O que é eletrônica orgânica?
Este é um ramo da eletrônica que utiliza materiais orgânicos
Eletrônica tradicional é baseada em sólidossilício, que é usado para criar semicondutores. Eles são inorgânicos (ou seja, não contêm carbono). Em contraste, a eletrônica orgânica usa moléculas baseadas em carbono - pequenas moléculas ou polímeros, que são longas cadeias de moléculas. Quase todas as moléculas biológicas são compostos orgânicos, mas também substâncias derivadas de hidrocarbonetos, como produtos petroquímicos, óleos e plásticos. Muitas pessoas podem pensar em polímeros em particular como não condutores - por exemplo, polímeros de plástico são usados para isolar fios de cobre. Mas alguns polímeros e moléculas orgânicos podem conduzir eletricidade.
Como eles são diferentes da eletrônica tradicional baseada em silício?
Compostos orgânicos têm algunsvantagens sobre os compostos inorgânicos. Eles são leves, flexíveis e transparentes - todos significativamente diferentes da tecnologia clássica de silício. Eles também podem ser mais baratos de fabricar.
Por que a eletrônica orgânica está causando tanto entusiasmo?
Existem tantos compostos orgânicos euma grande variedade de grupos funcionais (aglomerados de átomos com propriedades próprias e distintas). Suas propriedades eletrônicas tornam-se muito fáceis de ajustar adicionando grupos funcionais. Alguns grupos funcionais retiram elétrons e alguns doam elétrons, portanto, ao combiná-los, os cientistas podem ajustar com muita precisão as propriedades desejadas. Por exemplo, você pode ajustar a fluorescência para diodos emissores de luz.
Como surgiu um novo tipo de eletrônica?
A eletrônica orgânica começou na década de 1950anos quando H. Inokuchi e seus colegas descobriram a primeira molécula orgânica condutora. A partir dessa descoberta, foi determinado que as moléculas orgânicas poderiam ser semicondutores, um termo comumente usado para silício, germânio e outros elementos semelhantes. Acontece que os semicondutores orgânicos têm uma série de vantagens sobre os semicondutores tradicionais.
Semicondutores orgânicos
V. Helfrikh e V.G.Schneider descobriu que as moléculas orgânicas podem emitir luz. Esta propriedade foi descoberta pela primeira vez na molécula de antraceno. A única desvantagem era que esse efeito exigia alta voltagem, o que tornava a descoberta e possível desenvolvimento posterior extremamente ineficaz. Então, na década de 1980, três cientistas - Heeger, McDiarmid e Shirakawa - fizeram polímeros condutores, pelos quais receberam o Prêmio Nobel de Química em 2000. Vários anos depois, foi descoberto que o dianidrido de perileno tetracarboxílico - PTCDA, uma molécula de corante orgânico ainda usado em tintas automotivas, tem propriedades semicondutoras.
O próximo marco importante foi a aberturadiodos emissores de luz orgânicos - OLED - dispositivos semicondutores feitos de compostos orgânicos que emitem luz efetivamente quando a corrente elétrica passa por eles. Este dispositivo foi inventado em 1987 por Ching Tang e Stephen Van Slykme da Kodak. O dispositivo podia emitir luz com apenas 5 volts e mudou a indústria de displays para sempre.
Onde essa eletrônica é usada agora e qual é o seu futuro?
De acordo com o professor Andreas Hirsch, chefe daDepartamento de Química Orgânica da Universidade Friedrich-Alexander em Erlangen-Nuremberg na Alemanha, os eletrônicos feitos de carbono em vez de silício podem levar a uma nova geração de dispositivos médicos, sensores e talvez até robôs.
"A maioria das pessoas provavelmente usarátecnologias de tela. Diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs) agora são bastante comuns em telefones celulares e você também pode comprar TVs com eles. Mas mesmo antes disso, os monitores de cristal líquido (LCDs), que podem ser considerados um tipo de eletrônica orgânica, têm sido usados em muitas aplicações há anos”, explica Hirsch em entrevista a Richard Gray, da Horizon.
“Estou convencido de que em cerca de 50 anos, vocêvocê verá muitos mais robôs que parecem orgânicos, que podem realizar funções que os robôs baseados em metal não podem ”, diz o cientista.
Espectro de aplicações da eletrônica orgânica
A eletrônica orgânica tem uma ampla variedade de usos. Quatro deles podem ser considerados os mais promissores: monitores, tecnologias fotovoltaicas e de transistores e biomedicina.
