Mikä on orgaaninen elektroniikka?
Tämä on elektroniikan ala, joka käyttää orgaanisia materiaaleja
Perinteinen elektroniikka perustuu kiinteäänpii, jota käytetään puolijohteiden luomiseen. Ne ovat epäorgaanisia (ts. Ne eivät sisällä hiiltä). Sen sijaan orgaanisessa elektroniikassa käytetään hiilipohjaisia molekyylejä - joko pieniä molekyylejä tai polymeerejä, jotka ovat pitkiä molekyyliketjuja. Lähes kaikki biologiset molekyylit ovat orgaanisia yhdisteitä, mutta myös hiilivedyistä peräisin olevia aineita, kuten petrokemikaalit, öljyt ja muovit. Monet ihmiset saattavat ajatella polymeerejä erityisesti johtamattomina - esimerkiksi muovipolymeerejä käytetään kuparilangan eristämiseen. Mutta jotkut orgaaniset polymeerit ja molekyylit voivat johtaa sähköä.
Kuinka ne eroavat perinteisestä piipohjaisesta elektroniikasta?
Orgaanisilla yhdisteillä on joitainetuja epäorgaanisiin yhdisteisiin verrattuna. Ne ovat kevyitä, joustavia ja läpinäkyviä - jotka kaikki eroavat merkittävästi klassisesta piitekniikasta. Ne voivat myös olla halvempia valmistaa.
Miksi orgaaninen elektroniikka aiheuttaa niin paljon hypeä?
On niin monia orgaanisia yhdisteitä jalaaja valikoima funktionaalisia ryhmiä (atomiklusterit, joilla on omat erityisominaisuudet). Niiden elektroniset ominaisuudet ovat erittäin helposti säädettävissä lisäämällä toiminnallisia ryhmiä. Jotkut funktionaaliset ryhmät poistavat elektroneja ja jotkut luovuttavat elektroneja, joten yhdistämällä niitä tiedemiehet voivat virittää halutut ominaisuudet erittäin tarkasti. Voit esimerkiksi säätää valodiodien fluoresenssia.
Kuinka uudenlainen elektroniikka ilmestyi?
Orgaaninen elektroniikka alkoi 1950-luvullavuotta, jolloin H. Inokuchi ja hänen kollegansa löysivät ensimmäisen johtavan orgaanisen molekyylin. Tämän löydöksen perusteella määritettiin, että orgaaniset molekyylit voisivat olla puolijohteita, termiä, jota käytetään yleisesti piille, germaniumille ja muille vastaaville alkuaineille. On käynyt ilmi, että orgaanisilla puolijohteilla on useita etuja verrattuna perinteisiin puolijohteisiin.
Orgaaniset puolijohteet
W.Helfrich ja V.G.Schneider huomasi, että orgaaniset molekyylit voivat lähettää valoa. Ensimmäistä kertaa tällainen ominaisuus löydettiin antraseenimolekyylistä. Ainoa haittapuoli oli, että tämä vaikutus vaati suurjännitettä, mikä teki löydöksestä ja mahdollisesta jatkokehityksestä erittäin tehotonta. Sitten 1980-luvulla kolme tutkijaa - Heeger, McDiarmid ja Shirakawa - valmistivat johtavia polymeerejä, joista he saivat Nobelin kemian palkinnon vuonna 2000. Muutama vuosi myöhemmin havaittiin, että peryleenitetrakarboksyylidianhydridillä - PTCDA: lla, orgaanisella värimolekyylillä, jota edelleen käytetään automaaleissa, on puolijohtavia ominaisuuksia.
Seuraava tärkeä virstanpylväs oli avajaisetorgaaniset valodiodit - OLED - orgaanisista yhdisteistä valmistetut puolijohdelaitteet, jotka lähettävät tehokkaasti valoa, kun sähkövirta kulkee niiden läpi. Tämän laitteen keksivät vuonna 1987 Kodakin Ching Tang ja Stephen Van Slykme. Laite pystyi lähettämään valoa vain 5 voltilla ja muutti näyttöteollisuutta ikuisesti.
Missä tällaista elektroniikkaa käytetään nyt ja mikä on sen tulevaisuus?
Professori Andreas Hirschin mukaanOrgaanisen kemian laitos Friedrich-Alexanderin yliopistossa Erlangen-Nürnbergissä Saksassa elektroniikka, joka on valmistettu pikemminkin hiilestä kuin piistä, voi johtaa uuden sukupolven lääketieteellisiin laitteisiin, antureihin ja ehkä jopa robotteihin.
