas de utilizar materiales orgánicos para fabricar células solares es que el "coeficiente de absorción óptica" de las moléculas orgánicas es alto, por lo que una gran cantidad de luz puede ser absorbida por una pequeña cantidad de material, generalmente del orden de cientos de nanómetros. También son muy flexibles y mucho más delgados que sus homólogos de silicio. Si bien la tecnología OPV (orgánica fotovoltaica) actual cuenta con una eficiencia de conversión superior al 10%, llegando incluso al 12%, algunos investigadores predicen que las células solares orgánicas alcanzarán una eficiencia del 15-20%. También se pueden enrollar e incluso convertir en abono.
Y aunque vivimos en un mundo cada vez más electrónico,el acceso a este mundo es limitado. Se estima que 1.300 millones de personas carecen de acceso a la electricidad, y muchas personas dependen del queroseno, baterías o generadores diesel. Debido a los costos de fabricación más baratos, la electrónica orgánica promete no solo cambiar la forma en que las personas usan la tecnología, sino también expandir su uso a poblaciones sin acceso a la red.
La principal desventaja de lo orgánico.Las células fotovoltaicas son de baja eficiencia en comparación con las células fotovoltaicas inorgánicas, como las células solares de silicio. Pero se están realizando investigaciones para resolver este problema y cada día se descubren nuevos materiales que podrían revolucionar la industria de la energía solar.
Transistores orgánicos impresos flexibles
Los transistores son bloques de construcción fundamentalesbloques de dispositivos electrónicos modernos que amplifican señales o actúan como interruptores. Un transistor de efecto de campo orgánico (OFET) es un transistor de efecto de campo que contiene electrodos conductores, un semiconductor orgánico y un dieléctrico. Su peculiaridad es que usa muy poca energía para patrullar una corriente muy alta y también actúa como un buen interruptor. Estos transistores se fabrican mediante circuitos impresos que utilizan tintes orgánicos flexibles. Se tiene especial cuidado para asegurar que no entren contaminantes en el material, ya que esto puede afectar adversamente la conductividad del material.
Circuito impreso con OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, con licencia CC BY 4.0
En los últimos años, el interés en OFETha crecido enormemente y con razón. En cuanto a sus características, el OFET puede competir con el silicio amorfo (a-Si). Como resultado, ahora existe un mayor interés en el uso industrial de OFET para aplicaciones que actualmente son incompatibles con el uso de a-Si u otras tecnologías de transistores inorgánicos. Una de sus principales ventajas tecnológicas es que todas las capas OFET se pueden depositar y estructurar a temperatura ambiente, lo que las hace ideales para realizar dispositivos electrónicos de gran superficie y bajo costo sobre sustratos flexibles. El silicio debe calentarse a temperaturas superiores a 40°C para poder moldearlo. Sin embargo, es demasiado pronto para hablar del uso generalizado de OFET debido a la imperfección de la tecnología.
Biomedicina
Otro uso importante de lo orgánico.La electrónica es medicina. Por ejemplo, para tratar la ceguera mediante un chip de retina que se implanta en el ojo. El dispositivo detecta las señales de luz que ingresan al ojo y las convierte en señales eléctricas que se envían al cerebro. Los electrodos recubiertos con tintes orgánicos transmiten señales eléctricas a las células receptoras del ojo.
La composición debe ser biocompatible.La selección de los materiales y mezclas de componentes correctos es fundamental. En este momento, ha permitido a los pacientes ciegos percibir la luz y la oscuridad, contornos de objetos, a veces incluso letras y expresiones faciales. El objetivo de los científicos es que el dispositivo no solo tenga alta resolución, sino también un buen rendimiento. Este es un gran ejemplo de cómo la tecnología y la medicina trabajan juntas para mejorar la vida de las personas.
El futuro de la nueva electrónica
El campo de la electrónica orgánica en el futuro serácontinúan evolucionando de maneras que hoy ni siquiera se pueden imaginar. Algunas ideas ya se han implementado, como los teléfonos inteligentes OLED, televisores y paneles solares económicos que se instalan en los tejados de las zonas rurales. En el futuro, los teléfonos inteligentes plegables se volverán más comunes y, por ejemplo, la piel electrónica, que imita la piel humana en su sensibilidad táctil, tardará más en desarrollarse. Otras predicciones aún no son posibles, ya que las aplicaciones son variadas y cubren muchas áreas: medicina e investigación biomédica, energía y medio ambiente, comunicaciones y entretenimiento, muebles para el hogar y la oficina, ropa y accesorios personales, y mucho más.
La electrónica orgánica también puede funcionarproducir, utilizar y reciclar productos electrónicos de forma más respetuosa con el medio ambiente. Los científicos e ingenieros están buscando formas de hacer que los nuevos dispositivos electrónicos sean más eficientes energéticamente que los diseños actuales basados en silicio.
¿Cuáles son los beneficios de utilizar productos orgánicos para la producción electrónica?
- Nuevas oportunidades
Los materiales orgánicos tienen características únicas.propiedades que no se pueden lograr con la electrónica basada en silicio. Entre sus propiedades se encuentran la sensibilidad, la biocompatibilidad y la flexibilidad. La detección es el uso de dispositivos electrónicos para detectar sustancias químicas o biológicas en el medio ambiente o en el cuerpo humano.
