От имитации кожи до человекоподобных роботов: как работает органическая электроника

Что такое органическая электроника?

Это отрасль электроники, которая использует органические материалы для изготовления схем и других электронных устройств, по большей части располагая рядом преимуществ перед традиционными неорганическими материалами, с которыми все знакомы. Это довольно новая область, но ее возможности безграничны, а результаты впечатляют уже сейчас.

Традиционная электроника основана на твердом кремнии, который используется для создания полупроводников. Они неорганические (то есть не содержат углерода). Напротив, в органической электронике используются молекулы на основе углерода — либо небольшие молекулы, либо полимеры, которые представляют собой длинные цепочки молекул. Почти все биологические молекулы являются органическими соединениями, но также и вещества, полученные из углеводородов, таких как нефтехимия, масла и пластмассы. Многие люди могут подумать о полимерах в частности как о непроводящих — например, пластиковые полимеры используются для изоляции медных проводов. Но некоторые органические полимеры и молекулы могут проводить электричество.

Чем они отличаются от традиционной электроники на основе кремния?

Органические соединения имеют некоторые преимущества перед неорганическими соединениями. Они легкие, могут быть гибкими и прозрачными — все это существенно отличается от классической кремниевой технологии. Их производство также может быть дешевле.

Почему органическая электроника вызывает столько ажиотажа?

Существует так много органических соединений и большое разнообразие функциональных групп (кластеры атомов со своими отличительными свойствами). Их электронные свойства становится очень легко настроить, добавляя функциональные группы. Некоторые функциональные группы отводят электроны, а некоторые — отдают электроны, поэтому, комбинируя их, ученые могут очень точно настроить необходимые свойства. Например, можно настроить флуоресценцию для светоизлучающих диодов. 

Как появился новый вид электроники?

Органическая электроника появилась 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 использовался для кремния, германия и других подобных элементов. Оказывается, органические полупроводники имеют ряд преимуществ перед традиционными полупроводниками.

Органические полупроводники

В. Хельфрих и В. Г. Шнайдер, в свою очередь, обнаружили, что органические молекулы могут излучать свет. Впервые такое свойство было обнаружено в молекуле антрацена. Единственным недостатком было то, что для этого эффекта требовалось высокое напряжение, что делало открытие и возможные в дальнейшем разработки крайне неэффективными. Затем 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 обнаружено, что перилентетракарбоновый диангидрид — PTCDA, молекула органического красителя, который все еще используется в автомобильных красках, обладает полупроводниковыми свойствами.

Следующей важной вехой стало открытие органических светоизлучающих диодов — OLED — полупроводниковых приборов, изготовленных из органических соединений, эффективно излучающих свет при прохождении через них электрического тока. Это устройство было изобретено в 1987 году Чинг Тангом и Стивеном Ван Слайком из компании Kodak. Устройство могло излучать свет с напряжением всего 5 вольт и оно навсегда изменило индустрию дисплеев.

Где такая электроника используется сейчас и какое ее будущее?

По словам профессора Андреаса Хирша, заведующего кафедрой органической химии в Университете Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге в Германии, электроника, сделанная из углерода, а не из кремния, может привести к созданию нового поколения медицинских устройств, датчиков и, возможно, даже роботов.

«Вероятно, большинство людей будут использовать экранные технологии. Органические светодиоды (OLED) сейчас довольно распространены в мобильных телефонах, и вы также можете покупать с ними телевизоры. Но даже до этого жидкокристаллические устройства (ЖК-дисплеи), которые можно рассматривать как разновидность органической электроники, годами использовались во многих приложениях», — объясняет Хирш в интервью для Ричарда Грея, Horizon.

«Я убежден, что лет через 50 или около того вы увидите гораздо больше роботов, выглядящих органично, они смогут выполнять функции, которые не могут выполнять роботы на основе металла», — заявляет ученый.

Спектр применений органической электроники

Органическая электроника имеет широкий спектр применений. Четыре их них можно назвать наиболее перспективными: дисплеи, фотоэлектрические и транзисторные технологии и биомедицина.

