От имитации кожи до человекоподобных роботов: как работает органическая электроника

Электроника, изготовленная из углерода, а не из кремния, может привести к созданию новейшего поколения мед устройств, датчиков и, может быть, даже ботов. Такие материалы, как графен, могут скоро показаться в электрических устройствах и приведут к совсем новеньким формам «хим» вычислений и хранения инфы. Рассказываем, что такое органическая электроника, как она работает и как эта область исследовательских работ сделает лучше не только лишь потребительские устройства, да и здравоохранение.

Что такое органическая электроника?

Это ветвь электроники, которая употребляет органические материалы для производства схем и остальных электрических устройств, по большей части располагая преимуществ перед классическими неорганическими материалами, с которыми все знакомы. Это достаточно новенькая область, но ее способности беспредельны, а результаты впечатляют уже на данный момент.

Обычная электроника базирована на жестком кремнии, который употребляется для сотворения полупроводников. Они неорганические (другими словами не содержат углерода). Напротив, в органической электронике употребляются молекулы на базе углерода — или маленькие молекулы, или полимеры, которые представляют собой длинноватые цепочки молекул. Практически все био молекулы являются органическими соединениями, но также и вещества, приобретенные из углеводородов, таковых как нефтехимия, масла и пластмассы. Почти все люди могут помыслить о полимерах, а именно, как о непроводящих — к примеру, пластмассовые полимеры употребляются для изоляции медных проводов. Но некие органические полимеры и молекулы могут проводить электричество.

Чем они различаются от классической электроники на базе кремния?

Органические соединения имеют некие достоинства перед неорганическими соединениями. Они легкие, могут быть гибкими и прозрачными — все это значительно различается от традиционной кремниевой технологии. Их создание также быть может дешевле.

Почему органическая электроника вызывает столько ажиотажа?

Существует так много органических соединений и огромное обилие многофункциональных групп (кластеры атомов со своими различительными качествами). Их электрические характеристики становится весьма просто настроить, добавляя многофункциональные группы. Некие многофункциональные группы отводят электроны, а некие — отдают электроны, потому, сочитая их, ученые могут весьма буквально настроить нужные характеристики. к примеру, можно настроить флуоресценцию для светоизлучающих диодов. 

Как возник новейший вид электроники?

Органическая электроника возникла в 1950-х годах, когда Х. Инокучи и его коллеги открыли первую проводящую органическую молекулу. Из этого открытия было установлено, что органические молекулы могут быть полупроводниками — термин, который обычно употреблялся для кремния, германия и остальных схожих частей. Оказывается, органические полупроводники имеют ряд преимуществ перед классическими полупроводниками.

Органические полупроводники

В. Хельфрих и В. Г. Шнайдер всвою очередь нашли, что органические молекулы могут источать свет. В первый раз такое свойство было найдено в молекуле антрацена. Единственным недочетом было то, что для этого эффекта требовалось высочайшее напряжение, что делало открытие и вероятные в предстоящем разработки очень неэффективным. Потом в 1980-х годах трое ученых — Хигер, Мак-Диармид и Сиракава — сделали проводящие полимеры, за что получили Нобелевскую премию по химии в 2000 году. несколько лет спустя было найдено , что перилентетракарбоновый диангидрид — PTCDA, молекула органического красителя, который все еще употребляется в авто красках, владеет полупроводниковыми качествами.

Последующей принципиальной вехой сделалось открытие органических светоизлучающих диодов — OLED — полупроводниковых устройств, сделанных из органических соединений, отлично излучающих свет при прохождении через их электронного тока. Это устройство было придумано в 1987 году Чинг Тангом и Стивеном Ван Слайкм из компании Kodak. Устройство могло источать свет с напряжением всего 5 вольт и навечно изменило промышленность мониторов.

Где таковая электроника употребляется на данный момент и какое ее будущее?

