Czym jest elektronika organiczna?
To dziedzina elektroniki wykorzystująca materiały organiczne
Tradycyjna elektronika oparta jest na solidnej konstrukcjikrzem, który służy do tworzenia półprzewodników. Są nieorganiczne (czyli nie zawierają węgla). Natomiast elektronika organiczna wykorzystuje cząsteczki oparte na węglu – albo małe cząsteczki, albo polimery, które są długimi łańcuchami cząsteczek. Prawie wszystkie cząsteczki biologiczne to związki organiczne, ale także substancje pochodzące z węglowodorów, takie jak produkty petrochemiczne, oleje i tworzywa sztuczne. Wiele osób może myśleć, że polimery są w szczególności nieprzewodzące - na przykład polimery z tworzyw sztucznych są używane do izolacji przewodów miedzianych. Ale niektóre organiczne polimery i cząsteczki mogą przewodzić prąd.
Czym różnią się od tradycyjnej elektroniki opartej na krzemie?
Związki organiczne mają trochęprzewagi nad związkami nieorganicznymi. Są lekkie, elastyczne i przezroczyste - wszystkie znacząco różnią się od klasycznej technologii krzemowej. Mogą być również tańsze w produkcji.
Dlaczego elektronika organiczna wywołuje tyle emocji?
Jest tak wiele związków organicznych iszeroka gama grup funkcyjnych (skupiska atomów o własnych charakterystycznych właściwościach). Ich właściwości elektroniczne stają się bardzo łatwe do dostrojenia poprzez dodanie grup funkcyjnych. Niektóre grupy funkcyjne pobierają elektrony, a inne oddają je, więc łącząc je, naukowcy mogą bardzo precyzyjnie dostroić pożądane właściwości. Można na przykład dostosować fluorescencję diod elektroluminescencyjnych.
Jak powstał nowy rodzaj elektroniki?
Elektronika organiczna rozpoczęła się w latach 50lat, kiedy H. Inokuchi i jego współpracownicy odkryli pierwszą przewodzącą cząsteczkę organiczną. Na podstawie tego odkrycia ustalono, że molekuły organiczne mogą być półprzewodnikami, terminem powszechnie używanym dla krzemu, germanu i innych podobnych pierwiastków. Okazuje się, że półprzewodniki organiczne mają szereg zalet w porównaniu z półprzewodnikami tradycyjnymi.
Półprzewodniki organiczne
W. Helfrich i V.G.Schneider odkrył, że cząsteczki organiczne mogą emitować światło. Ta właściwość została po raz pierwszy odkryta w cząsteczce antracenu. Jedyną wadą było to, że efekt ten wymagał wysokiego napięcia, przez co odkrycie i ewentualny dalszy rozwój były niezwykle nieskuteczne. Następnie, w latach 80., trzech naukowców – Heeger, McDiarmid i Shirakawa – wykonało polimery przewodzące, za co w 2000 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Kilka lat później odkryto, że dibezwodnik tetrakarboksylu perylenu – PTCDA, cząsteczka organicznego barwnika wciąż stosowana w lakierach samochodowych, ma właściwości półprzewodnikowe.
Kolejnym ważnym kamieniem milowym było otwarcieorganiczne diody elektroluminescencyjne - OLED - urządzenia półprzewodnikowe wykonane ze związków organicznych, które skutecznie emitują światło, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. Urządzenie to zostało wynalezione w 1987 roku przez Ching Tang i Stephena Van Slykme z firmy Kodak. Urządzenie mogło emitować światło przy napięciu zaledwie 5 woltów i na zawsze zmieniło branżę wyświetlaczy.
Gdzie jest obecnie używana taka elektronika i jaka jest jej przyszłość?
Według prof. Andreasa Hirscha, kierownikaNa Wydziale Chemii Organicznej Uniwersytetu Friedricha Alexandra w Erlangen-Nuremberg w Niemczech elektronika wykonana z węgla zamiast krzemu może doprowadzić do powstania nowej generacji urządzeń medycznych, czujników, a być może nawet robotów.
„Większość ludzi prawdopodobnie skorzystatechnologie ekranowe. Organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED) są obecnie dość powszechne w telefonach komórkowych, można też za nie kupić telewizory. Ale nawet wcześniej wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD), które można uznać za rodzaj elektroniki organicznej, były od lat wykorzystywane w wielu zastosowaniach” – wyjaśnia Hirsch w wywiadzie dla Richarda Graya z Horizon.
