有機エレクトロニクスとは何ですか？
有機材料を使ったエレクトロニクス分野です
従来の電子機器は固体に基づいています半導体の作成に使用されるシリコン。それらは無機物です（つまり、炭素を含みません）。対照的に、有機エレクトロニクスは炭素ベースの分子を使用します-分子の長い鎖である小さな分子またはポリマーのいずれか。ほとんどすべての生物学的分子は有機化合物ですが、石油化学物質、油、プラスチックなどの炭化水素に由来する物質もあります。多くの人は、ポリマーを特に非導電性と考えるかもしれません。たとえば、プラスチックポリマーは銅線を絶縁するために使用されます。しかし、いくつかの有機ポリマーや分子は電気を通すことができます。
それらは従来のシリコンベースの電子機器とどう違うのですか？
有機化合物にはいくつかあります無機化合物に対する利点。それらは軽量で柔軟性があり、透明です。これらはすべて、従来のシリコンテクノロジーとは大きく異なります。また、製造コストも安くなる可能性があります。
なぜ有機エレクトロニクスはそれほど興奮を引き起こしているのですか？
有機化合物はたくさんありますが、多種多様な官能基（独自の特性を持つ原子のクラスター）。それらの電子特性は、官能基を追加することで非常に簡単に調整できます。一部の官能基は電子を引き取り、一部は電子を供与するため、科学者はそれらを組み合わせることで、望ましい特性を非常に正確に調整できます。たとえば、発光ダイオードの蛍光を調整できます。
新しい種類の電子機器はどのように登場しましたか？
有機エレクトロニクスは1950年代に始まりました猪口秀樹らが最初の導電性有機分子を発見した年。この発見から、有機分子は、シリコン、ゲルマニウム、および他の同様の要素に一般的に使用される用語である半導体である可能性があることが決定されました。有機半導体には、従来の半導体に比べていくつかの利点があることがわかりました。
有機半導体
V.ヘルフリッヒとV.G.シュナイダーは、有機分子が発光できることを発見しました。そのような特性がアントラセン分子に初めて発見されました。唯一の欠点は、この効果には高電圧が必要であり、発見と可能なさらなる開発が非常に効果がないことでした。その後、1980年代に、Heeger、McDiarmid、Shirakawaの3人の科学者が導電性ポリマーを製造し、2000年にノーベル化学賞を受賞しました。数年後、まだ自動車の塗料に使用されている有機染料分子であるペリレンテトラカルボン酸二無水物-PTCDAが半導体特性を持っていることが発見されました。
次の重要なマイルストーンはオープニングでした有機発光ダイオード - OLED - 電流が流れると効果的に発光する有機化合物から作られた半導体デバイス。この装置は、1987 年にコダック社のチン・タン氏とスティーブン・ヴァン・スリクメ氏によって発明されました。このデバイスはわずか 5 ボルトで発光することができ、ディスプレイ業界を永遠に変えました。
そのような電子機器は現在どこで使用されており、その将来はどうなっていますか？
アンドレアス・ヒルシュ教授によると、ドイツのErlangen-NurembergにあるFriedrich-Alexander大学の有機化学科では、シリコンではなく炭素で作られた電子機器が、新世代の医療機器、センサー、さらにはロボットにつながる可能性があります。
「おそらくほとんどの人が使うだろう」スクリーンテクノロジー。有機発光ダイオード (OLED) は現在、携帯電話で非常に一般的であり、有機発光ダイオードを搭載したテレビも購入できます。しかし、それ以前から、有機エレクトロニクスの一種と考えられる液晶ディスプレイ (LCD) は長年にわたって多くの用途に使用されてきました」と Hirsch 氏は Horizon の Richard Gray 氏とのインタビューで説明しています。
「私は50年かそこらであなたがそれを確信しています金属ベースのロボットでは不可能な機能を実行できる、有機的に見えるロボットがさらにたくさん見られるでしょう」と科学者は言います。
有機エレクトロニクスのアプリケーションのスペクトル
有機エレクトロニクスにはさまざまな用途があります。それらのうちの4つは最も有望であると言うことができます：ディスプレイ、光起電およびトランジスタ技術、そして生物医学。
ディスプレイ
