Hva er organisk elektronikk?
Dette er en gren av elektronikk som bruker organiske materialer
Tradisjonell elektronikk er basert på solidsilisium, som brukes til å lage halvledere. De er uorganiske (dvs. de inneholder ikke karbon). I kontrast bruker organisk elektronikk karbonbaserte molekyler - enten små molekyler eller polymerer, som er lange kjeder av molekyler. Nesten alle biologiske molekyler er organiske forbindelser, men også stoffer avledet fra hydrokarboner som petrokjemikalier, oljer og plast. Mange kan tenke på polymerer, spesielt som ikke-ledende - for eksempel brukes plastpolymerer til å isolere kobbertråder. Men noen organiske polymerer og molekyler kan lede strøm.
Hvordan er de forskjellige fra tradisjonell silisiumbasert elektronikk?
Organiske forbindelser har noenfordeler fremfor uorganiske forbindelser. De er lette, fleksible og gjennomsiktige - som alle er vesentlig forskjellige fra den klassiske silisiumteknologien. De kan også være billigere å produsere.
Hvorfor forårsaker organisk elektronikk så mye skudd?
Det er så mange organiske forbindelser ogen lang rekke funksjonelle grupper (klynger av atomer med sine egne særegne egenskaper). Deres elektroniske egenskaper blir veldig enkle å stille inn ved å legge til funksjonelle grupper. Noen funksjonelle grupper trekker ut elektroner og noen donerer elektroner, så ved å kombinere dem kan forskerne justere de ønskede egenskapene svært nøyaktig. Du kan for eksempel justere fluorescensen for lysdioder.
Hvordan dukket en ny type elektronikk opp?
Organisk elektronikk begynte på 1950-talletår, da H. Inokuchi og hans kolleger oppdaget det første ledende organiske molekylet. Fra denne oppdagelsen ble det bestemt at organiske molekyler kunne være halvledere, et begrep som ofte brukes om silisium, germanium og andre lignende elementer. Det viser seg at organiske halvledere har flere fordeler i forhold til tradisjonelle halvledere.
Organiske halvledere
W. Helfrich og V.G. Schneider oppdaget at organiske molekyler kan avgi lys. For første gang ble en slik egenskap funnet i antracenmolekylet. Den eneste ulempen var at denne effekten krevde høy spenning, noe som gjorde oppdagelsen og mulig videreutvikling ekstremt ineffektiv. På 1980-tallet laget tre forskere - Heeger, McDiarmid og Shirakawa - ledende polymerer som de mottok Nobelprisen i kjemi i 2000. Noen år senere ble det oppdaget at perylentetrakarboksylsyre-dianhydrid - PTCDA, et organisk fargestoffmolekyl som fremdeles brukes i bilmaling, har halvledende egenskaper.
Den neste viktige milepælen var åpningenorganiske lysemitterende dioder - OLED - halvlederenheter laget av organiske forbindelser som effektivt sender ut lys når elektrisk strøm passerer gjennom dem. Denne enheten ble oppfunnet i 1987 av Ching Tang og Stephen Van Slykme fra Kodak. Enheten kunne sende ut lys med bare 5 volt og endret skjermindustrien for alltid.
Hvor brukes slik elektronikk nå, og hva er fremtiden for den?
I følge professor Andreas Hirsch, leder forInstitutt for organisk kjemi ved Friedrich-Alexander University i Erlangen-Nürnberg i Tyskland, elektronikk laget av karbon i stedet for silisium, kan føre til en ny generasjon medisinsk utstyr, sensorer og kanskje til og med roboter.
«De fleste vil nok brukeskjermteknologier. Organiske lysdioder (OLED) er nå ganske vanlig i mobiltelefoner, og du kan også kjøpe TV med dem. Men selv før det har flytende krystallskjermer (LCD), som kan betraktes som en type organisk elektronikk, blitt brukt i mange applikasjoner i årevis, forklarer Hirsch i et intervju med Richard Gray fra Horizon.
“Jeg er overbevist om at du om 50 årdu vil se mange flere roboter som ser organiske ut, som kan utføre funksjoner som metallbaserte roboter ikke kan, sier forskeren.
Spekter av anvendelser av organisk elektronikk
Organisk elektronikk har et bredt spekter av bruksområder. Fire av dem kan kalles de mest lovende: skjermer, solceller og transistorteknologier og biomedisin.
