Що таке органічна електроніка?
Це галузь електроніки, яка використовує органічні матеріали
Традиційна електроніка заснована на твердомукремнії, який використовується для створення напівпровідників. Вони неорганічні (тобто не містять вуглецю). Навпаки, в органічній електроніці використовуються молекули на основі вуглецю - або невеликі молекули, або полімери, які представляють собою довгі ланцюжки молекул. Майже всі біологічні молекули є органічними сполуками, але також і речовини, отримані з вуглеводнів, таких як нафтохімія, масла і пластмаси. Багато людей можуть подумати про полімери, зокрема, як про непроводящих - наприклад, пластикові полімери використовуються для ізоляції мідних проводів. Але деякі органічні полімери і молекули можуть проводити електрику.
Чим вони відрізняються від традиційної електроніки на основі кремнію?
Органічні сполуки мають деякіпереваги перед неорганічними сполуками. Вони легкі, можуть бути гнучкими і прозорими - все це істотно відрізняється від класичної кремнієвої технології. Їх виробництво також може бути дешевше.
Чому органічна електроніка викликає стільки ажіотажу?
Існує так багато органічних сполук тавелика різноманітність функціональних груп (кластери атомів зі своїми відмінними властивостями). Їхні електронні властивості стає дуже легко налаштувати, додаючи функціональні групи. Деякі функціональні групи відводять електрони, а деякі віддають електрони, тому, комбінуючи їх, вчені можуть дуже точно налаштувати необхідні властивості. Наприклад, можна налаштувати флуоресценцію для світлодіодів.
Як з'явився новий вид електроніки?
Органічна електроніка з'явилася в 1950-хроках, коли Х. Інокучі і його колеги відкрили першу провідну органічну молекулу. З цього відкриття було встановлено, що органічні молекули можуть бути напівпровідниками - термін, який зазвичай використовувався для кремнію, германію та інших подібних елементів. Виявляється, органічні напівпровідники мають ряд переваг перед традиційними напівпровідниками.
органічні напівпровідники
В. Хельфріх і В. Г. Шнайдер всвою чергу виявили, що органічні молекули можуть випромінювати світло. Вперше така властивість було виявлено в молекулі антрацену. Єдиним недоліком було те, що для цього ефекту було потрібно висока напруга, що робило відкриття і можливі в подальшому розробки вкрай неефективним. Потім в 1980-х роках троє вчених - Хигер, Мак-Діармід і Сіракава - зробили провідні полімери, за що отримали Нобелівську премію з хімії у 2000 році. Кілька років по тому було виявлено, що перілентетракарбоновий диангидридов - PTCDA, молекула органічного барвника, який все ще використовується в автомобільних фарбах, володіє напівпровідниковими властивостями.
Наступною важливою віхою стало відкриттяорганічних світловипромінюючих діодів - OLED - напівпровідникових приладів, виготовлених з органічних сполук, що ефективно випромінюють світло при проходженні через них електричного струму. Цей пристрій був винайдений в 1987 Чинг Тангом і Стівеном Ван Слайкм з компанії Kodak. Пристрій міг випромінювати світло з напругою всього 5 вольт і назавжди змінило індустрію дисплеїв.
Де така електроніка використовується зараз і яке її майбутнє?
За словами професора Андреаса Хірша, завідувачакафедрою органічної хімії в Університеті Фрідріха-Олександра в Ерлангені-Нюрнберзі в Німеччині, електроніка, зроблена з вуглецю, а не з кремнію, може привести до створення нового покоління медичних пристроїв, датчиків і, можливо, навіть роботів.
«Ймовірно, більшість людей використовуватимеекранні технології. Органічні світлодіоди (OLED) зараз досить поширені в мобільних телефонах і ви також можете купувати з ними телевізори. Але навіть до цього рідкокристалічні пристрої (ЖК-дисплеї), які можна розглядати як різновид органічної електроніки, роками використовувалися в багатьох додатках» — пояснює Хірш в інтерв'ю для Річарда Грея, Horizon.
«Я переконаний, що років через 50 або близько того випобачите набагато більше роботів, які виглядають органічно, які можуть виконувати функції, які не можуть виконувати роботи на основі металу », - заявляє вчений.
Спектр застосувань органічної електроніки
Органічна електроніка має широкий спектр застосувань. Чотири з них можна назвати найбільш перспективними: дисплеї, фотоелектричні і транзисторні технології і біомедицина.
