Što je organska elektronika?
Ovo je grana elektronike koja koristi organske materijale
Tradicionalna elektronika temelji se na čvrstom tijelusilicija, koji se koristi za stvaranje poluvodiča. Oni su anorganski (to jest, ne sadrže ugljik). Nasuprot tome, organska elektronika koristi molekule na bazi ugljika - bilo male molekule ili polimere, koji su dugi lanci molekula. Gotovo sve biološke molekule su organski spojevi, ali i tvari dobivene iz ugljikovodika poput petrokemikalija, ulja i plastike. Mnogi ljudi mogu smatrati polimere posebno neprovodljivim - na primjer, plastični polimeri se koriste za izolaciju bakrenih žica. No neki organski polimeri i molekule mogu provoditi električnu energiju.
Po čemu se razlikuju od tradicionalne elektronike na bazi silicija?
Organski spojevi imaju nekeprednosti u odnosu na anorganske spojeve. Lagani su, fleksibilni i prozirni - svi se značajno razlikuju od klasične tehnologije silicija. Također mogu biti jeftiniji u proizvodnji.
Zašto organska elektronika izaziva toliko uzbuđenja?
Postoji toliko mnogo organskih spojeva iširok izbor funkcionalnih skupina (nakupine atoma sa svojim posebnim svojstvima). Njihova elektronička svojstva postaju vrlo jednostavna za podešavanje dodavanjem funkcionalnih skupina. Neke funkcionalne skupine povlače elektrone, a neke ih doniraju, pa njihovim kombiniranjem znanstvenici mogu vrlo precizno podesiti željena svojstva. Na primjer, možete podesiti fluorescenciju za svjetlosne diode.
Kako je nastala nova vrsta elektronike?
Organska elektronika počela je 1950 -ihgodine kada su H. Inokuchi i njegovi kolege otkrili prvu provodljivu organsku molekulu. Iz ovog otkrića utvrđeno je da bi organske molekule mogle biti poluvodiči, izraz koji se obično koristi za silicij, germanij i druge slične elemente. Pokazalo se da organski poluvodiči imaju niz prednosti u odnosu na tradicionalne poluvodiče.
Organski poluvodiči
V. Helfrich i V.G.Schneider je otkrio da organske molekule mogu emitirati svjetlost. Ovo svojstvo je prvi put otkriveno u molekuli antracena. Jedini nedostatak bio je što je za taj učinak bio potreban visoki napon, što je otkriće i mogući daljnji razvoj učinilo krajnje neučinkovitim. Zatim su osamdesetih godina tri znanstvenika - Heeger, McDiarmid i Shirakawa - napravili provodljive polimere, za koje su 2000. dobili Nobelovu nagradu za kemiju. Nekoliko godina kasnije otkriveno je da perilen tetrakarboksilni dianhidrid - PTCDA, molekula organske boje koja se još uvijek koristi u automobilskim bojama, ima poluvodička svojstva.
Sljedeća važna prekretnica bilo je otvaranjeorganske svjetleće diode - OLED - poluvodički uređaji izrađeni od organskih spojeva koji učinkovito emitiraju svjetlost kada kroz njih prolazi električna struja. Ovaj uređaj su 1987. izumili Ching Tang i Stephen Van Slykme iz Kodaka. Uređaj je mogao emitirati svjetlost sa samo 5 volti i zauvijek je promijenio industriju zaslona.
Gdje se sada koristi takva elektronika i kakva joj je budućnost?
Prema riječima profesora Andreasa Hirscha, pročelnikaOdsjek za organsku kemiju Sveučilišta Friedrich-Alexander u Erlangen-Nürnbergu u Njemačkoj, elektronika izrađena od ugljika, a ne silicija mogla bi dovesti do nove generacije medicinskih uređaja, senzora, a možda čak i robota.
