Kas ir organiskā elektronika?
Šī ir elektronikas nozare, kurā tiek izmantoti organiski materiāli
Tradicionālās elektronikas pamatā ir cietasilīcijs, ko izmanto pusvadītāju radīšanai. Tie ir neorganiski (t.i., tie nesatur oglekli). Turpretī organiskajā elektronikā tiek izmantotas uz oglekļa bāzes veidotas molekulas - vai nu mazas molekulas, vai polimēri, kas ir garas molekulu ķēdes. Gandrīz visas bioloģiskās molekulas ir organiski savienojumi, bet arī vielas, kas iegūtas no ogļūdeņražiem, piemēram, naftas ķīmijas, eļļas un plastmasas. Daudzi cilvēki var domāt, ka polimēri jo īpaši nav vadoši - piemēram, vara polimēru izolēšanai izmanto plastmasas polimērus. Bet daži organiskie polimēri un molekulas var vadīt elektrību.
Ar ko tās atšķiras no tradicionālās silīcija bāzes elektronikas?
Organiskajiem savienojumiem ir dažipriekšrocības salīdzinājumā ar neorganiskajiem savienojumiem. Tās ir vieglas, elastīgas un caurspīdīgas - tās visas ievērojami atšķiras no klasiskās silīcija tehnoloģijas. To ražošana var būt arī lētāka.
Kāpēc organiskā elektronika rada tik daudz satraukuma?
Ir tik daudz organisko savienojumu undažādas funkcionālās grupas (atomu kopas ar savām raksturīgām īpašībām). To elektroniskās īpašības kļūst ļoti viegli noregulējamas, pievienojot funkcionālās grupas. Dažas funkcionālās grupas izņem elektronus, bet dažas nodod elektronus, tāpēc, tos apvienojot, zinātnieki var ļoti precīzi noregulēt vēlamās īpašības. Piemēram, varat pielāgot fluorescenci gaismas diodēm.
Kā radās jauna veida elektronika?
Organiskā elektronika sākās pagājušā gadsimta 50. gadosgadi, kad H. Inokuchi un viņa kolēģi atklāja pirmo vadošo organisko molekulu. Pēc šī atklājuma tika noteikts, ka organiskās molekulas varētu būt pusvadītāji, termins, ko parasti lieto silīcijai, germānijam un citiem līdzīgiem elementiem. Izrādās, ka organiskajiem pusvadītājiem ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajiem pusvadītājiem.
Organiskie pusvadītāji
V. Helfrihs un V.G.Šneiders atklāja, ka organiskās molekulas var izstarot gaismu. Šis īpašums pirmo reizi tika atklāts antracēna molekulā. Vienīgais trūkums bija tāds, ka šim efektam bija nepieciešams augstspriegums, kas padarīja atklājumu un iespējamo turpmāko attīstību ārkārtīgi neefektīvu. Tad astoņdesmitajos gados trīs zinātnieki - Heegers, Makdiarmids un Širakava - izgatavoja vadošus polimērus, par kuriem 2000. gadā saņēma Nobela prēmiju ķīmijā. Dažus gadus vēlāk tika atklāts, ka perilēna tetrakarboksilskābes dianhidrīdam - PTCDA, organiskās krāsas molekulai, ko joprojām izmanto automašīnu krāsās, ir pusvadošās īpašības.
Nākamais svarīgais pavērsiens bija atklāšanaorganiskās gaismas diodes - OLED - pusvadītāju ierīces, kas izgatavotas no organiskiem savienojumiem, kas efektīvi izstaro gaismu, kad caur tām iet elektriskā strāva. Šo ierīci 1987. gadā izgudroja Čings Tans un Stīvens Van Slikme no Kodak. Ierīce varēja izstarot gaismu tikai ar 5 voltiem un uz visiem laikiem mainīja displeja nozari.
Kur tagad tiek izmantota šāda elektronika un kāda ir tās nākotne?
Saskaņā ar profesora Andreasa Hirša,Organiskās ķīmijas nodaļa Frīdriha-Aleksandra universitātē Erlangenā-Nirnbergā Vācijā elektronika, kas izgatavota no oglekļa, nevis silīcija, varētu radīt jaunas paaudzes medicīnas ierīces, sensorus un varbūt pat robotus.