По словам доктора Андреаса Хирша, заведующего кафедрой органической химии в Институте Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге в Германии, электроника, изготовленная из углерода, а не из кремния, может привести к созданию новейшего поколения мед устройств, датчиков и, может быть, даже ботов.

«Возможно, большая часть людей будут применять экранные технологии. Органические светодиоды (OLED) на данный момент достаточно всераспространены в мобильных телефонах, и вы также сможете брать с ними телеки. Но даже ранее жидкокристаллические устройства (ЖК-дисплеи), которые можно разглядывать как разновидность органической электроники, годами использовались в почти всех приложениях» — разъясняет Хирш в интервью для Ричарда Грея, Horizon.

«Я убежден, что лет через 50 либо около того вы увидите еще больше ботов, которые смотрятся органично, которые могут делать функции, которые не могут делать боты на базе сплава», — заявляет ученый.

Диапазон применений органической электроники

Органическая электроника имеет широкий диапазон применений. Четыре их их можно именовать более многообещающими: мониторы, фотоэлектрические и транзисторные технологии и биомедицина.

 Мониторы

OLED (органические светоизлучающие диоды) — это новаторская разработка, разработанная Чинг Тангом и Стивеном Ван Слайком. OLED-светодиоды состоят из органической пленки, которая употребляет свойство фосфоресценции для генерирования собственного света заместо использования подсветки. Фосфоресценция — это излучение из-за возбуждения электронов, которое продолжается в течение долгого периода времени. Вы могли увидеть это в наручных часах и циферблатах, которые сияют в мгле. 

Namsan Seoul Tower 1F— OLED Tunnel

Фосфоресценция — это особенный тип фотолюминесценции. В отличие от флуоресцентного, фосфоресцентное вещество испускает поглощённую энергию не сходу. Большее время реэмиссии соединено с «запрещёнными» энергетическими переходами в квантовой механике.

Работа OLED достаточно ординарна. Органическая пленка состоит из 2-ух слоев: излучающего и проводящего. На границе меж 2-мя слоями имеются отверстия. Излучающий слой испускает электроны, и рекомбинация электронов и дырок приводит к генерации фотонов, которые составляют свет.

В главном есть два типа OLED — с пассивной и активной матрицей.

  • У пассивно-матричный OLED (PMOLED) есть полосы катода и полосы анода, они размещены перпендикулярно друг другу. Пересечения и образуют пиксели, из которых излучается свет. Наружные цепи подают ток на избранные полосы анода и катода, определяя, какие пиксели будут включены, а какие останутся выключенными. Яркость зависит от величины приложенного тока. Их недочетом будет то, что они потребляют много энергии и потому употребляются в малеханьких экранах, таковых как КПК (Personal Digital Assistant) и MP3-плееры.
  • 2-ой тип OLED — это OLED с активной матрицей (AMOLED). AMOLED также имеют полные слои катода, органического материала и анода, но анодный слой перекрывает матрицу матрицы тонкопленочных транзисторов (TFT). Массив TFT — это схема, которая описывает, какие пиксели врубаются для формирования изображения.

AMOLED потребляют еще меньше энергии, чем PMOLED, так как массив TFT просит меньше энергии, чем наружные схемы. В итоге они подступают для огромных мониторов, таковых как компьютерные мониторы, телеки и электрические маркетинговые щиты.

В свою очередь у OLED-светодиодов огромное количество преимуществ перед ЖК-дисплеями (жидкокристаллическими мониторами). Классические ЖК-дисплеи состоят из огромного количества частей. Водянистые кристаллы не имеют своей подсветки, потому они употребляют подсветку. Не считая того,  конструкции монитора есть листы отражателя для улучшения яркости, листы диффузора для разделения и равномерного распределения света, нижний поляризатор и верхний поляризатор, цветной фильтр для сотворения цветного света и, естественно же, водянистые кристаллы, которые являются главными элементами. Это резко наращивает толщину экрана.