"Useimmat ihmiset todennäköisesti käyttävätnäyttötekniikat. Orgaaniset valodiodit (OLED) ovat nykyään melko yleisiä matkapuhelimissa, ja niillä voi ostaa myös televisioita. Mutta jo ennen sitä nestekidenäyttöjä (LCD:itä), joita voidaan pitää eräänlaisena orgaanisena elektroniikkana, on käytetty monissa sovelluksissa vuosia”, Hirsch selittää Horizonin Richard Grayn haastattelussa.
”Olen vakuuttunut siitä, että sinä noin 50 vuoden kuluttuanäet monia muita robotteja, jotka näyttävät orgaanisilta, jotka voivat suorittaa toimintoja, joita metallipohjaiset robotit eivät voi ”, tiedemies kertoo.
Orgaanisen elektroniikan sovellusspektri
Orgaanisella elektroniikalla on monenlaisia käyttötarkoituksia. Neljä niistä voidaan kutsua lupaavimmiksi: näytöt, aurinkosähkö- ja transistoritekniikat sekä biolääketiede.
Näytöt
OLED (orgaaniset valodiodit) —se on uraauurtava tekniikka, jonka ovat kehittäneet Ching Tang ja Stephen Van Slyke. OLEDit koostuvat orgaanisesta kalvosta, joka käyttää fosforesenssia oman valonsa tuottamiseen taustavalon sijaan. Fosforesenssi on emissio, joka johtuu elektronien virityksestä, joka kestää pitkään. Olet ehkä huomannut tämän rannekelloissa ja kellotauluissa, jotka hehkuvat pimeässä.
Namsan Soulin torni 1F - OLED-tunneli
Fosforesenssi on erityinen fotoluminesenssityyppi.Toisin kuin fluoresoiva aine, fosforoiva aine ei vapauta välittömästi absorboitunutta energiaa. Pidemmät uudelleenkäynnistysajat liittyvät “kiellettyihin” energiansiirtymiin kvanttimekaniikassa.
OLED-käyttö on melko suoraviivaista.Orgaaninen kalvo koostuu kahdesta kerroksesta: emittoivasta ja johtavasta kerroksesta. Kahden kerroksen välisellä rajalla on reikiä. Säteilevä kerros lähettää elektroneja, ja elektronien ja reikien rekombinaatio johtaa fotonien muodostumiseen, jotka muodostavat valon.
OLED-malleja on periaatteessa kahdenlaisia - passiivinen ja aktiivinen matriisi.
- Passiivisessa matriisissa OLED (PMOLED) on raidatkatodi- ja anodiliuskat, ne ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden. Risteykset ja muodostavat pikselit, joista valo lähtee. Ulkoiset piirit syöttävät virtaa valituille anodi- ja katodiliuskoille määrittämällä, mitkä pikselit ovat päällä ja mitkä pysyvät poissa. Kirkkaus riippuu käytetyn virran suuruudesta. Niiden haittana on, että ne kuluttavat paljon virtaa ja siksi niitä käytetään pienissä näytöissä, kuten PDA-laitteissa (Personal Digital Assistant) ja MP3-soittimissa.
- Toinen OLED-tyyppi on aktiivimatriisi OLED(AMOLED). AMOLEDeillä on myös kokonaiset katodikerrokset, orgaaninen materiaali ja anodi, mutta anodikerros menee päällekkäin ohutkalvotransistoriryhmän (TFT) matriisin kanssa. TFT-taulukko on piiri, joka määrittää, mitkä pikselit ovat päällä muodostaakseen kuvan.
AMOLED-laitteet kuluttavat paljon vähemmän virtaa kuinPMOLED, koska TFT-matriisi vaatii vähemmän virtaa kuin ulkoiset piirit. Tämän seurauksena ne soveltuvat suuriin näyttöihin, kuten tietokonenäyttöihin, televisioihin ja sähköisiin mainostauluihin.
OLED-LED:issä puolestaan on moniaetuja LCD-näyttöihin (nestekidenäyttöihin) verrattuna. Perinteiset LCD-näytöt koostuvat monista osista. Nestekiteillä ei ole omaa taustavaloa, joten ne käyttävät taustavaloa. Lisäksi Näyttömalleissa on heijastinlevyt kirkkauden parantamiseksi, diffuusorilevyt valon erottamiseksi ja jakamiseksi tasaisesti, pohjapolarisaattori ja yläpolarisaattori, värisuodatin värillisen valon luomiseksi ja tietysti nestekiteet, jotka ovat avainelementtejä. Tämä lisää dramaattisesti näytön paksuutta.