Monitores
OLED (diodos emissores de luz orgânicos) —é uma tecnologia pioneira desenvolvida por Ching Tang e Stephen Van Slyke. Os OLEDs consistem em um filme orgânico que usa a propriedade da fosforescência para gerar sua própria luz em vez de usar luz de fundo. A fosforescência é a emissão devido à excitação de elétrons que dura um longo período de tempo. Você deve ter notado isso em relógios de pulso e mostradores que brilham no escuro.
Namsan Seoul Tower 1F— OLED Tunnel
A fosforescência é um tipo especial de fotoluminescência.Ao contrário de uma substância fluorescente, uma substância fosforescente não emite imediatamente a energia absorvida. Tempos de reemissão mais longos estão associados a transições de energia “proibidas” na mecânica quântica.
A operação do OLED é bastante direta.Um filme orgânico consiste em duas camadas: emissora e condutora. Existem buracos na borda entre as duas camadas. A camada emissora emite elétrons, e a recombinação de elétrons e lacunas resulta na geração de fótons que formam a luz.
Existem basicamente dois tipos de OLEDs - matriz passiva e ativa.
- A matriz passiva OLED (PMOLED) tem listrasas tiras do cátodo e do ânodo são perpendiculares entre si. As interseções e formam os pixels de onde a luz é emitida. Os circuitos externos aplicam corrente às tiras selecionadas do ânodo e do cátodo, determinando quais pixels estarão ligados e quais permanecerão desligados. O brilho depende da magnitude da corrente aplicada. A desvantagem é que consomem muita energia e, portanto, são usados em telas pequenas, como PDAs (Personal Digital Assistant) e MP3 players.
- O segundo tipo de OLED é um OLED de matriz ativa(AMOLED). AMOLEDs também têm camadas completas de cátodo, material orgânico e ânodo, mas a camada do ânodo se sobrepõe a uma matriz de transistor de filme fino (TFT). Uma matriz TFT é um circuito que determina quais pixels são ativados para formar uma imagem.
AMOLEDs consomem muito menos energia do quePMOLED porque a matriz TFT requer menos energia do que os circuitos externos. Como resultado, eles são adequados para telas grandes, como monitores de computador, televisores e painéis eletrônicos.
Por sua vez, os LEDs OLED têm muitosvantagens sobre LCDs (telas de cristal líquido). Os displays LCD tradicionais são compostos de muitas partes. Os cristais líquidos não possuem retroiluminação própria, por isso utilizam retroiluminação. Além disso Os designs da tela possuem folhas refletoras para melhorar o brilho, folhas difusoras para separar e distribuir a luz uniformemente, um polarizador inferior e um polarizador superior, um filtro colorido para criar luz colorida e, claro, cristais líquidos, que são os elementos-chave. Isso aumenta drasticamente a espessura da tela.
Diodos emissores de luz quântica (QLED) - Outrosdireção. Eles contêm polarizadores e filtros de cores. Eles também precisam de luz de fundo porque os pontos quânticos não podem emitir sua própria luz. Como resultado, essas telas ficam muito grossas. Os LEDs OLED são elegantes, produzem pretos mais absolutos do que os QLEDs e apresentam melhor desempenho com pouca luz porque cada pixel é iluminado individualmente. As telas OLED podem ser muito finas. Mesmo assim, a maioria das empresas e consumidores escolhe telas OLED para seus smartphones.
Aplicações fotovoltaicas
Dispositivos fotovoltaicos orgânicos estão emprincipalmente células solares orgânicas. Os polímeros são comumente usados como material fotovoltaico. Uma das principais vantagens de usar materiais orgânicos para fazer células solares é que o "coeficiente de absorção óptica" das moléculas orgânicas é alto, de modo que uma grande quantidade de luz pode ser absorvida por uma pequena quantidade de material, geralmente da ordem de centenas de nanômetros. Eles também são muito flexíveis e muito mais finos do que seus equivalentes de silicone. Enquanto a atual tecnologia OPV (Organic Photovoltaic) ostenta uma eficiência de conversão superior a 10%, chegando a até 12%, alguns pesquisadores prevêem que as células solares orgânicas atingirão uma eficiência de 15-20%. Eles também podem ser enrolados e até compostados.
E embora vivamos em um mundo cada vez mais eletrônico,o acesso a este mundo é limitado. Estima-se que 1,3 bilhão de pessoas não têm acesso à eletricidade, com muitas pessoas dependendo de querosene, baterias ou geradores a diesel. Devido aos custos de fabricação mais baratos, a eletrônica orgânica promete não apenas mudar a forma como as pessoas usam a tecnologia, mas também expandir seu uso para populações sem acesso à rede.
