Organische versus siliciumsensoren

De Organic Photoconductive Film (OPF) technologie biedt verschillende voordelen ten opzichte van conventionele fotodiodesensoren met silicium in digitale camera’s, en pakt de belangrijkste beperkingen van op silicium gebaseerde systemen aan.

Panasonic en Fujifilm ontwikkelen een techniek die een 10 keer hogere verzadiging en een functionele global shutter sluitertechnologie bied door organische fotogeleidende film (Organic Photoconductive Film) kortweg OPF, te combineren met de standaard CMOS-beeldsensor techniek .

Spectrale gevoeligheid

• Voordeel van OPF
  OPF kan worden ontworpen om een breder en beter afstembaar spectraal gevoeligheidsbereik te hebben, inclusief ultraviolette (UV), zichtbare en nabij-infrarode (NIR) golflengten. Deze flexibiliteit komt voort uit het moleculaire ontwerp van organische materialen, waardoor hun absorptie-eigenschappen kunnen worden aangepast.
• Beperking van silicium
  Silicium fotodiodes hebben een vaste spectrale gevoeligheid, die voornamelijk reageert op zichtbaar licht en beperkt is in het UV en NIR bereik. Om de spectrale gevoeligheid te verbeteren zijn meestal extra lagen of filters nodig, wat het ontwerp ingewikkelder kan maken en de kosten kan verhogen.

Dunne en flexibele structuur

• Voordeel van OPF
  Organische films zijn van nature dun en kunnen worden afgezet op flexibele substraten. Dit vermindert de totale dikte van de sensor, waardoor OPF ideaal is voor compacte apparaten zoals smartphones en wearables. Bovendien maakt flexibiliteit nieuwe vormfactoren mogelijk, zoals gebogen sensoren die de efficiëntie van de lichtopvang verbeteren.
• Beperking van silicium
  Silicium fotodiodes zijn stijf en vereisen een substantiëlere drager, wat de ontwerpflexibiliteit beperkt en de omvang vergroot.

Verbeterd dynamisch bereik

• OPF-voordeel
  OPF-technologie kan een hoger dynamisch bereik bereiken dankzij de mogelijkheid om de responskenmerken van het organische materiaal te verfijnen. De film kan effectiever omgaan met scenario’s met zowel weinig als veel licht zonder te verzadigen.
• Beperking van silicium
  Silicium sensoren worstelen vaak met een beperkt dynamisch bereik. Licht van hoge intensiteit kan de sensor verzadigen, terwijl prestaties bij weinig licht extra versterking vereisen, wat ruis kan introduceren.

Betere prestaties bij weinig licht

• Voordeel van OPF
  De hoge fotogeleidingswinst van organische materialen kan leiden tot betere prestaties bij weinig licht. De intrinsieke gevoeligheid van OPF-materialen maakt effectieve ladinggeneratie en -overdracht mogelijk, zelfs bij weinig licht.
• Beperking van silicium
  Silicium sensoren vertrouwen sterk op pixelgrootte en versterking om de gevoeligheid bij weinig licht te verbeteren, wat nadelige gevolgen kan hebben zoals meer ruis of een lagere resolutie.

Verminderde overspraak

• Voordeel van OPF
  OPF-sensoren kunnen de foto-elektrische conversielaag scheiden van de signaalverwerkingslaag. Deze ontkoppeling vermindert de optische en elektronische overspraak tussen pixels, wat leidt tot scherpere beelden en een betere kleurweergave.
• Beperking van silicium
  In silicium fotodiodes vindt de foto-elektrische conversie en signaalverwerking plaats in dezelfde laag, wat leidt tot mogelijke overspraak die de beeldkwaliteit vermindert.

Eenvoud en kosten bij fabricage

• Voordeel van OPF
  OPF-technologie gebruikt organische materialen die kunnen worden afgezet via eenvoudigere en mogelijk goedkopere methoden zoals spincoaten of printen. Dit vermindert de complexiteit van de productie in vergelijking met silicium, dat zeer nauwkeurige lithografie en etsen vereist.
• Beperking van silicium
  De productie van silicium fotodiodes gaat gepaard met duurdere en resource-intensieve processen, wat de kosten opdrijft.

Aanpasbaar ontwerp

• Voordeel van OPF
  De moleculaire structuur van organische materialen kan worden aangepast aan specifieke eisen, zoals gevoeligheid voor bepaalde golflengten, snellere reactietijden of verbeterde duurzaamheid tegen omgevingsfactoren.
• Beperking van silicium
  Silicium sensoren hebben beperkte mogelijkheden voor dergelijke aanpassingen zonder significante wijzigingen in het productieproces.

