Augusto A. Iribarren Alfonso
Presente y futuro de tecnologías renovadoras.
El desarrollo de la Electrónica Orgánica ha hecho que los dispositivos basados en materiales orgánicos ganen espacio en la vida cotidiana. Dentro de ella los dispositivos optoelectrónicos, como los emisores de luz y las celdas solares orgánicas, ocupan una posición de avanzada y muestran una perspectiva preponderante. Los dispositivos orgánicos emisores de luz (OLEDs) son los que mayor desarrollo han tenido y muy pronto inundarán nuestra cotidianidad.
Introducción a los orgánicos
Por el descubrimiento, estudio y desarrollo de los polímeros eléctricamente conductores, en el 2000 recibieron el Premio Nobel de Química los profesores Alan J. Heeger, de la Universidad de California en Santa Bárbara, Estados Unidos; Alan G. MacDiarmid, de la Universidad de Pensilvania, Estados Unidos, y Hideki Shirakawa, de la Universidad de Tsukuba, Japón. Estos trabajos sobre materiales poliméricos conductores, que habían comenzado desde la década de los setenta, incentivaron una explosión en el estudio
y búsqueda de nuevos materiales orgánicos, que dieron paso al surgimiento de una nueva rama de la Electrónica denominada Electrónica Orgánica.
Por el descubrimiento, estudio y desarrollo de los polímeros eléctricamente conductores, en el 2000 recibieron el Premio Nobel de Química los profesores Alan J. Heeger, de la Universidad de California en Santa Bárbara, Estados Unidos; Alan G. MacDiarmid, de la Universidad de Pensilvania, Estados Unidos, y Hideki Shirakawa, de la Universidad de Tsukuba, Japón. Estos trabajos sobre materiales poliméricos conductores, que habían comenzado desde la década de los setenta, incentivaron una explosión en el estudio
y búsqueda de nuevos materiales orgánicos, que dieron paso al surgimiento de una nueva rama de la Electrónica denominada Electrónica Orgánica.
Los materiales orgánicos se caracterizan por estar constituidos
por un esqueleto de átomos de carbono (C), enlazados con simples, dobles y triples enlaces. Cuando el esqueleto de C está formado por muchas unidades moleculares o monómeros de simples y dobles enlaces alternados, el compuesto se denomina polímero conjugado (Fig. 1),
y entre ellos se encuentran los semiconductores orgánicos, en que los orbitales electrónicos de cada átomo tienden a solaparse y dan lugar a la formación de bandas de energía. Sin embargo, en contraste con los semiconductores inorgánicos, como el silicio (Si), el arseniuro de galio (GaAs), el telururo de cadmio (CdTe) y otros, los semiconductores orgánicos se estructuran por enlaces intermoleculares demasiado débiles para formar redes cristalinas tridimensionales, lo que ocasiona que en los semiconductores orgánicos las bandas de energía que se forman son estrechas.
Las principales bandas u orbitales moleculares se denominan HOMO (por su siglas en inglés: mayor orbital molecular ocupado por electrones), el de menor energía que es donde se encuentran los electrones π no excitados, y LUMO (por sus siglas en inglés: menor orbital molecular desocupado), el de mayor energía que es a donde saltarían los electrones al excitarse y que se denominan π*. Estos electrones π, que están débilmente enlazados, forman una nube de electrones delocalizados cuasi-libres y son los responsables de las interesantes transiciones ópticas y electrónicas en los semiconductores orgánicos. Los polímeros conductores en general son más ligeros, más flexibles, menos costosos y relativamente más fáciles de obtener y trabajar que los materiales inorgánicos, además de que sus posibles variantes de compuestos son innumerables y esto los hace altamente deseables en muchas aplicaciones y se incrementan las posibilidades de nuevas aplicaciones.
La Electrónica Or
gánica no sólo incluye a los semiconductores orgánicos, sino también a «pequeñas moléculas» (compuestos con peso molecular definido), materiales dieléctricos (no conductores o aislantes) y conductores. Materiales, estructuras y dispositivos con base orgánica ya se utilizan en múltiples aplicaciones (sensores, baterías, transistores, electrónica integrada, etc.). Dentro de este amplio campo se destaca la Optoelectrónica Orgánica, que comprende el estudio de estructuras orgánicas emisoras y detectoras de luz, y se basan en la transformaci
ón de electricidad en luz y viceversa. En el primer caso se encuentran los Diodos Orgánicos Emisores de Luz (OLED, por sus siglas en inglés: Organic Light Emitting Diode), y en el segundo las Celdas Solares Orgánicas (OSC, por sus siglas en inglés: Organic Solar Cell). Los OLEDs han tenido amplio desarrollo y éxito y hoy se utilizan ya en la vida cotidiana , mientras que las OSCs, aunque han mostrado grandes avances, aún se encuentran en estudio y desarrollo debido a sus relativamente bajas eficiencias.
Los Diodos Emisores de Luz (LEDs) tradicionales están basados en semi-conductores inorgánicos y son habitua-les en los equipos electrónicos como señalizadores e indicadores alfanumé-ricos. Estos pueden verse como los «bombillitos» indicadores en equipos de música, reproductores de DVD, semáforos digitalizados, radiorrecep-tores, etcétera.
