Mi az a szerves elektronika?
Ez az elektronika szerves anyagokat használó ága
A hagyományos elektronika szilárd alapokon nyugszikszilícium, amelyet félvezetők létrehozására használnak. Szervetlenek (vagyis nem tartalmaznak szenet). Ezzel szemben a szerves elektronika szénalapú molekulákat használ - akár kis molekulákat, akár polimereket, amelyek hosszú molekulaláncok. Szinte minden biológiai molekula szerves vegyület, de olyan szénhidrogénekből származó anyagok is, mint petrolkémiai anyagok, olajok és műanyagok. Sokan azt gondolhatják, hogy a polimerek nem vezetőképesek - például műanyag polimereket használnak rézhuzalok szigetelésére. De néhány szerves polimer és molekula képes vezetni az áramot.
Miben különböznek a hagyományos szilícium alapú elektronikától?
A szerves vegyületeknek van néhányelőnyök a szervetlen vegyületekkel szemben. Könnyűek, rugalmasak és átlátszók - mindez jelentősen eltér a klasszikus szilícium technológiától. Előállításuk olcsóbb is lehet.
Miért okoz ekkora felhajtást a szerves elektronika?
Annyi szerves vegyület éssokféle funkciós csoport (saját jellegzetes tulajdonságokkal rendelkező atomcsoportok). Elektronikus tulajdonságaik nagyon könnyen hangolhatók funkcionális csoportok hozzáadásával. Egyes funkcionális csoportok elektronokat vonnak ki, mások pedig elektronokat adnak át, így ezek kombinálásával a tudósok nagyon pontosan be tudják hangolni a kívánt tulajdonságokat. Például beállíthatja a fénykibocsátó diódák fluoreszcenciáját.
Hogyan jelent meg egy újfajta elektronika?
A szerves elektronika az 1950-es években kezdődöttév, amikor H. Inokuchi és munkatársai felfedezték az első vezető szerves molekulát. Ebből a felfedezésből megállapították, hogy a szerves molekulák félvezetők lehetnek, ezt a kifejezést általában a szilíciumra, a germániumra és más hasonló elemekre használják. Kiderült, hogy a szerves félvezetőknek számos előnye van a hagyományos félvezetőkkel szemben.
Szerves félvezetők
W. Helfrich és V.G.Schneider felfedezte, hogy a szerves molekulák fényt bocsáthatnak ki. Először találtak ilyen tulajdonságot az antracénmolekulában. Az egyetlen hátrány az volt, hogy ehhez a hatáshoz nagyfeszültségre volt szükség, ami rendkívül eredménytelenné tette a felfedezést és a lehetséges további fejlesztéseket. Aztán az 1980-as években három tudós - Heeger, McDiarmid és Shirakawa - készített vezetőképes polimereket, amelyekért 2000-ben kémiai Nobel-díjat kaptak. Néhány évvel később kiderült, hogy a perilén-tetrakarbonsav-dianhidrid - a PTCDA szerves festékmolekula, amelyet még mindig használnak az autófestékekben, félvezető tulajdonságokkal rendelkezik.
A következő fontos mérföldkő a megnyitó voltszerves fénykibocsátó diódák - OLED - szerves vegyületekből készült félvezető eszközök, amelyek hatékonyan bocsátanak ki fényt, amikor elektromos áram halad át rajtuk. Ezt az eszközt 1987-ben találta fel Ching Tang és Stephen Van Slykme, a Kodak munkatársa. Az eszköz mindössze 5 volttal tudott fényt bocsátani, és örökre megváltoztatta a kijelzőipart.
Hol használják most az ilyen elektronikát, és mi a jövője?
Andreas Hirsch professzor, aA németországi Erlangen-Nürnbergben található Friedrich-Alexander Egyetem Szerves Kémia Tanszékén a szilícium helyett szénből készült elektronika az orvostechnikai eszközök, érzékelők és talán még robotok új generációjához is vezethet.
"A legtöbben valószínűleg használni fogjákképernyő technológiák. Az organikus fénykibocsátó diódák (OLED) ma már meglehetősen elterjedtek a mobiltelefonokban, és tévét is lehet velük vásárolni. De már ezt megelőzően is, a folyadékkristályos kijelzőket (LCD-ket), amelyeket az organikus elektronika egy fajtájának tekinthetünk, évek óta számos alkalmazásban használták” – magyarázza Hirsch a Horizon Richard Gray-nek adott interjújában.
