Opis projektu

Źródła zasilania dla przezroczystej elektroniki

Przezroczysta elektronika to nowa dziedzina technologii wykorzystująca półprzewodniki szerokoprzerwowe do tworzenia funkcjonalnych obwodów elektronicznych niewidzialnych dla nieuzbrojonego oka. Aktualnie na świecie prowadzone są zaawansowane projekty w tej dziedzinie finansowane przez wiodące koncerny elektroniczne. W szczególności w 2012 roku na targach elektroniki użytkowej CES (Consumer Electronics Show) w Las Vegas Samsung zaprezentował prototyp inteligentnego okna – wyświetlacza połączonego z ekranem dotykowym o regulowanym poziomie przezroczystości. Zainteresowanie największych firm wiąże się z prognozami silnego wzrostu wartości segmentu przezroczystych wyświetlaczy – do 80 mld USD w ciągu najbliższych 10 lat.

Zgodnie z planami opracowywanymi przez takie firmy, jak Peugeot czy Google, w niedalekiej przyszłości przezroczyste przyrządy elektroniczne będą towarzyszyły ludziom na co dzień (por. rys. 1). Na obecnym etapie urządzenia tego typu pozostają w fazie projektu albo prototypów wykorzystujących projekcję obrazu z mikro-rzutników na przezroczysty ekran. Docelowym rozwiązaniem jest jednak opracowanie ekranu zdolnego do samodzielnego wyświetlania danych, o dowolnie regulowanym stopniu przezroczystości. Ponadto planowane jest wprowadzenie przezroczystej elektroniki w przyjaznych dla społeczeństwa miniaturowych urządzeniach mobilnych do zastosowań medycznych. W takich urządzeniach istotną rolę obok przezroczystości będą odgrywały małe rozmiary, niska waga i niewielkie koszty.

Rys. 1. Przykłady urządzeń wykorzystujących „przezroczystą elektronikę”. Od lewej: wyświetlacz samochodowy, projekt przezroczystego tabletu wykorzystującego rozszerzoną rzeczywistość, okulary z wyświetlaczem danych połączone z Internetem. Źródła: Peugeot, Mac Funamizu, Google.

W obecnej fazie badań nad materiałami i rozwiązaniami dla przezroczystej elektroniki najbardziej zaawansowane prace dotyczą przezroczystych diod elektroluminescencyjnych [2-4], przezroczystych tranzystorów polowych opartych na tlenku indowo-galowo-cynkowym [5-7] czy przezroczystych elektrod opartych na tlenku indowo-cynowym i tlenku cynku [8-10]. Jak do tej pory nie ma satysfakcjonujących rozwiązań w zakresie przezroczystych źródeł zasilania.

W ogólności źródła zasilania dzielą się na trzy główne klasy: baterie, konwencjonalne kondensatory i superkondensatory (zwane też czasami ultrakondensatorami czy kondensatorami elektrochemicznymi). Ich parametry użytkowe można przedstawić w przestrzeni gęstości energii i gęstości mocy. Baterie charakteryzują się wysoką gęstością energii na kilogram (rzędu kilkuset Wh/kg) przy relatywnie niskiej gęstości mocy co wiąże się z długim czasem ładowania i rozładowywania baterii (por rys. 2). Na drugim biegunie znajdują się konwencjonalne kondensatory elektrolityczne charakteryzujące się wysoką gęstością mocy i bardzo niską gęstością energii (<0,1 Wh/kg). Superkondensatory łączą w sobie wysoką gęstość mocy (wysoką szybkość ładowania i rozładowywania) z relatywnie wysoką gęstością energii.

 

Rys. 2. Schematyczne przedstawienie ogniw paliwowych („Li-primary”), ogniw galwanicznych (ołowianych, niklowo – metalo-hybrydowych, litowo-jonowych), superkondensatorów („electrochemical capacitors”) i kondensatorów konwencjonalnych („capacitors”) w przestrzeni gęstość energii x gęstość mocy. Źródło: [11]

Już dziś superkondensatory stosowane są w przemyśle ciężkim w rozrusznikach silników diesla czy w układach odzyskiwania energii kinetycznej podczas hamowania pojazdów. Wobec burzliwego rozwoju rynku multimediów, wraz z rozwojem elektroniki osobistej konieczne stanie się także powszechne stosowanie ich w przemyśle elektronicznym. Obecnie w urządzeniach elektronicznych głównymi źródłami zasilania są baterie litowo-jonowe. Nie pracują one jednak wydajnie w przypadku stosowania dużych obciążeń impulsowych, np. przy pakietowej komunikacji bezprzewodowej czy zapisywaniu danych na karty pamięci. Wówczas korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie baterii jako głównego źródłem zasilania z którego podtrzymywane są obciążenia statyczne oraz superkondensatorów obsługujących obciążenia impulsowe, które są ładowane z baterii. Trend ten znajduje odzwierciedlenie w prognozach, według których wraz ze stopniem złożoności elektroniki konsumenckiej i rozwojem nanotechnologii wzrastać będzie rola superkondensatorów w tym segmencie przyrządów a sam rynek baterii i superkondensatorów dla elektroniki konsumenckiej osiągnie wartość 86 miliardów USD do roku 2023 [12]. Zasadne zatem jest prowadzenie prac badawczych nad superkondensatorami dla przezroczystej elektroniki mobilnej i małogabarytowej. 

 

Bibliografia

1. Displaybank, “Transparent Display Technology and Market Forecast” (2011)
2. S. Lee i in., phys. stat. solidi (a) 209 (2012) 698-701
3. C.S. Choi i in., Adv. Opt. Mater. 1 (2013) 686
4. W. Gaynor i in., Adv. Mater 25 (2013) 4060
5. Y. Yamauchi i in., Jpn. J. Appl. Phys. 52 (2013) 094101
6. H. Hosono i in., J. Non-Cryst. Solids 354 (2008) 2796-2800
7. IdTechEx, “Metal Oxide TFT Backplanes for Displays 2013-2018: Analysis, Trends, Forecasts” (2013)
8. J.H. Lee i in., Optics Letters 38 (2013) 5055-5058
9. L. Zhou i in., J. Phys. D: Appl. Phys. 45 (2012) 505103
10. L. Luo i in., Chem. Mater. 25 (2013) 4901-4907
11. P. Simon i in., Nature Mat. 7 (2008) 845-854
12. IDTechEx, “Batteries & Supercapacitors in Consumer Electronics 2013-2023: Forecasts, Opportunities, Innovation” (2013)

Powrót