"Većina će ljudi vjerojatno koristitizaslonske tehnologije. Organske svjetleće diode (OLED) danas su prilično česte u mobitelima, a uz njih možete kupiti i televizore. Ali i prije toga, zasloni s tekućim kristalima (LCD), koji se mogu smatrati vrstom organske elektronike, godinama su se koristili u mnogim aplikacijama”, objašnjava Hirsch u intervjuu s Richardom Grayem iz Horizona.
“Uvjeren sam da ćete za otprilike 50 godina vividjet ćete još mnogo robota koji izgledaju organski, koji mogu obavljati funkcije koje roboti na bazi metala ne mogu ”, kaže znanstvenik.
Spektar primjena organske elektronike
Organska elektronika ima široku primjenu. Četiri od njih možemo nazvati najperspektivnijim: zasloni, fotonaponske i tranzistorske tehnologije i biomedicina.
Zasloni
OLED (organske svjetleće diode) —to je pionirska tehnologija koju su razvili Ching Tang i Stephen Van Slyke. OLED se sastoje od organskog filma koji koristi svojstvo fosforescencije za generiranje vlastite svjetlosti umjesto korištenja pozadinskog osvjetljenja. Fosforescencija je emisija uslijed ekscitacije elektrona koja traje dugo vremena. Možda ste to primijetili na ručnim satovima i brojčanicima koji svijetle u mraku.
Namsan Seoul Tower 1F - OLED tunel
Fosforescencija je posebna vrsta fotoluminiscencije.Za razliku od fluorescentne tvari, fosforescentna tvar ne emitira odmah apsorbiranu energiju. Duža vremena ponovne emisije povezana su s "zabranjenim" prijelazima energije u kvantnoj mehanici.
OLED rad je prilično jednostavan.Organski film sastoji se od dva sloja: emitirajućeg i vodljivog. Na rubu između dva sloja nalaze se rupe. Emitirajući sloj emitira elektrone, a rekombinacija elektrona i rupa rezultira stvaranjem fotona koji čine svjetlost.
U osnovi postoje dvije vrste OLED -ova - pasivna i aktivna matrica.
- Pasivna matrica OLED (PMOLED) ima prugekatodne i anodne trake, međusobno su okomite. Raskrižja i tvore piksele iz kojih se emitira svjetlost. Vanjski krugovi opskrbljuju struju odabranim trakama anode i katode, određujući koji će pikseli biti uključeni, a koji ostati isključeni. Svjetlina ovisi o veličini primijenjene struje. Nedostatak im je što troše mnogo energije pa se stoga koriste na malim ekranima poput PDA (Personal Digital Assistant) i MP3 playera.
- Druga vrsta OLED -a je OLED s aktivnom matricom(AMOLED). AMOLED -i također imaju pune slojeve katode, organskog materijala i anode, ali anodni sloj preklapa matricu tankoslojnog tranzistora (TFT). TFT niz je sklop koji određuje koji su pikseli uključeni za stvaranje slike.
AMOLED -i troše mnogo manje energije negoPMOLED jer TFT niz zahtijeva manje energije od vanjskih krugova. Zbog toga su prikladni za velike zaslone kao što su računalni monitori, televizori i elektronički panoi.
Zauzvrat, OLED LED ima mnogoprednosti u odnosu na LCD (zasloni s tekućim kristalima). Tradicionalni LCD zasloni sastoje se od mnogo dijelova. Tekući kristali nemaju svoje pozadinsko osvjetljenje, pa koriste pozadinsko osvjetljenje. Osim toga Dizajni zaslona imaju reflektorske ploče za poboljšanje svjetline, difuzorske ploče za odvajanje i ravnomjernu raspodjelu svjetlosti, donji polarizator i gornji polarizator, filtar u boji za stvaranje svjetla u boji i naravno tekuće kristale, koji su ključni elementi. To dramatično povećava debljinu zaslona.