Uitdagingen van OPF-sensoren

Hoewel de OPF-technologie aanzienlijke voordelen biedt, heeft ze ook te maken met een aantal uitdagingen die actief worden aangepakt:

• Stabiliteit
  Organische materialen kunnen afbreken bij langdurige blootstelling aan licht en zuurstof. Beschermende coatings en inkapseling zijn nodig om de levensduur te verbeteren.
• Ladingsmobiliteit
  Organische materialen hebben over het algemeen een lagere mobiliteit van ladingsdragers in vergelijking met silicium, wat de snelheid en efficiëntie kan beïnvloeden.
• Integratie
  Het aanpassen van OPF aan bestaande CMOS-technologie vereist innovatie om compatibiliteit te garanderen zonder de complexiteit van het systeem te vergroten.

Conclusie

Organische fotogeleidende filmsensoren zijn een veelbelovende verbetering ten opzichte van conventionele silicium fotodiodes in digitale camera’s. Ze blinken uit in spectrale gevoeligheid, dynamisch bereik, prestaties bij weinig licht en prestaties bij weinig licht. Ze blinken uit in spectrale gevoeligheid, dynamisch bereik, prestaties bij weinig licht en flexibiliteit, waardoor dunnere, lichtere en veelzijdigere beeldvormende apparaten mogelijk worden. Hoewel er nog enkele technische uitdagingen zijn, verbeteren voortdurend onderzoek en ontwikkeling snel de bruikbaarheid en toepassing van OPF in de beeldverwerkingsindustrie.

Dus ren nog niet naar de winkel om een Panasonic of Fujifilm camera te kopen waar deze Organische fotogeleidende filmsensoren in zijn verwerkt. De aankondiging is van 2013 en het laatste persbericht op de website van Panasonic stamt van 2018. Kennelijk heeft de ontwikkeling van de Organische fotogeleidende filmsensor te maken met grotere tegenslagen dan verwacht. Maar zo gaat dat soms in de wetenschap en techniek.

---

Organische fotogeleidende film (OPF) is een gespecialiseerd materiaal dat fotogeleidend is, wat betekent dat de elektrische geleidbaarheid toeneemt bij blootstelling aan licht. Het is samengesteld uit organische verbindingen, meestal kleine moleculen of polymeren, die licht kunnen absorberen en ladingsdragers (elektronen en gaten) kunnen genereren. OPF’s worden veel gebruikt in opto-elektronische toepassingen vanwege hun unieke eigenschappen.

Belangrijkste kenmerken van OPF:

• Fotogeleidbaarheid:
  OPF’s genereren elektrische ladingen wanneer ze verlicht worden, waardoor ze ideaal zijn voor apparaten die afhankelijk zijn van lichtdetectie of -omzetting.
• Flexibiliteit:
  Omdat ze organisch zijn, zijn deze films vaak licht en flexibel, geschikt voor gebruik in flexibele elektronica.
• Afstembaarheid:
  De eigenschappen van OPF’s, zoals spectrale respons en geleidbaarheid, kunnen worden aangepast door de chemische structuur van de organische verbindingen te wijzigen.
• Kosteneffectief:
  Organische materialen zijn over het algemeen goedkoper om te produceren en te verwerken dan anorganische tegenhangers.

Veelvoorkomende toepassingen:

• Fotoreceptoren in printers en kopieerapparaten:
  OPF’s worden veel gebruikt in elektrofotografische processen, waar ze fungeren als lichtgevoelige laag.
• Zonnecellen:
  OPF’s kunnen worden gebruikt in organische fotovoltaïsche cellen om zonlicht om te zetten in elektriciteit.
• Fotodetectoren:
  Ze worden gebruikt in apparaten die licht detecteren, zoals sensoren en beeldvormingssystemen.
• Lichtgevende diodes (OLED’s):
  OPF’s spelen een rol in bepaalde configuraties van organische lichtgevende diodes.

Hoe het werkt:

Wanneer licht de OPF raakt, worden fotonen geabsorbeerd door de organische moleculen, waardoor elektronen van de valentieband naar de geleidingsband worden geprikkeld. Dit proces creëert vrije ladingsdragers die vervolgens onder een elektrisch veld kunnen bewegen, wat resulteert in elektrische geleiding. De efficiëntie van dit proces hangt af van het vermogen van het materiaal om deze ladingen effectief te genereren, te scheiden en te transporteren.

Voordelen ten opzichte van anorganische materialen:

• Lagere verwerkingstemperaturen.
• Milieuvriendelijkere productieprocessen.
• Potentieel voor de fabricage van grote en flexibele apparaten.

OPF’s zijn een essentieel onderdeel van het groeiende gebied van organische elektronica en dragen bij aan de vooruitgang in duurzame en innovatieve technologieën.