„Jestem przekonany, że za jakieś 50 lat tyzobaczysz o wiele więcej robotów, które wyglądają na organiczne, które mogą wykonywać funkcje, których roboty oparte na metalu nie mogą ”- mówi naukowiec.
Spektrum zastosowań elektroniki organicznej
Elektronika organiczna ma wiele zastosowań. Cztery z nich można nazwać najbardziej obiecującymi: wyświetlacze, technologie fotowoltaiczne i tranzystorowe oraz biomedycyna.
Wyświetlacze
OLED (organiczne diody elektroluminescencyjne) —jest to pionierska technologia opracowana przez Ching Tang i Stephena Van Slyke'a. Diody OLED składają się z warstwy organicznej, która wykorzystuje fosforescencję do generowania własnego światła zamiast korzystania z podświetlenia. Fosforescencja to emisja powstająca w wyniku wzbudzenia elektronów, która trwa przez długi czas. Być może zauważyłeś to w zegarkach naręcznych i tarczach, które świecą w ciemności.
Namsan Seoul Tower 1F — tunel OLED
Fosforescencja to szczególny rodzaj fotoluminescencji.W przeciwieństwie do substancji fluorescencyjnej, substancja fosforyzująca nie emituje natychmiast pochłoniętej energii. Dłuższe czasy reemisji wiążą się z „zabronionymi” przejściami energii w mechanice kwantowej.
Działanie OLED jest dość proste.Folia organiczna składa się z dwóch warstw: emitującej i przewodzącej. Na granicy dwóch warstw znajdują się dziury. Warstwa emitująca emituje elektrony, a rekombinacja elektronów i dziur skutkuje generowaniem fotonów, które tworzą światło.
W zasadzie istnieją dwa rodzaje OLED-ów – pasywna i aktywna matryca.
- Pasywna matryca OLED (PMOLED) ma paskitaśmy katodowe i anodowe są do siebie prostopadłe. Przecięcia i tworzą piksele, z których emitowane jest światło. Obwody zewnętrzne doprowadzają prąd do wybranych pasków anody i katody, określając, które piksele będą włączone, a które wyłączone. Jasność zależy od wielkości przyłożonego prądu. Ich wadą jest to, że zużywają dużo energii i dlatego są używane w małych ekranach, takich jak PDA (Personal Digital Assistant) i odtwarzacze MP3.
- Drugi rodzaj OLED to aktywna matryca OLED(AMOLED). AMOLED-y mają również pełne warstwy katody, materiału organicznego i anody, ale warstwa anody nakłada się na matrycę tranzystora cienkowarstwowego (TFT). Tablica TFT to obwód, który określa, które piksele są włączane, aby utworzyć obraz.
AMOLED-y zużywają znacznie mniej energii niżPMOLED, ponieważ macierz TFT wymaga mniej energii niż obwody zewnętrzne. Dzięki temu nadają się do dużych wyświetlaczy, takich jak monitory komputerowe, telewizory i elektroniczne tablice reklamowe.
Z kolei diody OLED mają ich wieleprzewagę nad wyświetlaczami LCD (wyświetlaczami ciekłokrystalicznymi). Tradycyjne wyświetlacze LCD składają się z wielu części. Ciekłe kryształy nie mają własnego podświetlenia, dlatego wykorzystują podświetlenie. Ponadto Konstrukcje wyświetlaczy mają arkusze reflektorów poprawiające jasność, arkusze dyfuzorów do oddzielania i równomiernego rozprowadzania światła, dolny polaryzator i górny polaryzator, filtr barwny do tworzenia kolorowego światła i oczywiście ciekłe kryształy, które są kluczowymi elementami. To znacznie zwiększa grubość ekranu.
Kwantowe diody elektroluminescencyjne (QLED) – innekierunek. Zawierają polaryzatory i filtry kolorowe. Potrzebują także podświetlenia, ponieważ kropki kwantowe nie mogą emitować własnego światła. W rezultacie wyświetlacze te stają się zbyt grube. Diody LED OLED są eleganckie, zapewniają więcej absolutnej czerni niż diody QLED i działają lepiej w słabym świetle, ponieważ każdy piksel jest podświetlany indywidualnie. Ekrany OLED mogą być bardzo cienkie. A jednak większość firm i konsumentów wybiera wyświetlacze OLED do swoich smartfonów.
Zastosowania fotowoltaiczne
Organiczne urządzenia fotowoltaiczne są wgłównie organiczne ogniwa słoneczne. Jako materiał fotowoltaiczny powszechnie stosuje się polimery. Jedną z głównych zalet stosowania materiałów organicznych do produkcji ogniw słonecznych jest to, że „współczynnik absorpcji optycznej” cząsteczek organicznych jest wysoki, więc duża ilość światła może zostać pochłonięta przez niewielką ilość materiału, zwykle rzędu setek nanometry. Są również bardzo elastyczne i znacznie cieńsze niż ich krzemowe odpowiedniki. Podczas gdy obecna technologia OPV (Organic Photovoltaic) może pochwalić się sprawnością konwersji przekraczającą 10%, osiągając nawet 12%, niektórzy badacze przewidują, że organiczne ogniwa słoneczne osiągną wydajność 15-20%. Można je również zwijać, a nawet kompostować.
I choć żyjemy w coraz bardziej elektronicznym świecie,dostęp do tego świata jest ograniczony. Szacuje się, że 1,3 miliarda ludzi nie ma dostępu do elektryczności, a wiele osób korzysta z nafty, baterii lub generatorów diesla. Ze względu na niższe koszty produkcji elektronika organiczna obiecuje nie tylko zmienić sposób, w jaki ludzie korzystają z technologii, ale także rozszerzyć jej zastosowanie na populacje bez dostępu do sieci.
Główna wada organicznychOgniwa fotowoltaiczne mają niską wydajność w porównaniu z nieorganicznymi ogniwami fotowoltaicznymi, takimi jak krzemowe ogniwa słoneczne. Prowadzone są jednak badania mające na celu rozwiązanie tego problemu i codziennie odkrywane są nowe materiały, które mogą zrewolucjonizować przemysł energii słonecznej.
Elastyczne drukowane organiczne tranzystory
Tranzystory to podstawowe elementy budulcowebloki nowoczesnych urządzeń elektronicznych, które albo wzmacniają sygnały, albo działają jako przełączniki. Organiczny tranzystor polowy (OFET) to tranzystor polowy, który zawiera elektrody przewodzące, organiczny półprzewodnik i dielektryk. Jego osobliwością jest to, że zużywa bardzo mało energii do patrolowania bardzo wysokiego prądu i działa również jako dobry przełącznik. Tranzystory te są wytwarzane przez obwody drukowane przy użyciu elastycznych barwników organicznych. Szczególną uwagę zwraca się na to, aby żadne zanieczyszczenia nie dostały się do materiału, ponieważ może to niekorzystnie wpłynąć na przewodność materiału.
Obwód drukowany z wykorzystaniem OFET
Yasunori Takeda i in./Wikimedia, na licencji CC BY 4.0
Od kilku lat zainteresowanie OFET-emogromnie wzrosła i nie bez powodu. OFET pod względem swoich właściwości może konkurować z krzemem amorficznym (a-Si). W rezultacie obecnie wzrosło zainteresowanie przemysłowym wykorzystaniem OFET do zastosowań, które obecnie są niekompatybilne z wykorzystaniem technologii tranzystorów a-Si lub innych technologii nieorganicznych. Jedną z ich głównych zalet technologicznych jest to, że wszystkie warstwy OFET można osadzać i strukturować w temperaturze pokojowej, co czyni je idealnymi do realizacji tanich, wielkopowierzchniowych urządzeń elektronicznych na elastycznych podłożach. Przed odlaniem krzemu do formy należy go podgrzać do wysokich temperatur przekraczających 40°C. Jest jednak zbyt wcześnie, aby mówić o powszechnym stosowaniu OFET ze względu na niedoskonałość technologii.
Biomedycyna
Kolejne ważne zastosowanie produktów organicznychelektronika to medycyna. Na przykład w leczeniu ślepoty za pomocą chipa siatkówkowego wszczepianego w oko. Urządzenie wykrywa sygnały świetlne docierające do oka i przekształca je w sygnały elektryczne wysyłane do mózgu. Elektrody pokryte barwnikami organicznymi przekazują sygnały elektryczne do komórek receptorowych oka.
Kompozycja musi być biokompatybilna.Dobór odpowiednich materiałów i mieszanin składników ma kluczowe znaczenie. Obecnie umożliwia niewidomym pacjentom dostrzeganie światła i ciemności, konturów przedmiotów, a czasem nawet liter i mimiki. Celem naukowców jest, aby urządzenie miało nie tylko wysoką rozdzielczość, ale także dobre osiągi. To doskonały przykład tego, jak technologia i medycyna współpracują ze sobą, aby poprawić jakość życia ludzi.
Przyszłość nowej elektroniki
Dziedzina elektroniki organicznej w przyszłości będzienadal ewoluować w sposób, którego dzisiaj nawet nie można sobie wyobrazić. Niektóre pomysły zostały już wdrożone, takie jak smartfony OLED, telewizory i niedrogie panele słoneczne, które są instalowane na dachach na obszarach wiejskich. W przyszłości smartfony składane staną się bardziej powszechne, a na przykład rozwój elektronicznej skóry, która naśladuje ludzką skórę pod względem wrażliwości dotykowej, zajmie więcej czasu. Inne prognozy nie są jeszcze możliwe, ponieważ zastosowania są zróżnicowane i obejmują wiele dziedzin - medycynę i badania biomedyczne, energię i środowisko, komunikację i rozrywkę, meble domowe i biurowe, odzież i akcesoria osobiste oraz wiele innych.
Elektronika organiczna też może to zrobićprodukcja, użytkowanie i recykling elektroniki są bardziej przyjazne dla środowiska. Naukowcy i inżynierowie szukają sposobów, aby nowa elektronika była bardziej energooszczędna niż dzisiejsze konstrukcje oparte na krzemie.
Jakie są korzyści z używania materiałów organicznych do produkcji elektronicznej?
- Nowe szanse
Materiały organiczne mają wyjątkowy charakterwłaściwości, których nie można osiągnąć przy użyciu elektroniki opartej na krzemie. Do ich właściwości zalicza się czułość, biokompatybilność i elastyczność. Wykrywanie to wykorzystanie urządzeń elektronicznych do wykrywania substancji chemicznych lub biologicznych w środowisku lub na ciele człowieka.
Naukowcy myślą o bioczujnikach, które tego nie robiąnie tylko wykrywa poziom glukozy u osób chorych na cukrzycę, ale także faktycznie rozprowadza odpowiednią dawkę insuliny w odpowiednim czasie. Organiczne materiały elektroniczne są nie tylko bardziej kompatybilne chemicznie z systemami biologicznymi niż urządzenia na bazie krzemu; nadają substancji elastyczność, rozciągliwość i mechaniczną „miękkość”.
Łącznie te właściwości stwarzają potencjał dla innowacyjnych czujników bioelektronicznych, które mogą dopasować krzywiznę i ruchome części ludzkiego ciała.
- Efektywność energetyczna
Ponieważ naukowcy i inżynierowie kontynuująudoskonalić syntezę i charakterystykę materiałów organicznych do zastosowania w elektronice, mają nadzieję, że zastosowanie takich materiałów doprowadzi do powstania bardziej energooszczędnych wyświetlaczy elektronicznych, oświetlenia i innych urządzeń.
Na przykład konieczne jest wykonanie organiczneogniwa słoneczne są bardziej wydajne, dzięki czemu można je stosować w miejscach takich jak Europa Północna i duża część Rosji, gdzie noce są bardzo długie i okresy nasłonecznienia są tylko krótkie, zwłaszcza zimą.
Inżynierowie próbują tworzyć urządzenia zmateriały organiczne, które wytrzymują dłużej, nadają się do recyklingu, a może nawet biodegradacji. Metody produkcji elektroniki organicznej staną się również bardziej energooszczędne, co doprowadzi do mniejszej liczby etapów i metod odzyskiwania ciepła odpadowego.
- Mniej odpadów, więcej bezpieczeństwa
Wykorzystanie materiałów organicznych dotworzenie urządzeń elektronicznych daje nadzieję, że przyszłe metody wytwarzania elektroniki będą opierać się na mniejszej ilości surowców, a także będą bezpieczniejsze.
