מסימולציות עור ועד רובוטים הומאניים: כיצד פועלת אלקטרוניקה אורגנית

מהי אלקטרוניקה אורגנית?

זהו ענף של אלקטרוניקה העושה שימוש בחומרים אורגניים

לייצור מעגלים ואלקטרוניקה אחרתמכשירים, לרוב בעלי מספר יתרונות על פני חומרים אנאורגניים מסורתיים שכולם מכירים. מדובר בתחום חדש למדי, אך האפשרויות שלו אינסופיות, והתוצאות כבר מרשימות.

אלקטרוניקה מסורתית מבוססת על מוצקסיליקון, המשמש ליצירת מוליכים למחצה. הם אנאורגניים (כלומר אינם מכילים פחמן). לעומת זאת, אלקטרוניקה אורגנית משתמשת במולקולות על בסיס פחמן - או מולקולות קטנות או פולימרים, שהם שרשראות ארוכות של מולקולות. כמעט כל המולקולות הביולוגיות הן תרכובות אורגניות, אך גם חומרים שמקורם בפחמימנים כמו פטרוכימיקלים, שמנים ופלסטיק. אנשים רבים עשויים לחשוב על פולימרים במיוחד כלא מוליכים - למשל, פולימרים מפלסטיק משמשים לבידוד חוטי נחושת. אך ישנם פולימרים ומולקולות אורגניות שיכולים להוביל חשמל.

במה הם שונים מאלקטרוניקה מסורתית מבוססת סיליקון?

לתרכובות אורגניות יש כמהיתרונות על פני תרכובות אנאורגניות. הם קלים, גמישים ושקופים - כולם שונים באופן משמעותי מטכנולוגיית הסיליקון הקלאסית. הם יכולים גם להיות זולים יותר לייצור.

מדוע אלקטרוניקה אורגנית גורמת לכל כך הרבה הייפ?

יש כל כך הרבה תרכובות אורגניות ומגוון רחב של קבוצות פונקציונליות (צבירי אטומים בעלי תכונות ייחודיות משלהם). המאפיינים האלקטרוניים שלהם הופכים קלים מאוד לכוונון על ידי הוספת קבוצות פונקציונליות. חלק מהקבוצות הפונקציונליות מושכות אלקטרונים וחלקן תורמות אלקטרונים, ולכן על ידי שילובם, מדענים יכולים לכוון בדיוק רב את המאפיינים הרצויים. לדוגמה, אתה יכול להתאים את הקרינה עבור דיודות פולטות אור. 

איך הופיע סוג חדש של אלקטרוניקה?

אלקטרוניקה אורגנית החלה בשנות החמישיםשנים, כאשר ג 'ה' אינוקוצ'י ועמיתיו גילו את המולקולה האורגנית המוליכה הראשונה. מתגלית זו נקבע כי מולקולות אורגניות יכולות להיות מוליכים למחצה, מונח הנפוץ לסיליקון, גרמניום ואלמנטים דומים אחרים. מתברר שלמוליכים למחצה אורגניים יש כמה יתרונות על פני מוליכים למחצה המסורתיים.

מוליכים למחצה אורגניים

V. Helfrich ו- V.G. בתור שניידר WSS נמצא כי מולקולות אורגניות יכולות לפלוט אור. לראשונה נמצא מאפיין כזה במולקולת האנתרסן. החיסרון היחיד היה שהשפעה זו מחייבת מתח גבוה, מה שהפך את הגילוי והתפתחות אפשרית ללא יעילה ביותר. ואז, בשנות השמונים, שלושה מדענים - היגר, מקדיארמיד ושיראקווה - ייצרו פולימרים מוליכים, עליהם קיבלו את פרס נובל לכימיה בשנת 2000. כעבור מספר שנים התגלה שלדיאנידריד פרילן טטרקרבוקסילי - PTCDA, מולקולת צבע אורגנית המשמשת עדיין בצבעי מכוניות, היא בעלת תכונות מוליכות למחצה.

