12 neue Technologien in der Elektronik, die unsere Zukunft verändern werden

Wie der Name schon sagt, sind aufstrebende Technologien diejenigen, deren Entwicklung und praktische Anwendung weitestgehend nicht realisiert sind. Sie repräsentieren die fortschreitende Entwicklung in verschiedenen Bereichen, von Robotik und künstlicher Intelligenz bis hin zu Kognitionswissenschaft und Nanotechnologie.

Insbesondere die Elektronikbranche spielt in der Signalverarbeitung, Informationsverarbeitung und Telekommunikation eine entscheidende Rolle. Es befasst sich mit elektrischen Schaltungen, die Komponenten wie Sensoren, Dioden, Transistoren und integrierte Schaltungen umfassen. In einfacher Sprache behandelt es komplexe elektronische Instrumente und Systeme wie moderne Laptops und Smartphones.

Der erste Transistortyp wurde 1947 erfunden. Seitdem haben wir einen langen Weg zurückgelegt. Allein das Smartphone, das Sie heute verwenden, enthält mehr als eine Milliarde Transistoren.

Dies ist nur der Anfang. Viele revolutionäre Geräte müssen noch erfunden werden. Lassen Sie uns herausfinden, was uns die Zukunft bringen könnte (im Bereich der Elektronik).

12. Digitale Dufttechnologie

Aroma-Shooter auf der CEATEC 2016 vorgestellt

Im Bereich der olfaktorischen Technologie wurde viel geforscht, die es Geräten (oder elektronischen Nasen) ermöglicht, geruchsunterstützte Medien wie Audio, Video und Webseiten wahrzunehmen, zu übertragen und zu empfangen.

Ende der 1950er Jahre wurde das erste geruchslösende System namens Smell-O-Vision erfunden. Es war in der Lage, während der Projektion eines Films Gerüche abzugeben, um das Erlebnis der Zuschauer zu verbessern.

Seitdem haben viele Forschungseinrichtungen ähnliche Geräte entwickelt. Eine davon war iSmell, entwickelt im Jahr 1999. Sie bestand aus einer 128-er Duftkartusche, aus der verschiedene Mischgerüche hergestellt werden konnten. Aufgrund bestimmter Einschränkungen wurde das Produkt jedoch nie kommerziell eingeführt.

Auf der CEATEC 2016 stellte ein Unternehmen ein tragbares Duftgerät vor, das über Smartphones und PCs gesteuert werden kann. Es sind noch viele Hürden zu nehmen, darunter das Timing und die Verteilung von Düften und die Gesundheitsrisiken synthetischer Gerüche.

11. Thermischer Kupfersäulenstoß

Elektrische und thermische Bumps auf einem einzigen Substrat integriert 

Der Thermal Copper Pillar Bump ist ein thermoelektrisches Gerät in Mikrogröße, das für die Verpackung von Elektronik und Optoelektronik wie Laserdioden, optischen Halbleiterverstärkern, CPUs und GPUs verwendet wird.

Nextreme Thermal Solutions hat diese Technologie entwickelt, um aktive Wärmemanagementfunktionen auf Chipebene zu integrieren. Die Methode wird jetzt von Technologiegiganten wie Intel und Amkor verwendet, um Mikroprozessoren und andere fortschrittliche Chips mit verschiedenen Oberflächen zu verbinden.

Wenn Strom durch eine Leiterplatte fließt, zieht der thermische Höcker die Wärme und überträgt sie auf den anderen Höcker. Dieser Vorgang ist als Peltier-Effekt bekannt, und so hilft ein thermischer Bump, die Wärme von elektronischen Schaltungen zu reduzieren.

Es fungiert als Festkörperwärmepumpe und fügt der Chipoberfläche eine Wärmemanagementfunktion hinzu. Die heutigen Thermal Bumps sind etwa 20 µm hoch und 238 µm breit (Durchmesser). Die Technologie der nächsten Generation würde die Höhe der thermischen Bumps auf 10 μm senken.

10. Molybdändisulfid

Molybdändisulfid (MoS2)

Molybdändisulfid ist eine anorganische Verbindung, die aufgrund ihrer geringen Reibung und Robustheit in der Elektronik als Trockenschmierstoff weit verbreitet ist. Wie Silizium ist es ein diamagnetischer Halbleiter mit indirekter Bandlücke mit einer Bandlücke von 1,23 eV.

Molybdändisulfid ist ein üblicher Trockenschmierstoff mit Partikelgrößen im Bereich von 1-100 Mikrometer. Es wird häufig bei der Herstellung von effizienten Transistoren, Fotodetektoren, Zweitaktmotoren und Kreuzgelenken verwendet.

Im Jahr 2017 wurde ein zweidimensionales Molybdändisulfid verwendet, um einen 1-Bit-Mikroprozessor mit 115 Transistoren zu bauen. Es wurde auch verwendet, um Memtransistoren mit 3 Anschlüssen zu erstellen. In den kommenden Jahren könnte diese Verbindung das Rückgrat aller Arten elektronischer Geräte sein.

