Vad är organisk elektronik?
Detta är en gren av elektronik som använder organiska material
Traditionell elektronik bygger på solidkisel, som används för att skapa halvledare. De är oorganiska (dvs. de innehåller inte kol). Däremot använder organisk elektronik kolbaserade molekyler - antingen små molekyler eller polymerer, som är långa molekylkedjor. Nästan alla biologiska molekyler är organiska föreningar, men också ämnen som härrör från kolväten som petrokemikalier, oljor och plast. Många människor kanske tänker på polymerer i synnerhet som icke-ledande - till exempel används plastpolymerer för att isolera koppartrådar. Men vissa organiska polymerer och molekyler kan leda elektricitet.
Hur skiljer de sig från traditionell kiselbaserad elektronik?
Organiska föreningar har någrafördelar jämfört med oorganiska föreningar. De är lätta, flexibla och genomskinliga - alla skiljer sig avsevärt från den klassiska kiselteknologin. De kan också vara billigare att tillverka.
Varför orsakar organisk elektronik så mycket hype?
Det finns så många organiska föreningar ochen mängd olika funktionella grupper (kluster av atomer med sina egna distinkta egenskaper). Deras elektroniska egenskaper blir mycket lätta att ställa in genom att lägga till funktionella grupper. Vissa funktionella grupper drar tillbaka elektroner och vissa donerar elektroner, så genom att kombinera dem kan forskare ställa in de önskade egenskaperna mycket exakt. Du kan till exempel justera fluorescensen för lysdioder.
Hur uppstod en ny typ av elektronik?
Organisk elektronik började på 1950-taletår, när H. Inokuchi och hans kollegor upptäckte den första ledande organiska molekylen. Från denna upptäckt bestämdes att organiska molekyler skulle kunna vara halvledare, en term som ofta används för kisel, germanium och andra liknande element. Det visar sig att organiska halvledare har flera fördelar jämfört med traditionella halvledare.
Organiska halvledare
W. Helfrich och V.G. Schneider upptäckte att organiska molekyler kan avge ljus. För första gången hittades en sådan egenskap i antracenmolekylen. Den enda nackdelen var att denna effekt krävde en hög spänning, vilket gjorde upptäckten och möjlig vidareutveckling extremt ineffektiv. På 1980-talet gjorde tre forskare - Heeger, McDiarmid och Shirakawa - ledande polymerer, för vilka de fick Nobelpriset i kemi 2000. Några år senare upptäcktes att perylentetrakarboxyldianhydrid - PTCDA, en organisk färgämnesmolekyl som fortfarande används i bilfärger, har halvledande egenskaper.
Nästa viktiga milstolpe var öppningenorganiska lysdioder - OLED - halvledarenheter gjorda av organiska föreningar som effektivt avger ljus när elektrisk ström passerar genom dem. Denna enhet uppfanns 1987 av Ching Tang och Stephen Van Slykme från Kodak. Enheten kunde avge ljus med endast 5 volt och förändrade bildskärmsindustrin för alltid.
Var används sådan elektronik nu och vad är dess framtid?
Enligt professor Andreas Hirsch, chef förInstitutionen för organisk kemi vid Friedrich-Alexander University i Erlangen-Nürnberg i Tyskland, elektronik tillverkad av kol snarare än kisel kan leda till en ny generation av medicintekniska produkter, sensorer och kanske till och med robotar.
"De flesta kommer förmodligen att användaskärmteknologier. Organiska lysdioder (OLED) är numera ganska vanliga i mobiltelefoner och du kan även köpa TV med dem. Men redan innan dess har LCD-skärmar (LCD), som kan betraktas som en typ av organisk elektronik, använts i många applikationer i flera år”, förklarar Hirsch i en intervju med Richard Gray från Horizon.
”Jag är övertygad om att du om 50 årdu kommer att se många fler robotar som ser organiska ut, som kan utföra funktioner som metallbaserade robotar inte kan, säger forskaren.
Spektrum för tillämpningar av organisk elektronik
Organisk elektronik har en mängd olika användningsområden. Fyra av dem kan kallas de mest lovande: bildskärmar, solceller och transistorteknik och biomedicin.
Skärmar
OLED (Organic Light Emitting Diodes) & # 8212;det är en banbrytande teknologi utvecklad av Ching Tang och Stephen Van Slyke. OLED består av en organisk film som använder egenskapen fosforescens för att generera sitt eget ljus istället för att använda en bakgrundsbelysning. Fosforescens är emission på grund av excitation av elektroner som varar under lång tid. Du kanske har märkt detta i armbandsur och urtavlor som lyser i mörkret.