OLED (有機発光ダイオード) —これは、チン・タン氏とスティーブン・ヴァン・スライク氏によって開発された先駆的なテクノロジーです。 OLED は、バックライトを使用する代わりに、燐光の特性を利用して独自の光を生成する有機フィルムで構成されています。燐光は、長時間続く電子の励起による発光です。暗闇で光る腕時計や文字盤でこれに気づいた方もいるかもしれません。
ナムサンソウルタワー1F—OLEDトンネル
リン光は特殊なタイプの光ルミネセンスです。蛍光物質とは異なり、蛍光物質は吸収されたエネルギーをすぐには放出しません。より長い再放出時間は、量子力学における「禁止された」エネルギー遷移に関連しています。
OLEDの操作は非常に簡単です。有機フィルムは、発光と導電性の2つの層で構成されています。 2つの層の境界に穴があります。放出層は電子を放出し、電子と正孔の再結合により、光を構成する光子が生成されます。
OLEDには、基本的にパッシブマトリックスとアクティブマトリックスの2種類があります。
- パッシブマトリックスOLED（PMOLED）にはストライプがありますカソードストリップとアノードストリップは、互いに垂直に配置されています。交点は、光が放出されるピクセルを形成します。外部回路は、アノードとカソードの選択されたストリップに電流を供給し、どのピクセルがオンになり、どのピクセルがオフのままになるかを決定します。明るさは、印加電流の大きさに依存します。それらの欠点は、多くの電力を消費するため、PDA（Personal Digital Assistant）やMP3プレーヤーなどの小さな画面で使用されることです。
- 2番目のタイプのOLEDはアクティブマトリックスOLEDです（AMOLED）。 AMOLEDには、カソード、有機材料、およびアノードの完全な層もありますが、アノード層は薄膜トランジスタ（TFT）アレイのマトリックスと重なります。 TFTアレイは、画像を形成するためにどのピクセルをオンにするかを決定する回路です。
AMOLEDはよりもはるかに少ない電力を消費しますTFTアレイは外部回路よりも必要な電力が少ないため、PMOLED。その結果、コンピューターモニター、テレビ、電子看板などの大型ディスプレイに適しています。
OLED LED には多くの特徴があります。LCD（液晶ディスプレイ）に比べて優れた点があります。従来の LCD ディスプレイは多くの部品で構成されています。液晶には独自のバックライトがないため、バックライトを使用します。さらに ディスプレイの設計には、明るさを向上させるための反射シート、光を分離して均一に分配するための拡散シート、下部偏光板と上部偏光板、色付きの光を作り出すカラーフィルター、そしてもちろん重要な要素である液晶が含まれています。これにより、画面の厚みが大幅に増加します。
量子発光ダイオード (QLED) - その他方向。偏光子とカラーフィルターが含まれています。また、量子ドットは自ら光を発することができないため、バックライトも必要です。その結果、これらのディスプレイは厚くなりすぎます。 OLED LED は洗練されており、QLED よりもより完全な黒を生成し、各ピクセルが個別に照射されるため、薄暗い場所でのパフォーマンスが向上します。 OLED スクリーンは非常に薄い場合があります。それでも、ほとんどの企業と消費者はスマートフォンに OLED ディスプレイを選択しています。
太陽光発電アプリケーション
有機光起電力装置は主に有機太陽電池。ポリマーは、光起電性材料として一般的に使用されます。有機材料を使用して太陽電池を製造する主な利点の1つは、有機分子の「光吸収係数」が高いため、通常は数百ナノメートル程度の少量の材料で大量の光を吸収できることです。また、非常に柔軟性があり、対応するシリコンよりもはるかに薄いです。現在のOPV（Organic Photovoltaic）テクノロジーは、10％を超える変換効率を誇り、12％にさえ達しますが、一部の研究者は、有機太陽電池が15〜20％の効率を達成すると予測しています。また、丸めたり、コンポストしたりすることもできます。
そして、私たちはますます電子化する世界に住んでいますが、この世界へのアクセスは制限されています。推定13億人が電気を利用できず、多くの人が灯油、電池、ディーゼル発電機に依存しています。製造コストが安いため、有機エレクトロニクスは、人々がテクノロジーを使用する方法を変えるだけでなく、グリッドにアクセスできない人々にもその使用を拡大することを約束します。
