Wat is organische elektronica?
Dit is een tak van de elektronica die gebruik maakt van organische materialen
Traditionele elektronica is gebaseerd op solidesilicium, dat wordt gebruikt om halfgeleiders te maken. Ze zijn anorganisch (d.w.z. ze bevatten geen koolstof). Daarentegen gebruikt organische elektronica moleculen op koolstofbasis - kleine moleculen of polymeren, die lange ketens van moleculen zijn. Vrijwel alle biologische moleculen zijn organische verbindingen, maar ook stoffen afgeleid van koolwaterstoffen zoals petrochemicaliën, oliën en kunststoffen. Veel mensen beschouwen polymeren in het bijzonder als niet-geleidend - plastic polymeren worden bijvoorbeeld gebruikt om koperdraden te isoleren. Maar sommige organische polymeren en moleculen kunnen elektriciteit geleiden.
Waarin verschillen ze van traditionele elektronica op basis van silicium?
Organische verbindingen hebben watvoordelen ten opzichte van anorganische verbindingen. Ze zijn lichtgewicht, flexibel en transparant - die allemaal aanzienlijk verschillen van de klassieke siliciumtechnologie. Ze kunnen ook goedkoper zijn om te produceren.
Waarom veroorzaakt organische elektronica zoveel opwinding?
Er zijn zoveel organische verbindingen eneen grote verscheidenheid aan functionele groepen (clusters van atomen met hun eigen onderscheidende eigenschappen). Hun elektronische eigenschappen zijn heel gemakkelijk af te stemmen door functionele groepen toe te voegen. Sommige functionele groepen onttrekken elektronen en sommige doneren elektronen. Door ze te combineren kunnen wetenschappers de gewenste eigenschappen heel nauwkeurig afstemmen. Voor lichtgevende diodes kunt u bijvoorbeeld de fluorescentie aanpassen.
Hoe is een nieuw soort elektronica ontstaan?
Organische elektronica begon in de jaren vijftigjaar toen H. Inokuchi en zijn collega's het eerste geleidende organische molecuul ontdekten. Uit deze ontdekking werd vastgesteld dat organische moleculen halfgeleiders kunnen zijn, een term die vaak wordt gebruikt voor silicium, germanium en andere soortgelijke elementen. Het blijkt dat organische halfgeleiders een aantal voordelen hebben ten opzichte van traditionele halfgeleiders.
Organische halfgeleiders
W. Helfrich en V.G.Schneider ontdekte dat organische moleculen licht kunnen uitstralen. Deze eigenschap werd voor het eerst ontdekt in het antraceenmolecuul. Het enige nadeel was dat voor dit effect een hoge spanning nodig was, wat de ontdekking en eventuele verdere ontwikkeling uiterst ondoeltreffend maakte. Toen, in de jaren tachtig, maakten drie wetenschappers - Heeger, McDiarmid en Shirakawa - geleidende polymeren, waarvoor ze in 2000 de Nobelprijs voor de Scheikunde ontvingen. Enkele jaren later werd ontdekt dat peryleentetracarbonzuurdianhydride - PTCDA, een organisch kleurstofmolecuul dat nog steeds wordt gebruikt in autolakken, halfgeleidende eigenschappen heeft.
De volgende belangrijke mijlpaal was de openingorganische lichtgevende diodes - OLED - halfgeleiderapparaten gemaakt van organische verbindingen die effectief licht uitstralen wanneer er elektrische stroom doorheen gaat. Dit apparaat werd in 1987 uitgevonden door Ching Tang en Stephen Van Slykme van Kodak. Het apparaat kon licht uitstralen met slechts 5 volt en veranderde de display-industrie voor altijd.
Waar wordt dergelijke elektronica nu gebruikt en wat is de toekomst?
Volgens professor Andreas Hirsch, hoofd vanAfdeling Organische Chemie aan de Friedrich-Alexander Universiteit in Erlangen-Neurenberg in Duitsland, zou elektronica gemaakt van koolstof in plaats van silicium kunnen leiden tot een nieuwe generatie medische apparaten, sensoren en misschien zelfs robots.
