Cos'è l'elettronica organica?
È una branca dell'elettronica che utilizza materiali organici
L'elettronica tradizionale si basa sul solidosilicio, che viene utilizzato per creare semiconduttori. Sono inorganici (cioè non contengono carbonio). Al contrario, l'elettronica organica utilizza molecole a base di carbonio, piccole molecole o polimeri, che sono lunghe catene di molecole. Quasi tutte le molecole biologiche sono composti organici, ma anche sostanze derivate da idrocarburi come prodotti petrolchimici, oli e plastiche. Molte persone possono pensare ai polimeri, in particolare, come non conduttivi, ad esempio i polimeri di plastica vengono utilizzati per isolare i fili di rame. Ma alcuni polimeri e molecole organiche possono condurre elettricità.
In cosa differiscono dall'elettronica tradizionale a base di silicio?
I composti organici ne hanno alcunivantaggi rispetto ai composti inorganici. Sono leggeri, flessibili e trasparenti, tutti significativamente diversi dalla classica tecnologia al silicio. Possono anche essere più economici da produrre.
Perché l'elettronica organica sta causando così tanto clamore?
Ci sono così tanti composti organici e un'ampia varietà di gruppi funzionali (gruppi di atomi con le loro proprietà distintive).Le loro proprietà elettroniche diventano molto facili da personalizzare aggiungendo gruppi funzionali.Alcuni gruppi funzionali deviano gli elettroni e altri donano elettroni, quindi combinandoli, gli scienziati possonoAd esempio, è possibile regolare la fluorescenza per i diodi emettitori di luce.
Come è apparso un nuovo tipo di elettronica?
L'elettronica organica è iniziata negli anni '50anni, quando H. Inokuchi ei suoi colleghi scoprirono la prima molecola organica conduttrice. Da questa scoperta, è stato determinato che le molecole organiche potrebbero essere semiconduttori, un termine comunemente usato per silicio, germanio e altri elementi simili. Si scopre che i semiconduttori organici hanno diversi vantaggi rispetto ai semiconduttori tradizionali.
Semiconduttori organici
V. Helfrich e V.G. Schneider ha scoperto che le molecole organiche possono emettere luce. Per la prima volta una tale proprietà è stata trovata nella molecola di antracene. L'unico inconveniente era che questo effetto richiedeva un alto voltaggio, il che rendeva estremamente inefficaci la scoperta e il possibile ulteriore sviluppo. Poi, negli anni '80, tre scienziati - Heeger, McDiarmid e Shirakawa - hanno realizzato polimeri conduttivi, per i quali hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 2000. Diversi anni dopo, è stato scoperto che la dianidride perilen tetracarbossilica - PTCDA, una molecola di colorante organico ancora utilizzata nelle vernici per auto, ha proprietà semiconduttrici.
La successiva importante pietra miliare è stata la scoperta dei diodi organici a emissione di luce (OLED), dispositivi a semiconduttore costituiti da composti organici che emettono luce in modo efficienteQuesto dispositivo è stato inventato nel 1987 da Ching Tang e Steven Van Slyke di Kodak.Il dispositivo poteva emettere luce con una tensione di soli 5 volt, cambiando per sempre l'industria dei display.
Dove viene utilizzata questa elettronica ora e qual è il suo futuro?
Secondo il professor Andreas Hirsch, capo diNel Dipartimento di Chimica Organica dell'Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Norimberga in Germania, l'elettronica realizzata con il carbonio anziché il silicio potrebbe portare a una nuova generazione di dispositivi medici, sensori e forse anche robot.
"La maggior parte delle persone probabilmente utilizzeràtecnologie dello schermo. I diodi organici a emissione di luce (OLED) sono ormai abbastanza comuni nei telefoni cellulari e con essi è possibile acquistare anche televisori. Ma ancor prima, i display a cristalli liquidi (LCD), che possono essere considerati un tipo di elettronica organica, vengono utilizzati da anni in molte applicazioni”, spiega Hirsch in un’intervista con Richard Gray di Horizon.
“Sono convinto che tra 50 anni o giù di lì tuvedrai molti più robot che sembrano organici, in grado di eseguire funzioni che i robot a base di metallo non possono ", dice lo scienziato.
Spettro di applicazioni dell'elettronica organica
L'elettronica organica ha un'ampia varietà di usi. Quattro di questi possono essere definiti i più promettenti: display, tecnologie fotovoltaiche e transistor e biomedicina.
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OLED (diodi organici a emissione di luce) —è una tecnologia pionieristica sviluppata da Ching Tang e Stephen Van Slyke. Gli OLED sono costituiti da una pellicola organica che sfrutta la proprietà della fosforescenza per generare luce propria invece di utilizzare una retroilluminazione. La fosforescenza è un'emissione dovuta all'eccitazione di elettroni che dura per un lungo periodo di tempo. Potresti averlo notato negli orologi da polso e nei quadranti che si illuminano al buio.
