Kas yra organinė elektronika?
Это отрасль электроники, которая использует органические материалы
Tradicinė elektronika yra pagrįsta kietasilicio, kuris naudojamas puslaidininkiams kurti. Jie yra neorganiniai (t. Y. Juose nėra anglies). Priešingai, organinėje elektronikoje naudojamos anglies pagrindu pagamintos molekulės - arba mažos molekulės, arba polimerai, kurie yra ilgos molekulių grandinės. Beveik visos biologinės molekulės yra organiniai junginiai, bet taip pat medžiagos, gautos iš angliavandenilių, tokių kaip naftos chemikalai, alyvos ir plastikai. Daugelis žmonių, visų pirma, gali galvoti apie nelaidžius polimerus - pavyzdžiui, vario laidams izoliuoti naudojami plastikiniai polimerai. Tačiau kai kurie organiniai polimerai ir molekulės gali praleisti elektrą.
Kuo jie skiriasi nuo tradicinės silicio elektronikos?
Organiniai junginiai turi keletąpranašumų prieš neorganinius junginius. Jie yra lengvi, lankstūs ir skaidrūs - visa tai žymiai skiriasi nuo klasikinės silicio technologijos. Jų gamyba taip pat gali būti pigesnė.
Kodėl organinė elektronika sukelia tiek daug ažiotažo?
Yra tiek daug organinių junginių irdaug įvairių funkcinių grupių (atomų grupių, turinčių savo išskirtines savybes). Jų elektronines savybes labai lengva suderinti pridedant funkcines grupes. Kai kurios funkcinės grupės pasiima elektronus, o kai kurios – dovanoja elektronus, todėl jas sujungę mokslininkai gali labai tiksliai sureguliuoti norimas savybes. Pavyzdžiui, galite reguliuoti šviesos diodų fluorescenciją.
Kaip atsirado naujos rūšies elektronika?
Organinė elektronika prasidėjo 1950-aisiaismetų, kai H. Inokuchi su kolegomis atrado pirmąją laidžią organinę molekulę. Iš šio atradimo buvo nustatyta, kad organinės molekulės gali būti puslaidininkiai - terminas, dažniausiai vartojamas siliciui, germaniui ir kitiems panašiems elementams. Pasirodo, kad organiniai puslaidininkiai turi keletą pranašumų, palyginti su tradiciniais puslaidininkiais.
Organiniai puslaidininkiai
V. Helfrichas ir V.G. Schneideris atrado, kad organinės molekulės gali skleisti šviesą. Pirmą kartą tokia savybė buvo rasta antraceno molekulėje. Vienintelis trūkumas buvo tas, kad šiam efektui reikėjo aukštos įtampos, todėl atradimas ir galimas tolesnis vystymasis tapo labai neveiksmingas. Tada devintajame dešimtmetyje trys mokslininkai - Heegeris, McDiarmidas ir Shirakawa - gamino laidžius polimerus, už kuriuos 2000 m. Jie gavo Nobelio chemijos premiją. Po kelerių metų buvo atrasta, kad perileno tetrakarboksilo dianhidridas - PTCDA, organinių dažų molekulė, vis dar naudojama automobilių dažuose, turi puslaidininkių savybių.
Kitas svarbus etapas buvo atidarymasorganiniai šviesos diodai – OLED – puslaidininkiniai įtaisai, pagaminti iš organinių junginių, kurie efektyviai skleidžia šviesą, kai per juos praeina elektros srovė. Šį įrenginį 1987 metais išrado Ching Tangas ir Stephenas Van Slykme iš Kodak. Įrenginys galėjo skleisti šviesą tik su 5 voltais ir amžiams pakeitė ekranų pramonę.
Kur tokia elektronika naudojama dabar ir kokia jos ateitis?
Pasak profesoriaus Andreaso Hirscho,Organinės chemijos katedra Friedricho-Aleksandro universitete Erlangene-Niurnberge, Vokietijoje, iš anglies, o ne iš silicio pagaminta elektronika gali sukelti naujos kartos medicinos prietaisus, jutiklius ir galbūt net robotus.