有機の主な欠点光起電力セルは、シリコン太陽電池などの無機光起電力セルと比較して効率が低くなります。しかし、この問題を解決するための研究が行われており、太陽エネルギー産業に革命を起こす可能性のある新しい材料が毎日発見されています。
柔軟なプリント有機トランジスタ
トランジスタは基本的な構成要素です信号を増幅するか、スイッチとして機能する最新の電子デバイスのブロック。有機電界効果トランジスタ（OFET）は、導電性電極、有機半導体、および誘電体を含む電界効果トランジスタです。その特徴は、非常に少ない電力で非常に高い電流をパトロールし、優れたスイッチとしても機能することです。これらのトランジスタは、柔軟な有機染料を使用してプリント回路で製造されています。汚染物質が材料に侵入しないように特別な注意が払われます。これは、材料の導電性に悪影響を与える可能性があるためです。
OFETを使用したプリント回路
武田泰典 他/ウィキメディア、CC BY 4.0 に基づいてライセンス供与
ここ数年、OFETへの関心が高まっています。大きく成長しましたが、それには十分な理由があります。 OFETは、その特性の点でアモルファスシリコン(a-Si)と競合することができます。その結果、現在、a-Si やその他の無機トランジスタ技術の使用と互換性のないアプリケーションへの OFET の産業利用への関心が高まっています。主な技術的利点の 1 つは、すべての OFET 層を室温で堆積および構造化できるため、フレキシブル基板上に低コストの大面積電子デバイスを実現するのに最適であることです。シリコンを型に流し込むには40℃を超える高温に加熱する必要があります。しかし、技術が不完全であるため、OFET の普及について話すのは時期尚早です。
生物医学
オーガニックのもう一つの重要な用途エレクトロニクスは医療です。たとえば、目に埋め込まれた網膜チップを使用して失明を治療する場合です。このデバイスは、目に入る光信号を検出し、それらを電気信号に変換し、脳に送信します。有機色素でコーティングされた電極は、電気信号を目の受容細胞に伝達します。
組成物は生体適合性でなければならない。適切な材料と成分の混合物を選択することが重要です。現在、盲目の患者は、光と闇、物体の輪郭、時には文字や顔の表情さえも知覚することができます。科学者の目標は、デバイスが高解像度であるだけでなく、優れたパフォーマンスを発揮することです。これは、テクノロジーと医学がどのように連携して人々の生活を改善するかを示す良い例です。
新しいエレクトロニクスの未来
将来の有機エレクトロニクスの分野は今日では想像もできないような進化を続けています。農村部の屋上に設置されているOLEDスマートフォン、テレビ、安価なソーラーパネルなど、いくつかのアイデアはすでに実装されています。将来的には、折りたたみ式のスマートフォンが一般的になり、たとえば、触覚感度で人間の皮膚を模倣するe-skinの開発にはさらに時間がかかります。アプリケーションの可能性は多様であり、医学と生物医学の研究、エネルギーと環境、通信とエンターテインメント、家庭とオフィスの家具、衣類と身の回り品など、多くの分野をカバーしているため、他の予測はまだできません。
有機エレクトロニクスでもできること電子機器の製造、使用、リサイクルをより環境に優しいものにします。科学者やエンジニアは、新しいエレクトロニクスを今日のシリコンベースの設計よりもエネルギー効率の高いものにする方法を模索しています。
電子生産に有機物を使用する利点は何ですか？
- 新しい機会
オーガニック素材には独特の特徴がありますシリコンベースのエレクトロニクスでは達成できない特性。それらの特性には、感度、生体適合性、柔軟性が含まれます。センシングとは、電子デバイスを使用して環境または人体上の化学物質または生物学的物質を検出することです。
科学者は、そうでないバイオセンサーを構想しています。糖尿病患者の血糖値を検出するだけでなく、実際に適切なタイミングで適切な用量のインスリンを投与します。有機電子材料は、シリコンベースのデバイスよりも生物学的システムとの化学的適合性が高いだけではありません。これらは物質に柔軟性、伸長性、機械的な「柔らかさ」を与えます。
これらの特性が合わさって、人体の湾曲部分と可動部分に一致する革新的なバイオエレクトロニックセンサーの可能性が生まれます。
- エネルギー効率
科学者やエンジニアが続けるにつれて彼らは、エレクトロニクスに使用する有機材料の合成と特性評価を改善することで、そのような材料の使用がよりエネルギー効率の高い電子ディスプレイ、照明、その他のデバイスにつながることを期待しています。