 Дисплеи

OLED (органические светоизлучающие диоды) — это новаторская технология, разработанная Чинг Тангом и Стивеном Ван Слайком. OLED-светодиоды состоят из органической пленки, которая использует свойство фосфоресценции для генерирования собственного света вместо использования подсветки. Фосфоресценция — это излучение из-за возбуждения электронов, которое длится в течение длительного периода времени. Вы могли заметить это в наручных часах и циферблатах, которые светятся в темноте. 

Фосфоресценция — это особый тип фотолюминесценции. В отличие от флуоресцентного, фосфоресцентное вещество излучает поглощенную энергию не сразу. Большее время реэмиссии связано с «запрещенными» энергетическими переходами в квантовой механике.

Работа OLED довольно проста. Органическая пленка состоит из двух слоев: излучающего и проводящего. На границе между двумя слоями имеются отверстия. Излучающий слой испускает электроны, и рекомбинация электронов и дырок приводит к генерации фотонов, которые составляют свет.

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

• У пассивно-матричный OLED (PMOLED) есть полосы катода и полосы анода, они расположены перпендикулярно друг другу. Пересечения и образуют пиксели, из которых излучается свет. Внешние цепи подают ток на выбранные полосы анода и катода, определяя, какие пиксели будут включены, а какие останутся выключенными. Яркость зависит от величины приложенного тока. Их недостатком является то, что они потребляют много энергии и поэтому используются в маленьких экранах, таких как КПК (Personal Digital Assistant) и MP3-плееры.
• Второй 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 определяет, какие пиксели включаются для формирования изображения.
  

AMOLED потребляют гораздо меньше энергии, чем PMOLED, поскольку массив TFT требует меньше энергии, чем внешние схемы. В результате они подходят для больших дисплеев, таких как компьютерные мониторы, телевизоры и электронные рекламные щиты.

В свою очередь у OLED-светодиодов множество преимуществ перед ЖК-дисплеями (жидкокристаллическими дисплеями). Традиционные ЖК-дисплеи состоят из множества частей. Жидкие кристаллы не имеют собственной подсветки, поэтому они используют подсветку. Кроме того, конструкции дисплея есть листы отражателя для улучшения яркости, листы диффузора для разделения и равномерного распределения света, нижний поляризатор и верхний поляризатор, цветной фильтр для создания цветного света и, конечно же, жидкие кристаллы, которые являются ключевыми элементами. Это резко увеличивает толщину экрана.

Квантовые светоизлучающие диоды (QLED) — другое направление. Они содержат поляризаторы и цветные фильтры. Им также нужна подсветка, поскольку квантовые точки не могут излучать собственный свет. В результате эти дисплеи становятся слишком толстыми. OLED-светодиоды изящные, производят больше абсолютного черного, чем QLED, и лучше работают при тусклом свете, поскольку каждый пиксель освещается индивидуально. OLED-экраны могут быть очень тонкими. И все же большинство компаний и потребителей выбирают OLED-дисплеи для своих смартфонов. 

 Фотоэлектрические приложения

Органические фотоэлектрические устройства — это в основном органические солнечные элементы. В качестве фотоэлектрического материала обычно используются полимеры. Одним из основных преимуществ использования органических материалов для производства солнечных элементов является то, что «коэффициент оптического поглощения» органических молекул высок, поэтому большое количество света может быть поглощено небольшим количеством материала, обычно порядка сотен нанометров. Кроме того, они очень гибкие и намного тоньше своих кремниевых аналогов. В то время как нынешняя технология OPV (Organic Photovoltaic) может похвастать эффективностью преобразования, которая превышает 10%, достигая даже 12%, некоторые исследователи предсказывают, что органические солнечные элементы достигнут эффективности 15–20%. Их также можно скатывать и даже компостировать.

И, хотя мы живем во все более электронном мире, доступ к этому миру ограничен. По оценкам, 1,3 миллиарда человек не имеют доступа к электричеству, при этом многие люди полагаются на керосин, батареи или дизельные генераторы. Из-за более дешевых производственных затрат органическая электроника обещает не только изменить способ использования людьми технологий, но и расширить их использование для населения, не имеющего доступа к электросети.

