12 breekbare elektronicatechnologieën die de toekomst zullen transformeren

Zoals de naam al doet vermoeden, zijn opkomende technologieën diegenen wier ontwikkeling en praktische toepassingen nog grotendeels onbereikt zijn. Ze vertegenwoordigen progressieve ontwikkeling in diverse velden, variërend van robotica en kunstmatige intelligentie tot cognitieve wetenschap en nanotechnologie.

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

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

Dit is slechts het begin. Veel revolutionaire apparaten moeten nog uitgevonden worden. Laten we ontdekken wat de toekomst ons kan brengen op het gebied van de elektronica.

12. Digitale geurtechnologie

Aroma-shooter gepresenteerd op CEATEC 2016

Er wordt veel onderzoek gedaan op het gebied van olfactorische technologie, waarmee apparaten (of elektronische neuzen) in staat zijn om geurgeactiveerde media zoals audio, video en webpagina's te detecteren, over te dragen en te ontvangen.

Het eerste geuremittend systeem, Smell-O-Vision, werd in de late jaren '50 uitgevonden. Het was in staat om tijdens de projectie van een film geur af te geven om de beleving van kijkers te verbeteren.

Sindsdien hebben veel onderzoeksfaciliteiten vergelijkbare apparaten ontwikkeld. Een van hen was iSmell, ontwikkeld in 1999. Het bestond uit een cartridge met 128 geuren waaruit verschillende gemengde geuren geproduceerd konden worden. Vanwege bepaalde beperkingen werd het product echter nooit commercieel gelanceerd.

Op CEATEC 2016 introduceerde een bedrijf een draagbaar geurapparaat dat via smartphones en pc's bestuurd kan worden. Het heeft nog steeds veel obstakels te overwinnen, waaronder de timing en verdeling van geuren en de gezondheidsrisico's van synthetische geuren.

11. Thermische koperen pilaar-bump

Elektrische en thermische bumps geïntegreerd op een enkele substrate

De thermische koperen pilaar-bump is een microformaat thermo-elektrisch apparaat dat gebruikt wordt voor de verpakking van elektronica en opto-elektronica, zoals laserdiodes, semiconductor-optische versterkers, CPU's en GPU's.

Nextreme Thermal Solutions ontwikkelde deze technologie om actieve thermische managementfunctionaliteit op chiplniveau te integreren. De methode wordt nu gebruikt door tech-reuzen zoals Intel en Amkor om microprocessors en andere geavanceerde chips met diverse oppervlakken te verbinden.

Wanneer stroom door een printplaat loopt, trekt de thermische bump de warmte en overdraagt deze aan de andere bump. Dit proces heet het Peltier-effect, en zo helpt een thermische bump bij het verminderen van warmte uit elektronische schakelingen.

Het fungeert als vaste-stof warmtepompen en voegt thermische managementfunctionaliteit toe aan het oppervlak van de chip. Hedendaagse thermische bumps zijn ongeveer 20 μm hoog en 238 μm breed (diameter). De volgende generatietechnologie zou de hoogte van thermische bumps naar 10 μm kunnen brengen.

10. Molybdeen-disulphide

Molybdeen-disulphide (MoS2)

Molybdeen-disulphide is an anorganische verbinding die wijd wordt gebruikt in de elektronica als droge smeermiddel vanwege de lage wrijving en robuustheid. Net als silicium is het een diamagnetische, indirecte bandgat-halfgeleider met een bandgat van 1,23 eV.

Molybdeen-disulphide is een veelvoorkomend droog smeermiddel met deeltjesgroottes in het bereik van 1-100 micrometer. Het wordt vaak gebruikt in de productie van efficiënte transistors, fotodetectors, tweetaaksmotoren en homokinetische koppelingen.

In 2017 werd tweedimensionaal molybdeen-disulphide gebruikt om een 1-bit microprocessor met 115 transistors te bouwen. Het is ook gebruikt om 3-terminal memtransistors te creëren. In de komende jaren zou deze verbinding de ruggengraat kunnen worden van allerlei elektronische gadgets.

9. E-textiel

Elektronische textiel (of slimme kleding) zijn stoffen voorzien van digitale componenten en elektronica om de drager meerwaarde te bieden. Er zijn veel andere toepassingen die vertrouwen op de integratie van elektronica in stoffen, zoals interieurontwerptechnologieën.

Deze technologie wordt als revolutionair beschouwd omdat het de mogelijkheid heeft om zaken te doen die conventionele stoffen niet kunnen, waaronder energie geleiden, communiceren, transformeren en groeien.

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

8. Spintronica

Spintronica (of spinelektronica) verwijst naar de intrinsieke spin van het elektron en het daarbij horende magnetische moment in de vaste-stof fysica. Het verschilt fundamenteel van conventionele elektronica: naast de laadtoestand worden elektronspins gebruikt om de vrijheidsgraad te vergroten.

Spintronische systemen kunnen efficiënt worden gebruikt voor het opslaan en overdragen van data. Deze apparaten zijn van bijzonder belang in het veld van neuromorfe computing en kwantumcomputing.

De technologie wordt ook in het medische veld gebruikt (om kanker te identificeren) en biedt grote beloften voor digitale elektronica.

7. Nano-elektromechanisch systeem

Elektronenmicrograaf van nano-elektromechanisch systeem gefabriceerd in einkristallijn silicium | Credit: H. G. Craighead

Het nano-elektromechanisch systeem integreert nanoformaat elektronische elementen met mechanische machines om fysieke en chemische sensoren te vormen. Ze vormen de logische volgende miniaturiseringsstap van de zogenoemde micro-elektromechanische systemen.

