Co víme o organické elektronice?

Když se mluví o organické elektronice, ne každý hned ví, co si pod tímto názvem představit. Výraz organická sice indikuje, že tento druh elektronických součástek či zařízení zřejmě využívá organické materiály, ale jak? Jsou snad ze dřeva, rostlinných vláken, či dokonce z uhlí?

V předmětu organická chemie na technických školách se už dříve vyskytovaly výrazy jako uhlovodíky, polymery, molekuly, organické sloučeniny, deriváty, řetězce, vazby a další (obr. 1). Aniž jsme to kdysi mohli tušit, dnes je právě na nich organická elektronika založena. S pomocí uhlíku, základu organických materiálů vhodných pro elektroniku, můžeme totiž vyrobit rezistory i kondenzátory, ale také senzory, tranzistory, paměti, LED, displeje, baterie, fotovoltaiku a s tím, jak jde vývoj dopředu, jistě i další prvky.

Že jsou některé organické materiály elektricky vodivé, se ví už dlouho, ale teprve ve druhé polovině minulého století se začaly vlastnosti těchto materiálů zkoumat více. Dnes nám organická chemie umí připravit materiály, které mohou vyzařovat světlo, být velmi dobrými vodiči i polovodiči, a navíc mít i další vhodné fyzikální vlastnosti. Názvy těchto materiálů jsou typicky složité a dlouhé, jak už je to v organické chemii běžné, například perylenetetracarboxylic, který označuje materiál používaný v OLED displejích.

Otázkou by mohlo být, zda má cenu se organickou elektronikou zabývat, když tu máme již dobře zavedenou tu stávající. Ano, má. Zřejmě nikdy nenahradí křemíkové polovodiče ani klasické rezistory či kondenzátory, ale doplňuje je a umožňuje alternativní řešení, která v mnoha případech nelze jinak získat. Je lehká, tenká a ohebná, může být i průhledná. Lze ji tisknout či jinak nanést na podložku a při hromadné výrobě může být i poměrně levná. To vše naznačuje, že nachází uplatnění hlavně tam, kde jsou potřeba drobná a lehká nositelná zařízení s minimální spotřebou zejména pro jednorázové použití. Dala vzniknout také různým displejům, například OLED, které jsou dnes už natolik běžné, že ani nevnímáme jejich organický původ.

Každý máme představu o součástkách klasické elektroniky. Zhruba víme, jak vypadají rezistory i kondenzátory, baterie a senzory. Také vídáme obrázky struktur polovodičových součástek a tušíme, že tam někde je ten křemík napojený přes tenounké spoje někam dál a že jich tam bývá hodně vedle sebe. Ale jak může být třeba tranzistor organického původu?

Není v tom velký rozdíl, když opomineme podstatu použitého materiálu. Problém je zřejmě v naší představivosti. Zatímco si umíme vybavit zrnko křemíku, byť sebemenší, neumíme si představit miniaturní kousek uhlovodíku či jeho organické odvozeniny, asi proto, že to ani nejde. Místo fyzikálních rozměrů tu totiž hraje hlavní roli chemie, a tak materiály používané v organické elektronice mají i jinou podobu než jen pevnou, když se dodávají jako tekutiny, pasty, nebo dokonce film. Tekutý materiál má obrovskou výhodu v tom, že ho lze nanášet na podložky různými způsoby, například tiskem, dokonce na obvyklých rotačních tiskárnách a ve velkých sériích. Pasta z organického materiálu se zase lépe nanáší sítotiskem.

Jak se ale takový tranzistor, LED či jiná součástka tisknou? Jednotlivé organické materiály, které mají potřebné vlastnosti k tomu, aby bylo možné danou součástku vytvořit, se tisknou postupně přes sebe a vedle sebe, přičemž tam, kde se nemají materiály dotýkat, se jednoduše natiskne materiál s izolačními vlastnostmi. Tak lze tisknout i složité struktury součástek, přičemž vše vzniká za běžných okolních teplot, na rozdíl od křemíkové technologie, která vyžaduje vysoké teploty. Není ale pravděpodobné, že by v dohledné době bylo možné tisknout s pomocí organických materiálů složité součástky, jako jsou třeba CPU.