- Meggyőződésem, hogy körülbelül 50 év múlva önmég sok olyan robotot fog látni, amelyek organikusnak tűnnek, és képesek olyan funkciók ellátására, amelyekre a fémalapú robotok nem képesek.
A szerves elektronika alkalmazási spektruma
A szerves elektronika sokféle felhasználási lehetőséget kínál. Közülük négyet lehet a legígéretesebbnek nevezni: kijelzők, fotovoltaikus és tranzisztortechnológiák, valamint biomedicina.
Kijelzők
OLED (Organic Light Emitting Diodes) —ez egy úttörő technológia, amelyet Ching Tang és Stephen Van Slyke fejlesztett ki. Az OLED-ek egy szerves filmből állnak, amely foszforeszcenciát használ a saját fény előállítására, ahelyett, hogy háttérvilágítást használna. A foszforeszcencia olyan emisszió, amely az elektronok gerjesztésének eredménye, amely hosszú ideig tart. Ezt észrevehette a sötétben világító karórákon és számlapokon.
Namsan Seoul Tower 1F - OLED alagút
A foszforeszcencia a fotolumineszcencia speciális típusa.A fluoreszcens anyagtól eltérően a foszforeszkáló anyag nem bocsát ki azonnal felszívódó energiát. Hosszabb újbóli kibocsátási idők kapcsolódnak a kvantummechanika „tiltott” energiaátmeneteihez.
Az OLED működése meglehetősen egyszerű.A szerves film két rétegből áll: emittáló és vezetőképes. A két réteg határán lyukak vannak. A kibocsátó réteg elektronokat bocsát ki, és az elektronok és lyukak rekombinációja a fényt alkotó fotonok keletkezését eredményezi.
Alapvetően kétféle OLED létezik - passzív és aktív mátrix.
- Az OLED (PMOLED) passzív mátrix csíkokkal rendelkezikkatód és anód csíkok, egymásra merőlegesen helyezkednek el. A metszéspontok és képezik azokat a képpontokat, amelyekből fény bocsátódik ki. A külső áramkörök áramot vezetnek az anód és a katód kiválasztott csíkjaira, meghatározva, hogy melyik pixel lesz bekapcsolva és melyik marad ki. A fényerő az alkalmazott áram nagyságától függ. Hátrányuk, hogy sok energiát fogyasztanak, ezért olyan kis képernyőkön használják őket, mint a PDA-k (Personal Digital Assistant) és az MP3-lejátszók.
- Az OLED második típusa egy aktív mátrix OLED(AMOLED). Az AMOLED-ek teljes katódréteggel, szerves anyaggal és anóddal rendelkeznek, de az anódréteg átfedi a vékony filmtranzisztor (TFT) tömb mátrixát. A TFT tömb egy áramkör, amely meghatározza, hogy mely képpontok vannak bekapcsolva kép kialakításához.
Az AMOLED-ek sokkal kevesebb energiát fogyasztanak, mintPMOLED, mert a TFT tömb kevesebb energiát igényel, mint a külső áramkörök. Ennek eredményeként alkalmasak nagy kijelzők, például számítógépes monitorok, televíziók és elektronikus hirdetőtáblák számára.
Az OLED LED-eknek viszont sok vanelőnyei az LCD-kkel (folyadékkristályos kijelzőkkel) szemben. A hagyományos LCD-kijelzők sok részből állnak. A folyadékkristályoknak nincs saját háttérvilágításuk, ezért háttérvilágítást használnak. Ezenkívül A kijelző dizájnja reflektor lapokkal javítja a fényerőt, diffúzor lapok a fény egyenletes elválasztására és elosztására, alsó polarizátor és felső polarizátor, színszűrő a színes fény létrehozásához, és természetesen folyadékkristályok, amelyek a kulcselemek. Ez drámaian megnöveli a képernyő vastagságát.