Kvantne svjetleće diode (QLED) - ostalosmjer. Sadrže polarizatore i filtre boja. Također im je potrebno pozadinsko osvjetljenje jer kvantne točke ne mogu emitirati vlastitu svjetlost. Kao rezultat toga, ovi zasloni postaju predebeli. OLED LED diode su elegantne, proizvode više apsolutne crne od QLED lampica i bolje rade pri slabom svjetlu jer je svaki piksel zasebno osvijetljen. OLED zasloni mogu biti vrlo tanki. Ipak, većina tvrtki i potrošača bira OLED zaslone za svoje pametne telefone.
Fotonaponske aplikacije
Ugrađeni su organski fotonaponski uređajiuglavnom organske solarne ćelije. Polimer se obično koristi kao fotonaponski materijal. Jedna od glavnih prednosti korištenja organskih materijala za izradu solarnih ćelija je ta što je "koeficijent optičke apsorpcije" organskih molekula visok, pa mala količina materijala može apsorbirati veliku količinu svjetlosti, obično stotinama nanometara. Također su vrlo fleksibilni i mnogo tanji od svojih silicijskih kolega. Dok se trenutna tehnologija OPV (Organic Photovoltaic) može pohvaliti učinkovitošću pretvorbe većom od 10%, dosežući čak 12%, neki istraživači predviđaju da će organske solarne ćelije postići učinkovitost od 15-20%. Mogu se i smotati, pa čak i kompostirati.
Iako živimo u sve više elektroničkom svijetu,pristup ovom svijetu je ograničen. Procjenjuje se da 1,3 milijarde ljudi nema pristup električnoj energiji, a mnogi se ljudi oslanjaju na petrolej, baterije ili dizel generatore. Zbog jeftinijih troškova proizvodnje, organska elektronika obećava ne samo da će promijeniti način na koji ljudi koriste tehnologiju, već i proširiti njihovu upotrebu na stanovništvo bez pristupa mreži.
Glavni nedostatak organskogfotonaponske ćelije niske su učinkovitosti u usporedbi s anorganskim fotonaponskim ćelijama poput silicijskih solarnih ćelija. No, istraživanja se provode kako bi se riješio ovaj problem, a svakodnevno se otkrivaju novi materijali koji bi mogli revolucionirati industriju solarne energije.
Fleksibilni tiskani organski tranzistori
Tranzistori su temeljni građevni blokoviblokovi suvremenih elektroničkih uređaja koji pojačavaju signale ili djeluju kao prekidači. Organski tranzistor s efektom polja (OFET) je tranzistor s efektom polja koji sadrži provodne elektrode, organski poluvodič i dielektrik. Njegova je posebnost u tome što koristi vrlo malo snage za ophodnju vrlo velikom strujom, a također djeluje i kao dobar prekidač. Ovi tranzistori proizvedeni su tiskanim krugovima pomoću fleksibilnih organskih boja. Posebno se pazi da u materijal ne uđu zagađivači jer to može negativno utjecati na vodljivost materijala.
Tiskani krug pomoću OFET -a
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, licencirano pod CC BY 4.0
Tijekom posljednjih nekoliko godina interes za OFETenormno je porastao i to s dobrim razlogom. Po svojim karakteristikama OFET može konkurirati amorfnom siliciju (a-Si). Kao rezultat toga, sada postoji povećani interes za industrijsku upotrebu OFET-a za aplikacije koje su trenutno nekompatibilne s upotrebom a-Si ili drugih tehnologija anorganskih tranzistora. Jedna od njihovih glavnih tehnoloških prednosti je ta da se svi OFET slojevi mogu taložiti i strukturirati na sobnoj temperaturi, što ih čini idealnim za realizaciju jeftinih elektroničkih uređaja velike površine na fleksibilnim podlogama. Silicij se mora zagrijati na visoke temperature koje prelaze 40°C da bi se izlio u kalup. Međutim, prerano je govoriti o širokoj upotrebi OFET-a zbog nesavršenosti tehnologije.