9. E-Textilien

Elektronische Textilien (oder Smart Clothing) sind Stoffe, die mit digitalen Komponenten und Elektronik eingebettet sind, um dem Träger einen Mehrwert zu bieten. Es gibt viele andere Anwendungen, die auf der Integration von Elektronik in Stoffe beruhen, wie beispielsweise Innenarchitekturtechnologien.

Diese Art von Technologie gilt als revolutionär, da sie mehrere Dinge tun kann, die herkömmliche Stoffe nicht können, darunter Energie leiten, kommunizieren, transformieren und wachsen.

Zukünftige Anwendungen für intelligente Kleidung könnten für die Gesundheitsüberwachung, die Verfolgung von Soldaten und die Überwachung von Piloten entwickelt werden. Persönliche und tragbare physiologische Überwachung, Kommunikation, Heizung und Beleuchtung können alle von dieser Technologie profitieren.

8. Spintronik

Spintronik (oder Spinelektronik) bezieht sich auf den intrinsischen Spin des Elektrons und sein zugehöriges magnetisches Moment in der Festkörperphysik. Sie unterscheidet sich stark von konventioneller Elektronik:Neben dem Ladungszustand werden Elektronenspins genutzt, um den Freiheitsgrad zu erhöhen.

Spintronic-Systeme können zum effizienten Speichern und Übertragen von Daten verwendet werden. Diese Geräte sind von besonderem Interesse im Bereich neuromorpher Computer und Quantencomputer.

Die Technologie wird auch im medizinischen Bereich (zur Erkennung von Krebs) eingesetzt und verspricht viel versprechend für die digitale Elektronik.

7. Nanoelektromechanisches System

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines nanoelektromechanischen Systems aus einkristallinem Silizium | Bildnachweis:H. G. Craighead 

Das nanoelektromechanische System integriert elektronische Elemente in Nanogröße mit mechanischen Maschinen, um physikalische und chemische Sensoren zu bilden. Sie bilden den logischen nächsten Miniaturisierungsschritt sogenannter mikroelektromechanischer Systeme.

Sie verfügen über unglaubliche Eigenschaften, die den Weg für verschiedene Anwendungen ebnen, die von Ultrahochfrequenz-Resonatoren bis hin zu chemischen und biologischen Sensoren reichen. Im Folgenden sind die wenigen entscheidenden Eigenschaften nanoelektromechanischer Systeme aufgeführt –

• Grundfrequenzen im Mikrowellenbereich
• Aktive Masse im Femtogrammbereich
• Massenempfindlichkeit bis auf Attogramm- und Subattogramm-Ebene
• Kraftempfindlichkeit auf Attonewton-Ebene
• Leistungsaufnahme in der Größenordnung von 10 aw.
• Extrem hoher Integrationsgrad, der eine Billion Elemente pro Quadratzentimeter erreicht.

Lesen Sie: NEMS – Nanoelektromechanische Systeme | Ein einfacher Überblick

6. Molekulare Elektronik

Eine Illustration des Einzelmolekül-Geräts

Wie der Name schon sagt, verwendet die molekulare Elektronik Moleküle als Hauptbaustein für elektronische Schaltkreise. Es ist ein interdisziplinäres Gebiet, das Materialwissenschaften, Chemie und Physik umfasst.

Diese Technologie wird die Entwicklung viel kleinerer elektronischer Schaltungen (im Nanobereich) ermöglichen, die derzeit mit herkömmlichen Halbleitern wie Silizium möglich ist. In solchen Geräten wird die Bewegung des Elektrons durch die Quantenmechanik bestimmt.

Obwohl ganze Schaltungen, die ausschließlich aus Elementen molekularer Größe bestehen, noch weit davon entfernt sind, realisiert zu werden, lassen die wachsende Nachfrage nach mehr Rechenleistung und die Einschränkungen heutiger lithografischer Techniken den Übergang unvermeidlich erscheinen.

Wissenschaftler arbeiten derzeit an Molekülen mit faszinierenden Eigenschaften, um reproduzierbare und zuverlässige Kontakte zwischen den Molekülsegmenten und dem Massenmaterial der Elektroden zu erreichen.

5. Elektronische Nase

Eine elektronische Nase identifiziert bestimmte Bestandteile eines Geruchs und analysiert seine chemische Zusammensetzung. Es enthält einen Mechanismus zur chemischen Erkennung, einschließlich einer Reihe elektronischer Sensoren und Werkzeuge der künstlichen Intelligenz zur Mustererkennung.

Solche Vorrichtungen gibt es seit mehr als zwei Jahrzehnten, sie waren jedoch typischerweise teuer und sperrig. Forscher versuchen, diese Geräte kostengünstiger, kleiner und empfindlicher zu machen.

Elektronische Naseninstrumente werden von Forschungseinrichtungen, Produktionsabteilungen und Qualitätskontrolllabors für verschiedene Zwecke verwendet, wie zum Beispiel zur Erkennung von Kontamination, Verderb und Verfälschung. Sie werden auch in der medizinischen Diagnose und Detektion von Gaslecks und Schadstoffen für den Umweltschutz eingesetzt.

