Ce este electronica organică?
Aceasta este o ramură a electronicii care utilizează materiale organice
Electronica tradițională se bazează pe solidesiliciu, care este folosit pentru a crea semiconductori. Sunt anorganici (adică nu conțin carbon). În schimb, electronica organică folosește molecule pe bază de carbon - fie molecule mici, fie polimeri, care sunt lanțuri lungi de molecule. Aproape toate moleculele biologice sunt compuși organici, dar și substanțe derivate din hidrocarburi precum petrochimice, uleiuri și materiale plastice. Mulți oameni se pot gândi la polimeri, în special, ca fiind neconductivi - de exemplu, polimerii plastici sunt utilizați pentru izolarea firelor de cupru. Dar unii polimeri organici și molecule pot conduce electricitatea.
În ce se deosebesc de electronica tradițională bazată pe siliciu?
Compușii organici au uniiavantaje față de compușii anorganici. Acestea sunt ușoare, flexibile și transparente - toate acestea fiind semnificativ diferite de tehnologia clasică a siliciului. De asemenea, pot fi mai ieftin de fabricat.
De ce electronica organică provoacă atât de multă hype?
Există atât de mulți compuși organici șio mare varietate de grupuri funcționale (clusters de atomi cu proprietăți distinctive proprii). Proprietățile lor electronice devin foarte ușor de reglat prin adăugarea de grupuri funcționale. Unele grupuri funcționale retrag electroni, iar unele donează electroni, astfel încât, combinându-le, oamenii de știință pot regla foarte precis proprietățile dorite. De exemplu, puteți regla fluorescența pentru diodele emițătoare de lumină.
Cum a apărut un nou tip de electronică?
Electronica organică a început în anii 1950ani, când H. Inokuchi și colegii săi au descoperit prima moleculă organică conducătoare. Din această descoperire, s-a stabilit că moleculele organice ar putea fi semiconductoare, un termen utilizat în mod obișnuit pentru siliciu, germaniu și alte elemente similare. Se pare că semiconductorii organici au mai multe avantaje față de semiconductorii tradiționali.
Semiconductori organici
V. Helfrich și V.G. Schneider a descoperit că moleculele organice pot emite lumină. Pentru prima dată o astfel de proprietate a fost găsită în molecula de antracen. Singurul dezavantaj a fost că acest efect necesită o tensiune ridicată, ceea ce a făcut descoperirea și posibila dezvoltare ulterioară extrem de ineficiente. Apoi, în anii 1980, trei oameni de știință - Heeger, McDiarmid și Shirakawa - au realizat polimeri conductivi, pentru care au câștigat Premiul Nobel pentru chimie în 2000. Câțiva ani mai târziu, s-a descoperit că dianhidrura perilen tetracarboxilică - PTCDA, o moleculă de colorant organic încă folosită în vopselele auto, are proprietăți semiconductoare.
Următoarea etapă importantă a fost deschidereadiode organice emițătoare de lumină - OLED - dispozitive semiconductoare realizate din compuși organici care emit în mod eficient lumină atunci când curentul electric trece prin ele. Acest dispozitiv a fost inventat în 1987 de Ching Tang și Stephen Van Slykme de la Kodak. Dispozitivul putea emite lumină cu doar 5 volți și a schimbat industria afișajelor pentru totdeauna.
Unde se utilizează astfel de electronice acum și care este viitorul ei?
Potrivit profesorului Andreas Hirsch, șefDepartamentul de chimie organică de la Universitatea Friedrich-Alexander din Erlangen-Nürnberg din Germania, electronica făcută din carbon, mai degrabă decât din siliciu, ar putea duce la o nouă generație de dispozitive medicale, senzori și poate chiar roboți.
„Cel mai mulți oameni probabil vor folositehnologii de ecran. Diodele organice emițătoare de lumină (OLED) sunt acum destul de comune în telefoanele mobile și puteți cumpăra și televizoare cu ele. Dar chiar și înainte de asta, afișajele cu cristale lichide (LCD), care pot fi considerate ca un tip de electronică organică, au fost folosite în multe aplicații de ani de zile”, explică Hirsch într-un interviu cu Richard Gray de la Horizon.
„Sunt convins că peste 50 de ani tuveți vedea mult mai mulți roboți care arată organic, care pot îndeplini funcții pe care roboții pe bază de metal nu le pot ”, spune omul de știință.
Spectrul aplicațiilor electronice organice
Electronica organică are o mare varietate de utilizări. Patru dintre ele pot fi numite cele mai promițătoare: afișaje, tehnologii fotovoltaice și cu tranzistoare și biomedicină.
Afișaje
OLED (diode emițătoare de lumină organice) —este o tehnologie de pionierat dezvoltată de Ching Tang și Stephen Van Slyke. OLED-urile constau dintr-un film organic care folosește fosforescența pentru a genera propria lumină în loc să folosească o lumină de fundal. Fosforescența este o emisie datorată excitației electronilor care durează o perioadă lungă de timp. Poate că ați observat acest lucru la ceasurile de mână și cadranele care strălucesc în întuneric.
Namsan Seoul Tower 1F - Tunel OLED
Fosforescența este un tip special de fotoluminescență.Spre deosebire de o substanță fluorescentă, o substanță fosforescentă nu emite imediat energie absorbită. Timpii mai lungi de reemisiune sunt asociați cu tranziții de energie „interzise” în mecanica cuantică.
Funcționarea OLED este destul de simplă.Un film organic este format din două straturi: emițător și conductiv. Există găuri pe marginea dintre cele două straturi. Stratul emitent emite electroni, iar recombinarea electronilor și a găurilor are ca rezultat generarea de fotoni care alcătuiesc lumina.
În principiu, există două tipuri de OLED - matrice pasive și active.
- Matricea pasivă OLED (PMOLED) are dungibenzi de catod și anod, acestea sunt situate perpendicular între ele. Intersecțiile și formează pixelii din care este emisă lumina. Circuitele externe furnizează curent benzilor selectate ale anodului și catodului, determinând ce pixeli vor fi aprinși și care vor rămâne opriți. Luminozitatea depinde de magnitudinea curentului aplicat. Dezavantajul lor este că consumă multă energie și, prin urmare, sunt folosite pe ecrane mici, cum ar fi PDA (Personal Digital Assistant) și playere MP3.
- Al doilea tip de OLED este o matrice activă OLED(AMOLED). AMOLED-urile au, de asemenea, straturi complete de catod, material organic și anod, dar stratul de anod se suprapune matricei unui set de tranzistori cu film subțire (TFT). O matrice TFT este un circuit care determină ce pixeli sunt activați pentru a forma o imagine.
AMOLED-urile consumă mult mai puțină energie decâtPMOLED deoarece matricea TFT necesită mai puțină energie decât circuitele externe. Ca urmare, acestea sunt potrivite pentru afișaje mari, cum ar fi monitoare de computer, televizoare și panouri electronice.
La rândul lor, LED-urile OLED au multeavantaje față de LCD-uri (afișaje cu cristale lichide). Ecranele LCD tradiționale sunt formate din mai multe părți. Cristalele lichide nu au propria lumină de fundal, așa că folosesc o lumină de fundal. În plus Modelele de afișaj au foi reflectoare pentru a îmbunătăți luminozitatea, foi de difuzor pentru a separa și distribui uniform lumina, un polarizator inferior și un polarizator superior, un filtru de culoare pentru a crea lumină colorată și, desigur, cristale lichide, care sunt elementele cheie. Acest lucru crește dramatic grosimea ecranului.
Diode cuantice emițătoare de lumină (QLED) - Alteledirecţie. Acestea conțin polarizatoare și filtre de culoare. De asemenea, au nevoie de lumină de fundal, deoarece punctele cuantice nu pot emite propria lumină. Ca urmare, aceste afișaje devin prea groase. OLED-urile sunt elegante, produc mai mult negru absolut decât QLED-urile și funcționează mai bine în lumină slabă, deoarece fiecare pixel este iluminat individual. Ecranele OLED pot fi foarte subțiri. Și totuși, majoritatea companiilor și consumatorilor aleg ecrane OLED pentru smartphone-urile lor.
Aplicații fotovoltaice
Dispozitivele fotovoltaice organice sunt înmai ales celule solare organice. Polimerii sunt utilizați în mod obișnuit ca material fotovoltaic. Unul dintre principalele avantaje ale utilizării materialelor organice pentru fabricarea celulelor solare este că „coeficientul de absorbție optică” al moleculelor organice este ridicat, astfel încât o cantitate mare de lumină poate fi absorbită de o cantitate mică de material, de obicei de ordinul a sute de nanometri. De asemenea, sunt foarte flexibili și mult mai subțiri decât omologii lor din siliciu. În timp ce tehnologia actuală OPV (Organic Photovoltaic) se mândrește cu o eficiență de conversie de peste 10%, ajungând chiar la 12%, unii cercetători prezic că celulele solare organice vor atinge o eficiență de 15-20%. De asemenea, pot fi înfășurate și chiar compostate.
Și, deși trăim într-o lume din ce în ce mai electronică,accesul la această lume este limitat. Se estimează că 1,3 miliarde de oameni nu au acces la electricitate, mulți oameni mizând pe kerosen, baterii sau generatoare de motorină. Datorită costurilor mai mici de fabricație, electronica organică promite nu numai că va schimba modul în care oamenii folosesc tehnologia, ci și că își vor extinde utilizarea la populații fără acces la rețea.
Principalul dezavantaj al organiculuicelulele fotovoltaice au o eficiență scăzută în comparație cu celulele fotovoltaice anorganice, cum ar fi celulele solare din siliciu. Dar se fac cercetări pentru a rezolva această problemă și în fiecare zi sunt descoperite noi materiale care ar putea revoluționa industria energiei solare.
Tranzistoare organice imprimate flexibile
Tranzistoarele sunt elemente fundamentaleblocuri de dispozitive electronice moderne care fie amplifică semnalele, fie acționează ca întrerupătoare. Un tranzistor cu efect de câmp organic (OFET) este un tranzistor cu efect de câmp care conține electrozi conductori, un semiconductor organic și un dielectric. Particularitatea sa este că folosește foarte puțină energie pentru a patrula un curent foarte mare și, de asemenea, acționează ca un bun comutator. Acești tranzistori sunt fabricați în circuite imprimate folosind coloranți organici flexibili. Se acordă o atenție specială pentru a se asigura că nu intră contaminanți în material, deoarece acest lucru poate afecta negativ conductivitatea materialului.
Circuit imprimat folosind OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, licențiat sub CC BY 4.0
În ultimii ani, interesul pentru OFETa crescut enorm și din motive întemeiate. În ceea ce privește caracteristicile sale, OFET poate concura cu siliciul amorf (a-Si). Ca urmare, există acum un interes crescut pentru utilizarea industrială a OFET-urilor pentru aplicații care sunt în prezent incompatibile cu utilizarea a-Si sau a altor tehnologii de tranzistori anorganici. Unul dintre principalele lor avantaje tehnologice este că toate straturile OFET pot fi depuse și structurate la temperatura camerei, făcându-le ideale pentru realizarea de dispozitive electronice cu costuri reduse, cu suprafețe mari, pe substraturi flexibile. Siliciul trebuie încălzit la temperaturi ridicate care depășesc 40°C pentru a fi turnat într-o matriță. Cu toate acestea, este prea devreme să vorbim despre utilizarea pe scară largă a OFET din cauza imperfecțiunii tehnologiei.
Biomedicină
O altă utilizare importantă a organiculuielectronica este medicina. De exemplu, pentru a trata orbirea folosind un cip retinian care este implantat în ochi. Dispozitivul detectează semnalele luminoase care intră în ochi și le transformă în semnale electrice care sunt trimise către creier. Electrozii acoperiți cu coloranți organici transmit semnale electrice către celulele receptorilor ochiului.
Compoziția trebuie să fie biocompatibilă.Alegerea materialelor potrivite și a amestecurilor de componente este critică. În acest moment, a permis pacienților nevăzători să perceapă lumina și întunericul, contururile obiectelor, uneori chiar litere și expresii faciale. Scopul oamenilor de știință este ca dispozitivul să aibă nu numai rezoluție ridicată, ci și performanțe bune. Acesta este un exemplu excelent al modului în care tehnologia și medicina lucrează împreună pentru a îmbunătăți viața oamenilor.
Viitorul noilor electronice
Domeniul electronicii organice în viitor va ficontinuă să evoluezi în moduri care astăzi nici măcar nu pot fi imaginate. Unele idei au fost deja puse în aplicare, cum ar fi smartphone-urile OLED, televizoarele și panourile solare ieftine care sunt instalate pe acoperișurile din zonele rurale. În viitor, smartphone-urile pliabile vor deveni mai frecvente și, de exemplu, pielea electronică, care imită pielea umană în sensibilitatea sa tactilă, va necesita mai mult timp pentru a se dezvolta. Alte predicții nu pot fi făcute încă, deoarece posibilitățile de aplicare sunt diverse și acoperă multe domenii - medicină și cercetare biomedicală, energie și mediu, comunicații și divertisment, mobilier pentru casă și birou, îmbrăcăminte și accesorii personale și multe altele.
Electronica organică poate face și eleproducerea, utilizarea și reciclarea electronicelor mai ecologice. Oamenii de știință și inginerii caută modalități de a face noile electronice mai eficiente din punct de vedere energetic decât modelele de astăzi pe bază de siliciu.
Care sunt avantajele utilizării produselor organice pentru producția electronică?
- Noi oportunitati
Materialele organice au unicproprietăți care nu pot fi atinse cu electronice pe bază de siliciu. Proprietățile lor includ sensibilitatea, biocompatibilitatea și flexibilitatea. Sensing este utilizarea dispozitivelor electronice pentru a detecta substanțe chimice sau biologice în mediu sau pe corpul uman.
Oamenii de știință au în vedere biosenzori care nunu numai că detectează nivelurile de glucoză la persoanele cu diabet, ci și distribuie efectiv doza adecvată de insulină la momentul potrivit. Materialele electronice organice nu sunt doar mai compatibile chimic cu sistemele biologice decât dispozitivele pe bază de siliciu; ele conferă substanței flexibilitate, extensibilitate și „moliciune” mecanică.
Împreună, aceste proprietăți creează potențialul pentru senzori bioelectronici inovatori care se pot potrivi cu curbura și părțile în mișcare ale corpului uman.
- Eficiența energetică
Pe măsură ce oamenii de știință și inginerii continuăîmbunătățesc sinteza și caracterizarea materialelor organice pentru utilizare în electronică, ei speră că utilizarea unor astfel de materiale va duce la afișaje electronice, iluminat și alte dispozitive mai eficiente din punct de vedere energetic.
De exemplu, este necesar să se facă organiccelulele solare sunt mai eficiente, astfel încât să poată fi folosite în locuri precum Europa de Nord și mare parte din Rusia, unde nopțile sunt foarte lungi și există doar perioade scurte de lumină solară, mai ales iarna.
Inginerii încearcă să creeze dispozitive dinmaterialele organice care durează mai mult sunt reciclabile sau poate chiar biodegradabile. Metodele de fabricare a produselor electronice organice vor deveni și mai eficiente din punct de vedere energetic, ducând la mai puține etape și la mai puține metode de recuperare a căldurii reziduale.
- Mai puține deșeuri, mai multă siguranță
Utilizarea materialelor organice pentrucrearea de dispozitive electronice oferă speranța că viitoarele metode de fabricare a electronice se vor baza pe mai puține materii prime și, de asemenea, vor fi mai sigure.
Materialele pot fi economisite bazându-se pe mai puținprocese risipitoare, cum ar fi imprimarea. Materialele sunt adăugate structurilor sau dispozitivelor strat cu strat pe măsură ce sunt create, spre deosebire de centrifugare, care implică îndepărtarea materialelor și eliminarea excesului.
Pe lângă utilizarea mai puținmateriale, chimiștii caută modalități de a folosi materiale mai sigure. De exemplu, mulți polimeri necesită solvenți cancerigeni. Unii solvenți nu sunt autorizați nici măcar în industria tipografică din UE datorită toxicității lor.
- Electronică stabilă
Crearea de produse electronice mai ecologice- nu este vorba doar de crearea mai multor celule solare „verzi” sau de alte dispozitive, ci și de utilizarea mai multor metode de producție „verzi”. Sustenabilitatea mediului trebuie aplicată în fiecare etapă a ciclului de producție, de la achiziționarea de materii prime până la eliminarea deșeurilor. Materialele organice pot propulsa electronica către viitor într-un mod mai durabil decât este posibil în lumea electronică de astăzi.
În cele din urmă, „electronică verde” înseamnăcă electronica însăși este durabilă. Versatilitatea electronicii organice, împreună cu promisiunea din domeniu pentru sustenabilitatea mediului și socială, indică drumul către o suită tehnologică de lungă durată.
Situația pieței
Potrivit Allied Market Research, până în 2027Piața de electronice organice va atinge 159,1 miliarde de dolari la un CAGR de 21,0%. Creșterea cererii datorită adoptării tehnologiilor care susțin dezvoltarea durabilă și a necesității ca electronicele organice să dezvolte cele mai noi tehnologii a alimentat creșterea pieței globale de electronice organice. Pe baza materialelor, segmentul semiconductorilor a reprezentat cea mai mare pondere în 2019. În funcție de regiune, piața din Asia Pacific a deținut cota leului în 2019.
În plus, săptămâna aceasta a fost lansatraport amplu „Volumul pieței de electronice organice, cota, creștere și raport până în 2020-2028 ”. Potrivit acestuia, în perioada de prognoză, piața globală de electronice organice va crește doar. Acest raport de cercetare examinează peisajul pieței și perspectivele sale de dezvoltare în viitorul apropiat. După examinarea companiilor cheie, raportul se concentrează asupra noilor intrați care conduc la creșterea pieței. Majoritatea companiilor de pe piața globală de electronice organice îmbrățișează în prezent noile tendințe tehnologice de pe piață.
În cele din urmă, cercetătorii aruncă lumină asupra diferitelor modalități de a identifica punctele forte, punctele slabe, oportunitățile și amenințările care afectează creșterea pieței globale de electronice organice.
Unii dintre jucătorii cheie care lucrează la acest lucrupiața include companii precum 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.
Care este linia de jos?
În ultimele decenii, regiuneaElectronica organică a făcut în mod clar pași extraordinari: multe dispozitive sunt deja pe piață și multe prototipuri sunt în curs de desfășurare. Acest domeniu va continua să crească, schimbând modul în care societatea interacționează cu tehnologia, pe măsură ce chimiștii, fizicienii și alți oameni de știință și ingineri abordează provocările cercetării. Programele de cercetare și formare interdisciplinară care reunesc oameni de știință și ingineri din diferite domenii ale cunoașterii, precum și din diferite sectoare de activitate (de exemplu, mediul academic, industria, guvernul), vor încuraja eforturile de colaborare necesare pentru a aborda aceste provocări
Citește și
Cercetătorii au dezvoltat pentru prima dată energie curată din grafen
În ziua a 3-a de boală, majoritatea pacienților cu COVID-19 își pierd simțul mirosului și suferă adesea de un nas curgător
Ghețarul Doomsday s-a dovedit a fi mai periculos decât credeau oamenii de știință. Spunem principalul lucru