Kvanttivaloa lähettävät diodit (QLED) - Muutsuunta. Ne sisältävät polarisaattoreita ja värisuodattimia. Ne tarvitsevat myös taustavalon, koska kvanttipisteet eivät pysty säteilemään omaa valoaan. Tämän seurauksena näistä näytöistä tulee liian paksuja. OLED-LEDit ovat tyylikkäitä, tuottavat enemmän absoluuttista mustaa kuin QLEDit ja toimivat paremmin hämärässä, koska jokainen pikseli valaistaan erikseen. OLED-näytöt voivat olla hyvin ohuita. Silti useimmat yritykset ja kuluttajat valitsevat älypuhelimiinsa OLED-näytöt.
Valosähkösovellukset
Orgaaniset aurinkosähkölaitteet ovatenimmäkseen orgaanisia aurinkokennoja. Polymeerejä käytetään yleisesti aurinkosähkömateriaalina. Yksi orgaanisten materiaalien käytön tärkeimmistä eduista aurinkokennojen valmistuksessa on, että orgaanisten molekyylien "optinen absorptiokerroin" on korkea, joten pieni määrä materiaalia voi absorboida suuren määrän valoa, yleensä satojen nanometrit. Ne ovat myös erittäin joustavia ja paljon ohuempia kuin piikovetit. Vaikka nykyisellä OPV (Organic Photovoltaic) -tekniikalla muunnostehokkuus on yli 10% ja jopa 12%, jotkut tutkijat ennustavat orgaanisten aurinkokennojen 15-20%: n hyötysuhteen. Ne voidaan myös rullata ja jopa kompostoida.
Ja vaikka elämme yhä sähköisemmässä maailmassa,pääsy tähän maailmaan on rajallinen. Arviolta 1,3 miljardilla ihmisellä ei ole sähköä, ja monet ihmiset luottavat kerosiiniin, paristoihin tai dieselgeneraattoreihin. Halvempien valmistuskustannusten takia orgaaninen elektroniikka lupaa paitsi muuttaa ihmisten tekniikkaa myös laajentaa niiden käyttöä väestöryhmille ilman verkkoon pääsyä.
Orgaanisten tuotteiden suurin haittaaurinkosähkökennot ovat pienitehoisia verrattuna epäorgaanisiin aurinkokennoihin, kuten pii-aurinkokennoihin. Mutta tämän ongelman ratkaisemiseksi tehdään tutkimusta, ja päivittäin löydetään uusia materiaaleja, jotka voivat mullistaa aurinkoenergia-alan.
Joustavat painetut orgaaniset transistorit
Transistorit ovat perustekijöitänykyaikaisten elektronisten laitteiden lohkot, jotka joko vahvistavat signaaleja tai toimivat kytkiminä. Orgaaninen kenttätransistori (OFET) on kenttävaikutteinen transistori, joka sisältää johtavia elektrodeja, orgaanisen puolijohteen ja dielektrisen. Sen erikoisuus on, että se käyttää hyvin vähän virtaa partioimaan erittäin suurta virtaa ja toimii myös hyvänä kytkimenä. Nämä transistorit valmistetaan painetuilla piireillä käyttämällä joustavia orgaanisia väriaineita. Erityistä huomiota on kiinnitettävä siihen, ettei aineeseen pääse epäpuhtauksia, koska se voi vaikuttaa haitallisesti materiaalin johtavuuteen.
Painettu piiri OFET: llä
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, lisensoitu CC BY 4.0:lla
Viime vuosina kiinnostus OFETiinon kasvanut valtavasti ja hyvästä syystä. Ominaisuuksiltaan OFET voi kilpailla amorfisen piin (a-Si) kanssa. Tämän seurauksena on nyt lisääntynyt kiinnostus OFET:ien teolliseen käyttöön sovelluksissa, jotka eivät tällä hetkellä ole yhteensopivia a-Si:n tai muiden epäorgaanisten transistoritekniikoiden käytön kanssa. Yksi niiden tärkeimmistä teknologisista eduista on, että kaikki OFET-kerrokset voidaan kerrostaa ja strukturoida huoneenlämmössä, mikä tekee niistä ihanteellisia edullisien, laaja-alaisten elektronisten laitteiden toteuttamiseen joustaville alustoille. Pii on lämmitettävä korkeisiin, yli 40°C lämpötiloihin, jotta se voidaan valaa muottiin. On kuitenkin liian aikaista puhua OFETin laajasta käytöstä tekniikan epätäydellisyyden vuoksi.
Biolääketiede
Toinen tärkeä orgaanisen käyttöelektroniikka on lääkettä. Esimerkiksi sokeuden hoitoon käyttämällä verkkokalvosirua, joka istutetaan silmään. Laite havaitsee silmään tulevat valosignaalit ja muuntaa ne sähköisiksi signaaleiksi, jotka lähetetään aivoihin. Orgaanisilla väriaineilla päällystetyt elektrodit välittävät sähköisiä signaaleja silmän reseptorisoluille.