Lesen Sie: Leistungsstärkstes Biosensorsystem mit Kupfer und Graphenoxid

4. 3D-Biometrie

Die Verwendung biometrischer Informationen nimmt von Jahr zu Jahr zu, insbesondere in den Bereichen Bankwesen, Forensik und öffentliche Sicherheit. Die meisten biometrischen Erkennungen verwenden zweidimensionale Bilder.

In den letzten Jahren wurden jedoch einige fortgeschrittene biometrische Techniken entwickelt. Dazu gehören 3D-Fingerabdruck, 3D-Handabdruck, 3D-Ohr und 3D-Gesichtserkennungstechniken.

Sei es zum Zweck der Mensch-Computer-Interaktion oder zur Erhöhung der Sicherheit, robuste Biometrie wird eine breite Anwendung finden.

3. Elektronische Haut und Zunge

Eine elektronische Zunge zur Weinprobe | Bildnachweis:Kenny McMahon / Washington State University

Die dehnbaren, flexiblen und selbstheilenden Materialien, die die Merkmale einer tierischen oder menschlichen Haut nachahmen können, werden als elektronische Haut bezeichnet. Es gibt eine Vielzahl von Materialien, die auf Druck- und Wärmeänderungen reagieren und in der Lage sind, Informationen über physikalische Wechselwirkung zu messen.

Diese Materialien könnten neue Türen für nützliche Anwendungen wie Prothetik, Softrobotik, Gesundheitsüberwachung und künstliche Intelligenz öffnen. Die zukünftigen Designs neuer elektronischer Skins würden Materialien mit hoher mechanischer Festigkeit, besserer Erfassungsfähigkeit, Recyclingfähigkeit und selbstheilenden Eigenschaften umfassen.

Eine elektronische Zunge hingegen misst und vergleicht Geschmäcker. Es enthält mehrere Sensoren; jeder hat ein anderes Reaktionsspektrum, das in der Lage ist, organische und anorganische Verbindungen zu erkennen.

Elektronische Zungen finden in verschiedenen Bereichen Anwendung, von der Lebensmittel- und Getränkeindustrie bis hin zur pharmazeutischen Industrie. Es wird auch verwendet, um Zielprodukte zu vergleichen und Umweltparameter zu überwachen.

Lesen Sie: 14 unbekannte Anwendungen der Nanotechnologie | Vorteile und Anwendungen

2. Memristor

Das Konzept der Memristoren wurde 1971 von einem amerikanischen Elektroingenieur Leon Chua eingeführt. Er leitete die Möglichkeit eines zusätzlichen nichtlinearen Schaltungselements ab, das Magnetfluss und Ladung verbindet.

Jede elektronische Schaltung besteht aus passiven Komponenten wie Induktivitäten, Kondensatoren und Widerständen. Es gibt eine vierte Komponente namens Memristor – dies sind Halbleiter, die verwendet werden, um Speichergeräte mit geringem Stromverbrauch herzustellen.

Ein Memristor regelt den Stromfluss in einem Stromkreis und merkt sich dabei die zuvor durch ihn geflossene Ladungsmenge. Memristoren sind nichtflüchtige Komponenten, die sowohl eine sehr hohe Speicherkapazität als auch eine sehr hohe Geschwindigkeit aufweisen.

Die Patente von Memristoren umfassen Anwendungen in der Signalverarbeitung, Gehirn-Computer-Schnittstellen, rekonfigurierbares Computing, programmierbare Logik und neuronale Netze. In Zukunft können diese Geräte verwendet werden, um digitale Logik mit der Implikation an der Stelle des NAND-Gatters auszuführen.

1. Flexibles Display

Royole:Superdünnes flexibles Display | Bildquelle:Paul Sawers / VentureBeat

Viele Hersteller von Unterhaltungselektronik zeigen Interesse an flexiblen Displays:Sie arbeiten daran, diese Technologie in Smartphones und Tablets einzusetzen.

OLEDs auf Basis eines flexiblen Substrats (entweder Metall, Kunststoff oder Glas) sind eines der vielversprechendsten elektronischen visuellen Displays, die gebogen werden können. Die in flexiblen OLEDs verwendeten Metall- und Glasscheiben sind sehr dünn, leicht, langlebig und praktisch bruchsicher.

Auf der CES 2018 stellte LG den Prototyp eines 65-Zoll-4K-OLED-Displays vor, das rollbar ist. Der Fernseher rollt sich auf Knopfdruck aus und wird dann aus dem Blickfeld eingefahren, wenn er nicht benötigt wird.

Im September 2019 hat Samsung ein neues faltbares Smartphone auf den Markt gebracht, das sowohl als Tablet als auch als Smartphone verwendet werden kann.

Lesen Sie: 9 Gesetze der Technologie, die die Welt verändert haben

Die faltbaren Geräte der aktuellen Generation haben viele Mängel und sind zu teuer. Die meisten von ihnen sind Proof-of-Concept-Geräte für Early Adopters und kein Gerät, das für den Massenmarkt geeignet ist. Es ist jedoch klar, dass sich flexible Displays zu etwas ganz anderem entwickeln, was zu erstaunlichen Entwicklungen in der gesamten Technologiebranche führen kann.