Čo je organická elektronika?
Ide o odvetvie elektroniky, ktoré využíva organické materiály
Tradičná elektronika je založená na pevných zariadeniachkremík, ktorý sa používa na výrobu polovodičov. Sú anorganické (to znamená, že neobsahujú uhlík). Naproti tomu organická elektronika používa molekuly na báze uhlíka - buď malé molekuly, alebo polyméry, ktoré sú dlhými reťazcami molekúl. Takmer všetky biologické molekuly sú organické zlúčeniny, ale aj látky odvodené od uhľovodíkov, ako sú petrochemické látky, oleje a plasty. Mnoho ľudí si môže myslieť najmä polyméry ako nevodivé - napríklad na izoláciu medených drôtov sa používajú plastové polyméry. Ale niektoré organické polyméry a molekuly môžu viesť elektrinu.
Čím sa líšia od tradičnej elektroniky na báze kremíka?
Organické zlúčeniny nejaké majúvýhody oproti anorganickým zlúčeninám. Sú ľahké, pružné a priehľadné - všetky sa výrazne líšia od klasickej kremíkovej technológie. Môžu byť tiež lacnejšie na výrobu.
Prečo organická elektronika spôsobuje toľko vzrušenia?
Existuje toľko organických zlúčenín aširoká škála funkčných skupín (zhluky atómov s vlastnými charakteristickými vlastnosťami). Ich elektronické vlastnosti sa dajú veľmi ľahko vyladiť pridaním funkčných skupín. Niektoré funkčné skupiny odoberajú elektróny a niektoré elektróny darujú, takže ich kombináciou môžu vedci veľmi presne vyladiť požadované vlastnosti. Môžete napríklad nastaviť fluorescenciu svetelných diód.
Ako vznikol nový druh elektroniky?
Organická elektronika začala v 50. rokochrokov, keď H. Inokuchi a jeho kolegovia objavili prvú vodivú organickú molekulu. Z tohto objavu sa zistilo, že organickými molekulami môžu byť polovodiče, čo je termín bežne používaný pre kremík, germánium a ďalšie podobné prvky. Ukazuje sa, že organické polovodiče majú oproti tradičným polovodičom množstvo výhod.
Organické polovodiče
V. Helfrich a V.G.Schneider zistil, že organické molekuly môžu vyžarovať svetlo. Táto vlastnosť bola prvýkrát objavená v molekule antracénu. Jedinou nevýhodou bolo, že tento efekt vyžadoval vysoké napätie, vďaka čomu bol objav a možný ďalší vývoj mimoriadne neúčinný. Potom v 80. rokoch traja vedci - Heeger, McDiarmid a Shirakawa - vyrobili vodivé polyméry, za ktoré v roku 2000 dostali Nobelovu cenu za chémiu. O niekoľko rokov neskôr sa zistilo, že dianhydrid perylén-tetrakarboxylovej kyseliny - PTCDA, molekula organického farbiva, ktorá sa stále používa v autolakoch, má polovodivé vlastnosti.
Ďalším dôležitým medzníkom bolo otvorenieorganické diódy vyžarujúce svetlo - OLED - polovodičové zariadenia vyrobené z organických zlúčenín, ktoré efektívne vyžarujú svetlo, keď nimi prechádza elektrický prúd. Toto zariadenie vynašli v roku 1987 Ching Tang a Stephen Van Slykme zo spoločnosti Kodak. Zariadenie mohlo vyžarovať svetlo iba s 5 voltmi a navždy zmenilo zobrazovací priemysel.
Kde sa takáto elektronika používa teraz a aká je jej budúcnosť?
Podľa profesora Andreasa Hirscha, vedúceho pracovníkaOddelenie organickej chémie na univerzite Friedrich-Alexander v Erlangene-Norimbergu v Nemecku by elektronika vyrobená skôr z uhlíka ako z kremíka mohla viesť k novej generácii zdravotníckych prístrojov, senzorov a možno aj robotov.