Ze hebben ongelooflijke eigenschappen, die de weg banen voor diverse toepassingen, variërend van ultrahoogfrequente resonators tot chemische en biologische sensoren. Hier zijn enkele cruciale attributen van nano-elektromechanische systemen:

• Fundamentele frequenties in het microgolfbereik
• Actieve massa in het femtogrambereik
• Massagevoeligheid tot attogram en sub-attogram niveaus
• Krachtgevoeligheid op attonewton niveau
• Energieverbruik in de orde van 10 aW.
• Extreme hoge integratieniveau, bereikt één biljoen elementen per vierkante centimeter.

Lees: NEMS – Nano-Elektro-Mechanische Systemen | Een Eenvoudig Overzicht

6. Moleculaire elektronica

Een illustratie van het enkelvoudige molecuulapparaat

Zoals de naam suggereert, gebruikt moleculaire elektronica moleculen als primaire bouwsteen voor elektronische schakelingen. Het is een interdisciplinair veld dat materiaalwetenschap, scheikunde en fysica omspant.

Deze technologie zal de ontwikkeling van veel kleinere elektronische schakelingen (op nanoschaal) mogelijk maken dan momenteel mogelijk is met traditionele halfgeleiders zoals silicium. In dergelijke apparaten wordt de beweging van het elektron bepaald door kwantummechanica.

Hoewel volledige schakelingen die uitsluitend uit moleculaire elementen bestaan nog ver verwijderd zijn van realisatie, maakt 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 te bereiken tussen de moleculaire segmenten en het bulkmateriaal van de elektroden.

5. Elektronische neus

Een elektronische neus identificeert bepaalde componenten van een geur en analyseert de chemische samenstelling. Het bevat een mechanisme voor chemische detectie, inclusief een array van elektronische sensoren en kunstmatige intelligentie-tools voor patroonherkenning.

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

Elektronische neus-instrumenten worden gebruikt door onderzoeksfaciliteiten, productieafdelingen en kwaliteitscontrolelaboratoria voor diverse doeleinden, zoals detectie van besmetting, bederf en vervalsing. Ze worden ook gebruikt in medische diagnostiek en detectie van gaslekken en verontreinigingen voor milieubescherming.

Lees: Krachtigste Biosensorsysteem Gebouwd met Koper en Grafietoxide

4. 3D-biometrie

Het gebruik van biometrische informatie neemt jaarlijks toe, met name in velden gerelateerd aan bankwezen, forensiek en openbare veiligheid. De meeste biometrische herkenning gebruikt tweedimensionale afbeeldingen.

Echter, in de afgelopen jaren zijn een paar geavanceerde biometrische technieken ontwikkeld. Dit omvat 3D-vingerafdruk, 3D-handpalmafdruk, 3D-oor en 3D-gezichtsherkenningstechnieken.

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 wijnproeverende elektronische tong | Credit: Kenny McMahon / Washington State University

De rekbare, flexibele en zelfhelende materialen die de kenmerken van een dier of menselijke huid kunnen nabootsen, heten elektronische huid. 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 voor nuttige toepassingen, zoals prothesen, zachte robotica, gezondheidsmonitoring en kunstmatige intelligentie. Toekomstige ontwerpen van nieuwe elektronische huden zouden materialen met hoge mechanische sterkte, betere sensorische capaciteiten, herbruikbaarheid en zelfhelende eigenschappen omvatten.

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

Elektronische tongen hebben toepassingen in diverse velden, variërend van de voedings- en drankenindustrie tot de farmaceutische industrie. Het wordt ook gebruikt om doeltekenproducten te benchmarken en omgevingsparameters te monitoren.

Lees: 14 Onbekende Toepassingen van Nanotechnologie | Voordelen en Toepassingen

2. Memristor

Het concept van memristoren werd in 1971 geïntroduceerd door de Amerikaanse elektrotechnicus Leon Chua. Hij afleidde de mogelijkheid van een additioneel niet-lineair schakelingselement dat magnetische flux en lading koppelt.

Elke elektronische schakeling bestaat uit passieve componenten zoals spoelen, condensatoren en weerstanden. Er is een vierde component genaamd memristor – dit zijn halfgeleiders gebruikt om laag-verbruikende opslagapparaten te creëren.

Een memristor regelt de stroom in een schakeling terwijl hij onthoudt hoeveel lading er eerder doorheen is gevloeid. Memristoren zijn niet-vlatile componenten die een zeer hoge opslagcapaciteit en snelheid hebben.

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

1. Flexibel display

Royole: Superdun flexibel display | Afbeeldingscredit: Paul Sawers / VentureBeat

Veel consumentenelektronicafabrikanten tonen interesse in flexibele displays: ze werken aan de toepassing van deze technologie in smartphones en tablets.

OLEDs op basis van een flexibele substrate (zij het metaal, plastic of glas) zijn een van de meest veelbelovende elektronische visuele displays die gebogen kunnen worden. De metaal- en glaspaneels die in flexibele OLEDs worden gebruikt, zijn erg dun, licht, duurzaam en praktisch onbreekbaar.

Op CES 2018 introduceerde LG het prototype van een 65-inch 4K OLED-display dat opgerold kan worden. De TV rolt uit bij de druk op een knop en trekt zich terug uit het zicht wanneer niet nodig.

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

Lees: 9 Wetten van Technologie die de Wereld Veranderden

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