„Tikriausiai naudosis dauguma žmoniųekrano technologijos. Organiniai šviesos diodai (OLED) dabar gana paplitę mobiliuosiuose telefonuose, su jais galima įsigyti ir televizorių. Tačiau dar prieš tai skystųjų kristalų ekranai (LCD), kuriuos galima laikyti organinės elektronikos rūšimi, daugelį metų buvo naudojami daugelyje programų“, – interviu su Richardu Gray iš „Horizon“ aiškina Hirschas.
„Esu įsitikinęs, kad maždaug po 50 metų tupamatysite dar daug robotų, kurie atrodo organiškai, galintys atlikti funkcijas, kurių negali padaryti metaliniai robotai “, - sako mokslininkas.
Organinės elektronikos taikymo spektras
Organinę elektroniką galima naudoti labai įvairiai. Keturis iš jų galima vadinti perspektyviausiais: ekranai, fotoelektros ir tranzistorių technologijos bei biomedicina.
Ekranai
OLED (organiniai šviesos diodai) —tai novatoriška technologija, kurią sukūrė Ching Tangas ir Stephenas Van Slyke'as. OLED susideda iš organinės plėvelės, kuri naudoja fosforescencijos savybę, kad sukurtų savo šviesą, o ne foninį apšvietimą. Fosforescencija yra emisija dėl elektronų sužadinimo, kuris trunka ilgą laiką. Galbūt pastebėjote tai rankiniuose laikrodžiuose ir ciferblatuose, kurie šviečia tamsoje.
Namsano Seulo bokštas 1F - OLED tunelis
Fosforescencija yra speciali fotoliuminescencijos rūšis.Skirtingai nuo fluorescuojančios medžiagos, fosforuojanti medžiaga iš karto neišskiria absorbuotos energijos. Ilgesnis pakartotinio išleidimo laikas yra susijęs su „draudžiamais“ energijos perėjimais kvantinėje mechanikoje.
OLED valdymas yra gana paprastas.Organinė plėvelė susideda iš dviejų sluoksnių: skleidžiančios ir laidžios. Pasienyje tarp dviejų sluoksnių yra skylių. Spinduliuojantis sluoksnis skleidžia elektronus, o dėl elektronų ir skylių rekombinacijos susidaro fotonai, kurie sudaro šviesą.
Iš esmės yra dviejų tipų OLED - pasyvioji ir aktyvioji matrica.
- „Passive Matrix OLED“ (PMOLED) turi juostaskatodo ir anodo juostos, jos yra statmenos viena kitai. Sankryžos ir sudaro taškus, iš kurių skleidžiama šviesa. Išorinės grandinės naudoja srovę pasirinktoms anodo ir katodo juostoms, nustatydamos, kurie pikseliai bus įjungti, o kurie liks išjungti. Ryškumas priklauso nuo naudojamos srovės dydžio. Jų trūkumas yra tas, kad jie sunaudoja daug energijos, todėl naudojami mažuose ekranuose, tokiuose kaip PDA (Personal Digital Assistant) ir MP3 grotuvai.
- Antrasis OLED tipas yra aktyvi matrica OLED(AMOLEDAS). AMOLED taip pat turi visus katodo, organinės medžiagos ir anodo sluoksnius, tačiau anodo sluoksnis sutampa su plonos plėvelės tranzistoriaus (TFT) matrica. TFT masyvas yra grandinė, nustatanti, kurie pikseliai įjungti, kad susidarytų vaizdas.
AMOLED suvartoja daug mažiau energijos neiPMOLED, nes TFT masyvui reikia mažiau energijos nei išorinėms grandinėms. Todėl jie tinka dideliems ekranams, tokiems kaip kompiuterių monitoriai, televizoriai ir elektroniniai stendai.
В свою очередь у OLED-светодиодов множество преимуществ перед ЖК-дисплеями (жидкокристаллическими дисплеями). Традиционные ЖК-дисплеи состоят из множества частей. Жидкие кристаллы не имеют собственной подсветки, поэтому они используют подсветку. Кроме того, конструкции дисплея есть листы отражателя для улучшения яркости, листы диффузора для разделения и равномерного распределения света, нижний поляризатор и верхний поляризатор, цветной фильтр для создания цветного света и, конечно же, жидкие кристаллы, которые являются ключевыми элементами. Это резко увеличивает толщину экрана.