„Väčšina ľudí pravdepodobne využijetechnológie obrazovky. Organické svetelné diódy (OLED) sú dnes v mobilných telefónoch úplne bežné a kúpite si k nim aj televízory. Ale ešte predtým sa v mnohých aplikáciách už roky používajú displeje s tekutými kryštálmi (LCD), ktoré možno považovať za typ organickej elektroniky,“ vysvetľuje Hirsch v rozhovore s Richardom Grayom z Horizon.
"Som presvedčený, že o 50 rokov alebo tak, ty."uvidíte oveľa viac robotov, ktoré vyzerajú organicky a dokážu vykonávať funkcie, ktoré kovové roboty nedokážu, “hovorí vedec.
Spektrum aplikácií organickej elektroniky
Organická elektronika má široké použitie. Štyri z nich možno označiť za najsľubnejšie: displeje, fotovoltaické a tranzistorové technológie a biomedicína.
Zobrazuje
OLED (Organic Light Emitting Diodes) —ide o priekopnícku technológiu, ktorú vyvinuli Ching Tang a Stephen Van Slyke. OLED sa skladajú z organického filmu, ktorý využíva fosforescenciu na generovanie vlastného svetla namiesto použitia podsvietenia. Fosforescencia je emisia spôsobená excitáciou elektrónov, ktorá trvá dlhú dobu. Možno ste si to všimli na náramkových hodinkách a ciferníkoch, ktoré svietia v tme.
Veža Namsan Seoul 1F— OLED tunel
Fosforescencia je zvláštny typ fotoluminiscencie.Na rozdiel od fluorescenčnej látky fosforeskujúca látka okamžite nevyžaruje absorbovanú energiu. Dlhšie doby remisie sú spojené so „zakázanými“ energetickými prechodmi v kvantovej mechanike.
Prevádzka OLED je celkom jednoduchá.Organický film sa skladá z dvoch vrstiev: emitujúcej a vodivej. Na hranici medzi dvoma vrstvami sú otvory. Emisná vrstva emituje elektróny a výsledkom rekombinácie elektrónov a dier je generácia fotónov, ktoré tvoria svetlo.
V zásade existujú dva typy OLED - pasívna a aktívna matica.
- Pasívna matica OLED (PMOLED) má pruhykatódové a anódové prúžky, sú navzájom kolmé. Priesečníky a tvoria pixely, z ktorých vychádza svetlo. Externé obvody aplikujú prúd na vybrané prúžky anódy a katódy a určujú, ktoré pixely budú zapnuté a ktoré zostanú vypnuté. Jas závisí od veľkosti aplikovaného prúdu. Ich nevýhodou je, že spotrebúvajú veľa energie, a preto sa používajú na malých obrazovkách, ako sú napríklad PDA (Personal Digital Assistant) a MP3 prehrávače.
- Druhým typom OLED je OLED s aktívnou maticou(AMOLED). AMOLED majú tiež plné vrstvy katódy, organického materiálu a anódy, ale anódová vrstva prekrýva matricu tenkého filmu tranzistora (TFT). TFT pole je obvod, ktorý určuje, ktoré pixely sú zapnuté na vytvorenie obrazu.
AMOLED spotrebujú oveľa menej energie akoPMOLED, pretože pole TFT vyžaduje menej energie ako vonkajšie obvody. Vďaka tomu sú vhodné pre veľké displeje, ako sú počítačové monitory, televízory a elektronické billboardy.
Na druhej strane, OLED LED majú veľavýhody oproti LCD (displej z tekutých kryštálov). Tradičné LCD displeje sa skladajú z mnohých častí. Tekuté kryštály nemajú vlastné podsvietenie, preto využívajú podsvietenie. Okrem toho Dizajn displejov má reflektorové fólie na zlepšenie jasu, difúzne fólie na rovnomerné oddeľovanie a rozdeľovanie svetla, spodný polarizátor a horný polarizátor, farebný filter na vytváranie farebného svetla a samozrejme tekuté kryštály, ktoré sú kľúčovými prvkami. To výrazne zvyšuje hrúbku obrazovky.