Torre Namsan Seoul 1F— Tunnel OLED
La fosforescenza è un tipo speciale di fotoluminescenza. A differenza di una sostanza fluorescente, una sostanza fosforescente non emette immediatamente energia assorbita. Tempi di riemissione più lunghi sono associati a transizioni energetiche "proibite" nella meccanica quantistica.
Il funzionamento OLED è piuttosto semplice. Un film organico è costituito da due strati: emittente e conduttivo. Ci sono buchi sul confine tra i due strati. Lo strato emittente emette elettroni e la ricombinazione di elettroni e lacune si traduce nella generazione di fotoni che costituiscono la luce.
Esistono fondamentalmente due tipi di OLED: matrice passiva e attiva.
- La matrice passiva OLED (PMOLED) ha striscestrisce di catodo e anodo, si trovano perpendicolari tra loro. Le intersezioni e formano i pixel da cui viene emessa la luce. I circuiti esterni forniscono corrente a strisce selezionate dell'anodo e del catodo, determinando quali pixel saranno accesi e quali rimarranno spenti. La luminosità dipende dall'entità della corrente applicata. Il loro svantaggio è che consumano molta energia e vengono quindi utilizzati in piccoli schermi come PDA (Personal Digital Assistant) e lettori MP3.
- Il secondo tipo di OLED è un OLED a matrice attiva(AMOLED). Gli AMOLED hanno anche strati completi di catodo, materiale organico e anodo, ma lo strato anodico si sovrappone alla matrice di un array di transistor a film sottile (TFT). Un array TFT è un circuito che determina quali pixel sono attivati per formare un'immagine.
Gli AMOLED consumano molta meno energia rispetto aPMOLED perché l'array TFT richiede meno energia rispetto ai circuiti esterni. Di conseguenza, sono adatti per schermi di grandi dimensioni come monitor di computer, televisori e cartelloni elettronici.
A loro volta, i LED OLED ne hanno moltivantaggi rispetto agli LCD (schermi a cristalli liquidi). I display LCD tradizionali sono costituiti da molte parti. I cristalli liquidi non hanno una propria retroilluminazione, quindi utilizzano una retroilluminazione. Inoltre I display hanno fogli riflettenti per migliorare la luminosità, fogli diffusori per separare e distribuire la luce in modo uniforme, un polarizzatore inferiore e uno superiore, un filtro colorato per creare luce colorata e, naturalmente, cristalli liquidi, che sono gli elementi chiave. Ciò aumenta notevolmente lo spessore dello schermo.
Diodi a emissione di luce quantistica (QLED) - Altrodirezione. Contengono polarizzatori e filtri colorati. Hanno anche bisogno di una retroilluminazione perché i punti quantici non possono emettere luce propria. Di conseguenza, questi display diventano troppo spessi. I LED OLED sono eleganti, producono più neri assoluti rispetto ai QLED e funzionano meglio in condizioni di scarsa illuminazione perché ogni pixel è illuminato individualmente. Gli schermi OLED possono essere molto sottili. Eppure, la maggior parte delle aziende e dei consumatori sceglie i display OLED per i propri smartphone.
Applicazioni fotovoltaiche
I dispositivi fotovoltaici organici sono incelle solari per lo più organiche. I polimeri sono comunemente usati come materiale fotovoltaico. Uno dei principali vantaggi dell'utilizzo di materiali organici per realizzare celle solari è che il "coefficiente di assorbimento ottico" delle molecole organiche è elevato, quindi una grande quantità di luce può essere assorbita da una piccola quantità di materiale, solitamente dell'ordine di centinaia di nanometri. Sono anche molto flessibili e molto più sottili delle loro controparti in silicone. Mentre l'attuale tecnologia OPV (Organic Photovoltaic) vanta un'efficienza di conversione superiore al 10%, raggiungendo anche il 12%, alcuni ricercatori prevedono che le celle solari organiche raggiungeranno il 15-20% di efficienza. Possono anche essere arrotolati e persino compostati.
E sebbene viviamo in un mondo sempre più elettronico,l'accesso a questo mondo è limitato. Si stima che 1,3 miliardi di persone non abbiano accesso all'elettricità, con molte persone che fanno affidamento su cherosene, batterie o generatori diesel. A causa dei costi di produzione più bassi, l'elettronica organica promette non solo di cambiare il modo in cui le persone utilizzano la tecnologia, ma anche di estenderne l'uso a popolazioni senza accesso alla rete.