Biomedicina
Još jedna važna upotreba organskogelektronika je lijek. Na primjer, za liječenje sljepoće pomoću retinalnog čipa koji se ugrađuje u oko. Uređaj detektira svjetlosne signale koji ulaze u oko i pretvara ih u električne signale koji se šalju u mozak. Elektrode obložene organskim bojama prenose električne signale do receptorskih stanica oka.
Sastav mora biti biokompatibilan.Odabir pravih materijala i mješavina komponenti je kritičan. Trenutačno je slijepim pacijentima omogućio opažanje svjetla i tame, obrise objekata, ponekad čak i slova i izraza lica. Cilj znanstvenika je da uređaj ne samo da ima visoku rezoluciju, već i dobre performanse. Ovo je izvrstan primjer kako tehnologija i medicina zajedno rade na poboljšanju života ljudi.
Budućnost nove elektronike
Područje organske elektronike u budućnosti će bitinastavljaju evoluirati na načine koji se danas ne mogu ni zamisliti. Neke su ideje već provedene, poput OLED pametnih telefona, televizora i jeftinih solarnih panela koji se ugrađuju na krovove u ruralnim područjima. U budućnosti će se sklopivi pametni telefoni učestalo pojavljivati, a, primjerice, za razvoj elektroničke kože koja oponaša ljudsku kožu po taktilnoj osjetljivosti bit će potrebno više vremena. Druga predviđanja još nisu moguća jer su aplikacije raznolike i pokrivaju mnoga područja - medicina i biomedicinska istraživanja, energija i okoliš, komunikacije i zabava, namještaj za dom i ured, odjeća i osobni pribor i još mnogo toga.
Organska elektronika također možeproizvodnju, korištenje i recikliranje elektronike koja je prihvatljivija za okoliš. Znanstvenici i inženjeri traže načine da novu elektroniku učine energetski učinkovitijom od današnjih dizajna koji se temelje na siliciju.
Koje su prednosti korištenja organskih tvari za elektroničku proizvodnju?
- Nove mogućnosti
Organski materijali su jedinstvenisvojstva koja se ne mogu postići elektronikom na bazi silicija. Njihova svojstva uključuju osjetljivost, biokompatibilnost i fleksibilnost. Senzor je upotreba elektroničkih uređaja za otkrivanje kemijskih ili bioloških tvari u okolišu ili na ljudskom tijelu.
Znanstvenici predviđaju biosenzore koji to ne činene samo da otkrivaju razine glukoze kod osoba s dijabetesom, već i zapravo distribuiraju odgovarajuću dozu inzulina u pravo vrijeme. Organski elektronički materijali nisu samo kemijski kompatibilniji s biološkim sustavima nego uređaji temeljeni na siliciju; daju tvari fleksibilnost, rastezljivost i mehaničku "mekoću".
Zajedno, ova svojstva stvaraju potencijal za inovativne bioelektroničke senzore koji mogu odgovarati zakrivljenosti i pokretnim dijelovima ljudskog tijela.
- Energetska učinkovitost
Kako znanstvenici i inženjeri nastavljajupoboljšati sintezu i karakterizaciju organskih materijala za upotrebu u elektronici, nadaju se da će upotreba takvih materijala dovesti do energetski učinkovitijih elektroničkih zaslona, rasvjete i drugih uređaja.
Na primjer, potrebno je napraviti organskisolarne ćelije su učinkovitije pa se mogu koristiti na mjestima poput sjeverne Europe i većeg dijela Rusije, gdje su noći vrlo duge i postoje samo kratka razdoblja sunčeve svjetlosti, posebno zimi.
Inženjeri pokušavaju stvoriti uređaje odorganski materijali koji traju dulje mogu se reciklirati ili možda čak i biorazgraditi. Metode proizvodnje organske elektronike također će postati energetski učinkovitije, što će dovesti do manje koraka i manje metoda oporabe otpadne topline.
- Manje otpada, više sigurnosti
Korištenje organskih materijala zastvaranje elektroničkih uređaja nudi nadu da će se buduće metode proizvodnje elektronike oslanjati na manje sirovina, a bit će i sigurnije.