Kvantové diódy vyžarujúce svetlo (QLED) – inésmer. Obsahujú polarizátory a farebné filtre. Potrebujú aj podsvietenie, pretože kvantové bodky nedokážu vyžarovať vlastné svetlo. V dôsledku toho sú tieto displeje príliš hrubé. OLED sú elegantné, produkujú viac absolútnej čiernej ako QLED a fungujú lepšie pri slabom svetle, pretože každý pixel je osvetlený samostatne. Obrazovky OLED môžu byť veľmi tenké. Napriek tomu si väčšina spoločností a spotrebiteľov vyberá pre svoje smartfóny OLED displeje.
Fotovoltaické aplikácie
Organické fotovoltaické zariadenia sú vväčšinou organické solárne články. Ako fotovoltaický materiál sa bežne používajú polyméry. Jednou z hlavných výhod použitia organických materiálov na výrobu solárnych článkov je, že „optický absorpčný koeficient“ organických molekúl je vysoký, takže veľké množstvo svetla môže byť absorbované malým množstvom materiálu, zvyčajne rádovo v stovkách. nanometre. Sú tiež veľmi pružné a oveľa tenšie ako ich silikónové náprotivky. Zatiaľ čo súčasná technológia OPV (Organic Photovoltaic) sa môže pochváliť účinnosťou premeny presahujúcou 10% a dosahujúcou dokonca 12%, niektorí vedci predpovedajú, že organické solárne články dosiahnu účinnosť 15 - 20%. Môžu sa tiež zrolovať a dokonca aj kompostovať.
A hoci žijeme v čoraz elektronickejšom svete,prístup do tohto sveta je obmedzený. Odhaduje sa, že 1,3 miliardy ľudí nemá prístup k elektrine, pričom veľa ľudí sa spolieha na petrolej, batérie alebo naftové generátory. Kvôli lacnejším výrobným nákladom si organická elektronika sľubuje nielen zmenu spôsobu, akým ľudia používajú technológie, ale aj rozšírenie ich použitia na populácie bez prístupu k sieti.
Hlavná nevýhoda organickýchfotovoltaické články majú nízku účinnosť v porovnaní s anorganickými fotovoltaickými článkami, ako sú kremíkové solárne články. Teraz sa však robí výskum zameraný na vyriešenie tohto problému a každý deň sa objavujú nové materiály, ktoré by mohli spôsobiť revolúciu v priemysle solárnej energie.
Flexibilné tlačené organické tranzistory
Tranzistory sú základnými stavebnými kameňmibloky moderných elektronických zariadení, ktoré buď zosilňujú signály, alebo fungujú ako prepínače. Tranzistor s organickým poľom (OFET) je tranzistor s poľným efektom, ktorý obsahuje vodivé elektródy, organický polovodič a dielektrikum. Jeho zvláštnosťou je, že používa veľmi malú energiu na hliadkovanie pri veľmi vysokom prúde a funguje tiež ako dobrý vypínač. Tieto tranzistory sa vyrábajú v plošných spojoch pomocou flexibilných organických farbív. Je potrebné dbať na to, aby sa do materiálu nedostali žiadne nečistoty, pretože to môže negatívne ovplyvniť vodivosť materiálu.
Plošný spoj pomocou OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, s licenciou CC BY 4.0
V posledných rokoch sa záujem o OFETenormne vzrástol a má na to dobrý dôvod. Z hľadiska svojich vlastností môže OFET konkurovať amorfnému kremíku (a-Si). V dôsledku toho sa teraz zvyšuje záujem o priemyselné využitie OFET pre aplikácie, ktoré sú v súčasnosti nekompatibilné s použitím a-Si alebo iných anorganických tranzistorových technológií. Jednou z ich hlavných technologických výhod je, že všetky vrstvy OFET je možné nanášať a štruktúrovať pri izbovej teplote, vďaka čomu sú ideálne na realizáciu lacných, veľkoplošných elektronických zariadení na flexibilných substrátoch. Kremík sa musí zahriať na vysoké teploty presahujúce 40 °C, aby sa dal odliať do formy. Je však predčasné hovoriť o rozšírenom používaní OFET kvôli nedokonalosti technológie.