אבן הדרך החשובה הבאה הייתה הפתיחהדיודות פולטות אור אורגניות - OLED - מכשירים מוליכים למחצה העשויים מתרכובות אורגניות אשר פולטות אור ביעילות כאשר זרם חשמלי עובר דרכן. מכשיר זה הומצא בשנת 1987 על ידי צ'ינג טאנג וסטיבן ואן סליקמה מ-Kodak. המכשיר יכול היה לפלוט אור עם 5 וולט בלבד ושינה את תעשיית התצוגה לנצח.

היכן משתמשים כעת באלקטרוניקה כזו ומה עתידה?

לדברי פרופסור אנדראס הירש, ראשהמחלקה לכימיה אורגנית באוניברסיטת פרידריך-אלכסנדר בארלנגן-נירנברג בגרמניה, אלקטרוניקה המיוצרת מפחמן ולא מסיליקון עלולה להוביל לדור חדש של מכשירים רפואיים, חיישנים ואולי אפילו רובוטים.

"רוב האנשים כנראה ישתמשוטכנולוגיות מסך. דיודות פולטות אור אורגניות (OLED) נפוצות כיום בטלפונים ניידים, וניתן גם לקנות איתן טלוויזיות. אבל עוד לפני כן, תצוגות גביש נוזלי (LCD), שיכולות להיחשב כסוג של אלקטרוניקה אורגנית, היו בשימוש ביישומים רבים במשך שנים", מסביר הירש בראיון לריצ'רד גריי מ-Horizon.

"אני משוכנע שבעוד 50 שנה אתהתראה הרבה יותר רובוטים שנראים אורגניים, שיכולים לבצע פונקציות שרובוטים מבוססי מתכת לא יכולים ", אומר המדען.

ספקטרום יישומים של אלקטרוניקה אורגנית

לאלקטרוניקה אורגנית מגוון רחב של שימושים. ארבעה מהם יכולים להיקרא המבטיחים ביותר: תצוגות, טכנולוגיות פוטו-וולטאיות וטרנזיסטורים וביו-רפואה.

 תצוגות

OLED (דיודות פולטות אור אורגני) —זוהי טכנולוגיה חלוצית שפותחה על ידי צ'ינג טאנג וסטיבן ואן סליק. מנועי OLED מורכבים מסרט אורגני המשתמש בתכונת הזרחני כדי ליצור אור משלו במקום להשתמש בתאורה אחורית. זרחן היא פליטה עקב עירור אלקטרונים הנמשכת לאורך זמן. אולי שמתם לב לזה בשעוני יד וחוגות שזוהרים בחושך. 

Namsan Seoul Tower 1F - מנהרת OLED

זרחן הוא סוג מיוחד של פוטולומינסנציה. בניגוד לחומר פלואורסצנטי, חומר זרחני אינו פולט מיד אנרגיה נספגת. זמני הפסקה ארוכים יותר קשורים למעברי אנרגיה "אסורים" במכניקת הקוונטים.

פעולת ה- OLED די פשוטה. סרט אורגני מורכב משתי שכבות: פולט ומוליך. יש חורים בגבול בין שתי השכבות. השכבה הפולטת פולטת אלקטרונים, והשילוב מחדש של אלקטרונים וחורים מביא ליצירת פוטונים המרכיבים אור.

ישנם בעצם שני סוגים של OLED - מטריצה ​​פסיבית ופעילה.