‘De meeste mensen zullen het waarschijnlijk gebruikenschermtechnologieën. Organische lichtemitterende diodes (OLED's) zijn tegenwoordig heel gebruikelijk in mobiele telefoons, en je kunt er ook tv's mee kopen. Maar zelfs daarvoor werden liquid crystal displays (LCD's), die kunnen worden gezien als een soort organische elektronica, al jaren in veel toepassingen gebruikt”, legt Hirsch uit in een interview met Richard Gray van Horizon.
"Ik ben ervan overtuigd dat je over 50 jaar of zo...je zult veel meer robots zien die er organisch uitzien, die functies kunnen uitvoeren die op metalen gebaseerde robots niet kunnen', zegt de wetenschapper.
Spectrum van toepassingen van organische elektronica
Organische elektronica heeft een breed scala aan toepassingen. Vier daarvan kunnen de meest veelbelovende worden genoemd: beeldschermen, fotovoltaïsche en transistortechnologieën en biogeneeskunde.
Displays
OLED (Organische Lichtgevende Diodes) —het is een baanbrekende technologie ontwikkeld door Ching Tang en Stephen Van Slyke. OLED's bestaan uit een organische film die fosforescentie gebruikt om zijn eigen licht te genereren in plaats van achtergrondverlichting te gebruiken. Fosforescentie is emissie als gevolg van de excitatie van elektronen die gedurende een lange periode aanhoudt. Je hebt dit misschien gemerkt bij polshorloges en wijzerplaten die oplichten in het donker.
Namsan Seoul Tower 1F — OLED-tunnel
Fosforescentie is een speciaal type fotoluminescentie.In tegenstelling tot een fluorescerende stof straalt een fosforescerende stof niet onmiddellijk geabsorbeerde energie uit. Langere re-emissietijden worden geassocieerd met "verboden" energietransities in de kwantummechanica.
OLED-bediening is vrij eenvoudig.Een organische film bestaat uit twee lagen: emitterend en geleidend. Er zijn gaten op de grens tussen de twee lagen. De emitterende laag zendt elektronen uit en de recombinatie van elektronen en gaten resulteert in het genereren van fotonen waaruit licht bestaat.
Er zijn in principe twee soorten OLED's: passieve en actieve matrix.
- Passieve matrix OLED (PMOLED) heeft strepenkathode- en anodestrips staan loodrecht op elkaar. De snijpunten en vormen de pixels waaruit licht wordt uitgezonden. Externe circuits leveren stroom aan geselecteerde strips van de anode en kathode en bepalen welke pixels aan staan en welke uit blijven. De helderheid is afhankelijk van de grootte van de aangelegde stroom. Hun nadeel is dat ze veel stroom verbruiken en daarom worden gebruikt in kleine schermen zoals PDA's (Personal Digital Assistant) en MP3-spelers.
- Het tweede type OLED is een actieve matrix OLED(AMOLED). AMOLED's hebben ook volledige lagen kathode, organisch materiaal en anode, maar de anodelaag overlapt een dunne-filmtransistormatrix (TFT). Een TFT-array is een circuit dat bepaalt welke pixels worden ingeschakeld om een afbeelding te vormen.
AMOLED's verbruiken veel minder stroom danPMOLED omdat de TFT-array minder stroom nodig heeft dan externe circuits. Hierdoor zijn ze geschikt voor grote displays zoals computermonitoren, televisies en elektronische billboards.
OLED-LED's hebben er op hun beurt veelvoordelen ten opzichte van LCD's (liquid crystal displays). Traditionele LCD-schermen bestaan uit vele onderdelen. Vloeibare kristallen hebben geen eigen achtergrondverlichting, dus gebruiken ze achtergrondverlichting. Bovendien De displayontwerpen hebben reflectorplaten om de helderheid te verbeteren, diffusorplaten om het licht gelijkmatig te scheiden en te verdelen, een onderste polarisator en een bovenste polarisator, een kleurenfilter om gekleurd licht te creëren, en natuurlijk vloeibare kristallen, wat de belangrijkste elementen zijn. Dit vergroot de dikte van het scherm dramatisch.