Namsan Seoul Tower 1F— OLED Tunnel
Fosforescens är en speciell typ av fotoluminescens.Till skillnad från ett fluorescerande ämne avger inte en fosforescerande substans omedelbart absorberad energi. Längre reemissionstider är förknippade med "förbjudna" energiomgångar i kvantmekanik.
OLED-drift är ganska enkel.En organisk film består av två lager: emitterande och ledande. Det finns hål på gränsen mellan de två lagren. Det emitterande lagret avger elektroner, och rekombinationen av elektroner och hål resulterar i alstring av fotoner som utgör ljus.
Det finns i princip två typer av OLED: er - passiv och aktiv matris.
- Passiv matris OLED (PMOLED) har ränderkatod- och anodremsor är de vinkelräta mot varandra. Korsningarna och bildar pixlarna från vilka ljus sänds ut. Externa kretsar matar ström till utvalda remsor av anoden och katoden och bestämmer vilka pixlar som ska vara på och vilka som kommer att förbli av. Ljusstyrkan beror på storleken på den applicerade strömmen. Deras nackdel är att de förbrukar mycket ström och därför används i små skärmar som PDA (Personal Digital Assistant) och MP3-spelare.
- Den andra typen av OLED är en aktiv matris OLED(AMOLED). AMOLED har också fulla lager av katod, organiskt material och anod, men anodskiktet överlappar en tunn filmtransistormatris (TFT). En TFT-array är en krets som bestämmer vilka pixlar som är påslagna för att bilda en bild.
AMOLED förbrukar mycket mindre ström änPMOLED eftersom TFT-array kräver mindre effekt än externa kretsar. Som ett resultat är de lämpliga för stora skärmar som datorskärmar, tv-apparater och elektroniska skyltar.
OLED-lysdioder har i sin tur mångafördelar jämfört med LCD-skärmar (liquid crystal displays). Traditionella LCD-skärmar består av många delar. Flytande kristaller har ingen egen bakgrundsbelysning, så de använder en bakgrundsbelysning. Dessutom Displaydesignerna har reflektorark för att förbättra ljusstyrkan, diffusorark för att separera och fördela ljus jämnt, en bottenpolarisator och en topppolarisator, ett färgfilter för att skapa färgat ljus, och naturligtvis flytande kristaller, som är nyckelelementen. Detta ökar dramatiskt skärmens tjocklek.
Quantum Light Emitting Diodes (QLED) - Annatriktning. De innehåller polarisatorer och färgfilter. De behöver också en bakgrundsbelysning eftersom kvantprickar inte kan avge sitt eget ljus. Som ett resultat blir dessa skärmar för tjocka. OLED-lysdioder är eleganta, producerar mer absolut svärta än QLED:er och presterar bättre i svagt ljus eftersom varje pixel är individuellt upplyst. OLED-skärmar kan vara väldigt tunna. Och ändå väljer de flesta företag och konsumenter OLED-skärmar för sina smartphones.
Fotovoltaiska applikationer
Organiska solceller finns imestadels organiska solceller. Polymerer används ofta som solcellsmaterial. En av de största fördelarna med att använda organiska material för att tillverka solceller är att den "optiska absorptionskoefficienten" för organiska molekyler är hög, så en stor mängd ljus kan absorberas av en liten mängd material, vanligtvis i storleksordningen hundratals nanometer. De är också mycket flexibla och mycket tunnare än deras motsvarigheter i kisel. Medan den nuvarande OPV-teknologin (Organic Photovoltaic) skryter omvandlingseffektivitet som överstiger 10% och når till och med 12%, förutspår vissa forskare att organiska solceller kommer att uppnå 15-20% effektivitet. De kan också rullas upp och till och med komposteras.
Och även om vi lever i en alltmer elektronisk värld,tillgången till denna värld är begränsad. Uppskattningsvis 1,3 miljarder människor saknar tillgång till el, och många människor litar på fotogen, batterier eller dieselgeneratorer. På grund av billigare tillverkningskostnader lovar organisk elektronik inte bara att förändra sättet människor använder teknik utan också att utvidga sin användning till befolkningar utan tillgång till nätet.
Den största nackdelen med ekologisksolceller har låg effektivitet jämfört med oorganiska solceller såsom kiselsolceller. Men forskning görs för att lösa detta problem och nya material upptäcks varje dag som kan revolutionera solenergiindustrin.