¿Cómo funcionan los OLEDs?
En los OLEDs, que están basados en semiconductores orgánicos, las cargas positivas o huecos que se inyectan a través del ánodo en la capa conductora se recombinan con los electrones que se inyectan a través del cátodo en la capa emisora en que ocurre la emisión de luz (Fig. 3, en la página siguiente). En esta recombinación los electrones que tienen mayor energía pierden su energía al ocupar las posiciones de los huecos con menor energía y esa energía perdida es la que se transforma en fotones, o sea, luz. En ocasiones se utilizan nanoestructuras semiconductoras inorgánicas embebidas dentro del material orgánico, con el objetivo de lograr características luminiscentes específicas.
Con el uso de una capa conductora transparente a la luz emitida, un ánodo transparente que habitualmente es un TCO (por sus siglas en inglés: óxido conductor transparente) y un sustrato de vidrio, también transparente a la luz visible y que actúa como soporte y protección, la luz emergerá por la superficie. Como sustrato también pueden utilizarse materiales orgánicos transparentes en forma de películas que son también mecánicamente resistentes. Si, además, en la capa emisora se hace un arreglo de varios materiales orgánicos adecuados que emiten en diferentes longitudes de onda se logra que un mismo dispositivo pueda emitir diferentes colores, puede obtenerse una combinación de ellos e incluso llegar a «emitir» color blanco
La sustitución de las cadenas laterales del esqueleto polimérico de carbono puede determinar el color de la luz emitida, entre otras propiedades. En la fabricación de los OLEDs se utilizan varias técnicas, pero la más usada, eficiente y barata es la llamada Inkjet Printing (semejante a las impresoras domésticas de chorro de tinta), que permite crear grandes pantallas de OLEDs con un sustrato común a todos.
Las ventajas de los OLEDs respecto a los LEDs tradicionales de semiconductores inorgánicos, provienen de que aquellos son más delgados y flexibles, poseen más rango de colores, brillo y contraste, tienen mayores posibilidades de escalabilidad y consumen menos energía. No obstante, aún presentan desventajas debido a que sus tiempos de vida son menores, los procesos de fabricación aún son caros y son susceptibles de deteriorarse con el agua.
Los OLEDs hoy y mañana
Actualmente ya se comercializan los dispositivos OLEDs. Como pantallas ya tienen un presente, se visl
umbran con un futuro relevante, se espera que pronto inunden abrumadoramente la vida cotidiana y sean los dispositivos que registrarán mayor crecimiento en el mundo de la electrónica. Su uso en los equipos móviles hace innecesaria la iluminación de fondo de la pantalla (conocida como backlight), que consume bastante energía y así la carga de las baterías durará más en laptops, teléfonos celulares, cámaras digitales, PDAs y otros. En un futuro nada lejano, cuando sus costos disminuyan, se espera que puedan ser usados en la iluminación residencial y pública.
Por ello es que grandes marcas desarrollan, comercializan y se posicionan en el mercado de los OLEDs.
El desarrollo de los OLEDs logrará que esos avances presentados en muchas películas futuristas de ciencia ficción pronto sean reales y cotidianos y que, por ejemplo, la televisión sea una pantalla tan delgada como un papel, que el techo sea todo lumínico aunque no hayan lámparas y que el periódico sea un dispositivo flexible y hasta enrollable que se actualice a voluntad por la red.
Fuente: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Energia/Energia47/HTML/Articulo11.htm
por un esqueleto de átomos de carbono (C), enlazados con simples, dobles y triples enlaces. Cuando el esqueleto de C está formado por muchas unidades moleculares o monómeros de simples y dobles enlaces alternados, el compuesto se denomina polímero conjugado (Fig. 1), y entre ellos se encuentran los semiconductores orgánicos, en que los orbitales electrónicos de cada átomo tienden a solaparse y dan lugar a la formación de bandas de energía. Sin embargo, en contraste con los semiconductores inorgánicos, como el silicio (Si), el arseniuro de galio (GaAs), el telururo de cadmio (CdTe) y otros, los semiconductores orgánicos se estructuran por enlaces intermoleculares demasiado débiles para formar redes cristalinas tridimensionales, lo que ocasiona que en los semiconductores orgánicos las bandas de energía que se forman son estrechas.
Las principales bandas u orbitales moleculares se denominan HOMO (por su siglas en inglés: mayor orbital molecular ocupado por electrones), el de menor energía que es donde se encuentran los electrones π no excitados, y LUMO (por sus siglas en inglés: menor orbital molecular desocupado), el de mayor energía que es a donde saltarían los electrones al excitarse y que se denominan π*. Estos electrones π, que están débilmente enlazados, forman una nube de electrones delocalizados cuasi-libres y son los responsables de las interesantes transiciones ópticas y electrónicas en los semiconductores orgánicos. Los polímeros conductores en general son más ligeros, más flexibles, menos costosos y relativamente más fáciles de obtener y trabajar que los materiales inorgánicos, además de que sus posibles variantes de compuestos son innumerables y esto los hace altamente deseables en muchas aplicaciones y se incrementan las posibilidades de nuevas aplicaciones.