Quantum Light Emitting Diodes (QLED) - Overigerichting. Ze bevatten polarisatoren en kleurfilters. Ze hebben ook achtergrondverlichting nodig omdat kwantumdots hun eigen licht niet kunnen uitstralen. Als gevolg hiervan worden deze beeldschermen te dik. OLED-LED's zijn strak, produceren meer absolute zwarttinten dan QLED's en presteren beter bij weinig licht omdat elke pixel afzonderlijk wordt verlicht. OLED-schermen kunnen erg dun zijn. En toch kiezen de meeste bedrijven en consumenten voor OLED-schermen voor hun smartphones.
Fotovoltaïsche toepassingen
Organische fotovoltaïsche apparaten zijn inmeestal organische zonnecellen. Polymeren worden vaak gebruikt als fotovoltaïsch materiaal. Een van de belangrijkste voordelen van het gebruik van organische materialen om zonnecellen te maken, is dat de "optische absorptiecoëfficiënt" van organische moleculen hoog is, dus een grote hoeveelheid licht kan worden geabsorbeerd door een kleine hoeveelheid materiaal, meestal in de orde van honderden nanometer. Ze zijn ook erg flexibel en veel dunner dan hun siliconen tegenhangers. Terwijl de huidige OPV-technologie (Organic Photovoltaic) een conversie-efficiëntie van meer dan 10% heeft, tot zelfs 12%, voorspellen sommige onderzoekers dat organische zonnecellen een efficiëntie van 15-20% zullen bereiken. Ze kunnen ook worden opgerold en zelfs gecomposteerd.
И, хотя мы живем во все более электронном мире, toegang tot deze wereld is beperkt. Naar schatting 1,3 miljard mensen hebben geen toegang tot elektriciteit, en veel mensen zijn afhankelijk van kerosine, batterijen of dieselgeneratoren. Vanwege de lagere productiekosten belooft organische elektronica niet alleen de manier waarop mensen technologie gebruiken te veranderen, maar ook om het gebruik ervan uit te breiden naar populaties zonder toegang tot het netwerk.
Het grootste nadeel van biologischfotovoltaïsche cellen hebben een laag rendement in vergelijking met anorganische fotovoltaïsche cellen zoals siliciumzonnecellen. Maar er wordt onderzoek gedaan om dit probleem op te lossen en elke dag worden er nieuwe materialen ontdekt die een revolutie teweeg kunnen brengen in de zonne-energie-industrie.
Flexibele bedrukte organische transistoren
Transistoren zijn fundamentele bouwstenenblokken moderne elektronische apparaten die signalen versterken of als schakelaars fungeren. Een organische veldeffecttransistor (OFET) is een veldeffecttransistor die geleidende elektroden, een organische halfgeleider en een diëlektricum bevat. Zijn eigenaardigheid is dat het heel weinig stroom gebruikt om een zeer hoge stroom te patrouilleren en ook als een goede schakelaar fungeert. Deze transistors worden vervaardigd door gedrukte schakelingen met behulp van flexibele organische kleurstoffen. Er wordt speciaal op gelet dat er geen verontreinigingen in het materiaal terechtkomen, aangezien dit de geleidbaarheid van het materiaal negatief kan beïnvloeden.
Gedrukte schakeling met OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, gelicentieerd onder CC BY 4.0
De afgelopen jaren is er belangstelling voor OFETis enorm gegroeid en met goede reden. Qua eigenschappen kan OFET concurreren met amorf silicium (a-Si). Als gevolg hiervan is er nu een grotere belangstelling voor het industriële gebruik van OFET's voor toepassingen die momenteel onverenigbaar zijn met het gebruik van a-Si of andere anorganische transistortechnologieën. Een van hun belangrijkste technologische voordelen is dat alle OFET-lagen bij kamertemperatuur kunnen worden afgezet en gestructureerd, waardoor ze ideaal zijn voor het realiseren van goedkope elektronische apparaten met een groot oppervlak op flexibele substraten. Silicium moet worden verwarmd tot hoge temperaturen van meer dan 40°C voordat het in een mal kan worden gegoten. Het is echter nog te vroeg om te praten over het wijdverbreide gebruik van OFET vanwege de imperfectie van de technologie.
biogeneeskunde
Een ander belangrijk gebruik van biologischelektronica is geneeskunde. Om bijvoorbeeld blindheid te behandelen met een netvlieschip die in het oog wordt geïmplanteerd. Het apparaat detecteert lichtsignalen die het oog binnenkomen en zet deze om in elektrische signalen die naar de hersenen worden gestuurd. Elektroden gecoat met organische kleurstoffen zenden elektrische signalen naar de receptorcellen van het oog.