Kvantum fénykibocsátó diódák (QLED) - Egyébirány. Polarizátorokat és színszűrőket tartalmaznak. Szükségük van háttérvilágításra is, mert a kvantumpontok nem tudják kibocsátani saját fényüket. Ennek eredményeként ezek a kijelzők túl vastagok lesznek. Az OLED-ek elegánsak, abszolút feketét produkálnak, mint a QLED-ek, és gyenge fényben is jobban teljesítenek, mivel minden képpont külön-külön megvilágított. Az OLED képernyők nagyon vékonyak lehetnek. Ennek ellenére a legtöbb vállalat és fogyasztó OLED-kijelzőt választ okostelefonjához.
Fotovoltaikus alkalmazások
Szerves fotovoltaikus eszközök vannaktöbbnyire szerves napelemek. A fotovoltaikus anyagként általában polimereket használnak. A szerves anyagok napelemek előállításához való felhasználásának egyik fő előnye, hogy a szerves molekulák "optikai abszorpciós együtthatója" magas, ezért kis mennyiségű anyag nagy mennyiségű fényt képes elnyelni, általában több száz nanométer. Emellett nagyon rugalmasak és sokkal vékonyabbak, mint szilícium társaik. Míg a jelenlegi OPV (Organic Photovoltaic) technológia konverziós hatékonysága meghaladja a 10% -ot, eléri a 12% -ot is, egyes kutatók azt jósolják, hogy a szerves napelemek 15-20% -os hatékonyságot érnek el. Fel is lehet tekerni, sőt komposztálni is lehet.
És bár egyre elektronizáltabb világban élünk,a világhoz való hozzáférés korlátozott. Becslések szerint 1,3 milliárd embernek nincs hozzáférése az áramhoz, és sokan a petróleumra, az akkumulátorokra vagy a dízelgenerátorokra támaszkodnak. Az olcsóbb gyártási költségek miatt az organikus elektronika nemcsak az emberek technológiájának megváltoztatását ígéri, hanem felhasználásuk kiterjesztését a hálózathoz való hozzáférés nélküli lakosságra is.
A fő hátránya a szervesa fotovoltaikus cellák hatékonysága alacsony a szervetlen fotovoltaikus cellákhoz, például a szilícium napelemekhez képest. De kutatások folynak ennek a problémának a megoldására, és minden nap új anyagokat fedeznek fel, amelyek forradalmasíthatják a napenergia-ipart.
Rugalmas nyomtatott szerves tranzisztorok
A tranzisztorok alapvető építőelemeka modern elektronikus eszközök blokkjai, amelyek vagy jeleket erősítenek, vagy kapcsolóként működnek. A szerves térhatású tranzisztor (OFET) olyan térhatású tranzisztor, amely vezető elektródákat, szerves félvezetőt és dielektrikumot tartalmaz. Különlegessége, hogy nagyon kevés energiát használ a nagyon nagy áram járőrözéséhez, és jó kapcsolóként is működik. Ezeket a tranzisztorokat nyomtatott áramkörökben gyártják rugalmas szerves színezékek felhasználásával. Különös gondot fordítanak arra, hogy szennyező anyagok ne kerüljenek az anyagba, mivel ez negatívan befolyásolhatja az anyag vezetőképességét.
Nyomtatott áramkör az OFET használatával
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, a CC BY 4.0 licenc alatt
Az elmúlt néhány évben az OFET iránti érdeklődéshatalmasat nőtt és jó okkal. Jellemzőit tekintve az OFET felveheti a versenyt az amorf szilíciummal (a-Si). Ennek eredményeként manapság megnőtt az érdeklődés az OFET-ek ipari felhasználása iránt olyan alkalmazásokban, amelyek jelenleg nem kompatibilisek az a-Si vagy más szervetlen tranzisztor-technológiák használatával. Egyik fő technológiai előnyük, hogy minden OFET réteg szobahőmérsékleten leválasztható és strukturálható, így ideálisak olcsó, nagy felületű elektronikai eszközök rugalmas hordozókon való megvalósításához. A szilíciumot 40 °C-ot meghaladó hőmérsékletre kell felmelegíteni, hogy öntőformába öntsék. Az OFET széleskörű használatáról azonban a technológia tökéletlensége miatt még korai beszélni.
Biomedicina
Egy másik fontos bio felhasználásaz elektronika az orvostudomány. Például a vakság kezelésére a szembe ültetett retina chip segítségével. A készülék érzékeli a szembe jutó fényjeleket, és azokat elektromos jelekké alakítja, amelyeket az agyba küldenek. A szerves festékekkel bevont elektródák elektromos jeleket továbbítanak a szem receptorsejtjeihez.