たとえば、有機物を作る必要があります。太陽電池はより効率的であるため、特に冬に夜が非常に長く、日照時間が短い北欧やロシアの大部分のような場所でも使用できます。
エンジニアはからデバイスを作成しようとしています長持ちする有機材料はリサイクル可能であり、おそらく生分解性ですらあります。有機エレクトロニクスの製造方法もエネルギー効率が高くなり、ステップ数と廃熱回収方法が少なくなります。
- 無駄を減らし、安全性を高める
有機材料を使用して電子機器の作成は、電子機器を製造する将来の方法がより少ない原材料に依存し、それがより安全になるという希望を提供します。
依存するものを減らすことで材料を節約できる印刷などの無駄な工程を省きます。材料を除去して余分なものを廃棄する遠心分離とは対照的に、材料は作成時に構造またはデバイスに層ごとに追加されます。
使用量を減らすことに加えて材料、化学者はより安全な材料を使用する方法を探しています。たとえば、多くのポリマーは発がん性溶媒を必要とします。一部の溶剤は、その毒性のためにEUの印刷業界でも許可されていません。
- 安定した電子機器
より環境に配慮した電子製品の作成より「グリーン」なソーラーパネルやその他のデバイスを作成するだけでなく、より「グリーン」な製造方法を使用することでもあります。環境の持続可能性は、原材料の取得から廃棄物の処分まで、生産サイクルのすべての段階で適用する必要があります。有機材料は、今日の電子世界で可能であるよりも持続可能な方法で電子機器を未来に推進することができます。
最後に、「グリーンエレクトロニクス」とは電子機器自体が耐久性があること。有機エレクトロニクスの多様性は、環境的および社会的持続可能性の分野の約束と相まって、非常に長寿命のテクノロジースイートへの道を示しています。
市場の状況
Allied Market Research によると、2027 年までに有機エレクトロニクス市場は、CAGR 21.0% で 1,591 億ドルに達すると予想されます。持続可能な開発をサポートする技術の採用と、最新技術を開発するための有機エレクトロニクスの必要性による需要の増加が、世界の有機エレクトロニクス市場の成長を加速させています。材料に基づくと、2019年は半導体セグメントが最大のシェアを占めました。地域別に見ると、2019 年はアジア太平洋市場が最大のシェアを占めました。
さらに今週発売されたのは、大型レポート「2020～2028 年までの有機エレクトロニクス市場の規模、シェア、成長およびレポート」。それによると、予測期間中に世界の有機エレクトロニクス市場は成長する一方だという。この調査レポートは、近い将来の市場の状況とその発展の見通しを調査します。主要企業を調査した後、レポートは市場の成長を牽引する新規参入者に焦点を当てています。世界の有機エレクトロニクス市場のほとんどの企業は現在、市場の新しい技術トレンドを取り入れています。
最後に、研究者らは、世界の有機エレクトロニクス市場の成長に影響を与える強み、弱み、機会、脅威を特定するためのさまざまな方法に光を当てています。
これに取り組んでいる主要なプレーヤーの一部市場には、Fujifilm Dimatix、AU Optronics、BASF、Bayer MaterialScience、H.C。などの企業が含まれます。 STARCK、DuPont、Koninklijke Philips、LG Display、Sumitomo、Merck、AGC Seimi Chemical、Novaled、Samsung Display、Sony、Universal Display、Heliatek、Evonik。
一番下の行は何ですか？
過去数十年にわたって、この地域有機エレクトロニクスは明らかに大きな進歩を遂げました。多くのデバイスがすでに市場に出ており、多くのプロトタイプが開発中です。この分野は成長を続け、化学者、物理学者、その他の科学者やエンジニアが研究の課題に取り組むにつれて、社会がテクノロジーと相互作用する方法を変えていきます。さまざまな知識分野やさまざまな活動分野（学界、産業、政府など）の科学者やエンジニアを集めた学際的な研究およびトレーニングプログラムは、これらの課題に取り組むために必要な共同作業に貢献します。
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