Квантовые светоизлучающие диоды (QLED) — другое направление. Они содержат поляризаторы и цветные фильтры. Им также нужна подсветка, поскольку квантовые точки не могут излучать собственный свет. В результате эти дисплеи становятся слишком толстыми. OLED-светодиоды изящные, производят больше абсолютного черного, чем QLED, и лучше работают при тусклом свете, поскольку каждый пиксель освещается индивидуально. OLED-экраны могут быть очень тонкими. И все же большинство компаний и потребителей выбирают OLED-дисплеи для сво смартфонов.
Фотоэлектрические приложения
Organiniai fotoelektriniai prietaisai yradaugiausia organinių saulės elementų. Polimerai dažniausiai naudojami kaip fotovoltinė medžiaga. Vienas iš pagrindinių organinių medžiagų naudojimo saulės elementams gaminti privalumų yra tas, kad organinių molekulių „optinės absorbcijos koeficientas“ yra didelis, todėl nedidelį kiekį medžiagos gali absorbuoti didelį šviesos kiekį, paprastai šimtai. nanometrų. Jie taip pat yra labai lankstūs ir daug plonesni nei kolegos iš silicio. Nors dabartinė OPV (Organic Photovoltaic) technologija pasižymi konversijos efektyvumu, viršijančiu 10% ir pasiekiančiu net 12%, kai kurie tyrėjai prognozuoja, kad organinių saulės elementų efektyvumas bus 15-20%. Jie taip pat gali būti suvynioti ir net kompostuoti.
Nors gyvename vis elektroniškesniame pasaulyje,prieiga prie šio pasaulio yra ribota. Apskaičiuota, kad 1,3 milijardo žmonių neturi galimybės naudotis elektra, o daugelis žmonių pasikliauja žibalu, baterijomis ar dyzelino generatoriais. Dėl pigesnių gamybos sąnaudų organinė elektronika žada ne tik pakeisti žmonių naudojimąsi technologijomis, bet ir išplėsti jų naudojimą populiacijoms, neturint prieigos prie tinklo.
Pagrindinis ekologiškų trūkumasfotovoltinių elementų efektyvumas yra mažas, palyginti su neorganiniais fotoelementais, tokiais kaip silicio saulės elementai. Tačiau atliekami tyrimai, siekiant išspręsti šią problemą, ir kiekvieną dieną atrandama naujų medžiagų, kurios gali pakeisti saulės energijos pramonę.
Lankstūs spausdinti organiniai tranzistoriai
Tranzistoriai yra esminiai elementaišiuolaikinių elektroninių prietaisų blokai, kurie stiprina signalus arba veikia kaip jungikliai. Organinis lauko tranzistorius (OFET) yra lauko tranzistorius, kuriame yra laidžių elektrodų, organinių puslaidininkių ir dielektrikų. Jo ypatumas yra tas, kad jis naudoja labai mažai energijos patruliuojant labai didele srove, taip pat veikia kaip geras jungiklis. Šie tranzistoriai gaminami spausdintinėmis grandinėmis, naudojant lanksčius organinius dažus. Ypač stengiamasi užtikrinti, kad į medžiagą nepatektų teršalų, nes tai gali neigiamai paveikti medžiagos laidumą.
Spausdintinė grandinė naudojant OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, licenced under CC BY 4.0
За последние несколько лет интерес к OFET чрезвычайно вырос и на это есть причины. По своим характеристикам OFET может конкурировать с аморфным кремнием (a-Si). В результате, в настоящее время наблюдается повышенный интерес к промышленному использованию OFET для приложений, которые в настоящее время несовместимы с использованием a-Si или других технологий неорганических транзисторов. Одно из их основных технологических преимуществ состоит в том, что все слои OFET могут быть нанесены и структурированы при комнатной температуре, что делает их идеально подходящими для реализации недорогих электронных устройств большой площади на гибких подложках. Кремний необходимо нагреть до высоких температур, превышающих 40 ° C, чтобы отлить его в форму. Однако о широком распространении OFET говорить пока рано из-за несовершенства технологий.