Il principale svantaggio del biologicole celle fotovoltaiche sono a bassa efficienza rispetto alle celle fotovoltaiche inorganiche come le celle solari al silicio. Ma sono in corso ricerche per risolvere questo problema e ogni giorno vengono scoperti nuovi materiali che potrebbero rivoluzionare l'industria dell'energia solare.
Transistor organici stampati flessibili
I transistor sono elementi costitutivi fondamentaliblocchi di dispositivi elettronici moderni che amplificano i segnali o agiscono come interruttori. Un transistor ad effetto di campo organico (OFET) è un transistor ad effetto di campo che contiene elettrodi conduttivi, un semiconduttore organico e un dielettrico. La sua particolarità è che utilizza pochissima potenza per pattugliare una corrente molto grande e funge anche da buon interruttore. Questi transistor sono fabbricati in circuiti stampati utilizzando coloranti organici flessibili. Viene prestata particolare attenzione per garantire che nessun contaminante entri nel materiale, poiché ciò può influire negativamente sulla conduttività del materiale.
Circuito stampato che utilizza OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, concesso in licenza con CC BY 4.0
Negli ultimi anni, l'interesse per OFETè cresciuto enormemente e per una buona ragione. In termini di caratteristiche, OFET può competere con il silicio amorfo (a-Si). Di conseguenza, vi è ora un crescente interesse per l’uso industriale degli OFET per applicazioni attualmente incompatibili con l’uso di a-Si o altre tecnologie di transistor inorganici. Uno dei principali vantaggi tecnologici è che tutti gli strati OFET possono essere depositati e strutturati a temperatura ambiente, rendendoli ideali per realizzare dispositivi elettronici a basso costo e di ampia area su substrati flessibili. Il silicio deve essere riscaldato a temperature elevate superiori a 40°C per essere colato in uno stampo. Tuttavia, è troppo presto per parlare dell’uso diffuso dell’OFET a causa dell’imperfezione della tecnologia.
Biomedicina
Un altro uso importante del biologicol'elettronica è una medicina. Ad esempio, per curare la cecità si utilizza un chip retinale impiantato nell'occhio. Il dispositivo rileva i segnali luminosi che entrano nell'occhio e li converte in segnali elettrici che vengono inviati al cervello. Gli elettrodi rivestiti con coloranti organici trasmettono segnali elettrici alle cellule recettrici dell'occhio.
La composizione deve essere biocompatibile.La selezione dei giusti materiali e miscele di componenti è fondamentale. In questo momento, ha consentito ai pazienti non vedenti di percepire la luce e l'oscurità, i contorni degli oggetti, a volte anche le lettere e le espressioni facciali. L'obiettivo degli scienziati è che il dispositivo non solo abbia un'alta risoluzione, ma anche buone prestazioni. Questo è un ottimo esempio di come la tecnologia e la medicina collaborano per migliorare la vita delle persone.
Il futuro della nuova elettronica
Il campo dell'elettronica organica in futuro saràcontinuano ad evolversi in modi che oggi non si possono nemmeno immaginare. Alcune idee sono già state implementate, come smartphone OLED, televisori e pannelli solari economici installati sui tetti delle zone rurali. In futuro, gli smartphone pieghevoli diventeranno più comuni e, ad esempio, la pelle elettronica, che imita la pelle umana nella sua sensibilità tattile, richiederà più tempo per svilupparsi. Non è ancora possibile fare altre previsioni, poiché le possibilità di applicazione sono diverse e coprono molte aree: medicina e ricerca biomedica, energia e ambiente, comunicazioni e intrattenimento, mobili per casa e ufficio, abbigliamento e accessori personali e molto altro ancora.
Anche l’elettronica organica può andare beneprodurre, utilizzare e riciclare componenti elettronici in modo più rispettoso dell'ambiente. Scienziati e ingegneri sono alla ricerca di modi per rendere i nuovi dispositivi elettronici più efficienti dal punto di vista energetico rispetto agli attuali progetti basati sul silicio.
Quali sono i vantaggi dell'utilizzo di organici per la produzione elettronica?
- Nuove opportunità
I materiali organici sono uniciproprietà che non possono essere ottenute con l'elettronica a base di silicio. Le loro proprietà includono sensibilità, biocompatibilità e flessibilità. Il rilevamento è l'uso di dispositivi elettronici per rilevare sostanze chimiche o biologiche nell'ambiente o sul corpo umano.
Gli scienziati immaginano biosensori che non lo faccianonon solo rilevano i livelli di glucosio nelle persone con diabete, ma distribuiscono anche la dose appropriata di insulina al momento giusto. I materiali elettronici organici non solo sono più compatibili chimicamente con i sistemi biologici rispetto ai dispositivi a base di silicio; conferiscono alla sostanza flessibilità, estensibilità e “morbidezza” meccanica.
Insieme, queste proprietà creano il potenziale per sensori bioelettronici innovativi in grado di adattarsi alla curvatura e alle parti mobili del corpo umano.