Дисплеї
OLED (органічні світловипромінюючі діоди) & # 8212;це новаторська технологія, розроблена Чинг Тангом та Стівеном Ван Слайком. OLED-світлодіоди складаються з органічної плівки, яка використовує властивість фосфоресценції для генерування власного світла замість використання підсвічування. Фосфоресценція - це випромінювання через збудження електронів, яке триває протягом тривалого часу. Ви могли помітити це в наручному годиннику та циферблатах, які світяться в темряві.
Namsan Seoul Tower 1F- OLED Tunnel
Фосфоресценція - це особливий тип фотолюмінесценції. На відміну від флуоресцентного, фосфоресцентних речовина випромінює поглинену енергію не відразу. Більший час рееміссіі пов'язано з «забороненими» енергетичними переходами в квантовій механіці.
Робота OLED досить проста. Органічна плівка складається з двох шарів: випромінює і проводить. На кордоні між двома шарами є отвори. Випромінює шар випускає електрони, і рекомбінація електронів і дірок призводить до генерації фотонів, які складають світ.
В основному є два типи OLED - з пасивною і активною матрицею.
- У пасивно-матричний OLED (PMOLED) є смугикатода і смуги анода, вони розташовані перпендикулярно один одному. Перетину і утворюють пікселі, з яких випромінюється світло. Зовнішні ланцюга подають струм на вибрані смуги анода і катода, визначаючи, які пікселі будуть включені, а які залишаться вимкненими. Яскравість залежить від величини прикладеного струму. Їх недоліком є те, що вони споживають багато енергії і тому використовуються в маленьких екранах, таких як КПК (Personal Digital Assistant) і MP3-плеєри.
- Другий тип OLED - це OLED з активною матрицею(AMOLED). AMOLED також мають повні шари катода, органічного матеріалу і анода, але анодний шар перекриває матрицю матриці тонкоплівкових транзисторів (TFT). Масив TFT - це схема, яка визначає, які пікселі включаються для формування зображення.
AMOLED споживають набагато менше енергії, ніжPMOLED, оскільки масив TFT вимагає менше енергії, ніж зовнішні схеми. В результаті вони підходять для великих дисплеїв, таких як комп'ютерні монітори, телевізори та електронні рекламні щити.
У свою чергу у OLED-світлодіодів безлічпереваг перед РК-дисплеями (рідкокристалічними дисплеями). Традиційні РК-дисплеї складаються з багатьох частин. Рідкі кристали не мають власного підсвічування, тому вони використовують підсвічування. Крім того, конструкції дисплея є листи відбивача для покращення яскравості, листи дифузора для поділу та рівномірного розподілу світла, нижній поляризатор та верхній поляризатор, кольоровий фільтр для створення кольорового світла та, звичайно ж, рідкі кристали, які є ключовими елементами. Це різко підвищує товщину екрана.
Квантові світловипромінюючі діоди (QLED) - іншенапрямок. Вони містять поляризатори та кольорові фільтри. Їм також потрібне підсвічування, оскільки квантові точки не можуть випромінювати власне світло. В результаті ці дисплеї стають надто товстими. OLED-світлодіоди витончені, виробляють більше абсолютного чорного, ніж QLED, і краще працюють при тьмяному світлі, оскільки кожен піксель освітлюється індивідуально. OLED-екрани можуть бути дуже тонкими. І все ж більшість компаній і споживачів вибирають OLED-дисплеї для своїх смартфонів.
Фотоелектричні програми
Органічні фотоелектричні пристрої - це восновному органічні сонячні елементи. Як фотоелектричного матеріалу зазвичай використовуються полімери. Одним з основних переваг використання органічних матеріалів для виробництва сонячних елементів є те, що «коефіцієнт оптичного поглинання» органічних молекул високий, тому велика кількість світла може бути поглинена невеликою кількістю матеріалу, зазвичай порядку сотень нанометра. Крім того, вони дуже гнучкі і набагато тонше своїх кремнієвих аналогів. У той час як нинішня технологія OPV (Organic Photovoltaic) може похвалитися ефективністю перетворення, яка перевищує 10%, досягаючи навіть 12%, деякі дослідники пророкують, що органічні сонячні елементи досягнуто ефективності 15-20%. Їх також можна скачувати і навіть компостувати.
І, хоча ми живемо у все більш електронному світі,доступ до цього світу обмежений. За оцінками, 1,3 мільярда людей не мають доступу до електрики, при цьому багато людей покладаються на гас, батареї або дизельні генератори. Через більш дешевих виробничих витрат органічна електроніка обіцяє не тільки змінити спосіб використання людьми технологій, але і розширити їх використання для населення, що не має доступу до електромережі.