• למטריצה ​​פסיבית OLED (PMOLED) יש פסיםרצועות קתודה ואנודה, הם ממוקמים בניצב זה לזה. הצמתים ויוצרים את הפיקסלים שמהם נפלט אור. מעגלים חיצוניים מספקים זרם לרצועות נבחרות של האנודה והקטודה, וקובעים אילו פיקסלים יהיו דולקים ואילו יישארו כבויים. הבהירות תלויה בגודל הזרם המופעל. החיסרון שלהם הוא שהם צורכים הרבה כוח ולכן משתמשים בהם במסכים קטנים כמו מחשבי כף יד (Personal Digital Assistant) ונגני MP3.
• הסוג השני של OLED הוא מטריצת OLED פעילה(AMOLED). ל- AMOLED יש גם שכבות מלאות של קתודה, חומר אורגני ואנודה, אך שכבת האנודה חופפת את המטריצה ​​של מערך טרנזיסטור סרט דק (TFT). מערך TFT הוא מעגל שקובע אילו פיקסלים מופעלים כדי ליצור תמונה.

AMOLEDs צורכים הרבה פחות כוח מאשרPMOLED מכיוון שמערך ה- TFT דורש פחות כוח ממעגלים חיצוניים. כתוצאה מכך הם מתאימים לתצוגות גדולות כגון צגי מחשב, טלוויזיות ושלטי חוצות אלקטרוניים.

בתורו, לנורות OLED יש הרבהיתרונות על פני צגי LCD (מסכי קריסטל נוזליים). צגי LCD מסורתיים מורכבים מחלקים רבים. לגבישים נוזליים אין תאורה אחורית משלהם, ולכן הם משתמשים בתאורה אחורית. בנוסף  לעיצובי התצוגה יש יריעות רפלקטור לשיפור הבהירות, יריעות מפזרות להפרדה ולפיזור שווה של האור, מקטב תחתון ומקטב עליון, מסנן צבעוני ליצירת אור צבעוני וכמובן גבישים נוזליים שהם המרכיבים המרכזיים. זה מגדיל באופן דרמטי את עובי המסך.

דיודות פולטות אור קוונטיות (QLED) - אחרכיוון. הם מכילים מקטבים ומסנני צבע. הם גם צריכים תאורה אחורית מכיוון שנקודות קוונטיות אינן יכולות לפלוט את האור שלהן. כתוצאה מכך, הצגים הללו הופכים עבים מדי. נוריות OLED הן אלגנטיות, מייצרות יותר שחור מוחלט מאשר מנועי QLED, ומתפקדות טוב יותר באור עמום מכיוון שכל פיקסל מואר בנפרד. מסכי OLED יכולים להיות דקים מאוד. ועדיין, רוב החברות והצרכנים בוחרים בצגי OLED עבור הסמארטפונים שלהם. 

 יישומים פוטו-וולטאיים

מכשירים פוטו וולטאיים אורגניים נמצאיםבעיקר תאים סולריים אורגניים. פולימרים משמשים בדרך כלל כחומר פוטו וולטאי. אחד היתרונות העיקריים של שימוש בחומרים אורגניים לייצור תאים סולאריים הוא ש"מקדם הספיגה האופטי "של מולקולות אורגניות הוא גבוה, ולכן כמות גדולה של אור יכולה להיקלט בכמות קטנה של חומר, בדרך כלל בסדר גודל של מאות ננומטרים. הם גם גמישים מאוד ודקים בהרבה מעמיתיהם לסיליקון. בעוד שטכנולוגיית OPV הנוכחית (אורגנית פוטו-וולטאית) מתגאה ביעילות המרה העולה על 10% ומגיעה אפילו ל -12%, ישנם חוקרים המנבאים כי תאים סולאריים אורגניים ישיגו יעילות של 15-20%. הם יכולים גם להיות מגולגלים ואפילו קומפוסט.

ולמרות שאנחנו חיים בעולם שהולך ונעשה יותר אלקטרוני,הגישה לעולם הזה מוגבלת. לפי הערכות 1.3 מיליארד בני אדם חסרי גישה לחשמל, כאשר אנשים רבים מסתמכים על נפט, סוללות או גנרטורים סולריים. בשל עלויות ייצור זולות יותר, האלקטרוניקה האורגנית מבטיחה לא רק לשנות את האופן שבו אנשים משתמשים בטכנולוגיה, אלא גם להרחיב את השימוש בהם לאוכלוסיות ללא גישה לרשת.