Квантовые светоизлучающие диоды (QLED) — другое направление. Они содержат поляризаторы и цветные фильтры. Им также нужна подсветка, так как квантовые точки не могут источать свой свет. В итоге эти мониторы стают очень толстыми. OLED-светодиоды роскошные, создают больше абсолютного темного, чем QLED, и лучше работают при мерклом свете, так как любой пиксель освещается персонально. OLED-экраны могут быть весьма тонкими. И все таки большая часть компаний и потребителей выбирают OLED-дисплеи для сво телефонов. 

 Фотоэлектрические приложения

Органические фотоэлектрические устройства — это в главном органические солнечные элементы. В качестве фотоэлектрического материала обычно употребляются полимеры. Одним из главных преимуществ использования органических материалов для производства солнечных частей будет то, что «коэффициент оптического поглощения» органических молекул высок, потому огромное количество света быть может поглощено маленьким количеством материала, обычно порядка сотен нанометры. Не считая того, они весьма гибкие и намного тоньше собственных кремниевых аналогов. В то время как сегоднящая разработка OPV (Organic Photovoltaic) может повытрепываться эффективностью преобразования, которая превосходит 10%, достигая даже 12%, некие исследователи предвещают, что органические солнечные элементы достигнут эффективности 15–20%. Их также можно скатывать и даже компостировать.

И, хотя мы живем во все наиболее электрическом мире, доступ к этому миру ограничен. По оценкам, 1,3 млрд человек не имеют доступа к электричеству, при всем этом почти все люди полагаются на керосин, батареи либо дизельные генераторы. Из-за наиболее дешевеньких производственных издержек органическая электроника обещает не только лишь поменять метод использования людьми технологий, да и расширить их внедрение для населения, не имеющего доступа к электросети.

Главным недочетом органических фотоэлектрических частей является низкая эффективность по сопоставлению с неорганическими фотоэлектрическими элементами, таковыми как кремниевые солнечные элементы. Но для решения данной нам задачи проводятся исследования, и любой денек открываются новейшие материалы, которые могут произвести революцию в отрасли солнечной энергетики.

Гибкие печатные органические транзисторы

Транзисторы — это фундаментальные строй блоки современных электрических устройств, которые или усиливают сигналы, или работают как переключатели. Органический полевой транзистор (OFET) — это полевой транзистор, который содержит проводящие электроды, органический полупроводник и диэлектрик. Его изюминка в том, что он употребляет весьма не достаточно энергии для патрулирования весьма огромного тока, также действует как неплохой переключатель. Такие транзисторы выполняются печатными схемами с внедрением органических красителей на гибкой базе. Особенное внимание уделяется тому, чтоб никакие загрязнения не попали в материал, потому что это может негативно воздействовать на проводимость материала.

Печатная схема с внедрением OFET
Yasunori Takeda et al/Wikimedia, licenced under CC BY 4.0

За крайние несколько лет энтузиазм к OFET очень вырос и на это есть предпосылки. По своим чертам OFET может соперничать с бесформенным кремнием (a-Si). В итоге, в истинное время наблюдается завышенный энтузиазм к промышленному использованию OFET для приложений, которые в истинное время несовместимы с внедрением a-Si либо остальных технологий неорганических транзисторов. Одно из их главных технологических преимуществ заключается в том, что все слои OFET могут быть нанесены и структурированы при комнатной температуре, что делает их совершенно пригодными для реализации дешевых электрических устройств большенный площади на гибких подложках. Кремний нужно подогреть до больших температур, превосходящих 40 ° C, чтоб отлить его в форму. Но о широком распространении OFET гласить пока рано из-за несовершенства технологий.