Biomedicina
Еще одно важное применение органической электроники — это медицина. Например, для лечения слепоты с помощью чипа сетчатки, который имплантируется в глаз. Устройство регистрирует световые сигналы, поступающие в глаз, и преобразует их в электрические сигналы, которые отправляются в мозг. Электроды, покрытые органическими красителями, передают электрические сигналы рецепторным клеткам глаза.
Kompozicija turi būti biologiškai suderinama.Tinkamų medžiagų ir komponentų mišinių pasirinkimas yra labai svarbus. Šiuo metu akliems pacientams tai leido suvokti šviesą ir tamsą, daiktų kontūrus, kartais net raides ir veido išraiškas. Mokslininkų tikslas yra, kad prietaisas turėtų ne tik aukštą skiriamąją gebą, bet ir gerą našumą. Tai puikus pavyzdys, kaip technologijos ir medicina veikia kartu, kad pagerintų žmonių gyvenimą.
Naujos elektronikos ateitis
Organinės elektronikos sritis ateityje bustoliau vystosi būdais, kurių šiandien net neįmanoma įsivaizduoti. Kai kurios idėjos jau įgyvendintos, pavyzdžiui, OLED išmanieji telefonai, televizoriai ir nebrangios saulės baterijos, montuojamos ant stogų kaimo vietovėse. Ateityje sulankstomi išmanieji telefonai taps vis dažnesni, o, pavyzdžiui, elektroninei odai, imituojančiai žmogaus odą taktiliniu jautrumu, prireiks daugiau laiko. Kitos prognozės kol kas neįmanomos, nes programos yra įvairios ir apima daug sričių - medicinos ir biomedicinos tyrimus, energetiką ir aplinką, ryšius ir pramogas, namų ir biuro baldus, drabužius ir asmeninius aksesuarus ir daug daugiau.
Органическая электроника также может сделать производство, использование и утилизацию электроники более экологически чистой. Ученые и инженеры ищут способы сделать новую электронику более энергоэффективной, чем сегодняшние разработки на основе кремния.
Kokie yra organinių medžiagų naudojimo elektroninei gamybai pranašumai?
- Naujos galimybės
Органические материалы обладают уникальными свойствами, которых невозможно достичь с помощью электроники на основе кремния. Их свойства включают чувствительность, биосовместимость и гибкость. Зондирование — это использование электронных устройств для определения химических или биологических веществ в окружающей среде или на теле человека.
Ученые представляют себе биосенсоры, которые не только определяют уровень глюкозы у людей с диабетом, но и фактически распределяют соответствующую дозу инсулина в нужное время. Органические электронные материалы не только более химически совместимы с биологическими системами, чем устройства на основе кремния; они придают веществу гибкость, растяжимость и механическую «мягкость».
Kartu šios savybės sukuria novatoriškų bioelektroninių jutiklių, kurie gali atitikti žmogaus kūno kreivumą ir judančias dalis, potencialą.
- Energijos vartojimo efektyvumas
Поскольку ученые и инженеры продолжают совершенствовать синтез и определение характеристик органических материалов для использования в электронике, они надеются, что использование таких материалов приведет к созданию более энергоэффективных электронных дисплеев, осветительных приборов и других устройств.
Например, необходимо сделать органические солнечные элементы более эффективными, чтобы их можно было использовать в таких местах, как Северная Европа и большая часть России, где ночи — очень длинные и есть только короткие периоды солнечного света, особенно зимой.
Inžinieriai bando sukurti įrenginius išorganinės medžiagos, kurios tarnauja ilgiau, yra perdirbamos ar net biologiškai skaidomos. Organinės elektronikos gamybos metodai taip pat taps efektyvesni energijos požiūriu, todėl reikės mažiau žingsnių ir mažiau atliekų šilumos panaudojimo būdų.