"Lielākā daļa cilvēku droši vien izmantosekrāna tehnoloģijas. Organiskās gaismas diodes (OLED) tagad ir diezgan izplatītas mobilajos tālruņos, un ar tām var iegādāties arī televizorus. Taču jau pirms tam šķidro kristālu displeji (LCD), ko var uzskatīt par organiskās elektronikas veidu, daudzos lietojumos tika izmantoti gadiem ilgi,” intervijā ar Ričardu Greju no Horizon skaidro Hiršs.
“Esmu pārliecināts, ka apmēram pēc 50 gadiem jūsjūs redzēsiet daudz vairāk robotu, kas izskatās organiski, kas var veikt funkcijas, kuras nevar uz metāla bāzes izgatavoti roboti, ”saka zinātnieks.
Organiskās elektronikas pielietojuma spektrs
Organiskajai elektronikai ir ļoti dažādas izmantošanas iespējas. Četrus no tiem var saukt par daudzsološākajiem: displeji, fotoelementu un tranzistoru tehnoloģijas un biomedicīna.
Displeji
OLED (organiskās gaismas diodes) —tā ir novatoriska tehnoloģija, ko izstrādājuši Ching Tang un Stephen Van Slyke. OLED sastāv no organiskas plēves, kas izmanto fosforescenci, lai radītu savu gaismu, nevis izmanto fona apgaismojumu. Fosforescence ir emisija, ko izraisa elektronu ierosināšana, kas ilgst ilgu laiku. Iespējams, esat to pamanījis rokas pulksteņos un ciparnīcās, kas spīd tumsā.
Namsan Seulas tornis 1F - OLED tunelis
Fosforescence ir īpašs fotoluminiscences veids.Atšķirībā no fluorescējošas vielas, fosforestējoša viela nekavējoties neizdala absorbēto enerģiju. Ilgāki atkārtotas emisijas laiki ir saistīti ar “aizliegtām” enerģijas pārejām kvantu mehānikā.
OLED darbība ir diezgan vienkārša.Organiskā plēve sastāv no diviem slāņiem: izstarojošā un vadošā. Uz robežas starp abiem slāņiem ir caurumi. Emitējošais slānis izstaro elektronus, un elektronu un caurumu rekombinācijas rezultātā rodas fotoni, kas veido gaismu.
Būtībā pastāv divu veidu OLED - pasīvā un aktīvā matrica.
- Pasīvajai matricai OLED (PMOLED) ir svītraskatoda un anoda sloksnes, tās ir perpendikulāras viena otrai. Krustpunkti un veido pikseļus, no kuriem izstaro gaismu. Ārējās ķēdes iedarbina strāvu uz izvēlētajām anoda un katoda sloksnēm, nosakot, kuri pikseļi būs ieslēgti un kuri paliks izslēgti. Spilgtums ir atkarīgs no pielietotās strāvas lieluma. Viņu trūkums ir tas, ka tie patērē daudz enerģijas, tāpēc tos izmanto mazos ekrānos, piemēram, PDA (personālais digitālais palīgs) un MP3 atskaņotājos.
- Otrais OLED veids ir aktīvā matrica OLED(AMOLED). AMOLED ir arī pilni katoda, organiskā materiāla un anoda slāņi, bet anoda slānis pārklājas ar plānas plēves tranzistora (TFT) matricu. TFT masīvs ir ķēde, kas nosaka, kuri pikseļi ir ieslēgti, lai izveidotu attēlu.
AMOLED patērē daudz mazāk enerģijas nekāPMOLED, jo TFT masīvam ir nepieciešama mazāka jauda nekā ārējām ķēdēm. Rezultātā tie ir piemēroti lieliem displejiem, piemēram, datoru monitoriem, televizoriem un elektroniskajiem reklāmas stendiem.
Savukārt OLED gaismas diodēm ir daudzpriekšrocības salīdzinājumā ar LCD (šķidro kristālu displejiem). Tradicionālie LCD displeji sastāv no daudzām daļām. Šķidrajiem kristāliem nav sava fona apgaismojuma, tāpēc tie izmanto fona apgaismojumu. Turklāt Displeja dizainā ir atstarotāju loksnes, lai uzlabotu spilgtumu, difuzora loksnes, lai atdalītu un vienmērīgi sadalītu gaismu, apakšējais polarizators un augšējais polarizators, krāsu filtrs krāsainas gaismas radīšanai un, protams, šķidrie kristāli, kas ir galvenie elementi. Tas ievērojami palielina ekrāna biezumu.
Kvantu gaismas diodes (QLED) — citivirziens. Tie satur polarizatorus un krāsu filtrus. Viņiem ir nepieciešams arī fona apgaismojums, jo kvantu punkti nevar izstarot paši savu gaismu. Rezultātā šie displeji kļūst pārāk biezi. OLED ir gludi, rada vairāk absolūtu melnu nekā QLED, un tie darbojas labāk vājā apgaismojumā, jo katrs pikselis ir atsevišķi izgaismots. OLED ekrāni var būt ļoti plāni. Tomēr lielākā daļa uzņēmumu un patērētāju saviem viedtālruņiem izvēlas OLED displejus.
Fotoelektriskās lietojumprogrammas
Organiskās fotoelementu ierīces atrodasgalvenokārt organiskās saules baterijas. Polimēri parasti tiek izmantoti kā fotoelementu materiāli. Viena no galvenajām organisko materiālu izmantošanas priekšrocībām saules bateriju ražošanā ir tā, ka organisko molekulu "optiskās absorbcijas koeficients" ir augsts, tāpēc nelielu daudzumu materiāla var absorbēt lielu gaismas daudzumu, parasti tas ir simtiem lielumu. nanometri. Tie ir arī ļoti elastīgi un daudz plānāki nekā silīcija kolēģi. Kaut arī pašreizējā OPV (Organic Photovoltaic) tehnoloģija var lepoties ar konversijas efektivitāti, kas pārsniedz 10%, sasniedzot pat 12%, daži pētnieki prognozē, ka organiskās saules baterijas sasniegs 15-20% efektivitāti. Tos var arī sarullēt un pat kompostēt.
Lai gan mēs dzīvojam arvien elektroniskākā pasaulē,piekļuve šai pasaulei ir ierobežota. Tiek lēsts, ka 1,3 miljardiem cilvēku nav piekļuves elektrībai, un daudzi cilvēki paļaujas uz petroleju, akumulatoriem vai dīzeļa ģeneratoriem. Pateicoties lētākām ražošanas izmaksām, organiskā elektronika sola ne tikai mainīt veidu, kā cilvēki izmanto tehnoloģiju, bet arī paplašināt to izmantošanu iedzīvotājiem bez piekļuves tīklam.
Galvenais organisko trūkumsfotoelementu efektivitāte ir zema salīdzinājumā ar neorganiskām fotoelementiem, piemēram, silīcija saules baterijām. Bet šīs problēmas risināšanai tiek veikti pētījumi, un katru dienu tiek atklāti jauni materiāli, kas varētu revolucionizēt saules enerģijas nozari.
Elastīgi iespiesti organiskie tranzistori
Transistori ir pamatelementimodernu elektronisko ierīču bloki, kas pastiprina signālus vai darbojas kā slēdži. Organiskais lauka tranzistors (OFET) ir lauka tranzistors, kas satur vadošus elektrodus, organisko pusvadītāju un dielektriku. Tās īpatnība ir tā, ka tā izmanto ļoti maz enerģijas, lai patrulētu ļoti lielu strāvu, kā arī darbojas kā labs slēdzis. Šie tranzistori tiek ražoti drukātās shēmās, izmantojot elastīgas organiskās krāsvielas. Īpaša uzmanība tiek pievērsta tam, lai materiālā nenonāktu piesārņotāji, jo tas var nelabvēlīgi ietekmēt materiāla vadītspēju.
Iespiestā shēma, izmantojot OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, licencēts saskaņā ar CC BY 4.0
Dažu pēdējo gadu laikā interese par OFETir ļoti pieaudzis un pamatota iemesla dēļ. Pēc īpašībām OFET var konkurēt ar amorfo silīciju (a-Si). Rezultātā tagad ir pieaugusi interese par OFET rūpniecisku izmantošanu lietojumprogrammām, kas pašlaik nav savienojamas ar a-Si vai citu neorganisko tranzistoru tehnoloģiju izmantošanu. Viena no to galvenajām tehnoloģiskajām priekšrocībām ir tā, ka visus OFET slāņus var uzklāt un strukturēt istabas temperatūrā, padarot tos ideāli piemērotus zemu izmaksu, liela laukuma elektronisko ierīču realizācijai uz elastīgām pamatnēm. Silīcijs ir jāuzsilda līdz augstām temperatūrām, kas pārsniedz 40°C, lai to ielietu veidnē. Tomēr ir pāragri runāt par OFET plašo izmantošanu tehnoloģiju nepilnību dēļ.
Biomedicīna
Vēl viens svarīgs bioloģiskās izmantošanas veidselektronika ir medicīna. Piemēram, lai ārstētu aklumu, izmantojot tīklenes mikroshēmu, kas tiek implantēta acī. Ierīce nosaka gaismas signālus, kas nonāk acī, un pārvērš tos elektriskos signālos, kas tiek nosūtīti uz smadzenēm. Elektrodi, kas pārklāti ar organiskām krāsvielām, pārraida elektriskos signālus uz acs receptoru šūnām.
Kompozīcijai jābūt bioloģiski saderīgai.Pareizo materiālu un sastāvdaļu maisījumu izvēle ir kritiska. Šobrīd tas ir ļāvis neredzīgiem pacientiem uztvert gaismu un tumsu, priekšmetu kontūras, dažreiz pat burtus un sejas izteiksmes. Zinātnieku mērķis ir panākt, lai ierīcei būtu ne tikai augsta izšķirtspēja, bet arī laba veiktspēja. Tas ir lielisks piemērs tam, kā tehnoloģijas un medicīna darbojas kopā, lai uzlabotu cilvēku dzīvi.
Jaunās elektronikas nākotne
Organiskās elektronikas joma nākotnē būsturpina attīstīties veidos, kurus šodien pat nevar iedomāties. Dažas idejas jau ir īstenotas, piemēram, OLED viedtālruņi, televizori un lēti saules paneļi, kas tiek uzstādīti uz jumtiem lauku apvidos. Nākotnē salokāmie viedtālruņi kļūs arvien izplatītāki, un, piemēram, elektroniskajai ādai, kas taktiskā jutībā atdarina cilvēka ādu, būs vajadzīgs vairāk laika, lai to izstrādātu. Citas prognozes vēl nav iespējamas, jo lietojumi ir daudzveidīgi un aptver daudzas jomas - medicīnu un biomedicīnas pētījumus, enerģētiku un vidi, sakarus un izklaidi, mājas un biroja mēbeles, apģērbu un personīgos piederumus un daudz ko citu.
Var darīt arī organiskā elektronikavidei draudzīgākas elektronikas ražošana, izmantošana un pārstrāde. Zinātnieki un inženieri meklē veidus, kā padarīt jauno elektroniku energoefektīvāku nekā mūsdienu silīcija konstrukcijas.
Kādas ir organisko vielu izmantošanas priekšrocības elektroniskajā ražošanā?
- Jaunas iespējas
Organiskajiem materiāliem ir unikālsīpašības, kuras nevar sasniegt ar silīcija bāzes elektroniku. To īpašības ietver jutīgumu, biosaderību un elastību. Sensēšana ir elektronisku ierīču izmantošana ķīmisku vai bioloģisku vielu noteikšanai vidē vai uz cilvēka ķermeņa.
Zinātnieki paredz tādus biosensorus, kuriem tā navne tikai nosaka glikozes līmeni cilvēkiem ar cukura diabētu, bet arī faktiski izdala atbilstošu insulīna devu īstajā laikā. Organiskie elektroniskie materiāli ir ne tikai ķīmiski saderīgāki ar bioloģiskajām sistēmām nekā ierīces, kuru pamatā ir silīcijs; tie piešķir vielai elastību, paplašināmību un mehānisku "maigumu".
Šīs īpašības kopā rada potenciālu novatoriskiem bioelektroniskiem sensoriem, kas var saskaņot cilvēka ķermeņa izliekumu un kustīgās daļas.
- Energoefektivitāte
Tā kā zinātnieki un inženieri turpinauzlabot organisko materiālu sintēzi un raksturojumu izmantošanai elektronikā, viņi cer, ka šādu materiālu izmantošana radīs energoefektīvākus elektroniskos displejus, apgaismojumu un citas ierīces.
Piemēram, ir nepieciešams veikt organiskosaules baterijas ir efektīvākas, lai tās varētu izmantot tādās vietās kā Ziemeļeiropa un liela daļa Krievijas, kur naktis ir ļoti garas un saules gaismas ir tikai īsi, īpaši ziemā.
Inženieri mēģina izveidot ierīces noorganiskie materiāli, kas kalpo ilgāk, ir pārstrādājami vai varbūt pat bioloģiski noārdāmi. Organiskās elektronikas ražošanas metodes arī kļūs energoefektīvākas, kā rezultātā būs mazāk soļu un mazāk atkritumu siltuma reģenerācijas metožu.
- Mazāk atkritumu, lielāka drošība
Organisko materiālu izmantošanaelektronisko ierīču radīšana rada cerību, ka turpmākās elektronikas ražošanas metodes paļausies uz mazāk izejvielu, un tas būs arī drošāk.