A kompozíciónak biokompatibilisnek kell lennie.A megfelelő anyagok és összetevők keverékeinek kiválasztása kritikus fontosságú. Jelenleg lehetővé tette, hogy a vak betegek érzékeljék a fényt és a sötétséget, a tárgyak körvonalait, néha még a betűket és az arckifejezésüket is. A tudósok célja, hogy az eszköz ne csak nagy felbontású legyen, hanem jó teljesítményt is nyújt. Ez nagyszerű példa arra, hogy a technológia és az orvostudomány együttesen hogyan javítja az emberek életét.
Az új elektronika jövője
Az organikus elektronika területe a jövőben az lesztovább fejlődnek olyan módon, amelyet ma el sem lehet képzelni. Néhány ötlet már megvalósult, például OLED okostelefonok, televíziók és olcsó napelemek, amelyeket a vidéki területek háztetőire telepítenek. A jövőben egyre gyakoribbá válnak az összecsukható okostelefonok, és például az e-bőr, amely tapintási érzékenységében utánozza az emberi bőrt, több időt vesz igénybe. Más előrejelzéseket még nem lehet megfogalmazni, mivel az alkalmazási lehetőségek sokfélék és számos területet lefednek - az orvostudomány és az orvosbiológiai kutatás, az energia és a környezetvédelem, a kommunikáció és a szórakozás, az otthoni és irodai bútorok, a ruházat és a személyes kiegészítők és még sok más.
Az organikus elektronika is megtehetikörnyezetbarátabb elektronikai termékek előállítása, használata és újrahasznosítása. A tudósok és mérnökök olyan módszereket keresnek, amelyekkel az új elektronikai eszközöket energiahatékonyabbá tehetik, mint a mai szilícium alapú konstrukciók.
Milyen előnyei vannak az organikus anyagok elektronikus gyártásának?
- Új lehetőségek
A szerves anyagok egyediekolyan tulajdonságokat, amelyeket szilícium alapú elektronikával nem lehet elérni. Tulajdonságaik közé tartozik az érzékenység, a biokompatibilitás és a rugalmasság. Az érzékelés elektronikus eszközök használata a környezetben vagy az emberi testen lévő kémiai vagy biológiai anyagok kimutatására.
A tudósok olyan bioszenzorokat képzelnek el, amelyek nemnemcsak a cukorbetegek glükózszintjét észleli, hanem a megfelelő inzulinadagot is a megfelelő időben osztja ki. A szerves elektronikus anyagok nemcsak kémiailag kompatibilisebbek a biológiai rendszerekkel, mint a szilícium alapú eszközök; rugalmasságot, nyújthatóságot és mechanikai „puhaságot” adnak az anyagnak.
Ezek a tulajdonságok együttesen megteremtik az innovatív bioelektronikai érzékelők lehetőségét, amelyek megfelelnek az emberi test görbületének és mozgó részeinek.
- Energiahatékonyság
Ahogy a tudósok és mérnökök folytatjákAz elektronikában felhasznált szerves anyagok szintézisének és jellemzésének javítása érdekében azt remélik, hogy az ilyen anyagok felhasználása energiahatékonyabb elektronikus kijelzők, világítás és egyéb eszközök létrehozásához vezet.
Például biot kell készíteniA napelemek hatékonyabbak, így olyan helyeken is használhatók, mint Észak-Európa és Oroszország nagy része, ahol az éjszakák nagyon hosszúak, és csak rövid ideig süt a nap, különösen télen.
A mérnökök megpróbálnak eszközöket létrehoznia hosszabb ideig tartó szerves anyagok újrahasznosíthatók, vagy akár biológiailag lebonthatók. A szerves elektronikai gyártási módszerek energiahatékonyabbá válnak, kevesebb lépéshez és kevesebb hulladékhő-visszanyerési módszerhez vezetnek.
- Kevesebb hulladék, nagyobb biztonság
Szerves anyagok használataaz elektronikus eszközök létrehozása reményt ad arra, hogy az elektronika gyártásának jövőbeni módszerei kevesebb nyersanyagra támaszkodnak, és biztonságosabbak is lesznek.