החיסרון העיקרי של אורגניתאים פוטו-וולטאיים יעילים נמוכים בהשוואה לתאים פוטו-וולטאיים אנאורגניים כגון תאים סולאריים מסיליקון. אך מחקרים נעשים בכדי לפתור בעיה זו, וחומרים חדשים מתגלים מדי יום העלולים לחולל מהפכה בתעשיית האנרגיה הסולארית.

טרנזיסטורים אורגניים מודפסים גמישים

טרנזיסטורים הם אבני בניין בסיסיותבלוקים של מכשירים אלקטרוניים מודרניים המגבירים אותות או משמשים כמתגים. טרנזיסטור אפקט שדה אורגני (OFET) הוא טרנזיסטור אפקט שדה המכיל אלקטרודות מוליכות, מוליכים למחצה אורגניים ודיאלקטרי. המוזרות שלו היא שהוא משתמש במעט מאוד כוח לסיור זרם גדול מאוד וגם משמש כמתג טוב. טרנזיסטורים אלה מיוצרים במעגלים מודפסים באמצעות צבעים אורגניים גמישים. מקפידים להקפיד שלא ייכנסו מזהמים לחומר, מכיוון שהדבר יכול להשפיע לרעה על מוליכות החומר.

מעגל מודפס באמצעות OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, ברישיון CC BY 4.0

במהלך השנים האחרונות, התעניינות ב-OFETגדל מאוד ומסיבה טובה. מבחינת המאפיינים שלו, OFET יכול להתחרות בסיליקון אמורפי(a-Si). כתוצאה מכך, יש כעת עניין מוגבר בשימוש תעשייתי ב-OFETs עבור יישומים שאינם תואמים כיום את השימוש ב-a-Si או טכנולוגיות טרנזיסטור אנאורגניות אחרות. אחד היתרונות הטכנולוגיים העיקריים שלהם הוא שכל שכבות ה-OFET ניתנות להפקדה ולמבנה בטמפרטורת החדר, מה שהופך אותן לאידיאליות למימוש מכשירים אלקטרוניים בעלות נמוכה בשטח גדול על מצעים גמישים. יש לחמם את הסיליקון לטמפרטורות גבוהות העולה על 40 מעלות צלזיוס כדי ליצוק לתבנית. עם זאת, מוקדם מדי לדבר על השימוש הנרחב ב-OFET עקב חוסר השלמות של הטכנולוגיה.

ביו-רפואה

עוד שימוש חשוב באורגניאלקטרוניקה היא רפואה. למשל, לטיפול בעיוורון באמצעות שבב רשתית המושתל בעין. המכשיר מזהה אותות אור הנכנסים לעין וממיר אותם לאותות חשמליים הנשלחים למוח. אלקטרודות מצופות בצבעים אורגניים מעבירות אותות חשמליים לתאי הקולטן של העין. 

ההרכב חייב להיות תואם ביולוגי.הבחירה בחומרים הנכונים ובתערובות הרכיבים הינה קריטית. נכון לעכשיו, זה איפשר לחולים עיוורים לתפוס אור וחושך, קווי מתאר של עצמים, לפעמים אפילו אותיות והבעות פנים. מטרת המדענים היא שהמכשיר לא רק בעל רזולוציה גבוהה, אלא גם ביצועים טובים. זו דוגמה מצוינת לאופן שבו הטכנולוגיה והרפואה פועלים יחד לשיפור חייהם של אנשים.

עתיד האלקטרוניקה החדשה

תחום האלקטרוניקה האורגנית בעתיד יהיהלהמשיך ולהתפתח בדרכים שהיום לא ניתן אפילו לדמיין. כמה רעיונות כבר יושמו, כמו טלפונים חכמים מסוג OLED, טלוויזיות ופאנלים סולאריים לא יקרים המותקנים על גגות באזורים כפריים. בעתיד, סמארטפונים מתקפלים יהפכו נפוצים יותר, ולדוגמא, עור אלקטרוני, המדמה את עור האדם ברגישותו המישושית, ייקח יותר זמן להתפתח. תחזיות אחרות עדיין אינן ניתנות, מכיוון שאפשרויות היישום מגוונות ומכסות תחומים רבים - רפואה ומחקר ביו-רפואי, אנרגיה וסביבה, תקשורת ובידור, ריהוט לבית ולמשרד, ביגוד ואביזרים אישיים ועוד.