Biomedicína
Ďalšie dôležité využitie organickéhoelektronika je liek. Napríklad na liečbu slepoty pomocou sietnicového čipu, ktorý sa implantuje do oka. Prístroj deteguje svetelné signály vstupujúce do oka a premieňa ich na elektrické signály, ktoré sa posielajú do mozgu. Elektródy potiahnuté organickými farbivami prenášajú elektrické signály do receptorových buniek oka.
Zloženie musí byť biokompatibilné.Výber správnych materiálov a zmesí komponentov je rozhodujúci. Práve teraz umožňoval nevidiacim pacientom vnímať svetlo a tmu, obrysy predmetov, niekedy dokonca písmená a mimiku. Cieľom vedcov je, aby zariadenie malo nielen vysoké rozlíšenie, ale aj dobrý výkon. Toto je skvelý príklad toho, ako technológie a medicína spolupracujú na zlepšení života ľudí.
Budúcnosť novej elektroniky
Oblasť organickej elektroniky v budúcnosti budesa naďalej vyvíjajú spôsobmi, ktoré si dnes ani nemožno predstaviť. Niektoré nápady už boli implementované, ako napríklad OLED smartphony, televízory a lacné solárne panely, ktoré sú inštalované na strechách vo vidieckych oblastiach. V budúcnosti sa skladacie smartphony stanú bežnejšími a vývoj elektronickej kože, ktorá svojou hmatovou citlivosťou napodobňuje ľudskú pokožku, si napríklad vyžiada viac času. Ďalšie predpovede ešte nie sú možné, pretože aplikácie sú rozmanité a pokrývajú mnoho oblastí - medicínu a biomedicínsky výskum, energetiku a životné prostredie, komunikáciu a zábavu, domáci a kancelársky nábytok, oblečenie a osobné doplnky a oveľa viac.
Dokáže to aj organická elektronikavýroba, používanie a recyklácia elektroniky šetrnejšia k životnému prostrediu. Vedci a inžinieri hľadajú spôsoby, ako urobiť novú elektroniku energeticky účinnejšou ako dnešné konštrukcie na báze kremíka.
Aké sú výhody použitia organických látok na elektronickú výrobu?
- Nové príležitosti
Organické materiály sú jedinečnévlastnosti, ktoré nie je možné dosiahnuť s elektronikou na báze kremíka. Medzi ich vlastnosti patrí citlivosť, biokompatibilita a flexibilita. Snímanie je použitie elektronických zariadení na detekciu chemických alebo biologických látok v životnom prostredí alebo na ľudskom tele.
Vedci si predstavujú biosenzory, ktoré nienielen zisťujú hladiny glukózy u ľudí s cukrovkou, ale tiež skutočne distribuujú vhodnú dávku inzulínu v správnom čase. Organické elektronické materiály sú nielen chemicky kompatibilnejšie s biologickými systémami ako zariadenia na báze kremíka; dodávajú látke pružnosť, rozťažnosť a mechanickú „mäkkosť“.
Tieto vlastnosti spoločne vytvárajú potenciál pre inovatívne bioelektronické snímače, ktoré môžu zodpovedať zakriveniu a pohyblivým častiam ľudského tela.
- Energetická účinnosť
Ako pokračujú vedci a inžinierizlepšiť syntézu a charakterizáciu organických materiálov na použitie v elektronike, dúfajú, že použitie takýchto materiálov povedie k energeticky efektívnejším elektronickým displejom, osvetleniu a iným zariadeniam.
Napríklad je potrebné urobiť biosolárne články sú efektívnejšie, takže ich možno použiť na miestach, ako je severná Európa a veľká časť Ruska, kde sú noci veľmi dlhé a slnečné lúče sú len krátke, najmä v zime.
Inžinieri sa pokúšajú vytvoriť zariadenia zorganické materiály, ktoré vydržia dlhšie, sú recyklovateľné alebo možno dokonca biologicky odbúrateľné. Metódy výroby organickej elektroniky budú tiež energeticky efektívnejšie, čo povedie k menšiemu počtu krokov a menšiemu počtu spôsobov zhodnocovania odpadového tepla.
- Menej odpadu, väčšia bezpečnosť
Použitie organických materiálov navytváranie elektronických zariadení ponúka nádej, že budúce metódy výroby elektroniky budú závisieť od menšieho počtu surovín a budú aj bezpečnejšie.