Az anyagok megtakaríthatók, ha kevesebbre támaszkodunkpazarló eljárások, mint például a nyomtatás. Az anyagokat rétegről rétegre adják hozzá a szerkezetekhez vagy eszközökhöz azok létrehozása során, ellentétben a centrifugálással, amely az anyagok eltávolítását és a feleslegek ártalmatlanítását foglalja magában.
Amellett, hogy kevesebbet használanyagok, a vegyészek a biztonságosabb anyagok felhasználásának módját keresik. Például sok polimer rákkeltő oldószert igényel. Egyes oldószerek toxicitásuk miatt az EU nyomdaiparában sem engedélyezettek.
- Stabil elektronika
Zöldebb elektronikus termékek létrehozásaNem csak több „zöld” napelem vagy más eszköz létrehozásáról szól, hanem több „zöld” gyártási módszerről is. A környezeti fenntarthatóságot a termelési ciklus minden szakaszában alkalmazni kell, a nyersanyagok beszerzésétől a hulladék ártalmatlanításáig. A szerves anyagok fenntarthatóbb módon terelhetik az elektronikát a jövőbe, mint a mai elektronikus világban lehetséges.
Végül a „zöld elektronika” azt jelentihogy maguk az elektronika tartósak. A szerves elektronika sokoldalúsága, a környezeti és társadalmi fenntarthatóság ígéretével párosulva utat mutat egy nagyon hosszú élettartamú technológiai csomag felé.
Piaci helyzet
Az Allied Market Research szerint 2027-reAz organikus elektronikai piac eléri a 159,1 milliárd dollárt 21,0%-os CAGR mellett. A fenntartható fejlődést támogató technológiák elterjedése miatti növekvő kereslet és a legújabb technológiák kifejlesztéséhez szükséges szerves elektronika iránti igény elősegítette a globális bioelektronikai piac növekedését. Az anyagok alapján 2019-ben a félvezető szegmens képviselte a legnagyobb részt. A régió alapján 2019-ben az ázsiai csendes-óceáni piacé volt az oroszlánrész.
Ráadásul ezen a héten megjelentnagy jelentés "Az organikus elektronikai piac volumene, részesedése, növekedése és jelentés 2020-2028-ig ". Eszerint az előrejelzési időszakban a globális bioelektronikai piac csak növekedni fog. Ez a kutatási jelentés a piac helyzetét és annak közeljövőbeli fejlődési kilátásait vizsgálja. A kulcsfontosságú vállalatok vizsgálata után a jelentés a piac növekedését ösztönző új belépőkre összpontosít. Az organikus elektronikai termékek globális piacán a legtöbb vállalat jelenleg új technológiai trendeket vonultat fel a piacon.
Végül a kutatók rávilágítanak a globális organikus elektronikai piac növekedését befolyásoló erősségek, gyengeségek, lehetőségek és veszélyek azonosításának különböző módjaira.
Néhány kulcsszereplő dolgozik ezenpiacon, olyan cégek vannak, mint a Fujifilm Dimatix, az AU Optronics, a BASF, a Bayer MaterialScience, a H.C. STARCK, DuPont, Koninklijke Philips, LG Display, Sumitomo, Merck, AGC Seimi Chemical, Novaled, Samsung Display, Sony, Universal Display, Heliatek, Evonik.
Mi a lényeg?
Az elmúlt évtizedekben a régióaz organikus elektronika egyértelműen óriási lépéseket tett: sok eszköz már a piacon van, és sok prototípus készül. Ez a terület tovább fog növekedni, megváltoztatja a társadalom interakcióját a technológiával, miközben vegyészek, fizikusok és más tudósok és mérnökök kezelik a kutatási kihívásokat. Az interdiszciplináris kutatási és képzési programok, amelyek a tudás különböző területeiről, valamint a különböző tevékenységi ágazatokból (pl. Akadémia, ipar, kormányzat) érkező tudósokat és mérnököket tömörítik, hozzájárulnak a problémák megoldásához szükséges együttműködési erőfeszítésekhez
Olvassa el
A kutatók először grafénből fejlesztettek ki tiszta energiát
A betegség 3. napján a legtöbb COVID-19 beteg elveszíti szaglásérzetét, és gyakran orrfolyástól szenved
A Doomsday-gleccser veszélyesebbnek bizonyult, mint azt a tudósok gondolták. Elmondjuk a fő dolgot