- Mažiau atliekų, daugiau saugumo
Organinių medžiagų naudojimaselektroninių prietaisų kūrimas teikia vilties, kad būsimi elektronikos gamybos metodai priklausys nuo mažiau žaliavų, taip pat bus saugiau.
Материалы можно сэкономить, полагаясь на менее расточительные процессы, такие как печать. Материалы добавляются к структурам или устройствам слой за слоем по мере их создания, в отличие от центрифугирования, которое включает удаление материалов и утилизацию избытков.
Be to, naudoja mažiaumedžiagų, chemikai ieško būdų, kaip naudoti saugesnes medžiagas. Pavyzdžiui, daugeliui polimerų reikia kancerogeninių tirpiklių. Kai kurie tirpikliai net nėra leidžiami ES spaustuvėje dėl jų toksiškumo.
- Stabili elektronika
Ekologiškesnių elektroninių gaminių kūrimas- tai ne tik daugiau „žalių“ saulės elementų ar kitų prietaisų kūrimas, bet ir daugiau „žalių“ gamybos metodų naudojimas. Aplinkos tvarumas turi būti taikomas kiekviename gamybos ciklo etape - nuo žaliavų įsigijimo iki atliekų šalinimo. Organinės medžiagos gali paskatinti elektroniką į ateitį tvaresniu būdu, nei tai įmanoma šiandieniniame elektroniniame pasaulyje.
Galiausiai žalia elektronika reiškiakad pati elektronika yra patvari. Ekologiškos elektronikos universalumas kartu su pažadu dėl aplinkos ir socialinio tvarumo rodo kelią į labai ilgaamžį technologijų rinkinį.
Rinkos padėtis
По данным Allied Market Research, к 2027 году рынок органической электроники достигнет 159,1 млрд долларов при среднегодовом темпе роста 21,0%. Рост спроса из-за внедрения технологий, поддерживающих устойчивое развитие, и потребности в органической электронике для разработки новейших технологий стимулировали рост мирового рынка органической электроники. Судя по материалам, на сегмент полупроводников приходилась самая большая доля в 2019 году. В зависимости от региона, рынок Азиатско-Тихоокеанского региона занимал львиную долю в 2019 году.
Кроме того, на этой неделе был выпущен большой отчет «Объем рынка органической электроники, доля, рост и отчет до 2020-2028 гг.». Согласно нему, в прогнозируемом периоде мировой рынок органической электроники будет лишь расти. В этом исследовательском отчете рассматривается рыночный ландшафт и перспективы его развития в ближайшем будущем. После изучения ключевых компаний в отчете основное внимание уделяется новым участникам, способствующим росту рынка. Большинство компаний на мировом рынке органической электроники в настоящее время осваивают новые технологические тенденции на рынке.
Наконец, исследователи проливают свет на различные способы выявления сильных и слабых сторон, возможностей и угроз, влияющих на рост глобального рынка органической электроники.
Kai kurie pagrindiniai žaidėjai, dirbantys šiuo klausimurinkoje yra tokios kompanijos kaip „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“.
Kokia esmė?
Per pastaruosius kelis dešimtmečius regionasEkologiška elektronika akivaizdžiai padarė didžiulius žingsnius: daugelis prietaisų jau yra rinkoje, o daugelis prototipų yra ruošiami. Ši sritis ir toliau augs, keisdama visuomenės sąveiką su technologijomis, nes chemikai, fizikai ir kiti mokslininkai bei inžinieriai sprendžia mokslinių tyrimų uždavinius. Tarpdisciplininės mokslinių tyrimų ir mokymo programos, apjungiančios įvairių sričių mokslininkus ir inžinierius, taip pat įvairių veiklos sektorių (pavyzdžiui, akademinės bendruomenės, pramonės, vyriausybės), prisidės prie bendradarbiavimo, būtino šioms problemoms spręsti
Taip pat skaitykite
Tyrėjai pirmą kartą sukūrė švarią energiją iš grafeno
3 ligos dieną dauguma COVID-19 pacientų praranda kvapo pojūtį ir dažnai kenčia nuo slogos
Doomsday ledynas pasirodė pavojingesnis, nei manė mokslininkai. Mes pasakome pagrindinį dalyką