De samenstelling moet biocompatibel zijn.De selectie van de juiste materialen en mengsels van componenten is van cruciaal belang. Op dit moment heeft het blinde patiënten in staat gesteld om licht en duisternis, contouren van objecten, soms zelfs letters en gezichtsuitdrukkingen waar te nemen. Het doel van de wetenschappers is dat het apparaat niet alleen een hoge resolutie heeft, maar ook goede prestaties. Dit is een goed voorbeeld van hoe technologie en geneeskunde samenwerken om het leven van mensen te verbeteren.
De toekomst van nieuwe elektronica
Het gebied van organische elektronica in de toekomst zal zijn:blijven evolueren op manieren die vandaag niet eens voorstelbaar zijn. Sommige ideeën zijn al geïmplementeerd, zoals OLED-smartphones, televisies en goedkope zonnepanelen die op daken in landelijke gebieden worden geïnstalleerd. In de toekomst zullen opvouwbare smartphones steeds gebruikelijker worden, en bijvoorbeeld de elektronische huid, die de menselijke huid nabootst in zijn tactiele gevoeligheid, zal meer tijd nodig hebben om zich te ontwikkelen. Andere voorspellingen zijn nog niet mogelijk, aangezien de toepassingen divers zijn en vele gebieden bestrijken - geneeskunde en biomedisch onderzoek, energie en milieu, communicatie en entertainment, huis- en kantoormeubilair, kleding en persoonlijke accessoires, en nog veel meer.
Organische elektronica kan dat ookelektronica milieuvriendelijker produceren, gebruiken en recyclen. Wetenschappers en ingenieurs zoeken naar manieren om nieuwe elektronica energiezuiniger te maken dan de huidige op silicium gebaseerde ontwerpen.
Wat zijn de voordelen van het gebruik van biologische producten voor elektronische productie?
- Nieuwe kansen
Organische materialen zijn uniekeigenschappen die niet kunnen worden bereikt met op silicium gebaseerde elektronica. Hun eigenschappen omvatten gevoeligheid, biocompatibiliteit en flexibiliteit. Sensing is het gebruik van elektronische apparaten om chemische of biologische stoffen in de omgeving of op het menselijk lichaam te detecteren.
Wetenschappers voorzien biosensoren die dat niet doendetecteren niet alleen de glucosewaarden bij mensen met diabetes, maar distribueren ook daadwerkelijk de juiste dosis insuline op het juiste moment. Organische elektronische materialen zijn niet alleen chemisch beter compatibel met biologische systemen dan op silicium gebaseerde apparaten; ze geven de stof flexibiliteit, rekbaarheid en mechanische “zachtheid”.
Samen creëren deze eigenschappen het potentieel voor innovatieve bio-elektronische sensoren die de kromming en bewegende delen van het menselijk lichaam kunnen evenaren.
- Energiezuinig
Terwijl wetenschappers en ingenieurs doorgaanOm de synthese en karakterisering van organische materialen voor gebruik in de elektronica te verbeteren, hopen ze dat het gebruik van dergelijke materialen zal leiden tot energiezuinigere elektronische displays, verlichting en andere apparaten.
Het is bijvoorbeeld noodzakelijk om biologisch te makenzonnecellen zijn efficiënter, zodat ze kunnen worden gebruikt in plaatsen als Noord-Europa en een groot deel van Rusland, waar de nachten erg lang zijn en er slechts korte periodes van zonlicht zijn, vooral in de winter.
Ingenieurs proberen apparaten te maken vanorganische materialen die langer meegaan zijn recyclebaar of misschien zelfs biologisch afbreekbaar. Productiemethoden voor organische elektronica zullen ook energiezuiniger worden, wat leidt tot minder stappen en minder methoden voor het terugwinnen van afvalwarmte.
- Minder afval, meer veiligheid
Het gebruik van organische materialen voorde creatie van elektronische apparaten biedt de hoop dat toekomstige methoden voor het vervaardigen van elektronica zullen afhangen van minder grondstoffen, en het zal ook veiliger zijn.