- Efficienza energetica
Come continuano scienziati e ingegnerimigliorare la sintesi e la caratterizzazione dei materiali organici da utilizzare in elettronica, sperano che l'uso di tali materiali porti a display elettronici, illuminazione e altri dispositivi più efficienti dal punto di vista energetico.
Ad esempio, è necessario produrre biologicoLe celle solari sono più efficienti tanto da poter essere utilizzate in luoghi come il Nord Europa e gran parte della Russia, dove le notti sono molto lunghe e ci sono solo brevi periodi di luce solare, soprattutto in inverno.
Gli ingegneri stanno cercando di creare dispositivi dai materiali organici che durano più a lungo sono riciclabili, o forse anche biodegradabili. Anche i metodi di produzione di elettronica organica diventeranno più efficienti dal punto di vista energetico, portando a un minor numero di passaggi e metodi di recupero del calore di scarto.
- Meno sprechi, più sicurezza
Utilizzando materiali organici perla creazione di dispositivi elettronici offre la speranza che i futuri metodi di produzione dell'elettronica dipenderanno da un minor numero di materie prime e sarà anche più sicuro.
I materiali possono essere risparmiati facendo affidamento su menoprocessi dispendiosi come la stampa. I materiali vengono aggiunti alle strutture o ai dispositivi strato dopo strato man mano che vengono creati, al contrario della centrifugazione, che comporta la rimozione dei materiali e lo smaltimento degli eccessi.
Oltre a usare menomateriali, i chimici sono alla ricerca di modi per utilizzare materiali più sicuri. Ad esempio, molti polimeri richiedono solventi cancerogeni. Alcuni solventi non sono nemmeno ammessi nell'industria della stampa nell'UE a causa della loro tossicità.
- Elettronica stabile
Creazione di prodotti elettronici più ecologiciNon si tratta solo di creare più pannelli solari "verdi" o altri dispositivi, ma anche di utilizzare metodi di produzione più "verdi". La sostenibilità ambientale deve essere applicata in ogni fase del ciclo produttivo, dall'acquisizione delle materie prime allo smaltimento dei rifiuti. I materiali organici possono spingere l'elettronica nel futuro in un modo più sostenibile di quanto sia possibile nel mondo elettronico di oggi.
Infine, "elettronica verde" significache l'elettronica stessa sia durevole. La versatilità dell'elettronica organica, unita alla promessa del settore per la sostenibilità ambientale e sociale, indica la strada verso una suite tecnologica molto longeva.
Situazione di mercato
Secondo Allied Market Research, entro il 2027Il mercato dell’elettronica organica raggiungerà i 159,1 miliardi di dollari con un CAGR del 21,0%. La crescente domanda dovuta all’adozione di tecnologie a supporto dello sviluppo sostenibile e la necessità che l’elettronica organica sviluppi le tecnologie più recenti ha alimentato la crescita del mercato globale dell’elettronica organica. Sulla base dei materiali, nel 2019 il segmento dei semiconduttori ha rappresentato la quota maggiore. A seconda della regione, il mercato dell'Asia Pacifico ha fatto la parte del leone nel 2019.
Inoltre, questa settimana è stato rilasciatoampio rapporto "Volume, quota, crescita e rapporto del mercato dell'elettronica organica fino al 2020-2028". Secondo esso, nel periodo di previsione, il mercato globale dell’elettronica organica non farà altro che crescere. Questo rapporto di ricerca esamina il panorama del mercato e le sue prospettive di sviluppo nel prossimo futuro. Dopo aver esaminato le aziende chiave, il rapporto si concentra sui nuovi concorrenti che guidano la crescita del mercato. La maggior parte delle aziende nel mercato globale dell’elettronica organica stanno attualmente abbracciando le nuove tendenze tecnologiche nel mercato.
Infine, i ricercatori fanno luce su vari modi per identificare i punti di forza, i punti deboli, le opportunità e le minacce che influenzano la crescita del mercato globale dell’elettronica organica.
Alcuni dei principali attori che lavorano su questomercato, includono aziende come 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.
Qual è la linea di fondo?
Negli ultimi decenni, la regioneL'elettronica organica ha chiaramente fatto passi da gigante: molti dispositivi sono già sul mercato e molti prototipi sono in cantiere. Questo campo continuerà a crescere, cambiando il modo in cui la società interagisce con la tecnologia mentre chimici, fisici e altri scienziati e ingegneri affrontano le sfide della ricerca. I programmi interdisciplinari di ricerca e formazione che riuniscono scienziati e ingegneri provenienti da diversi campi della conoscenza, nonché da diversi settori di attività (ad es. Università, industria, governo) contribuiranno agli sforzi di collaborazione necessari per affrontare queste sfide
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