Органическая электроника
Докладчик: Приходько К.И., гр. 442 об2
Научн. рук.: Карпова Т.В.
В современном мире технический прогресс не стоит на месте. С ростом численности населения Земли, растут потребности людей в обеспечении нормальных условий существования и жизни.
Поиск решений осуществляется благодаря развитию электроники. Электроника - это отрасль современной науки и техники, которая сегодня развивается особенно бурно. Она помогает изучать физическую природу и активизировать практическое использование разнообразных электронных устройств и приборов. Успех электроники в значительной мере стимулировало развитие радиотехники. Нынешний этап в развитии электронной техники характеризует все более активное проникновение электроники во все области деятельности человечества.
Инновации в сфере электроники обуславливают успехи в решении сложнейших научно-прикладных технических задач, повышении эффективности научных разработок, создании принципиально новых видов оборудования, машин и систем управления, получении имеющих уникальные свойства материалов, совершенствовании процесса получения и обработки информационных данных. Охватывая широчайший круг проблем научно-технического и производственного характера, электроника базируется на достижениях во множестве областей знаний.
При этом электроника, во-первых, осуществляет постановку задач перед другими сферами науками и производства, обуславливая их дальнейшее поступательное развитие, а во-вторых, обеспечивает их множеством качественно новых технических средств и методов исследования.
Сегодня практически в каждой квартире или доме можно видеть различную компьютерную и электронно-вычислительную технику.
Наша повседневная жизнь становится намного более насыщенной и динамичной именно благодаря электронике, развитие и применение которой открывает невиданные перспективы в реализации поставленных целей.
Одним из наиболее перспективных направлений электроники является органическая электроника. Органическая электроника основана неорганических полупроводниковых материалах. Ее основное преимущество в том, что ее можно просто распечатывать из раствора, тогда как электроника, основанная на неорганических материалах, обычно требует при производстве высоких температур и вакуума.
1. ОРГАНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Органическая электроника - электроника на основе синтетических органических материалов (полимерах, низкомолекулярных соединениях). В мире она позиционируется как замена обычной кремниевой технологии в тех областях, где важна массовость производства. Органические материалы относительно дешевы в производстве, существует огромное количество вариантов синтеза материалов с заранее заданными свойствами. Кроме того, органические соединения можно наносить так называемыми «аддитивными» методами, при которых материал применяется только в том месте, в котором он должен функционировать, без необходимости использования масок и процессов удаления материала. В первую очередь к таким методам относится «струйная печать».
Органическая электроника приносит новые потребительские свойства в традиционные устройства и открывает возможности для создания новых устройств. Органические материалы легче, пластичнее, им проще придавать нужную форму, что позволяет изготавливать гибкие и прозрачные дисплеи, батареи, сенсорные массивы, элементы памяти и, соответственно, гибкие и прозрачные конечные устройства. Это способствовало появлению на рынке новых устройств: электронная бумага, «умная (smart) упаковка» (анализирующая и информирующая о состоянии содержимого), «умная одежда» (аккумулирующая энергию, анализирующая состояние тела человека) и т.п. Сильна взаимосвязь органической электроники и технологии «Интернета вещей», когда в одном устройстве необходимо совместить источник энергии, анализатор и передатчик сигнала при минимальной стоимости и высокой степени интеграции в устройство или конструкцию.
2.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
В 2000 году Алану Макдиармиду из Пенсильванского университета, Алану Хигеру из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Хидэки Сиракаве из Цукубского университета была присуждена Нобелевская премия по химии за то, что им впервые удалось превратить пластмассу в электрический проводник. Это открытие и результаты других исследований электрических свойств органических материалов открыли путь к новой электронике, основанной на органических материалах.
В 2004 году была создана пластмасса «Олиготрон» (Oligotron) американской компанией TDA Research по контракту с американским Национальным научным фондом. От прежних образчиков так называемой органической электроники новый материал отличается нерастворимостью в воде.
До «Олиготрона» лучшим выбором основы для разнообразной органической электроники, такой как органические светодиоды, был растворимый в воде Pedot (полиэтилендиокситиофен).
Позже Polymer Vision, «инкубатор технологий» Philips, изготовила дисплей с диагональю 5 дюймов и радиусом кривизны 2 см.
Plastic Logiс изначально специализировалась на использовании экзотических полимеров (полупроводников и проводников) и металлов в тонкопленочных транзисторах(TFT), что применяются в активных матричных соединительных платах, при помощи которых осуществляется контроль за дисплеями и выполняются прочие функции.
В настоящее время Plastic Logic является крупнейшей фирмой, производящей исследования в области развития пластиковой электроники и одна из немногих в мире компаний, разрабатывающая технологию полимерных соединительных плат.