Koostumuksen on oltava biologisesti yhteensopiva.Oikean materiaalin ja komponenttien seosten valinta on kriittinen. Juuri nyt se on antanut sokeiden potilaiden havaita valon ja pimeyden, esineiden ääriviivat, joskus jopa kirjeet ja ilmeet. Tutkijoiden tavoitteena on, että laitteella ei ole vain korkea resoluutio, vaan myös hyvä suorituskyky. Tämä on hieno esimerkki siitä, miten tekniikka ja lääketiede parantavat ihmisten elämää.
Uuden elektroniikan tulevaisuus
Orgaanisen elektroniikan ala tulee olemaan tulevaisuudessakehittyvät edelleen tavoilla, joita ei edes voida kuvitella. Joitakin ideoita on jo toteutettu, kuten OLED-älypuhelimet, televisiot ja edulliset aurinkopaneelit, jotka on asennettu maaseudun katoille. Tulevaisuudessa taitettavat älypuhelimet yleistyvät, ja esimerkiksi elektronisen ihon, joka jäljittelee kosketusherkkyydessä ihmisen ihoa, kehittäminen vie enemmän aikaa. Muut ennusteet eivät ole vielä mahdollisia, koska sovellukset ovat monipuolisia ja kattavat monia alueita - lääketiede ja biolääketiede, energia ja ympäristö, viestintä ja viihde, koti- ja toimistokalusteet, vaatteet ja henkilökohtaiset tarvikkeet ja paljon muuta.
Orgaaninen elektroniikka pystyy myöstuottaa, käyttää ja kierrättää elektroniikkaa ympäristöystävällisemmin. Tiedemiehet ja insinöörit etsivät tapoja tehdä uudesta elektroniikasta energiatehokkaampaa kuin nykyiset piipohjaiset mallit.
Mitä hyötyä orgaanisten aineiden käytöstä elektronisessa tuotannossa on?
- Uusia mahdollisuuksia
Orgaanisilla materiaaleilla on ainutlaatuinenominaisuuksia, joita ei voida saavuttaa piipohjaisella elektroniikalla. Niiden ominaisuuksia ovat herkkyys, bioyhteensopivuus ja joustavuus. Tunnistus on elektronisten laitteiden käyttöä kemiallisten tai biologisten aineiden havaitsemiseen ympäristössä tai ihmiskehossa.
Tiedemiehet kuvittelevat biosensorit, jotka eivätei vain havaitse diabetesta sairastavien ihmisten glukoositasoja, vaan myös jakaa sopivan insuliiniannoksen oikeaan aikaan. Orgaaniset elektroniset materiaalit eivät ole pelkästään kemiallisesti yhteensopivia biologisten järjestelmien kanssa kuin piipohjaiset laitteet; ne antavat aineelle joustavuutta, venymistä ja mekaanista "pehmeyttä".
Yhdessä nämä ominaisuudet luovat mahdollisuuden innovatiivisille bioelektronisille antureille, jotka sopivat yhteen ihmiskehon kaarevuuden ja liikkuvien osien kanssa.
- Energiatehokkuus
Kuten tiedemiehet ja insinöörit jatkavatparantaa elektroniikassa käytettävien orgaanisten materiaalien synteesiä ja karakterisointia, he toivovat, että tällaisten materiaalien käyttö johtaa energiatehokkaampiin elektronisiin näyttöihin, valaisimiin ja muihin laitteisiin.
Esimerkiksi on välttämätöntä tehdä luomuaaurinkokennot ovat tehokkaampia, jotta niitä voidaan käyttää paikoissa, kuten Pohjois-Euroopassa ja suuressa osassa Venäjää, missä yöt ovat hyvin pitkiä ja auringonvaloa on vain lyhyitä, varsinkin talvella.
Insinöörit yrittävät luoda laitteitakauemmin kestävät orgaaniset materiaalit ovat kierrätettäviä tai ehkä jopa biohajoavia. Orgaanisen elektroniikan valmistusmenetelmistä tulee myös energiatehokkaampia, mikä johtaa vähemmän vaiheisiin ja vähemmän hukkalämmön talteenottomenetelmiin.
- Vähemmän jätettä, enemmän turvallisuutta
Orgaanisten materiaalien käyttöelektronisten laitteiden luominen antaa toivoa, että tulevissa elektroniikan valmistusmenetelmissä käytetään vähemmän raaka-aineita, ja se on myös turvallisempaa.