Skjermer
OLED (Organic Light Emitting Diodes) & # 8212;det er en banebrytende teknologi utviklet av Ching Tang og Stephen Van Slyke. OLED-er består av en organisk film som bruker egenskapen til fosforescens til å generere sitt eget lys i stedet for å bruke bakgrunnsbelysning. Fosforescens er emisjon på grunn av eksitasjon av elektroner som varer i lang tid. Du har kanskje lagt merke til dette i armbåndsur og urskiver som lyser i mørket.
Namsan Seoul Tower 1F— OLED Tunnel
Fosforescens er en spesiell type fotoluminescens.I motsetning til et fluorescerende stoff avgir ikke et fosforescerende stoff umiddelbart absorbert energi. Lengre gjenopprettingstider er assosiert med "forbudte" energioverganger i kvantemekanikk.
OLED-drift er ganske grei.En organisk film består av to lag: emitterende og ledende. Det er hull på grensen mellom de to lagene. Det emitterende laget sender ut elektroner, og rekombinasjonen av elektroner og hull resulterer i generering av fotoner som utgjør lys.
Det er i utgangspunktet to typer OLED-er - passiv og aktiv matrise.
- Passiv matrise OLED (PMOLED) har striperkatode- og anodestrimler, de er vinkelrette på hverandre. Kryssene og danner pikslene som det sendes ut lys fra. Eksterne kretser bruker strøm til utvalgte striper av anoden og katoden, og bestemmer hvilke piksler som skal være på og hvilke som vil forbli av. Lysstyrken avhenger av størrelsen på den påførte strømmen. Ulempen er at de bruker mye strøm og brukes derfor i små skjermer som PDAer (Personal Digital Assistant) og MP3-spillere.
- Den andre typen OLED er en aktiv matrise OLED(AMOLED). AMOLED-er har også fulle lag med katode, organisk materiale og anode, men anodelaget overlapper en tynnfilm-transistor (TFT) -matrise. En TFT-matrise er en krets som bestemmer hvilke piksler som er slått på for å danne et bilde.
AMOLEDs bruker mye mindre strøm ennPMOLED fordi TFT-array krever mindre strøm enn eksterne kretser. Som et resultat er de egnet for store skjermer som dataskjermer, TV-er og elektroniske reklametavler.
I sin tur har OLED-lysdioder mangefordeler fremfor LCD-skjermer (liquid crystal displays). Tradisjonelle LCD-skjermer består av mange deler. Flytende krystaller har ikke egen bakgrunnsbelysning, så de bruker bakgrunnsbelysning. I tillegg Skjermdesignene har reflektorark for å forbedre lysstyrken, diffuserark for å separere og fordele lys jevnt, en bunnpolarisator og en topppolarisator, et fargefilter for å skape farget lys, og selvfølgelig flytende krystaller, som er nøkkelelementene. Dette øker tykkelsen på skjermen dramatisk.
Quantum Light Emitting Diodes (QLED) - Annetretning. De inneholder polarisatorer og fargefiltre. De trenger også bakgrunnsbelysning fordi kvanteprikker ikke kan sende ut sitt eget lys. Som et resultat blir disse skjermene for tykke. OLED-lysdioder er slanke, produserer mer absolutt sort enn QLED-er, og yter bedre i svakt lys fordi hver piksel er individuelt opplyst. OLED-skjermer kan være veldig tynne. Og likevel velger de fleste bedrifter og forbrukere OLED-skjermer for smarttelefonene sine.
Fotovoltaiske applikasjoner
Organiske solcelleanordninger er imest organiske solceller. Polymerer brukes ofte som fotovoltaisk materiale. En av hovedfordelene ved å bruke organiske materialer til å lage solceller er at den "optiske absorpsjonskoeffisienten" til organiske molekyler er høy, så en stor mengde lys kan absorberes av en liten mengde materiale, vanligvis i størrelsesorden hundrevis av nanometer. De er også veldig fleksible og mye tynnere enn deres silisium-kolleger. Mens dagens OPV (Organic Photovoltaic) teknologi kan skryte av konverteringseffektivitet på over 10% og når til og med 12%, spår noen forskere at organiske solceller vil oppnå 15-20% effektivitet. De kan også rulles sammen og til og med komposteres.
Og selv om vi lever i en stadig mer elektronisk verden,tilgangen til denne verden er begrenset. Anslagsvis 1,3 milliarder mennesker mangler tilgang til strøm, og mange stoler på parafin, batterier eller dieselgeneratorer. På grunn av billigere produksjonskostnader, lover organisk elektronikk ikke bare å endre måten folk bruker teknologi på, men også å utvide bruken til populasjoner uten tilgang til nettet.
Den største ulempen med organisksolceller har lav effektivitet sammenlignet med uorganiske solceller som silisiumsolceller. Men det forskes på for å løse dette problemet, og det oppdages nye materialer hver dag som kan revolusjonere solenergiindustrien.