A principal desvantagem do orgânicoas células fotovoltaicas são de baixa eficiência em comparação com as células fotovoltaicas inorgânicas, como as células solares de silício. Mas pesquisas estão sendo feitas para resolver esse problema e novos materiais estão sendo descobertos todos os dias que podem revolucionar a indústria de energia solar.
Transistores orgânicos impressos flexíveis
Transistores são blocos de construção fundamentaisblocos de dispositivos eletrônicos modernos que amplificam sinais ou atuam como interruptores. Um transistor de efeito de campo orgânico (OFET) é um transistor de efeito de campo que contém eletrodos condutores, um semicondutor orgânico e um dielétrico. Sua peculiaridade é que usa muito pouca energia para patrulhar uma corrente muito alta e também atua como uma boa chave. Esses transistores são fabricados em circuitos impressos usando tintas orgânicas flexíveis. Um cuidado especial é tomado para garantir que nenhum contaminante entre no material, pois isso pode afetar adversamente a condutividade do material.
Circuito impresso usando OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, licenciado sob CC BY 4.0
Nos últimos anos, o interesse no OFETcresceu enormemente e por boas razões. Em termos de características, o OFET pode competir com o silício amorfo (a-Si). Como resultado, há agora um interesse crescente no uso industrial de OFETs para aplicações que são atualmente incompatíveis com o uso de a-Si ou outras tecnologias de transistores inorgânicos. Uma de suas principais vantagens tecnológicas é que todas as camadas OFET podem ser depositadas e estruturadas à temperatura ambiente, tornando-as ideais para a realização de dispositivos eletrônicos de grande área e baixo custo em substratos flexíveis. O silício deve ser aquecido a altas temperaturas superiores a 40°C para ser moldado em um molde. Porém, é muito cedo para falar sobre o uso generalizado do OFET devido à imperfeição da tecnologia.
Biomedicina
Outro uso importante dos orgânicoseletrônica é medicina. Por exemplo, para tratar a cegueira usando um chip de retina implantado no olho. O dispositivo detecta sinais de luz que entram no olho e os converte em sinais elétricos que são enviados ao cérebro. Eletrodos revestidos com corantes orgânicos transmitem sinais elétricos às células receptoras do olho.
A composição deve ser biocompatível.A seleção dos materiais e misturas de componentes corretos é crítica. Atualmente, permite que pacientes cegos percebam a luz e a escuridão, contornos de objetos, às vezes até letras e expressões faciais. O objetivo dos cientistas é que o aparelho não tenha apenas alta resolução, mas também um bom desempenho. Este é um ótimo exemplo de como a tecnologia e a medicina trabalham juntas para melhorar a vida das pessoas.
O futuro da nova eletrônica
O campo da eletrônica orgânica no futuro serácontinuar a evoluir de maneiras que hoje nem podem ser imaginadas. Algumas ideias já foram implementadas, como smartphones OLED, TVs e painéis solares baratos que são instalados em telhados em áreas rurais. No futuro, smartphones dobráveis se tornarão mais comuns e, por exemplo, a pele eletrônica, que imita a pele humana em sua sensibilidade tátil, levará mais tempo para se desenvolver. Outras previsões ainda não são possíveis, pois as aplicações são variadas e cobrem muitas áreas - incluindo medicina e pesquisa biomédica, energia e meio ambiente, comunicações e entretenimento, móveis para casa e escritório, roupas e acessórios pessoais e muito mais.
A eletrônica orgânica também pode fazerproduzir, usar e reciclar eletrônicos de forma mais ecologicamente correta. Cientistas e engenheiros estão procurando maneiras de tornar os novos eletrônicos mais eficientes em termos energéticos do que os atuais projetos baseados em silício.
Quais são os benefícios do uso de orgânicos para produção eletrônica?
- Novas oportunidades
Os materiais orgânicos têm características únicaspropriedades que não podem ser alcançadas com eletrônicos à base de silício. Suas propriedades incluem sensibilidade, biocompatibilidade e flexibilidade. Sensoriamento é o uso de dispositivos eletrônicos para detectar substâncias químicas ou biológicas no meio ambiente ou no corpo humano.
Os cientistas imaginam biossensores que nãonão apenas detectar os níveis de glicose em pessoas com diabetes, mas também distribuir a dose apropriada de insulina no momento certo. Os materiais eletrônicos orgânicos não são apenas mais compatíveis quimicamente com os sistemas biológicos do que os dispositivos à base de silício; conferem à substância flexibilidade, extensibilidade e “suavidade” mecânica.
Juntas, essas propriedades criam o potencial para sensores bioeletrônicos inovadores que podem corresponder à curvatura e às partes móveis do corpo humano.