אלקטרוניקה אורגנית יכולה גם לעשותייצור, שימוש ומיחזור אלקטרוניקה ידידותית יותר לסביבה. מדענים ומהנדסים מחפשים דרכים להפוך את האלקטרוניקה החדשה ליעילה יותר באנרגיה מהעיצובים המבוססים על סיליקון של היום.

מהם היתרונות בשימוש אורגני לייצור אלקטרוני?

• הזדמנויות חדשות

  לחומרים אורגניים יש ייחודיותתכונות שלא ניתן להשיג עם אלקטרוניקה מבוססת סיליקון. תכונותיהם כוללות רגישות, תאימות ביולוגית וגמישות. חישה היא שימוש במכשירים אלקטרוניים כדי לזהות חומרים כימיים או ביולוגיים בסביבה או בגוף האדם. 

  מדענים מדמיינים חיישנים ביולוגיים שלאלא רק לזהות רמות גלוקוז אצל אנשים עם סוכרת, אלא גם למעשה להפיץ את המינון המתאים של אינסולין בזמן הנכון. חומרים אלקטרוניים אורגניים לא רק תואמים יותר מבחינה כימית למערכות ביולוגיות מאשר מכשירים מבוססי סיליקון; הם נותנים לחומר גמישות, הרחבה ו"רכות" מכנית.

  יחד, מאפיינים אלה יוצרים פוטנציאל לחיישנים ביו-אלקטרוניים חדשניים שיכולים להתאים לחלקים העקמומיים ונעים בגוף האדם.

• יעילות אנרגטית

  ככל שמדענים ומהנדסים ממשיכיםלשפר את הסינתזה והאפיון של חומרים אורגניים לשימוש באלקטרוניקה, הם מקווים שהשימוש בחומרים כאלה יוביל לצגים אלקטרוניים, תאורה והתקנים אחרים חסכוניים יותר באנרגיה.

  לדוגמה, יש צורך לעשות אורגניתאים סולאריים יעילים יותר כך שניתן להשתמש בהם במקומות כמו צפון אירופה וחלק גדול מרוסיה, שבהם הלילות ארוכים מאוד ויש רק פרקי זמן קצרים של אור שמש, במיוחד בחורף.

  מהנדסים מנסים ליצור מכשירים מחומרים אורגניים שנמשכים זמן רב יותר ניתנים למחזור, או אולי אפילו מתכלים. שיטות ייצור אלקטרוניקה אורגנית גם תהיינה חסכוניות יותר באנרגיה, ויובילו לפחות צעדים ופחות שיטות להחזרת חום פסולת.

• פחות בזבוז, יותר בטיחות

  השימוש בחומרים אורגניים ליצירת מכשירים אלקטרוניים מציעה תקווה ששיטות עתידיות לייצור אלקטרוניקה יסתמכו על פחות חומרי גלם, והיא גם תהיה בטוחה יותר.

  ניתן לחסוך בחומרים על ידי הסתמכות על פחותתהליכים בזבזניים כמו הדפסה. חומרים מתווספים למבנים או להתקנים שכבה אחר שכבה תוך כדי יצירתם, בניגוד לצנטריפוגה, הכוללת הסרת חומרים וסילוק עודפים.

  חוץ מזה להשתמש בפחותחומרים, כימאים מחפשים דרכים להשתמש בחומרים בטוחים יותר. לדוגמא, פולימרים רבים דורשים ממסים מסרטנים. כמה ממיסים אפילו אינם מותרים בענף הדפוס באיחוד האירופי בשל רעילותם.