Fleksible trykte organiske transistorer
Transistorer er grunnleggende byggesteinerblokker av moderne elektroniske enheter som enten forsterker signaler eller fungerer som brytere. En organisk felt-effekt transistor (OFET) er en felt-effekt transistor som inneholder ledende elektroder, en organisk halvleder og en dielektrikum. Dens særegenhet er at den bruker veldig lite strøm til å patruljere en veldig høy strøm, og fungerer også som en god bryter. Disse transistorene er produsert av trykte kretser med fleksible organiske fargestoffer. Spesiell forsiktighet er tatt for å sikre at ingen forurensninger kommer inn i materialet, da dette kan påvirke materialets ledningsevne negativt.
Trykt krets med OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, lisensiert under CC BY 4.0
I løpet av de siste årene har interessen for OFEThar vokst enormt og med god grunn. Når det gjelder egenskapene, kan OFET konkurrere med amorft silisium(a-Si). Som et resultat er det nå økt interesse for industriell bruk av OFET-er for applikasjoner som for tiden er uforenlige med bruk av a-Si eller andre uorganiske transistorteknologier. En av deres viktigste teknologiske fordeler er at alle OFET-lag kan avsettes og struktureres ved romtemperatur, noe som gjør dem ideelle for å realisere rimelige, store elektroniske enheter på fleksible underlag. Silisium må varmes opp til høye temperaturer over 40°C for å støpes i en form. Det er imidlertid for tidlig å snakke om den utbredte bruken av OFET på grunn av teknologiens ufullkommenhet.
Biomedisin
En annen viktig bruk av økologiskelektronikk er medisin. For eksempel for å behandle blindhet ved hjelp av en retinal chip som er implantert i øyet. Enheten oppdager lyssignaler som kommer inn i øyet og konverterer dem til elektriske signaler som sendes til hjernen. Elektroder belagt med organiske fargestoffer overfører elektriske signaler til reseptorcellene i øyet.
Sammensetningen må være biokompatibel.Valget av egnede materialer og blandinger av komponenter er avgjørende. Akkurat nå har det gjort det mulig for blinde pasienter å oppfatte lys og mørke, konturer av gjenstander, noen ganger til og med bokstaver og ansiktsuttrykk. Målet for forskerne er at enheten ikke bare skal ha høy oppløsning, men også god ytelse. Dette er et godt eksempel på hvordan teknologi og medisin fungerer sammen for å forbedre folks liv.
Fremtiden for ny elektronikk
Feltet med organisk elektronikk i fremtiden vil værefortsette å utvikle seg på måter som i dag ikke en gang kan forestilles. Noen ideer er allerede implementert, for eksempel OLED-smarttelefoner, TV-er og billige solcellepaneler som er installert på hustak i landlige områder. I fremtiden vil sammenleggbare smarttelefoner bli vanligere, og for eksempel vil elektronisk hud, som etterligner menneskelig hud i taktil følsomhet, ta mer tid å utvikle seg. Andre spådommer er ennå ikke mulig, siden applikasjonene er forskjellige og dekker mange områder - medisin og biomedisinsk forskning, energi og miljø, kommunikasjon og underholdning, møbler til hjemmet og kontoret, klær og personlig tilbehør og mye mer.
Organisk elektronikk kan også gjøre detprodusere, bruke og resirkulere elektronikk mer miljøvennlig. Forskere og ingeniører leter etter måter å gjøre ny elektronikk mer energieffektiv enn dagens silisiumbaserte design.
Hva er fordelene med å bruke organiske stoffer til elektronisk produksjon?
- Nye muligheter
Organiske materialer har unikeegenskaper som ikke kan oppnås med silisiumbasert elektronikk. Egenskapene deres inkluderer følsomhet, biokompatibilitet og fleksibilitet. Sensing er bruk av elektroniske enheter for å oppdage kjemiske eller biologiske stoffer i miljøet eller på menneskekroppen.
Forskere ser for seg biosensorer som ikke gjør detikke bare oppdage glukosenivåer hos personer med diabetes, men også distribuere riktig dose insulin til rett tid. Organiske elektroniske materialer er ikke bare mer kjemisk kompatible med biologiske systemer enn silisiumbaserte enheter; de gir stoffet fleksibilitet, strekkbarhet og mekanisk "mykhet".
Sammen skaper disse egenskapene potensialet for innovative bioelektroniske sensorer som kan matche krumning og bevegelige deler av menneskekroppen.
- Energieffektivitet
Som forskere og ingeniører fortsetterforbedre syntesen og karakteriseringen av organiske materialer for bruk i elektronikk, håper de at bruken av slike materialer vil føre til mer energieffektive elektroniske skjermer, belysning og andre enheter.
For eksempel er det nødvendig å lage økologisksolceller er mer effektive slik at de kan brukes på steder som Nord-Europa og store deler av Russland, hvor nettene er veldig lange og det bare er korte perioder med sollys, spesielt om vinteren.
Ingeniører prøver å lage enheter fraorganiske materialer som varer lenger er resirkulerbare eller til og med biologisk nedbrytbare. Fremstillingsmetoder for organisk elektronikk vil også bli mer energieffektive, og føre til færre trinn og mindre metoder for gjenvinning av spillvarme.
- Mindre avfall, mer sikkerhet
Bruk av organiske materialer tiletableringen av elektroniske enheter gir håp om at fremtidige metoder for produksjon av elektronikk vil stole på færre råvarer, og det vil også være tryggere.
Materialer kan spares ved å stole på mindrebortkastede prosesser som trykking. Materialer legges til strukturer eller enheter lag for lag etter hvert som de lages, i motsetning til sentrifugering, som innebærer fjerning av materialer og avhending av overskudd.
Foruten å bruke mindrematerialer, kjemikere leter etter måter å bruke tryggere materialer på. For eksempel krever mange polymerer kreftfremkallende løsningsmidler. Noen løsemidler er ikke engang tillatt i trykkeribransjen i EU på grunn av deres toksisitet.
- Stabil elektronikk
Opprette grønnere elektroniske produkter- det handler ikke bare om å lage flere “grønne” solceller eller andre enheter, men også om å bruke mer “grønne” produksjonsmetoder. Miljømessig bærekraft må brukes på hvert trinn i produksjonssyklusen, fra anskaffelse av råvarer til avhending av avfall. Organiske materialer kan drive elektronikk inn i fremtiden på en mer bærekraftig måte enn det som er mulig i dagens elektroniske verden.
Til slutt betyr grønn elektronikkat selve elektronikken er holdbar. Allsidigheten til organisk elektronikk, kombinert med løftet fra feltet for miljømessig og sosial bærekraft, peker veien mot en veldig lang levetid teknologipakke.
Markedsforhold
I følge Allied Market Research, innen 2027Det organiske elektronikkmarkedet vil nå 159,1 milliarder dollar ved en CAGR på 21,0 %. Økende etterspørsel på grunn av bruk av teknologier som støtter bærekraftig utvikling og behovet for organisk elektronikk for å utvikle nyeste teknologier har drevet veksten av det globale organiske elektronikkmarkedet. Basert på materialene sto halvledersegmentet for den største andelen i 2019. Basert på region hadde Asia Pacific-markedet brorparten i 2019.
I tillegg ble den sluppet denne ukenstor rapport "Organisk elektronikkmarkedsvolum, andel, vekst og rapport frem til 2020-2028 ". Ifølge den, i prognoseperioden, vil det globale organiske elektronikkmarkedet bare vokse. Denne forskningsrapporten undersøker markedslandskapet og dets utviklingsutsikter i nær fremtid. Etter å ha undersøkt nøkkelselskapene, fokuserer rapporten på nye aktører som driver veksten i markedet. De fleste selskaper i det globale organiske elektronikkmarkedet omfavner for tiden nye teknologiske trender i markedet.
Til slutt kaster forskerne lys over ulike måter å identifisere styrker, svakheter, muligheter og trusler som påvirker veksten av det globale organiske elektronikkmarkedet.
Noen av nøkkelaktørene som jobber med dettemarkedet inkluderer selskaper som 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.
Hva er bunnlinjen?
I løpet av de siste tiårene har regionenOrganisk elektronikk har tydeligvis gjort enorme fremskritt: mange enheter er allerede på markedet, og mange prototyper er i røret. Dette feltet vil fortsette å vokse, og endre måten samfunnet samhandler med teknologi på som kjemikere, fysikere og andre forskere og ingeniører takler forskningsutfordringer. Tverrfaglige forsknings- og opplæringsprogrammer som samler forskere og ingeniører fra ulike kunnskapsfelt, så vel som fra ulike aktivitetssektorer (f.eks. Akademia, industri, myndigheter), vil bidra til det samarbeidsarbeidet som trengs for å løse disse problemene
Les også
Forskere har utviklet ren energi fra grafen for første gang
På sykdomsdag 3 mister de fleste COVID-19 pasienter luktesansen og lider ofte av en rennende nese
Dommedagsbreen viste seg å være farligere enn forskere trodde. Vi forteller det viktigste