Materiaalia voidaan säästää luottamalla vähempääntuhlaavat prosessit, kuten tulostus. Materiaaleja lisätään rakenteisiin tai laitteisiin kerros kerrokselta niiden luomisen yhteydessä, toisin kuin sentrifugoinnissa, jossa materiaalit poistetaan ja ylimääräinen hävitetään.
Sen lisäksi, että käytät vähemmänkemikaalit etsivät tapoja käyttää turvallisempia materiaaleja. Esimerkiksi monet polymeerit vaativat syöpää aiheuttavia liuottimia. Joitakin liuottimia ei edes sallita painoteollisuudessa EU: ssa niiden myrkyllisyyden vuoksi.
- Vakaa elektroniikka
Vihreämpiä elektronisia tuotteita- Kyse ei ole vain "vihreiden" aurinkokennojen tai muiden laitteiden luomisesta, vaan myös "vihreiden" tuotantomenetelmien käytöstä. Ympäristön kestävyyttä on sovellettava tuotantosyklin kaikissa vaiheissa raaka-aineiden hankinnasta jätteiden hävittämiseen. Orgaaniset materiaalit voivat ajaa elektroniikkaa tulevaisuuteen kestävämmällä tavalla kuin on mahdollista nykypäivän elektronisessa maailmassa.
Vihreä elektroniikka tarkoittaa lopuksiettä elektroniikka itsessään on kestävää. Orgaanisen elektroniikan monipuolisuus yhdistettynä alan lupauksiin ympäristön ja sosiaalisen kestävyyden suhteen osoittavat tietä kohti hyvin pitkäikäistä teknologiasarjaa.
Markkinatilanne
Allied Market Researchin mukaan vuoteen 2027 mennessäLuomuelektroniikkamarkkinat saavuttavat 159,1 miljardin dollarin CAGR:n ollessa 21,0 %. Kasvava kysyntä, joka johtuu kestävää kehitystä tukevien teknologioiden käyttöönotosta ja orgaanisen elektroniikan tarve kehittää uusimpia teknologioita, on vauhdittanut globaalien luomuelektroniikkamarkkinoiden kasvua. Materiaalien perusteella puolijohdesegmentin osuus oli suurin vuonna 2019. Alueen perusteella Aasian ja Tyynenmeren markkinat omistivat leijonanosan vuonna 2019.
Lisäksi tällä viikolla se julkaistiinsuuri raportti "Orgaanisen elektroniikan markkinoiden volyymi, osuus, kasvu ja raportti vuoteen 2020-2028 ". Sen mukaan ennustejaksolla globaalit luomuelektroniikkamarkkinat vain kasvavat. Tässä tutkimusraportissa tarkastellaan markkinamaisemaa ja sen lähitulevaisuuden kehitysnäkymiä. Avainyritysten tarkastelun jälkeen raportti keskittyy uusiin tulokkaisiin, jotka ajavat markkinoiden kasvua. Useimmat globaalien luomuelektroniikkamarkkinoiden yrityksistä omaksuvat tällä hetkellä uusia teknologisia suuntauksia markkinoilla.
Lopuksi tutkijat valaisevat erilaisia tapoja tunnistaa vahvuudet, heikkoudet, mahdollisuudet ja uhat, jotka vaikuttavat globaalien luomuelektroniikkamarkkinoiden kasvuun.
Jotkut avaintoimijoista, jotka työskentelevät tämän parissamarkkinoita ovat muun muassa 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.
Mikä lopputulos on?
Viime vuosikymmenien aikana alueOrgaaninen elektroniikka on selvästi edistynyt valtavasti: monet laitteet ovat jo markkinoilla, ja monia prototyyppejä on kehitteillä. Tämä kenttä kasvaa edelleen ja muuttaa yhteiskunnan tapaa toimia teknologian kanssa, kun kemistit, fyysikot ja muut tutkijat ja insinöörit kohtaavat tutkimushaasteita. Tieteidenväliset tutkimus- ja koulutusohjelmat, jotka tuovat yhteen eri tietämysalojen sekä eri toimialojen (esim. Korkeakoulut, teollisuus, hallitus) tutkijoita ja insinöörejä, auttavat näiden ongelmien ratkaisemiseksi tarvittavissa yhteistyötoimissa
Lue myös
Tutkijat ovat kehittäneet puhtaan energian grafeenista ensimmäistä kertaa
Sairauspäivänä 3 useimmat COVID-19-potilaat menettävät hajuaistunsa ja kärsivät usein nenästä
Tuomiopäivän jäätikkö osoittautui vaarallisemmaksi kuin tutkijat ajattelivat. Kerromme pääasia