Flexibla tryckta organiska transistorer
Transistorer är grundläggande byggstenarblock av moderna elektroniska enheter som antingen förstärker signaler eller fungerar som omkopplare. En organisk fälteffekttransistor (OFET) är en fälteffekttransistor som innehåller ledande elektroder, en organisk halvledare och en dielektrikum. Dess särdrag är att den använder mycket lite kraft för att patrullera en mycket hög ström och också fungerar som en bra switch. Dessa transistorer tillverkas av tryckta kretsar med flexibla organiska färgämnen. Särskild försiktighet vidtas för att säkerställa att inga föroreningar kommer in i materialet, eftersom detta kan påverka materialets konduktivitet negativt.
Tryckt krets med OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, licensierad under CC BY 4.0
Under de senaste åren har intresset för OFEThar vuxit enormt och av goda skäl. När det gäller dess egenskaper kan OFET konkurrera med amorft kisel(a-Si). Som ett resultat finns det nu ett ökat intresse för industriell användning av OFET för applikationer som för närvarande är oförenliga med användningen av a-Si eller andra oorganiska transistorteknologier. En av deras främsta tekniska fördelar är att alla OFET-lager kan deponeras och struktureras vid rumstemperatur, vilket gör dem idealiska för att realisera billiga, stora elektroniska enheter på flexibla substrat. Kisel måste värmas till höga temperaturer över 40°C för att gjutas i en form. Det är dock för tidigt att tala om den utbredda användningen av OFET på grund av teknikens ofullkomlighet.
Biomedicin
En annan viktig användning av ekologisktelektronik är medicin. Till exempel för att behandla blindhet med hjälp av ett retinalchip som implanteras i ögat. Enheten upptäcker ljussignaler som kommer in i ögat och omvandlar dem till elektriska signaler som skickas till hjärnan. Elektroder belagda med organiska färgämnen överför elektriska signaler till ögats receptorceller.
Kompositionen måste vara biokompatibel.Valet av rätt material och blandningar av komponenter är avgörande. Just nu har det gjort det möjligt för blinda patienter att uppfatta ljus och mörker, konturer av föremål, ibland även bokstäver och ansiktsuttryck. Målet för forskarna är att enheten inte bara ska ha hög upplösning utan också bra prestanda. Detta är ett bra exempel på hur teknik och medicin fungerar tillsammans för att förbättra människors liv.
Framtiden för ny elektronik
Fältet för organisk elektronik i framtiden kommer att varafortsätta att utvecklas på sätt som idag inte ens kan föreställas. Några idéer har redan implementerats, till exempel OLED-smartphones, TV-apparater och billiga solpaneler som är installerade på hustaken på landsbygden. I framtiden kommer vikbara smartphones att bli vanligare, och till exempel elektronisk hud, som efterliknar mänsklig hud i sin känsliga känslighet, tar längre tid att utvecklas. Andra förutsägelser är ännu inte möjliga, eftersom applikationerna är olika och täcker många områden - medicin och biomedicinsk forskning, energi och miljö, kommunikation och underhållning, hem- och kontorsmöbler, kläder och personliga tillbehör och mycket mer.
Organisk elektronik kan också göraatt producera, använda och återvinna elektronik mer miljövänligt. Forskare och ingenjörer letar efter sätt att göra ny elektronik mer energieffektiv än dagens kiselbaserade konstruktioner.
Vilka är fördelarna med att använda organiska ämnen för elektronisk produktion?
- Nya möjligheter
Organiska material har unikaegenskaper som inte kan uppnås med silikonbaserad elektronik. Deras egenskaper inkluderar känslighet, biokompatibilitet och flexibilitet. Sensing är användningen av elektroniska enheter för att upptäcka kemiska eller biologiska ämnen i miljön eller på människokroppen.
Forskare föreställer sig biosensorer som inte gör detinte bara upptäcka glukosnivåer hos personer med diabetes, utan också faktiskt distribuera lämplig dos insulin vid rätt tidpunkt. Organiska elektroniska material är inte bara mer kemiskt kompatibla med biologiska system än kiselbaserade enheter; de ger ämnet flexibilitet, töjbarhet och mekanisk "mjukhet".
Tillsammans skapar dessa egenskaper potential för innovativa bioelektroniska sensorer som kan matcha krökning och rörliga delar av människokroppen.
- Energieffektivitet
Som forskare och ingenjörer fortsätterförbättra syntesen och karakteriseringen av organiska material för användning i elektronik, hoppas de att användningen av sådana material kommer att leda till mer energieffektiva elektroniska displayer, belysning och andra enheter.