Основным недостатком органических фотоэлектрических элементов является низкая эффективность по сравнению с неорганическими фотоэлектрическими элементами, такими как кремниевые солнечные элементы. Но для решения этой проблемы проводятся исследования, и каждый день открываются новые материалы, которые могут произвести революцию в отрасли солнечной энергетики.

Гибкие печатные органические транзисторы

Транзисторы — это фундаментальные строительные блоки современных электронных устройств, которые либо усиливают сигналы, либо работают как переключатели. Органический полевой транзистор (OFET) — это полевой транзистор, который содержит проводящие электроды, органический полупроводник и диэлектрик. Его особенность в том, что он использует очень мало энергии для патрулирования очень большого тока, а также действует как хороший переключатель. Такие транзисторы производятся печатными схемами с использованием органических красителей на гибкой основе. Особое внимание уделяется тому, чтобы никакие загрязнения не попали в материал, так как это может отрицательно повлиять на проводимость материала.

За последние несколько лет интерес к OFET чрезвычайно вырос и на это есть причины. По своим характеристикам OFET может конкурировать с аморфным кремнием (a-Si). В результате в настоящее время наблюдается повышенный интерес к промышленному использованию OFET для приложений, которые в настоящее время несовместимы с использованием a-Si или других технологий неорганических транзисторов. Одно из их основных технологических преимуществ состоит в том, что все слои OFET могут быть нанесены и структурированы при комнатной температуре, что делает их идеально подходящими для реализации недорогих электронных устройств большой площади на гибких подложках. Кремний необходимо нагреть до высоких температур, превышающих 40 °C, чтобы отлить его в форму. Однако о широком распространении OFET говорить пока рано из-за несовершенства технологий.

Биомедицина

Еще одно важное применение органической электроники — это медицина. Например, для лечения слепоты с помощью чипа сетчатки, который имплантируется в глаз. Устройство регистрирует световые сигналы, поступающие в глаз, и преобразует их в электрические сигналы, которые отправляются в мозг. Электроды, покрытые органическими красителями, передают электрические сигналы рецепторным клеткам глаза. 

Состав должен быть биосовместимым. Выбор подходящих материалов и смеси компонентов имеет решающее значение. Прямо сейчас это позволило пациентам со слепотой воспринимать свет и тьму, очертания предметов, иногда даже буквы и выражения лиц. Цель ученых состоит в том, чтобы устройство не только имело высокое разрешение, но и хорошую производительность. Это отличный пример того, как технологии и медицина работают вместе, чтобы улучшить жизнь людей.

Будущее новой электроники

Область органической электроники в будущем будет продолжать развиваться способами, которые сегодня даже невозможно представить. Некоторые идеи уже реализованы, например, OLED-смартфоны, телевизоры и недорогие солнечные панели, которые устанавливаются на крышах в сельских районах. В будущем складные смартфоны станут более распространенными, а, например, электронной коже, которая по своей тактильной чувствительности имитирует человеческую, потребуется больше времени для развития. Другие прогнозы пока невозможно сделать, ведь возможности применения разнообразны и охватывают множество областей — затронуты медицина и биомедицинские исследования, энергетика и окружающая среда, связь и развлечения, мебель для дома и офиса, одежда и личные аксессуары и многое другое.

Органическая электроника также может сделать производство, использование и утилизацию электроники более экологически чистой. Ученые и инженеры ищут способы сделать новую электронику более энергоэффективной, чем сегодняшние разработки на основе кремния.

Какие есть преимущества использования органики для электронного производства?

• Новые возможности
  
  Органические материалы обладают уникальными свойствами, которых невозможно достичь с помощью электроники на основе кремния. Их свойства включают чувствительность, биосовместимость и гибкость. Зондирование — это использование электронных устройств для определения химических или биологических веществ в окружающей среде или на теле человека. 
  
  Ученые представляют себе биосенсоры, которые не только определяют уровень глюкозы у людей с диабетом, но и фактически распределяют соответствующую дозу инсулина в нужное время. Органические электронные материалы не только более химически совместимы с биологическими системами, чем устройства на основе кремния; они придают веществу гибкость, растяжимость и механическую «мягкость».
  