O šetrnosti k životnímu prostředí se dnes hodně mluví a ta je jednou z velkých výhod organické elektroniky. V podstatě se pracuje s tím, co je kolem nás k dispozici tak jako tak, a proto nevznikají ani žádné nebezpečné odpady.

Součástky organického původu sice nemusí mít všechny vlastnosti klasických součástek, zejména polovodičových, ale pro mnohé aplikace jsou použitelné a jejich výroba je jednoduchá a levná. Mezi známé produkty organické elektroniky patří zejména displeje, včetně dotykových, fotovoltaické panely, různé senzory atd.

Jak už bylo uvedeno, výroba organické elektroniky je ve většině případů vázána na tisk, takže můžeme současně mluvit i o tištěné elektronice. Naopak to ale nemusí vždy platit, protože tištěná elektronika nemusí být nutně organického původu. Například při tisku plošných spojů na izolační podložku se může používat vodivý inkoust vytvořený nanočásticemi stříbra či jiných kovů, které už nejsou organickými materiály. I tak bývá tištěná elektronika synonymem pro organickou elektroniku, bez ohledu na to, jestli tak je na sto procent. Příkladem tištěné elektroniky založené na organické elektronice může být třeba jednorázová jízdenka v podobě plastové karty potištěná z jedné či obou stran potřebnými obvody. I když lze organickou elektroniku tisknout na rotačních tiskárnách (technika Roll-to-Roll), například displeje, tiskne se také na inkjetových tiskárnách v případě malých sérií, jednotlivých kusů či prototypů (technika Sheet-to-Sheet). Díky své ohebnosti a pružnosti lze organické obvody natisknuté na fólii připevnit nebo přímo tisknout na plochy předmětů, například obaly potravin (technika Sheet-to-Shuttle). Tisknout organické obvody lze na různé dielektrické materiály, jako jsou papír, karton, sklo, kůže, textil a další.

Protože organická elektronika umožňuje vytvořit lehké a ohebné displeje, senzory, tranzistory, paměti i baterie, používá se často v případech nositelné elektroniky, která bývá upevněna přímo na lidském těle nebo na oblečení. Zdrojem energie bývají v takových případech nanogenerátory, které reagují na pohyb či teplotu a baterii dobíjejí. Typickým příkladem mohou být miniaturní zařízení pro sledování tělesných funkcí v podobě náplastí, obinadel nebo náramků. Podobně jako v případě tištěné elektroniky i tady platí, že ne každá nositelná elektronika je zcela založena na organické elektronice, protože některé její části mohou využívat elektroniku klasickou.

Závěr

Organická elektronika využívá k vytváření součástek organické materiály. Nenahrazuje stávající klasickou elektroniku, ale doplňuje ji některými svými unikátními vlastnostmi, například nízkou cenou v případě hromadné výroby, tenkým provedením, pružností, ohebností, průhledností atd. V mnoha případech se kombinuje s klasickými součástkami a materiály, což je běžný případ tištěné i nositelné elektroniky. Je dobré mít na paměti, že výroba organické elektroniky nezatěžuje životní prostředí.

Německá organizace OE-A (Organic and Printed Electronics Association) [1] se zabývá organickou a tištěnou elektronikou a pravidelně pořádá v Mnichově výstavu s konferencí LOPEC [2]. Ta by se letos měla konat ve dnech 22.−24. března. Zatímco konference nabízí kvalifikované informace z oboru, výstava je praktickou ukázkou nejnovějších možností výroby organické i tištěné elektroniky.

Dalším praktickým zdrojem informací je americká organizace IDTechEx [3], která pravidelně publikuje informace a statistiky z různých oborů včetně organické, tištěné a nositelné elektroniky. Pravidelně také organizuje výstavu s konferencí IDTechEx Show.