Materiālus var ietaupīt, paļaujoties uz mazākizšķērdīgi procesi, piemēram, drukāšana. Materiāli tiek pievienoti konstrukcijām vai ierīcēm slānis pēc slāņa to izveides laikā, nevis centrifugēšana, kas ietver materiālu noņemšanu un liekā iznīcināšanu.
Papildus tam, ka izmantojat mazākmateriāliem, ķīmiķi meklē veidus, kā izmantot drošākus materiālus. Piemēram, daudziem polimēriem nepieciešami kancerogēni šķīdinātāji. Daži šķīdinātāji to toksicitātes dēļ pat nav atļauti ES poligrāfijas nozarē.
- Stabila elektronika
Videi draudzīgāku elektronisko produktu veidošana- tas ir ne tikai vairāk “zaļo” saules bateriju vai citu ierīču radīšana, bet arī vairāk “zaļo” ražošanas metožu izmantošana. Vides ilgtspēja jāpiemēro visos ražošanas cikla posmos, sākot no izejvielu iegādes līdz atkritumu apglabāšanai. Organiskie materiāli var virzīt elektroniku nākotnē ilgtspējīgākā veidā, nekā tas ir iespējams mūsdienu elektroniskajā pasaulē.
Visbeidzot, zaļā elektronika nozīmēka pati elektronika ir izturīga. Organiskās elektronikas daudzpusība apvienojumā ar vides un sociālās ilgtspējas jomas solījumu norāda uz ļoti ilglaicīgu tehnoloģiju komplektu.
Tirgus situācija
Saskaņā ar sabiedroto tirgus pētījumu datiem, līdz 2027Organiskās elektronikas tirgus sasniegs 159,1 miljardu ASV dolāru ar CAGR 21,0%. Pieaugošais pieprasījums, ko izraisa tādu tehnoloģiju ieviešana, kas atbalsta ilgtspējīgu attīstību, un nepieciešamība pēc organiskās elektronikas izstrādāt jaunākās tehnoloģijas, ir veicinājis globālās organiskās elektronikas tirgus izaugsmi. Pamatojoties uz materiāliem, 2019. gadā lielāko daļu veidoja pusvadītāju segments. Pamatojoties uz reģionu, 2019. gadā lauvas tiesu ieņēma Āzijas Klusā okeāna tirgus.
Turklāt šonedēļ tas tika izlaistslielais pārskats "Organiskās elektronikas tirgus apjoms, daļa, izaugsme un pārskats līdz 2020-2028 ". Saskaņā ar to prognozētajā periodā pasaules bioloģiskās elektronikas tirgus tikai augs. Šajā pētījuma ziņojumā ir aplūkota tirgus ainava un tās attīstības perspektīvas tuvākajā nākotnē. Pēc galveno uzņēmumu pārbaudes ziņojumā galvenā uzmanība pievērsta jaunpienācējiem, kas virza tirgus izaugsmi. Lielākā daļa uzņēmumu globālajā bioloģiskās elektronikas tirgū šobrīd tirgū aptver jaunas tehnoloģiskās tendences.
Visbeidzot, pētnieki atklāj dažādus veidus, kā noteikt stiprās, vājās puses, iespējas un draudus, kas ietekmē globālā organiskās elektronikas tirgus izaugsmi.
Daži no galvenajiem dalībniekiem, kas strādā pie tātirgū ir tādi uzņēmumi kā 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.
Kāda ir apakšējā līnija?
Pēdējo gadu desmitu laikā reģionsOrganiskā elektronika nepārprotami ir guvusi milzīgus soļus: daudzas ierīces jau ir tirgū, un daudzi prototipi ir gatavībā. Šī joma turpinās pieaugt, mainot sabiedrības mijiedarbību ar tehnoloģijām, jo ķīmiķi, fiziķi un citi zinātnieki un inženieri risina pētniecības problēmas. Starpdisciplināras pētniecības un apmācības programmas, kas apvieno zinātniekus un inženierus no dažādām zināšanu jomām, kā arī no dažādām darbības nozarēm (piemēram, akadēmiskās vides, rūpniecības, valdības), veicinās sadarbības centienus, kas nepieciešami šo problēmu risināšanai
Lasīt arī
Pētnieki pirmo reizi ir izstrādājuši tīru enerģiju no grafēna
Slimības 3. dienā lielākajai daļai COVID-19 pacientu zūd oža un bieži cieš no iesnas
Doomsday ledājs izrādījās bīstamāks, nekā domāja zinātnieki. Mēs sakām galveno