Till exempel är det nödvändigt att göra ekologisktsolceller är mer effektiva så att de kan användas på platser som norra Europa och stora delar av Ryssland, där nätterna är mycket långa och det bara finns korta perioder av solljus, särskilt på vintern.
Ingenjörer försöker skapa enheter frånorganiska material som håller längre är återvinningsbara eller kanske till och med biologiskt nedbrytbara. Organiska elektroniktillverkningsmetoder blir också mer energieffektiva, vilket leder till färre steg och mindre återvinningsmetoder för spillvärme.
- Mindre avfall, mer säkerhet
Användningen av organiska material förskapandet av elektroniska apparater ger hopp om att framtida metoder för tillverkning av elektronik kommer att förlita sig på färre råvaror, och det blir också säkrare.
Material kan sparas genom att lita på mindreslösaktiga processer som tryckning. Material läggs till strukturer eller anordningar lager för lager när de skapas, till skillnad från centrifugering, som innebär att material avlägsnas och överskott kasseras.
Förutom att använda mindrematerial söker kemister efter sätt att använda säkrare material. Till exempel kräver många polymerer cancerframkallande lösningsmedel. Vissa lösningsmedel är inte ens tillåtna i tryckindustrin i EU på grund av deras toxicitet.
- Stabil elektronik
Skapa grönare elektroniska produkter- det handlar inte bara om att skapa fler "gröna" solpaneler eller andra enheter utan också att använda mer "gröna" produktionsmetoder. Miljömässig hållbarhet måste tillämpas i varje steg i produktionscykeln, från förvärv av råvaror till bortskaffande av avfall. Organiska material kan driva elektronik in i framtiden på ett mer hållbart sätt än vad som är möjligt i dagens elektroniska värld.
Slutligen betyder grön elektronikatt själva elektroniken är hållbar. Mångsidigheten hos organisk elektronik, tillsammans med löftet från fältet för miljömässig och social hållbarhet, pekar vägen mot en mycket långlivad teknologisvit.
Marknadssituation
Enligt Allied Market Research, senast 2027Den organiska elektronikmarknaden kommer att nå 159,1 miljarder dollar vid en CAGR på 21,0%. Ökande efterfrågan på grund av antagandet av teknologier som stöder hållbar utveckling och behovet av organisk elektronik för att utveckla den senaste tekniken har drivit tillväxten av den globala marknaden för organisk elektronik. Baserat på materialen stod halvledarsegmentet för den största andelen 2019. Baserat på region hade Asien-Stillahavsmarknaden lejonparten 2019.
Dessutom släpptes den i veckanstor rapport "Organisk elektronikmarknadsvolym, andel, tillväxt och rapport till 2020-2028 ". Enligt den kommer den globala marknaden för ekologisk elektronik bara att växa under prognosperioden. Denna forskningsrapport undersöker marknadslandskapet och dess utvecklingsmöjligheter inom den närmaste framtiden. Efter att ha undersökt nyckelföretagen fokuserar rapporten på nya aktörer som driver tillväxten på marknaden. De flesta företag på den globala marknaden för ekologisk elektronik anammar för närvarande nya tekniska trender på marknaden.
Slutligen belyser forskarna olika sätt att identifiera styrkor, svagheter, möjligheter och hot som påverkar tillväxten av den globala marknaden för organiska elektronik.
Några av de viktigaste aktörerna som arbetar med dettamarknaden inkluderar företag 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.
Vad är slutresultatet?
Under de senaste decennierna har regionenOrganisk elektronik har helt klart gjort enorma framsteg: många enheter finns redan på marknaden och många prototyper är på gång. Detta fält kommer att fortsätta växa och förändra hur samhället interagerar med teknik när kemister, fysiker och andra forskare och ingenjörer hanterar forskningsutmaningar. Tvärvetenskapliga forsknings- och utbildningsprogram som samlar forskare och ingenjörer från olika kunskapsområden, liksom från olika verksamhetssektorer (t.ex. akademi, industri, regering), kommer att bidra till de samarbetsinsatser som behövs för att lösa dessa problem
Läs också
Forskare har utvecklat ren energi från grafen för första gången
På sjukdagens dag 3 förlorar de flesta COVID-19-patienter luktkänslan och lider ofta av en rinnande näsa
Doomsday-glaciären visade sig vara farligare än forskare trodde. Vi berättar det viktigaste