• אלקטרוניקה יציבה

  יצירת מוצרים אלקטרוניים ירוקים יותרלא נוגע רק ליצירת פאנלים סולאריים "ירוקים" יותר או מכשירים אחרים, אלא גם להשתמש בשיטות ייצור "ירוקות" יותר. יש ליישם קיימות סביבתית בכל שלב במחזור הייצור, החל ברכישת חומרי גלם ועד פינוי הפסולת. חומרים אורגניים יכולים להניע אלקטרוניקה לעתיד באופן בר קיימא יותר ממה שאפשר בעולם האלקטרוני של ימינו.

  לסיום, "אלקטרוניקה ירוקה" פירושהשהאלקטרוניקה עצמה עמידה. הרבגוניות של האלקטרוניקה האורגנית, יחד עם ההבטחה של התחום לקיימות סביבתית וחברתית, מפנות את הדרך לעבר חבילת טכנולוגיה ארוכת שנים.

מצב השוק

על פי מחקר שוק בעלות הברית, עד 2027שוק האלקטרוניקה האורגנית יגיע ל-159.1 מיליארד דולר ב-CAGR של 21.0%. הגדלת הביקוש עקב אימוץ טכנולוגיות התומכות בפיתוח בר קיימא והצורך באלקטרוניקה אורגנית לפיתוח טכנולוגיות עדכניות, הזינו את הצמיחה של שוק האלקטרוניקה האורגנית העולמית. בהתבסס על החומרים, מגזר המוליכים למחצה היווה את הנתח הגדול ביותר ב-2019. בהתבסס על אזור, השוק באסיה פסיפיק החזיק בנתח הארי בשנת 2019. 

בנוסף, השבוע הוא שוחררדוח גדול "נפח שוק אלקטרוניקה אורגנית, נתח, צמיחה ודיווח עד 2020-2028 ". לפיה, בתקופת התחזית שוק האלקטרוניקה האורגנית העולמי רק יגדל. דוח מחקר זה בוחן את נוף השוק ואת סיכויי הפיתוח שלו בעתיד הקרוב. לאחר בחינת חברות המפתח, הדו"ח מתמקד במצטרפים חדשים המניעים את הצמיחה של השוק. רוב החברות בשוק האלקטרוניקה האורגנית העולמית מאמצות כיום מגמות טכנולוגיות חדשות בשוק.

לבסוף, החוקרים זורקים אור על דרכים שונות לזהות את החוזקות, החולשות, ההזדמנויות והאיומים המשפיעים על הצמיחה של שוק האלקטרוניקה האורגני העולמי. 

כמה משחקני המפתח עובדים על זהבשוק, כוללות חברות כמו 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.

מה השורה התחתונה?

במהלך העשורים האחרונים, האזורהאלקטרוניקה האורגנית עשתה צעדים עצומים בבירור: מכשירים רבים כבר נמצאים בשוק, ואבות טיפוס רבים עומדים לפנינו. תחום זה ימשיך לצמוח, וישנה את האופן שבו החברה מתקשרת עם הטכנולוגיה כאשר כימאים, פיזיקאים ומדענים ומהנדסים אחרים מתמודדים עם אתגרי המחקר. תוכניות מחקר והכשרה בינתחומיות המפגישות מדענים ומהנדסים מתחומי ידע שונים, כמו גם ממגזרי פעילות שונים (למשל אקדמיה, תעשייה, ממשלה) יתרמו למאמצי שיתוף הפעולה הדרושים כדי להתמודד עם אתגרים אלה.

קרא גם

חוקרים פיתחו לראשונה אנרגיה נקייה מגרפן

ביום המחלה השלישי, רוב החולים ב- COVID-19 מאבדים את חוש הריח שלהם ולעיתים קרובות סובלים מנזלת

קרחון יום הדין התגלה כמסוכן יותר ממה שחשבו המדענים. אנחנו מספרים את העיקר