Materijali se mogu uštedjeti oslanjanjem na manjerasipni procesi kao što je ispis. Materijali se dodaju strukturama ili uređajima sloj po sloj dok se stvaraju, za razliku od centrifugiranja, koje uključuje uklanjanje materijala i odlaganje viška.
Osim toga, koristite manjematerijala, kemičari traže načine korištenja sigurnijih materijala. Na primjer, mnogi polimeri zahtijevaju kancerogena otapala. Neka otapala čak nisu dopuštena u tiskarskoj industriji u EU -u zbog svoje toksičnosti.
- Stabilna elektronika
Stvaranje zelenijih elektroničkih proizvoda- ne radi se samo o stvaranju više „zelenih“ solarnih ćelija ili drugih uređaja, već i o korištenju više „zelenih“ metoda proizvodnje. Održivost okoliša mora se primjenjivati u svakoj fazi proizvodnog ciklusa, od nabave sirovina do odlaganja otpada. Organski materijali mogu potaknuti elektroniku u budućnost na održiviji način nego što je to moguće u današnjem elektroničkom svijetu.
Konačno, zelena elektronika značida je sama elektronika izdržljiva. Svestranost organske elektronike, zajedno s obećanjima na području zaštite okoliša i društvene održivosti, upućuje na put prema vrlo dugotrajnom tehnološkom paketu.
Stanje na tržištu
Prema istraživanju tržišta Allied, do 2027Tržište organske elektronike dosegnut će 159,1 milijardu dolara uz CAGR od 21,0%. Sve veća potražnja zbog usvajanja tehnologija koje podržavaju održivi razvoj i potreba za organskom elektronikom za razvoj najnovijih tehnologija potaknula je rast globalnog tržišta organske elektronike. Na temelju materijala, segment poluvodiča imao je najveći udio u 2019. godini. Gledano po regijama, azijsko-pacifičko tržište imalo je najveći udio u 2019.
Osim toga, ovaj tjedan je objavljenveliko izvješće "Obujam tržišta organske elektronike, udio, rast i izvješće do 2020-2028 ". Prema njemu, u predviđenom razdoblju globalno tržište organske elektronike samo će rasti. Ovo istraživačko izvješće ispituje tržišni krajolik i njegove izglede za razvoj u bliskoj budućnosti. Nakon ispitivanja ključnih tvrtki, izvješće se fokusira na nove sudionike koji pokreću rast tržišta. Većina tvrtki na globalnom tržištu organske elektronike trenutno prihvaća nove tehnološke trendove na tržištu.
Na kraju, istraživači bacaju svjetlo na različite načine za prepoznavanje snaga, slabosti, prilika i prijetnji koje utječu na rast globalnog tržišta organske elektronike.
Neki od ključnih igrača koji rade na tometržište uključuje tvrtke kao što su 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.
Koji je zaključak?
U posljednjih nekoliko desetljeća regijaOrganska elektronika očito je postigla ogroman napredak: mnogi su uređaji već na tržištu, a mnogi prototipovi su u razvoju. Ovo polje će se i dalje razvijati, mijenjajući način na koji društvo komunicira s tehnologijom dok se kemičari, fizičari i drugi znanstvenici i inženjeri bave istraživačkim izazovima. Interdisciplinarni programi istraživanja i usavršavanja koji okupljaju znanstvenike i inženjere iz različitih područja znanja, kao i iz različitih sektora djelovanja (npr. Akademske zajednice, industrije, vlade), poticat će zajedničke napore potrebne za rješavanje ovih izazova
Pročitajte i
Istraživači su prvi put razvili čistu energiju iz grafena
Na 3. dan bolesti, većina bolesnika s COVID-19 gubi smrad i često pate od curenja iz nosa
Ledenjak Doomsdaya pokazao se opasnijim nego što su znanstvenici mislili. Kažemo glavno