  Вместе эти свойства создают потенциал для инновационных биоэлектронных датчиков, которые могут соответствовать кривизне и движущимся частям человеческого тела.
• Энергоэффективность
  
  Поскольку ученые и инженеры продолжают совершенствовать синтез и определение характеристик органических материалов для использования в электронике, они надеются, что использование таких материалов приведет к созданию более энергоэффективных электронных дисплеев, осветительных приборов и других устройств.
  
  Например, необходимо сделать органические солнечные элементы более эффективными, чтобы их можно было использовать в таких местах, как Северная Европа и большая часть России, где ночи — очень длинные и есть только короткие периоды солнечного света, особенно зимой.
  
  Инженеры пытаются создавать устройства из органических материалов, которые служат дольше, пригодны для вторичной переработки или, возможно, даже биоразлагаемы. Методы производства органической электроники также станут более энергоэффективными, что приведет к сокращению количества этапов и методов восстановления потерянного тепла.
• Меньше отходов, больше безопасности
  
  Использование органических материалов для создания электронных устройств дает надежду на то, что будущие методы производства электроники будут опираться на меньшее количество сырья, кроме того, оно будет более безопасным.
  
  Материалы можно сэкономить, полагаясь на менее расточительные процессы, такие как печать. Материалы добавляются к структурам или устройствам слой за слоем по мере их создания, в отличие от центрифугирования, которое включает удаление материалов и утилизацию избытков.
  
  Помимо использования меньшего количества материалов, химики ищут способы использовать более безопасные материалы. Например, для многих полимеров требуются канцерогенные растворители. Некоторые растворители даже не допускаются в полиграфической промышленности в ЕС из-за их токсичности.
• Устойчивая электроника
  
  Создание более экологичных электронных продуктов — это не только создание более «экологичных» солнечных батарей или других устройств, но и использование более «экологичных» методов производства. Экологическая устойчивость должна применяться на каждом этапе производственного цикла, от получения сырьевых ресурсов до удаления отходов. Органические материалы могут направить электронику в будущее более экологически устойчивым способом, чем это возможно в сегодняшнем электронном мире.
  
  Наконец, «экологичная электроника» подразумевает, что сама электроника долговечна. Универсальный характер органической электроники в сочетании с обещаниями, которые дает эта область для экологической и социальной устойчивости, указывает путь к очень долгоживущему набору технологий.
  

Ситуация на рынке

По данным Allied Market Research, к 2027 году рынок органической электроники достигнет 159,1 млрд долларов 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 сегмент полупроводников приходилась самая большая доля в 2019 году. В зависимости от региона рынок Азиатско-Тихоокеанского региона занимал львиную долю в 2019 году. 

Кроме того, на этой неделе был выпущен большой отчет «Объем рынка органической электроники, доля, рост и отчет до 2020-2028 гг.». Согласно нему, в прогнозируемом периоде мировой рынок органической электроники будет лишь расти. В этом исследовательском отчете рассматривается рыночный ландшафт и перспективы его развития в ближайшем будущем. После изучения ключевых компаний в отчете основное внимание уделяется новым участникам, способствующим росту рынка. Большинство компаний на мировом рынке органической электроники в настоящее время осваивают новые технологические тенденции на рынке.

Наконец, исследователи проливают свет на различные способы выявления сильных и слабых сторон, возможностей и угроз, влияющих на рост глобального рынка органической электроники. 

Некоторые из ключевых игроков, работающих на этом рынке, включают в себя такие компании, как 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 .

Что в итоге?

За последние несколько десятилетий область органической электроники явно достигла огромных успехов: многие устройства уже представлены на рынке, а множество прототипов находится в стадии разработки. Эта область будет продолжать расти, изменяя способ взаимодействия общества с технологиями, поскольку химики, физики и другие ученые и инженеры решают исследовательские задачи. Междисциплинарные исследовательские и учебные программы, объединяющие ученых и инженеров из разных областей знаний, а также из разных секторов деятельности (например, академических кругов, промышленности, правительства), будут способствовать совместным усилиям, необходимым для решения этих проблем

Читать также

Исследователи впервые выработали чистую энергию из графена

На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком

Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное