12 opkomende technologieën in de elektronica die onze toekomst zullen veranderen

Zoals de naam al doet vermoeden, zijn opkomende technologieën degenen waarvan de ontwikkeling en praktische toepassingen op grote schaal niet worden gerealiseerd. Ze vertegenwoordigen een vooruitstrevende ontwikkeling op verschillende gebieden, variërend van robotica en kunstmatige intelligentie tot cognitieve wetenschap en nanotechnologie.

Vooral de tak van de elektronica speelt een cruciale rol in signaalverwerking, informatieverwerking en telecommunicatie. Het behandelt elektrische circuits met componenten zoals sensoren, diodes, transistors en geïntegreerde schakelingen. In eenvoudige taal behandelt het complexe elektronische instrumenten en systemen zoals moderne laptops en smartphones.

Het eerste type transistor werd uitgevonden in 1947. Sindsdien hebben we een lange weg afgelegd. Alleen al de smartphone die u vandaag gebruikt, bevat meer dan een miljard transistors.

Dit is nog maar het begin. Veel revolutionaire apparaten moeten nog worden uitgevonden. Laten we eens kijken wat de toekomst ons kan brengen (op het gebied van elektronica).

12. Digitale geurtechnologie

Aroma shooter gepresenteerd op CEATEC 2016

Er is veel onderzoek gaande op het gebied van olfactorische technologie, die apparaten (of elektronische neuzen) in staat stelt om geurgestuurde media zoals audio, video en webpagina's waar te nemen, over te dragen en te ontvangen.

Het eerste geurverdrijvende systeem genaamd Smell-O-Vision werd eind jaren vijftig uitgevonden. Het was in staat om geur af te geven tijdens de projectie van een film om de ervaring van kijkers te verbeteren.

Sindsdien hebben veel onderzoeksfaciliteiten vergelijkbare apparaten bedacht. Een daarvan was iSmell, ontwikkeld in 1999. Het bestond uit een 128-geurenpatroon waaruit verschillende gemengde geuren konden worden geproduceerd. Vanwege bepaalde beperkingen is het product echter nooit commercieel gelanceerd.

Op CEATEC 2016 introduceerde een bedrijf een draagbaar geurapparaat dat kan worden bediend via smartphones en pc's. Er zijn nog veel hindernissen te overwinnen, waaronder de timing en distributie van geuren en de gezondheidsrisico's van synthetische geuren.

11. Thermische koperen pijlerstoot

Elektrische en thermische stoten geïntegreerd op één substraat 

De thermische koperen pilaarbult is een thermo-elektrisch apparaat van microformaat dat wordt gebruikt voor het verpakken van elektronica en opto-elektronica, zoals laserdiodes, optische halfgeleiderversterkers, CPU en GPU.

Nextreme Thermal Solutions heeft deze technologie ontwikkeld om actieve thermische beheerfunctionaliteit op chipniveau te integreren. De methode wordt nu gebruikt door techreuzen, waaronder Intel en Amkor, om microprocessors en andere geavanceerde chips op verschillende oppervlakken aan te sluiten.

Wanneer stroom door een printplaat gaat, trekt de thermische bult de warmte aan en brengt deze over naar de andere bult. Dit proces staat bekend als het Peltier-effect, en dit is hoe een thermische bult helpt bij het verminderen van de warmte van elektronische circuits.

Het fungeert als solid-state warmtepomp en voegt functionaliteit voor thermisch beheer toe aan het oppervlak van de chip. De thermische hobbels van vandaag zijn ongeveer 20 m hoog en 238 μm breed (diameter). De technologie van de volgende generatie zou de hoogte van thermische schokken terugbrengen tot 10 μm.

10. Molybdeendisulfide

Molybdeendisulfide (MoS2)

Molybdeendisulfide is een anorganische verbinding die vanwege zijn lage wrijving en robuustheid veel wordt gebruikt in de elektronica als droog smeermiddel. Net als silicium is het een diamagnetische, indirecte bandgap-halfgeleider met een bandgap van 1,23 eV.

Molybdeendisulfide is een gebruikelijk droog smeermiddel met deeltjesgroottes in het bereik van 1-100 micrometer. Het wordt vaak gebruikt bij de productie van efficiënte transistors, fotodetectoren, tweetaktmotoren en kruiskoppelingen.

In 2017 werd een tweedimensionaal molybdeendisulfide gebruikt om een ​​1-bit microprocessor met 115 transistors te bouwen. Het is ook gebruikt om 3-terminal memtransistors te maken. In de komende jaren kan deze verbinding de ruggengraat vormen van allerlei elektronische gadgets.

9. E-Textiel

Elektronisch textiel (of slimme kleding) zijn stoffen die zijn ingebed met digitale componenten en elektronica om toegevoegde waarde te bieden aan de drager. Er zijn veel andere toepassingen die afhankelijk zijn van de integratie van elektronica in stoffen, zoals technologieën voor interieurontwerp.

Dit type technologie wordt als revolutionair beschouwd omdat het verschillende dingen kan doen die conventionele stoffen niet kunnen, waaronder het geleiden van energie, communiceren, transformeren en groeien.

Toekomstige toepassingen voor slimme kleding kunnen worden ontwikkeld voor gezondheidsmonitoring, het volgen van soldaten en het monitoren van piloten. Persoonlijke en draagbare fysiologische monitoring, communicatie, verwarming en verlichting kunnen allemaal profiteren van deze technologie.

8. Spintronica

Spintronica (of spin-elektronica) verwijst naar de intrinsieke spin van het elektron en het bijbehorende magnetische moment in de vastestoffysica. Het is heel anders dan conventionele elektronica:naast de ladingstoestand worden elektronenspins gebruikt om de vrijheidsgraad te vergroten.

Spintronic-systemen kunnen worden gebruikt voor het efficiënt opslaan en overdragen van gegevens. Deze apparaten zijn van bijzonder belang op het gebied van neuromorphic computing en quantum computing.

De technologie wordt ook gebruikt in de medische wereld (om kanker te identificeren) en belooft grote beloften voor digitale elektronica.

7. Nano-elektromechanisch systeem

Elektronenmicrofoto van nano-elektromechanisch systeem vervaardigd in monokristallijn silicium | Credits:H.G. Craighead 

Het nano-elektromechanische systeem integreert elektronische elementen van nanoformaat met mechanische machines om fysieke en chemische sensoren te vormen. Ze vormen de logische volgende stap in de miniaturisering van zogenaamde micro-elektromechanische systemen.

Ze hebben ongelooflijke eigenschappen, die de weg vrijmaken voor verschillende toepassingen, variërend van ultrahoogfrequente resonatoren tot chemische en biologische sensoren. Hieronder volgen enkele cruciale kenmerken van nano-elektromechanische systemen -

• Fundamentele frequenties in het microgolfbereik
• Actieve massa in het femtogrambereik
• Massagevoeligheid tot attogram- en subattogramniveaus
• Gevoeligheid forceren op attonewton-niveau
• Stroomverbruik in de orde van 10 aw.
• Extreem hoog integratieniveau, tot een biljoen elementen per vierkante centimeter.

Lees:NEMS - Nano-elektromechanische systemen | Een eenvoudig overzicht

6. Moleculaire elektronica

Een illustratie van het apparaat met één molecuul

Zoals de naam al doet vermoeden, gebruikt moleculaire elektronica moleculen als de primaire bouwsteen voor elektronische schakelingen. Het is een interdisciplinair vakgebied dat materiaalwetenschap, scheikunde en natuurkunde omvat.

Met deze technologie kunnen veel kleinere elektronische schakelingen (op nanoschaal) worden ontwikkeld die nu mogelijk zijn met traditionele halfgeleiders zoals silicium. In dergelijke apparaten wordt de beweging van het elektron bepaald door de kwantummechanica.

Hoewel complete circuits die uitsluitend uit moleculaire elementen bestaan ​​nog lang niet gerealiseerd zijn, maken de groeiende vraag naar meer rekenkracht en de beperkingen van de huidige lithografische technieken de overgang onvermijdelijk.

Wetenschappers werken momenteel aan moleculen met intrigerende eigenschappen om reproduceerbare en betrouwbare contacten tussen de moleculaire segmenten en het bulkmateriaal van de elektroden te realiseren.

5. Elektronische neus

Een elektronische neus identificeert bepaalde componenten van een geur en analyseert de chemische samenstelling ervan. Het bevat een mechanisme voor chemische detectie, waaronder een reeks elektronische sensoren en kunstmatige intelligentiehulpmiddelen voor patroonherkenning.

Dergelijke apparaten bestaan ​​al meer dan twee decennia, maar waren doorgaans duur en omvangrijk. Onderzoekers proberen deze apparaten goedkoper, kleiner en gevoeliger te maken.

Elektronische neusinstrumenten worden gebruikt door onderzoeksfaciliteiten, productieafdelingen en kwaliteitscontrolelaboratoria voor verschillende doeleinden, zoals detectie van verontreiniging, bederf en vervalsing. Ze worden ook gebruikt bij medische diagnose en detectie van gaslekken en verontreinigende stoffen voor milieubescherming.

Lezen: meest krachtige biosensorsysteem gebouwd met koper en grafeenoxide

4. 3D Biometrie

Het gebruik van biometrische informatie neemt jaar na jaar toe, vooral op gebieden die verband houden met bankieren, forensisch onderzoek en openbare veiligheid. De meeste biometrische herkenning maakt gebruik van tweedimensionale afbeeldingen.

De afgelopen jaren zijn er echter enkele geavanceerde biometrische technieken ontwikkeld. Dit omvat technieken voor 3D-vingerafdruk, 3D-handpalmafdruk, 3D-oor en 3D-gezichtsherkenning.

Of het nu gaat om mens-computerinteractie of verbeterde beveiliging, er zal een brede toepassing zijn van robuuste biometrie.

3. Elektronische huid en tong

Een wijnproeverij elektronische tong | Krediet:Kenny McMahon / Washington State University

De rekbare, flexibele en zelfherstellende materialen die de kenmerken van een dierlijke of menselijke huid kunnen nabootsen, worden elektronische huid genoemd. Er is een breed scala aan materialen die reageren op veranderingen in druk en warmte en in staat zijn om informatie te meten via fysieke interactie.

Die materialen kunnen nieuwe deuren openen naar nuttige toepassingen, zoals protheses, zachte robotica, gezondheidsmonitoring en kunstmatige intelligentie. De toekomstige ontwerpen van nieuwe elektronische skins omvatten materialen met een hoge mechanische sterkte, een beter detectievermogen, recycleerbaarheid en zelfherstellende eigenschappen.

Een elektronische tong daarentegen meet en vergelijkt smaken. Het bevat meerdere sensoren; elk heeft een ander reactiespectrum, dat in staat is om organische en anorganische verbindingen te detecteren.

Elektronische tongen hebben toepassingen op verschillende gebieden, variërend van de voedingsmiddelen- en drankensector tot de farmaceutische industrie. Het wordt ook gebruikt om doelproducten te benchmarken en omgevingsparameters te bewaken.

Lees:14 onbekende toepassingen van nanotechnologie | Voordelen en toepassingen

2. Memristor

Het concept van memristors werd in 1971 geïntroduceerd door een Amerikaanse elektrotechnisch ingenieur Leon Chua. Hij leidde de mogelijkheid af van een extra niet-lineair circuitelement dat magnetische flux en lading met elkaar verbindt.

Elk elektronisch circuit is opgebouwd uit passieve componenten zoals inductoren, condensatoren en weerstanden. Er is een vierde component genaamd memristor - dit zijn halfgeleiders die worden gebruikt om opslagapparaten met een laag energieverbruik te maken.

Een memristor regelt de stroom in een circuit en onthoudt de hoeveelheid lading die er eerder doorheen is gestroomd. Memristors zijn niet-vluchtige componenten met een zeer hoge opslag en snelheid.

De patenten van Memristors omvatten toepassingen in signaalverwerking, hersen-computerinterfaces, herconfigureerbare computers, programmeerbare logica en neurale netwerken. In de toekomst kunnen deze apparaten worden toegepast om digitale logica uit te voeren met de implicatie in de plaats van de NAND-poort.

1. Flexibele weergave

Royole:superdun flexibel scherm | Afbeelding tegoed:Paul Sawers / VentureBeat

Veel fabrikanten van consumentenelektronica tonen interesse in flexibele displays:ze werken eraan om deze technologie toe te passen in smartphones en tablets.

OLED's op basis van een flexibel substraat (metaal, plastic of glas) zijn een van de meest veelbelovende elektronische visuele displays die kunnen worden gebogen. De metalen en glazen panelen die in flexibele OLED's worden gebruikt, zijn erg dun, licht, duurzaam en vrijwel onbreekbaar.

Op CES 2018 introduceerde LG het prototype van een 65-inch 4K OLED-scherm dat oprolbaar is. De tv rolt uit met een druk op de knop en wordt vervolgens uit het zicht teruggetrokken wanneer deze niet nodig is.

In september 2019 lanceerde Samsung een nieuwe opvouwbare smartphone die zowel als tablet als smartphone kan worden gebruikt.

Lees: 9 technologiewetten die de wereld hebben veranderd

De opvouwbare apparaten van de huidige generatie hebben veel gebreken en zijn te duur. De meeste van hen zijn proof-of-concept-apparaten voor early adopters in plaats van een apparaat dat geschikt is voor de massamarkt. Het is echter duidelijk dat flexibele displays evolueren naar iets heel anders, wat kan leiden tot verbazingwekkende ontwikkelingen in de technische industrie.