Биомедицина

Очередное принципиальное применение органической электроники — это медицина. К примеру, для исцеления слепоты при помощи чипа сетчатки, который встраивается в глаз. Устройство регистрирует световые сигналы, поступающие в глаз, и конвертирует их в электронные сигналы, которые отправляются в обычно расположенный в головном отделе тела и представляющий из себя малогабаритное скопление тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков). Электроды, покрытые органическими красителями, передают электронные сигналы рецепторным клеточкам глаза

Состав должен быть биосовместимым. Выбор пригодных материалов и консистенции компонент имеет решающее <span class="wp-tooltip" title="Обобщенная форма отражения индивидумом общественно-исторического опыта Запечатлено в схемах действий понятиях соц ролях нормах и ценностях Система значений индивидума обусловливает управление действиями его деятель". Прямо на данный момент это позволило клиентам со слепотой принимать свет и тьму, очертания предметов, время от времени даже буковкы и выражения лиц. Цель ученых заключается в том, чтоб устройство не только лишь имело высочайшее разрешение, да и неплохую производительность. Это хороший пример того, как технологии и медицина работают совместно, чтоб сделать лучше жизнь людей.

Будущее новейшей электроники

Область органической электроники в дальнейшем будет продолжать развиваться методами, которые сейчас даже нереально представить. Некие идеи уже реализованы, к примеру, OLED-смартфоны, телеки и дешевые солнечные панели, которые инсталлируются на крышах в сельских районах. В дальнейшем раскладные телефоны, станут наиболее всераспространенными, а, к примеру электрической коже, которая по собственной тактильной чувствительности имитирует людскую, будет нужно больше времени для развития. Остальные прогнозы пока нереально создать, ведь способности внедрения многообразны и обхватывают огромное количество областей — затронуты медицина и биомедицинские исследования, энергетика и окружающая среда, связь и утехи, мебель для дома и кабинета, одежка и личные девайсы и почти все другое.

Органическая электроника также в состоянии сделать Создание, внедрение и утилизацию электроники наиболее экологически незапятанной. Ученые и инженеры отыскивают методы создать новейшую электронику наиболее энергоэффективной, чем нынешние разработки на базе кремния.

Какие есть достоинства использования органики для электрического производства?

  • Новейшие способности

    Органические материалы владеют неповторимыми качествами, которых нереально достигнуть при помощи электроники на базе кремния. Их характеристики включают чувствительность, биосовместимость и упругость. Зондирование — это внедрение электрических устройств для определения хим либо био веществ в окружающей среде либо на теле человека. 

    Ученые представляют для себя биосенсоры, которые не только лишь определяют уровень глюкозы у людей с диабетом, да и практически распределяют подобающую дозу инсулина в необходимое время. Органические электрические материалы не только лишь наиболее химически совместимы с био системами, чем устройства на базе кремния; они присваивают веществу упругость, растяжимость и механическую «мягкость».

    совместно эти характеристики делают потенциал для инноваторских биоэлектронных датчиков, которые могут соответствовать кривизне и передвигающимся частям людского тела.

  • Энергоэффективность

    Так как ученые и инженеры продолжают улучшать синтез и определение черт органических материалов для использования в электронике, они уповают, что внедрение таковых материалов приведет к созданию наиболее энергоэффективных электрических мониторов, осветительных устройств и остальных устройств.

    к примеру, нужно создать органические солнечные элементы наиболее действенными, чтоб их можно было применять в таковых местах, как Северная Европа и большая часть Рф, где ночи — весьма длинноватые и есть лишь недлинные периоды солнечного света, в особенности в зимнюю пору.

    Инженеры пробуют создавать устройства из органических материалов, которые служат подольше, подходящи для вторичной переработки либо, может быть, даже биоразлагаемы. способы производства органической электроники также станут наиболее энергоэффективными, что приведет к сокращению количества шагов и способов восстановления потерянного тепла.

  • Меньше отходов, больше сохранности

    Внедрение органических материалов для сотворения электрических устройств дает надежду на то, что будущие способы производства электроники будут опираться на наименьшее количество сырья, не считая того, оно будет наиболее неопасным.

    Материалы можно сберечь, полагаясь на наименее расточительные процессы, такие как печать. Материалы добавляются к структурам либо устройствам слой за слоем по мере их сотворения, в отличие от центрифугирования, которое включает удаление материалов и утилизацию избытков.

    Кроме использования наименьшего количества материалов, химики отыскивают методы применять наиболее неопасные материалы. к примеру, для почти всех полимеров требуются канцерогенные растворители. Некие растворители даже не допускаются в полиграфической индустрии в ЕС из-за их токсичности.

  • Устойчивая электроника

    Создание наиболее экологичных электрических товаров — это не только лишь создание наиболее «экологичных» солнечных батарей либо остальных устройств, да и внедрение наиболее «экологичных» способов производства. Экологическая устойчивость обязана применяться на любом шаге производственного цикла, от получения сырьевых ресурсов до удаления отходов. Органические материалы могут навести электронику в будущее наиболее экологически устойчивым методом, чем это может быть в нынешнем электрическом мире.

    В конце концов, «экологичная электроника» предполагает, что сама электроника долговечна. Всепригодный нрав органической электроники в сочетании с обещаниями, которые дает эта область для экологической и социальной стойкости, показывает путь к весьма долгоживущему набору технологий.

Ситуация на рынке

По данным Allied Market Research, к 2027 году Рынок органической электроники достигнет 159,1 миллиардов баксов при среднегодовом темпе роста 21,0%. Рост спроса из-за внедрения технологий, поддерживающих устойчивое развитие, и потребности в органической электронике для разработки новейших технологий стимулировали рост мирового рынка органической электроники. Судя по материалам, на сектор полупроводников приходилась наибольшая толика в 2019 году. Зависимо от региона, Рынок Азиатско-Тихоокеанского региона занимал львиную долю в 2019 году. 

Не считая того, на данной нам недельке был выпущен большенный отчет «Размер рынка органической электроники, толика, рост и отчет до 2020-2028 гг.». Согласно нему, в предсказуемом периоде мировой Рынок органической электроники будет только расти. В этом исследовательском отчете рассматривается рыночный ландшафт и перспективы его развития в не далеком будущем. Опосля исследования главных компаний в отчете основное внимание уделяется новеньким участникам, содействующим росту рынка. Большая часть компаний на мировом рынке органической электроники в истинное время осваивают новейшие технологические тенденции на рынке.

В конце концов, исследователи проливают свет на разные методы выявления мощных и слабеньких сторон, способностей и угроз, влияющих на рост глобального рынка органической электроники. 

Некие из главных игроков, работающих на этом рынке, содержат в себе такие компании, как Fujifilm Dimatix, AU Optronics, BASF, Bayer MaterialScience, H.C. STARCK, DuPont, Koninklijke Philips, LG Display, Sumitomo, Merck, AGC Seimi Chemical, Novaled, Самсунг Display, Sony, Universal Display, Heliatek, Evonik .

Что в итоге?

За крайние несколько десятилетий область органической электроники очевидно достигнула больших фурроров: почти все устройства уже представлены на рынке, а огромное количество прототипов находится в стадии разработки. Эта область будет продолжать расти, изменяя метод взаимодействия общества с технологиями, так как химики, физики и остальные ученые и инженеры решают исследовательские задачки. Междисциплинарные исследовательские и учебные программки, объединяющие ученых и инженеров из различных областей познаний, также из различных секторов деятель (к примеру, академических кругов, индустрии, правительства), будут содействовать совместным усилиям, нужным для решения этих заморочек

Читать также

Исследователи в первый раз выработали чистую энергию из графена

На 3 денек работоспособности»>заболевания большая часть нездоровых COVID-19 теряют чутье и нередко мучаются насморком

Ледник «Судного денька» оказался опаснее, чем задумывались ученые. Рассказываем основное

Источник