Для создания пластиковой электроники применяется несколько различных типов полимеров, проводящих и полупроводящих. Plastic Logic пользуется услугами ряда поставщиков, в первую очередь Dow Chemical, которая производит полиэтилендиокси-тиофен/полистролсульфоновую кислоту (PDOT/PSS) и полидиоктилфтор-кобитиофен (F8T2).
В январе 2011 года компания Роснано инвестировала в компанию Plastic Logic $150 млн и был заключен договор о создании завода по производству пластиковой электроники нового поколения в Зеленограде.
3. ДОСТОИНСТВА ОРГАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Органические материалы, в свою очередь, легче, пластичнее, им проще придавать нужную форму. К тому же, органических материалов можно синтезировать бесконечное множество, заменяя в них отдельные блоки, легко создавая таким образом материалы с заранее заданными свойствами. В качестве иллюстрации можно привести полноцветные дисплеи на органических светодиодах, где зелёный цвет появился через несколько лет после демонстрации черно-жёлтого прототипа; проблема же эффективных неорганических зелёных светодиодов до сих пор так и не решена ввиду сложности формирования полупроводника с необходимой шириной запрещённой зоны. Важнейшим достоинством таких материалов является их низкая цена, в сравнении с кремниевыми аналогами.
Огромное преимущество пластиковой электроники заключается в том, что она может быть изготовлена прямым образом, используя автоматическое проектирование при очень высокой скорости производства. При этом процессе создаются гибкие поверхности большого размера, производимые при помощи струйной печати и не требующие применения сложной фотолитографии и вакуумных систем, которые необходимы для создания транзисторов на основе кристаллического кремния. Струйные технологии легко и дешево перестраиваются (не нужно делать чрезвычайно дорогостоящий набор масок, как для кремния), что чрезвычайно выгодно для малосерийных (тиражом менее десятков тысяч) схем. В принципе, каждая схема может быть уникальной, что немыслимо для традиционной фотолитографии, используемой в «кремниевом» техпроцессе.
Низкие температуры технологических процессов позволяют использовать дешевые подложки и наносить схемы на самый широкий спектр материалов.
Недостатки пластиковых полупроводников (как то -- малое быстродействие схем на их основе) для многих применений просто несущественны, в то время как стоимость -- решающий параметр. В качестве примеров подобных применений можно назвать RFID-метки, интеллектуальные датчики, «умная упаковка», электронная бумага и дисплеи и т. д.
4. НЕДОСТАТКИ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Органические материалы по многим параметрам уступают традиционным. Современные техпроцессы позволяют производить из кремния многослойные схемы чрезвычайно высокой концентрации (вплоть до технологических норм 18 нм). Высокое число свободных носителей в кремнии и их низкая эффективная масса (по сравнению с доступными полимерами) позволяет компонентам кремниевых микросхем работать на высоких частотах, вплоть до терагерца (в логических схемах). Ещё более высокие частоты достижимы при применении арсенида галлия.
Соединения в традиционных техпроцессах выполняются алюминием, медью и даже золотом, прекрасными проводниками электричества. Струйные технологии, применяемые в пластиковой электронике, сейчас предполагают применение полимерных соединений или металлосодержащих проводящих паст, заметно уступающих чистому металлу.
Представляется крайне сомнительным, что в обозримом будущем полимерные схемы достигнут характеристик хоть сколько-нибудь сравнимых с кремниевыми (на вторую половину 2011-го года самый быстродействующий пластиковый процессор имеет тактовую частоту в несколько килогерц, что в миллионы раз меньше типичной частоты кремниевых процессоров, а по общей производительности уступает кремниевым аналогам почти в миллиард раз).
Полимерные проводники также быстрее деградируют и менее устойчивы к действию ионизирующих излучений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Динамичное развитие электронной техники, постановка все более сложных задач перед ней, ужесточение рыночного спроса приводит к постоянному росту требований к эффективности микроэлектронных компонент и технологиям их производства. Особенно в таких аспектах как массовость производства, снижение издержек, создание новых устройств. Это приводит к тому, что обычная, традиционная электроника не справляется с этими вызовами. Одни из наиболее перспективных способов решения предлагают технологии органической и печатной электроники. Развитие их и соответствующего рынка находится на ранней стадии формирования, что позволяет отечественным организациям занять лидирующие позиции на нем. Были созданы уникальные методики синтеза полимерных материалов и разработки компонент органической электроники, превосходящих по своим свойствам зарубежные аналоги. В настоящий момент выбрана дальнейшая модель развития этого направления в виде реализации портфеля проектов при непосредственном участии потребителей технологий в научно-исследовательской, технологической, маркетинговой и проектной деятельности.