Materiały można oszczędzać, ograniczając jemarnotrawnych procesów, takich jak drukowanie. Materiały dodaje się do konstrukcji lub urządzeń warstwa po warstwie w trakcie ich tworzenia, w przeciwieństwie do wirowania, które polega na usuwaniu materiałów i usuwaniu nadmiaru.
Oprócz używania mniejchemicy szukają sposobów na wykorzystanie bezpieczniejszych materiałów. Na przykład wiele polimerów wymaga rozpuszczalników rakotwórczych. Niektóre rozpuszczalniki nie są nawet dozwolone w przemyśle drukarskim w UE ze względu na ich toksyczność.
- Stabilna elektronika
Tworzenie bardziej ekologicznych produktów elektronicznych- nie chodzi tylko o tworzenie bardziej „zielonych” ogniw słonecznych czy innych urządzeń, ale także o stosowanie bardziej „zielonych” metod produkcji. Zrównoważenie środowiskowe musi być stosowane na każdym etapie cyklu produkcyjnego, od pozyskiwania surowców po usuwanie odpadów. Materiały organiczne mogą napędzać elektronikę w przyszłość w bardziej zrównoważony sposób, niż jest to możliwe w dzisiejszym elektronicznym świecie.
Wreszcie zielona elektronika oznaczaże sama elektronika jest trwała. Wszechstronność elektroniki organicznej, w połączeniu z obietnicą w dziedzinie zrównoważonego rozwoju środowiskowego i społecznego, wskazuje drogę w kierunku bardzo długowiecznego pakietu technologicznego.
Sytuacja na rynku
Według Allied Market Research do 2027 rRynek elektroniki organicznej osiągnie 159,1 miliarda dolarów przy CAGR na poziomie 21,0%. Rosnący popyt wynikający z przyjęcia technologii wspierających zrównoważony rozwój oraz potrzeba rozwijania przez elektronikę organiczną najnowocześniejszych technologii napędza rozwój światowego rynku elektroniki organicznej. Sądząc po materiałach, największy udział w 2019 roku miał segment półprzewodników. W zależności od regionu lwią część w 2019 r. miał rynek Azji i Pacyfiku.
Ponadto w tym tygodniu został wydanyduży raport „Wolumen rynku elektroniki organicznej, udział, wzrost i raport do 2020-2028 ”. Według niego w prognozowanym okresie światowy rynek elektroniki organicznej będzie jedynie rósł. Niniejszy raport badawczy analizuje krajobraz rynku i perspektywy jego rozwoju w najbliższej przyszłości. Po zbadaniu kluczowych firm raport skupia się na nowych podmiotach napędzających rozwój rynku. Większość firm na światowym rynku elektroniki organicznej wykorzystuje obecnie nowe trendy technologiczne na rynku.
Na koniec badacze rzucają światło na różne sposoby identyfikowania mocnych i słabych stron, szans i zagrożeń wpływających na rozwój globalnego rynku elektroniki organicznej.
Niektórzy z kluczowych graczy nad tym pracowalirynek obejmuje takie firmy jak 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.
Jaki jest wynik finansowy?
W ciągu ostatnich kilku dekad regionElektronika organiczna poczyniła ogromne postępy: wiele urządzeń jest już na rynku, a wiele prototypów jest w przygotowaniu. Ta dziedzina będzie się nadal rozwijać, zmieniając sposób interakcji społeczeństwa z technologią, gdy chemicy, fizycy oraz inni naukowcy i inżynierowie mierzą się z wyzwaniami badawczymi. Interdyscyplinarne programy badawcze i szkoleniowe, które skupiają naukowców i inżynierów z różnych dziedzin wiedzy, a także z różnych sektorów działalności (na przykład akademii, przemysłu, rządu), przyczynią się do wspólnych wysiłków niezbędnych do rozwiązania tych problemów
Czytaj także
Naukowcy po raz pierwszy opracowali czystą energię z grafenu
W 3. dniu choroby większość pacjentów z COVID-19 traci zmysł węchu i często cierpi na katar
Lodowiec Doomsday okazał się bardziej niebezpieczny, niż sądzili naukowcy. Mówimy najważniejsze