Основним недоліком органічнихфотоелектричних елементів є низька ефективність у порівнянні з неорганічними фотоелектричними елементами, такими як кремнієві сонячні елементи. Але для вирішення цієї проблеми проводяться дослідження, і кожен день відкриваються нові матеріали, які можуть зробити революцію в галузі сонячної енергетики.
Гнучкі друковані органічні транзистори
Транзистори - це фундаментальні будівельніблоки сучасних електронних пристроїв, які або посилюють сигнали, або працюють як перемикачі. Органічний польовий транзистор (OFET) - це польовий транзистор, який містить проводять електроди, органічний напівпровідник і діелектрик. Його особливість в тому, що він використовує дуже мало енергії для патрулювання дуже великого струму, а також діє як хороший перемикач. Такі транзистори виробляються друкованими схемами з використанням органічних барвників на гнучкій основі. Особлива увага приділяється тому, щоб ніякі забруднення не потрапили в матеріал, так як це може негативно вплинути на провідність матеріалу.
Друкована схема з використанням OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, licencid under CC BY 4.0
За останні кілька років інтерес до OFETнадзвичайно виріс, і на це є причини. За своїми характеристиками OFET може конкурувати з аморфним кремнієм (a-Si). В результаті спостерігається підвищений інтерес до промислового використання OFET для додатків, які в даний час несумісні з використанням a-Si або інших технологій неорганічних транзисторів. Одна з основних технологічних переваг полягає в тому, що всі шари OFET можуть бути нанесені і структуровані при кімнатній температурі, що робить їх ідеально підходящими для реалізації недорогих електронних пристроїв великої площі на гнучких підкладках. Кремній необхідно нагріти до високих температур, що перевищують 40°C, щоб відлити його у форму. Однак про широке поширення OFET говорити поки що рано через недосконалість технологій.
біомедицина
Ще одне важливе застосування органічноїелектроніки – це медицина. Наприклад, для лікування сліпоти за допомогою чіпа сітківки, що імплантується в око. Пристрій реєструє світлові сигнали, що надходять в око, і перетворює їх на електричні сигнали, які відправляються в мозок. Електроди, покриті органічними барвниками, передають електричні сигнали рецепторним клітинам ока.
Склад повинен бути біосумісним.Вибір відповідних матеріалів і суміші компонентів має вирішальне значення. Прямо зараз це дозволило пацієнтам зі сліпотою сприймати світло і темряву, обриси предметів, іноді навіть букви і вирази облич. Мета вчених полягає в тому, щоб пристрій не тільки мало високий дозвіл, але і гарну продуктивність. Це відмінний приклад того, як технології та медицина працюють разом, щоб поліпшити життя людей.
Майбутнє нової електроніки
Область органічної електроніки в майбутньому будепродовжувати розвиватися способами, які сьогодні навіть неможливо уявити. Деякі ідеї вже реалізовані, наприклад, OLED-смартфони, телевізори і недорогі сонячні панелі, які встановлюються на дахах в сільських районах. В майбутньому складні смартфони, стануть більш поширеними, а, наприклад електронної шкірі, яка за своєю відчуття дотику імітує людську, буде потрібно більше часу для розвитку. Інші прогнози поки неможливо зробити, адже можливості застосування різноманітні і охоплюють безліч областей - порушені медицина і біомедичні дослідження, енергетика та навколишнє середовище, зв'язок і розваги, меблі для дому та офісу, одяг і особисті аксесуари і багато іншого.
Органічна електроніка також може зробитивиробництво, використання та утилізацію електроніки більш екологічно чистою. Вчені та інженери шукають способи зробити нову електроніку енергоефективнішою, ніж сьогоднішні розробки на основі кремнію.
Які є переваги використання органіки для електронного виробництва?
- Нові можливості
Органічні матеріали мають унікальнівластивостями яких неможливо досягти за допомогою електроніки на основі кремнію. Їх властивості включають чутливість, біосумісність та гнучкість. Зондування - це використання електронних пристроїв для визначення хімічних або біологічних речовин у навколишньому середовищі або на тілі людини.
Вчені уявляють собі біосенсори, які нелише визначають рівень глюкози у людей з діабетом, а й фактично розподіляють відповідну дозу інсуліну у потрібний час. Органічні електронні матеріали не тільки більш хімічно сумісні з біологічними системами, аніж пристрої на основі кремнію; вони надають речовині гнучкість, розтяжність та механічну «м'якість».
Разом ці властивості створюють потенціал для інноваційних біоелектронних датчиків, які можуть відповідати кривизні і рухомих частин людського тіла.