Los científicos imaginan biosensores que nono sólo detecta los niveles de glucosa en personas con diabetes, sino que también distribuye la dosis adecuada de insulina en el momento adecuado. Los materiales electrónicos orgánicos no sólo son químicamente más compatibles con los sistemas biológicos que los dispositivos basados en silicio; Dan a la sustancia flexibilidad, extensibilidad y “suavidad” mecánica.
Juntas, estas propiedades crean el potencial para sensores bioelectrónicos innovadores que pueden igualar la curvatura y las partes móviles del cuerpo humano.
- Eficiencia energética
Mientras los científicos e ingenieros continúanmejorar la síntesis y caracterización de materiales orgánicos para su uso en electrónica, esperan que el uso de dichos materiales conduzca a pantallas electrónicas, iluminación y otros dispositivos más eficientes energéticamente.
Por ejemplo, es necesario hacer orgánico.Las células solares son más eficientes por lo que pueden usarse en lugares como el norte de Europa y gran parte de Rusia, donde las noches son muy largas y solo hay cortos períodos de luz solar, especialmente en invierno.
Los ingenieros están intentando crear dispositivos a partir delos materiales orgánicos que duran más son reciclables o quizás incluso biodegradables. Los métodos de fabricación de productos electrónicos orgánicos también serán más eficientes energéticamente, lo que llevará a menos pasos y menos métodos de recuperación de calor residual.
- Menos desperdicio, más seguridad
El uso de materiales orgánicos paraLa creación de dispositivos electrónicos ofrece la esperanza de que los métodos futuros de fabricación de productos electrónicos dependan de menos materias primas y también sean más seguros.
Se pueden ahorrar materiales dependiendo de menosprocesos derrochadores como la impresión. Los materiales se agregan a las estructuras o dispositivos capa por capa a medida que se crean, a diferencia de la centrifugación, que implica eliminar materiales y eliminar el exceso.
Además de usar menosmateriales, los químicos están buscando formas de utilizar materiales más seguros. Por ejemplo, muchos polímeros requieren disolventes cancerígenos. Algunos disolventes ni siquiera están permitidos en la industria de la impresión en la UE debido a su toxicidad.
- Electrónica estable
Creando productos electrónicos más ecológicos- No se trata solo de crear más células solares u otros dispositivos "ecológicos", sino también de utilizar métodos de producción más "ecológicos". La sostenibilidad medioambiental debe aplicarse en todas las etapas del ciclo productivo, desde la adquisición de materias primas hasta la eliminación de residuos. Los materiales orgánicos pueden impulsar la electrónica hacia el futuro de una manera más sostenible de lo que es posible en el mundo electrónico actual.
Por último, "electrónica ecológica" significaque la electrónica en sí misma es duradera. La versatilidad de la electrónica orgánica, junto con la promesa del campo para la sostenibilidad ambiental y social, señala el camino hacia una suite de tecnología de larga duración.
Situación del mercado
Según Allied Market Research, para 2027El mercado de la electrónica orgánica alcanzará los 159.100 millones de dólares con una tasa compuesta anual del 21,0%. La creciente demanda debido a la adopción de tecnologías que apoyan el desarrollo sostenible y la necesidad de que la electrónica orgánica desarrolle las últimas tecnologías ha impulsado el crecimiento del mercado mundial de la electrónica orgánica. Según los materiales, el segmento de semiconductores representó la mayor proporción en 2019. Según la región, el mercado de Asia Pacífico tuvo la mayor parte en 2019.
Además, esta semana se estrenóInforme grande "Volumen, participación, crecimiento e informe del mercado de electrónica orgánica hasta 2020-2028". Según sus datos, durante el período previsto el mercado mundial de la electrónica orgánica no hará más que crecer. Este informe de investigación examina el panorama del mercado y sus perspectivas de desarrollo en el futuro próximo. Después de examinar las empresas clave, el informe se centra en los nuevos participantes que impulsan el crecimiento del mercado. La mayoría de las empresas del mercado mundial de la electrónica orgánica están adoptando actualmente nuevas tendencias tecnológicas en el mercado.
Finalmente, los investigadores arrojan luz sobre varias formas de identificar las fortalezas, debilidades, oportunidades y amenazas que afectan el crecimiento del mercado global de electrónica orgánica.
Algunos de los actores clave que trabajan en estoEl mercado incluye empresas como 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.
¿Cuál es el resultado final?
Durante las últimas décadas, la regiónLa electrónica orgánica claramente ha hecho grandes avances: muchos dispositivos ya están en el mercado y muchos prototipos están en desarrollo. Este campo seguirá creciendo, cambiando la forma en que la sociedad interactúa con la tecnología a medida que los químicos, físicos y otros científicos e ingenieros aborden los desafíos de la investigación. Los programas de investigación y capacitación interdisciplinarios que reúnen a científicos e ingenieros de diferentes campos del conocimiento, así como de diferentes sectores de actividad (por ejemplo, academia, industria, gobierno), contribuirán a los esfuerzos colaborativos necesarios para resolver estos problemas.
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