La Electrónica Or
gánica no sólo incluye a los semiconductores orgánicos, sino también a «pequeñas moléculas» (compuestos con peso molecular definido), materiales dieléctricos (no conductores o aislantes) y conductores. Materiales, estructuras y dispositivos con base orgánica ya se utilizan en múltiples aplicaciones (sensores, baterías, transistores, electrónica integrada, etc.). Dentro de este amplio campo se destaca la Optoelectrónica Orgánica, que comprende el estudio de estructuras orgánicas emisoras y detectoras de luz, y se basan en la transformaci
ón de electricidad en luz y viceversa. En el primer caso se encuentran los Diodos Orgánicos Emisores de Luz (OLED, por sus siglas en inglés: Organic Light Emitting Diode), y en el segundo las Celdas Solares Orgánicas (OSC, por sus siglas en inglés: Organic Solar Cell). Los OLEDs han tenido amplio desarrollo y éxito y hoy se utilizan ya en la vida cotidiana , mientras que las OSCs, aunque han mostrado grandes avances, aún se encuentran en estudio y desarrollo debido a sus relativamente bajas eficiencias. Los Diodos Emisores de Luz (LEDs) tradicionales están basados en semi-conductores inorgánicos y son habitua-les en los equipos electrónicos como señalizadores e indicadores alfanumé-ricos. Estos pueden verse como los «bombillitos» indicadores en equipos de música, reproductores de DVD, semáforos digitalizados, radiorrecep-tores, etcétera.
¿Cómo funcionan los OLEDs?
En los OLEDs, que están basados en semiconductores orgánicos, las cargas positivas o huecos que se inyectan a través del ánodo en la capa conductora se recombinan con los electrones que se inyectan a través del cátodo en la capa emisora en que ocurre la emisión de luz (Fig. 3, en la página siguiente). En esta recombinación los electrones que tienen mayor energía pierden su energía al ocupar las posiciones de los huecos con menor energía y esa energía perdida es la que se transforma en fotones, o sea, luz. En ocasiones se utilizan nanoestructuras semiconductoras inorgánicas embebidas dentro del material orgánico, con el objetivo de lograr características luminiscentes específicas.
Con el uso de una capa conductora transparente a la luz emitida, un ánodo transparente que habitualmente es un TCO (por sus siglas en inglés: óxido conductor transparente) y un sustrato de vidrio, también transparente a la luz visible y que actúa como soporte y protección, la luz emergerá por la superficie. Como sustrato también pueden utilizarse materiales orgánicos transparentes en forma de películas que son también mecánicamente resistentes. Si, además, en la capa emisora se hace un arreglo de varios materiales orgánicos adecuados que emiten en diferentes longitudes de onda se logra que un mismo dispositivo pueda emitir diferentes colores, puede obtenerse una combinación de ellos e incluso llegar a «emitir» color blanco
La sustitución de las cadenas laterales del esqueleto polimérico de carbono puede determinar el color de la luz emitida, entre otras propiedades. En la fabricación de los OLEDs se utilizan varias técnicas, pero la más usada, eficiente y barata es la llamada Inkjet Printing (semejante a las impresoras domésticas de chorro de tinta), que permite crear grandes pantallas de OLEDs con un sustrato común a todos. Las ventajas de los OLEDs respecto a los LEDs tradicionales de semiconductores inorgánicos, provienen de que aquellos son más delgados y flexibles, poseen más rango de colores, brillo y contraste, tienen mayores posibilidades de escalabilidad y consumen menos energía. No obstante, aún presentan desventajas debido a que sus tiempos de vida son menores, los procesos de fabricación aún son caros y son susceptibles de deteriorarse con el agua.
Los OLEDs hoy y mañana
Actualmente ya se comercializan los dispositivos OLEDs. Como pantallas ya tienen un presente, se visl
umbran con un futuro relevante, se espera que pronto inunden abrumadoramente la vida cotidiana y sean los dispositivos que registrarán mayor crecimiento en el mundo de la electrónica. Su uso en los equipos móviles hace innecesaria la iluminación de fondo de la pantalla (conocida como backlight), que consume bastante energía y así la carga de las baterías durará más en laptops, teléfonos celulares, cámaras digitales, PDAs y otros. En un futuro nada lejano, cuando sus costos disminuyan, se espera que puedan ser usados en la iluminación residencial y pública. Por ello es que grandes marcas desarrollan, comercializan y se posicionan en el mercado de los OLEDs.
El desarrollo de los OLEDs logrará que esos avances presentados en muchas películas futuristas de ciencia ficción pronto sean reales y cotidianos y que, por ejemplo, la televisión sea una pantalla tan delgada como un papel, que el techo sea todo lumínico aunque no hayan lámparas y que el periódico sea un dispositivo flexible y hasta enrollable que se actualice a voluntad por la red.
Fuente: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Energia/Energia47/HTML/Articulo11.htm
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