Materiály možno ušetriť tým, že sa budete menej spoliehaťnehospodárne procesy, ako je tlač. Materiály sa pridávajú do štruktúr alebo zariadení vrstva po vrstve pri ich vytváraní, na rozdiel od odstreďovania, ktoré zahŕňa odstraňovanie materiálov a likvidáciu prebytku.
Okrem toho používať menejmateriály, chemici hľadajú spôsoby, ako používať bezpečnejšie materiály. Mnoho polymérov napríklad vyžaduje karcinogénne rozpúšťadlá. Niektoré rozpúšťadlá nie sú kvôli svojej toxicite povolené ani v polygrafickom priemysle v EÚ.
- Stabilná elektronika
Vytváranie ekologickejších elektronických výrobkov- nejde len o vytváranie väčšieho počtu „zelených“ solárnych článkov alebo iných zariadení, ale aj o používanie „zelenejších“ výrobných metód. Environmentálna udržateľnosť sa musí uplatňovať v každej fáze výrobného cyklu, od získavania surovín až po likvidáciu odpadu. Organické materiály môžu poháňať elektroniku do budúcnosti udržateľnejším spôsobom, ako je to možné v dnešnom elektronickom svete.
Nakoniec znamená zelená elektronikaže samotná elektronika je odolná. Univerzálnosť organickej elektroniky spojená so sľubom oblasti environmentálnej a sociálnej udržateľnosti ukazuje cestu k veľmi dlhej technologickej súprave.
Situácia na trhu
Podľa Allied Market Research do roku 2027Trh s organickou elektronikou dosiahne 159,1 miliardy USD pri CAGR 21,0 %. Rastúci dopyt po technológiách, ktoré podporujú trvalo udržateľný rozvoj, a potreba organickej elektroniky na vývoj najnovších technológií podnietili rast globálneho trhu s organickou elektronikou. Na základe materiálov mal v roku 2019 najväčší podiel segment polovodičov. Na základe regiónu mal v roku 2019 najväčší podiel ázijsko-pacifický trh.
Navyše tento týždeň vyšlaveľká správa „Objem trhu s organickou elektronikou, podiel, rast a správa do 2020-2028 “. Podľa nej bude svetový trh s organickou elektronikou v prognózovanom období len rásť. Táto výskumná správa skúma situáciu na trhu a vyhliadky jeho rozvoja v blízkej budúcnosti. Po preskúmaní kľúčových spoločností sa správa zameriava na nových účastníkov, ktorí podporujú rast trhu. Väčšina spoločností na globálnom trhu s organickou elektronikou v súčasnosti prijíma nové technologické trendy na trhu.
Nakoniec výskumníci objasňujú rôzne spôsoby identifikácie silných a slabých stránok, príležitostí a hrozieb, ktoré ovplyvňujú rast globálneho trhu s organickou elektronikou.
Niektorí z kľúčových hráčov, ktorí na tom pracujúna trh patria spoločnosti ako 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.
Čo je spodnom riadku?
Za posledných niekoľko desaťročí v regióneOrganická elektronika jednoznačne urobila obrovský pokrok: na trhu je už veľa zariadení a mnoho prototypov je vo vývoji. Táto oblasť bude naďalej rásť a meniť spôsob, akým spoločnosť interaguje s technológiou, pretože chemici, fyzici a iní vedci a inžinieri budú riešiť výskumné výzvy. Interdisciplinárne výskumné a školiace programy, ktoré spájajú vedcov a inžinierov z rôznych oblastí vedomostí, ako aj z rôznych sektorov činnosti (napr. akademická obec, priemysel, vláda), podporia spoločné úsilie potrebné na riešenie týchto výziev.
Prečítajte si tiež
Vedci vyvinuli po prvýkrát čistú energiu z grafénu
V deň 3 choroby väčšina pacientov COVID-19 stratí čuch a často trpí nádchou.
Ľadovec Doomsday sa ukázal byť nebezpečnejším, ako si vedci mysleli. Hovoríme to hlavné