Materialen kunnen worden bespaard door op minder te vertrouwenverspillende processen zoals printen. Materialen worden laag voor laag aan structuren of apparaten toegevoegd terwijl ze worden gemaakt, in tegenstelling tot centrifugeren, waarbij materialen worden verwijderd en overtollig materiaal wordt afgevoerd.
Naast het gebruik van mindermaterialen zoeken scheikundigen naar manieren om veiligere materialen te gebruiken. Veel polymeren hebben bijvoorbeeld kankerverwekkende oplosmiddelen nodig. Sommige oplosmiddelen zijn vanwege hun toxiciteit zelfs niet toegestaan in de grafische industrie in de EU.
- Stabiele elektronica
Groenere elektronische producten maken- het gaat niet alleen om het creëren van meer “groene” zonnecellen of andere apparaten, maar ook om het gebruik van meer “groene” productiemethoden. Milieuduurzaamheid moet worden toegepast in elke fase van de productiecyclus, van de verwerving van grondstoffen tot de verwijdering van afval. Organische materialen kunnen elektronica op een duurzamere manier de toekomst in stuwen dan mogelijk is in de elektronische wereld van vandaag.
Eindelijk, groene elektronica betekent:dat de elektronica zelf duurzaam is. De veelzijdigheid van organische elektronica, gekoppeld aan de belofte van het veld voor ecologische en sociale duurzaamheid, wijst de weg naar een zeer langlevende technologiesuite.
Marktsituatie
Volgens Allied Market Research in 2027De organische elektronicamarkt zal $159,1 miljard bereiken bij een CAGR van 21,0%. De toenemende vraag als gevolg van de adoptie van technologieën die duurzame ontwikkeling ondersteunen en de behoefte aan organische elektronica om de nieuwste technologieën te ontwikkelen, heeft de groei van de mondiale markt voor organische elektronica aangewakkerd. Op basis van de materialen had het halfgeleidersegment in 2019 het grootste aandeel. Op basis van de regio had de markt in Azië-Pacific in 2019 het leeuwendeel.
Bovendien is deze week uitgekomengroot rapport "marktvolume, aandeel, groei en rapport tot 2020-2028". Volgens het rapport zal de mondiale markt voor organische elektronica in de prognoseperiode alleen maar groeien. Dit onderzoeksrapport onderzoekt het marktlandschap en de ontwikkelingsvooruitzichten in de nabije toekomst. Na onderzoek van de belangrijkste bedrijven richt het rapport zich op nieuwkomers die de groei van de markt stimuleren. De meeste bedrijven op de mondiale markt voor organische elektronica omarmen momenteel nieuwe technologische trends op de markt.
Ten slotte werpen de onderzoekers licht op verschillende manieren om de sterke en zwakke punten, kansen en bedreigingen te identificeren die de groei van de wereldwijde markt voor organische elektronica beïnvloeden.
Enkele van de belangrijkste spelers die hieraan werkenmarkt omvatten bedrijven zoals 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.
Waar komt het op neer?
De regio heeft de afgelopen decenniaDe organische elektronica heeft duidelijk enorme stappen gemaakt: er zijn al veel apparaten op de markt en veel prototypes zijn in ontwikkeling. Dit veld zal blijven groeien en de manier waarop de samenleving omgaat met technologie veranderen, aangezien scheikundigen, natuurkundigen en andere wetenschappers en ingenieurs onderzoeksuitdagingen aanpakken. Interdisciplinaire onderzoeks- en opleidingsprogramma's die wetenschappers en ingenieurs uit verschillende kennisgebieden en uit verschillende activiteitensectoren (bijvoorbeeld de academische wereld, de industrie, de overheid) samenbrengen, zullen bijdragen aan de gezamenlijke inspanningen die nodig zijn om deze problemen op te lossen
Lees ook
Onderzoekers hebben voor het eerst schone energie uit grafeen ontwikkeld
Op dag 3 van de ziekte verliezen de meeste COVID-19-patiënten hun reukvermogen en hebben ze vaak een loopneus
De Doomsday-gletsjer bleek gevaarlijker te zijn dan wetenschappers dachten. We vertellen het belangrijkste