- енергоефективність
Оскільки вчені та інженери продовжуютьудосконалювати синтез та визначення характеристик органічних матеріалів для використання в електроніці, вони сподіваються, що використання таких матеріалів призведе до створення більш енергоефективних електронних дисплеїв, освітлювальних приладів та інших пристроїв.
Наприклад, необхідно зробити органічнісонячні елементи є більш ефективними, щоб їх можна було використовувати в таких місцях, як Північна Європа та велика частина Росії, де ночі — дуже довгі і є лише короткі періоди сонячного світла, особливо взимку.
Інженери намагаються створювати пристрої зорганічних матеріалів, які служать довше, придатні для вторинної переробки або, можливо, навіть біорозкладністю. Методи виробництва органічної електроніки також стануть більш енергоефективними, що призведе до скорочення кількості етапів і методів відновлення втраченого тепла.
- Менше відходів, більше безпеки
Використання органічних матеріалів длястворення електронних пристроїв дає надію на те, що майбутні методи виробництва електроніки будуть спиратися на меншу кількість сировини, крім того, воно буде більш безпечним.
Матеріали можна заощадити, покладаючись на меншемарнотратні процеси, такі як друк. Матеріали додаються до структур або пристроїв шар за шаром у міру їх створення, на відміну від центрифугування, яке включає видалення матеріалів та утилізацію надлишків.
Крім використання меншої кількостіматеріалів, хіміки шукають способи використовувати більш безпечні матеріали. Наприклад, для багатьох полімерів потрібні канцерогенні розчинники. Деякі розчинники навіть не допускаються в поліграфічної промисловості в ЄС через їх токсичності.
- стійка електроніка
Створення більш екологічних електронних продуктів- це не тільки створення більш «екологічних» сонячних батарей або інших пристроїв, але і використання більш «екологічних» методів виробництва. Екологічна стійкість повинна застосовуватися на кожному етапі виробничого циклу, від отримання сировинних ресурсів до видалення відходів. Органічні матеріали можуть направити електроніку в майбутнє більш екологічно стійким способом, ніж це можливо в сьогоднішньому електронному світі.
Нарешті, «екологічна електроніка» має на увазі,що сама електроніка довговічна. Універсальний характер органічної електроніки в поєднанні з обіцянками, які дає ця область для екологічної та соціальної стійкості, вказує шлях до дуже довгоживучих набору технологій.
Ситуація на ринку
За даними Allied Market Research, до 2027 рокуринок органічної електроніки досягне 159,1 млрд доларів за середньорічного темпу зростання 21,0%. Зростання попиту через впровадження технологій, що підтримують сталий розвиток, та потреби в органічній електроніці для розробки нових технологій стимулювали зростання світового ринку органічної електроніки. Судячи з матеріалів справи, на сегмент напівпровідників припадала найбільша частка у 2019 році. Залежно від регіону, ринок Азіатсько-Тихоокеанського регіону займав левову частку у 2019 році.
Крім того, цього тижня був випущенийвеликий звіт «Обсяг ринку органічної електроніки, частка, зростання і звіт до 2020-2028 рр.». Згідно з ним, у прогнозованому періоді світовий ринок органічної електроніки буде лише зростати. У цьому дослідному звіті розглядається ринковий ландшафт та перспективи його розвитку у найближчому майбутньому. Після вивчення ключових компаній у звіті основна увага приділяється новим учасникам, які сприяють зростанню ринку. Більшість компаній на світовому ринку органічної електроніки нині освоюють нові технологічні тенденції над ринком.
Нарешті, дослідники проливають світло різні способи виявлення сильних і слабких сторін, можливостей і загроз, які впливають зростання глобального ринку органічної електроніки.
Деякі з ключових гравців, які працюють на цьомуринку, включають в себе такі компанії, як 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.
Що в підсумку?
За останні кілька десятиліть областьорганічної електроніки явно досягла величезних успіхів: багато пристроїв вже представлені на ринку, а безліч прототипів знаходиться в стадії розробки. Ця область буде продовжувати рости, змінюючи спосіб взаємодії суспільства з технологіями, оскільки хіміки, фізики та інші вчені й інженери вирішують дослідницькі завдання. Міждисциплінарні дослідницькі та навчальні програми, що об'єднують вчених і інженерів з різних областей знань, а також з різних секторів діяльності (наприклад, академічних кіл, промисловості, уряду), сприятимуть спільним зусиллям, необхідним для вирішення цих проблем
Читати також
Дослідники вперше виробили чисту енергію з графена
На 3 день хвороби більшість хворих COVID-19 втрачають нюх і часто страждають нежиттю
Льодовик «Судного дня» виявився небезпечніше, ніж думали вчені. розповідаємо головне