- Eficiência energética
À medida que cientistas e engenheiros continuammelhorar a síntese e caracterização de materiais orgânicos para uso em eletrônica, eles esperam que o uso de tais materiais leve a displays eletrônicos, iluminação e outros dispositivos mais eficientes em termos energéticos.
Por exemplo, é necessário fazer orgânicosas células solares são mais eficientes, pelo que podem ser utilizadas em locais como o Norte da Europa e grande parte da Rússia, onde as noites são muito longas e há apenas curtos períodos de luz solar, especialmente no Inverno.
Engenheiros estão tentando criar dispositivos a partir demateriais orgânicos que duram mais são recicláveis ou talvez até biodegradáveis. Os métodos de fabricação de produtos eletrônicos orgânicos também se tornarão mais eficientes em termos de energia, levando a menos etapas e menos métodos de recuperação de calor residual.
- Menos desperdício, mais segurança
O uso de materiais orgânicos paraa criação de dispositivos eletrônicos oferece esperança de que os métodos futuros de fabricação de eletrônicos dependerão de menos matérias-primas e também serão mais seguros.
Os materiais podem ser economizados confiando em menosprocessos desnecessários, como impressão. Os materiais são adicionados a estruturas ou dispositivos, camada por camada, à medida que são criados, em oposição à centrifugação, que envolve a remoção de materiais e o descarte do excesso.
Além de usar menosmateriais, os químicos estão procurando maneiras de usar materiais mais seguros. Por exemplo, muitos polímeros requerem solventes cancerígenos. Alguns solventes nem mesmo são permitidos na indústria de impressão na UE devido à sua toxicidade.
- Eletrônica estável
Criando produtos eletrônicos mais verdes- não se trata apenas de criar células solares mais "verdes" ou outros dispositivos, mas também de usar métodos de produção mais "verdes". A sustentabilidade ambiental deve ser aplicada em todas as etapas do ciclo produtivo, desde a aquisição de matéria-prima até o descarte de resíduos. Os materiais orgânicos podem impulsionar a eletrônica para o futuro de uma forma mais sustentável do que é possível no mundo eletrônico de hoje.
Finalmente, eletrônica verde significaque os próprios eletrônicos são duráveis. A versatilidade da eletrônica orgânica, juntamente com a promessa do campo para a sustentabilidade ambiental e social, aponta o caminho para uma suíte de tecnologia de longa vida.
Situação do mercado
De acordo com a Allied Market Research, até 2027O mercado de eletrônicos orgânicos atingirá US$ 159,1 bilhões com um CAGR de 21,0%. O aumento da procura devido à adopção de tecnologias que apoiam o desenvolvimento sustentável e a necessidade de a electrónica orgânica desenvolver tecnologias mais recentes alimentou o crescimento do mercado global de electrónica orgânica. Com base nos materiais, o segmento de semicondutores foi responsável pela maior participação em 2019. Com base na região, o mercado Ásia-Pacífico detinha a maior parte em 2019.
Além disso, esta semana foi lançadogrande relatório "Volume, participação, crescimento e relatório do mercado de eletrônicos orgânicos até 2020-2028". Segundo ele, no período de previsão, o mercado global de eletrônicos orgânicos só crescerá. Este relatório de pesquisa examina o cenário do mercado e suas perspectivas de desenvolvimento no futuro próximo. Depois de examinar as principais empresas, o relatório concentra-se nos novos participantes que impulsionam o crescimento do mercado. A maioria das empresas do mercado global de eletrônicos orgânicos está atualmente adotando novas tendências tecnológicas no mercado.
Por fim, os pesquisadores lançam luz sobre várias maneiras de identificar os pontos fortes, fracos, oportunidades e ameaças que afetam o crescimento do mercado de eletrônicos orgânicos global.
Alguns dos principais participantes trabalhando nissomercado inclui empresas como 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.
Qual é o resultado final?
Nas últimas décadas, a regiãoA eletrônica orgânica claramente deu grandes passos: muitos dispositivos já estão no mercado e muitos protótipos estão em desenvolvimento. Este campo continuará a crescer, mudando a maneira como a sociedade interage com a tecnologia à medida que químicos, físicos e outros cientistas e engenheiros enfrentam os desafios da pesquisa. Programas interdisciplinares de pesquisa e treinamento que reúnam cientistas e engenheiros de diferentes áreas do conhecimento, bem como de diferentes setores de atividade (por exemplo, academia, indústria, governo), contribuirão para os esforços colaborativos necessários para resolver esses problemas
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