Gooi- en smijtelektronica; Na de geleidende kunststoffen is nu de beurt aan plastic dat kan rekenen. Plastic transistors en chips zijn geschikt voor simpele toepassingen.

Het transparante geel van de spanningzoeker, de handgreep van de combinatietang, de zachte omhulling van telefoonbedrading, het materiaal van een stekker of een stopcontact - als het op bescherming tegen elektrische spanning aankomt vertrouwen we blindelings op kunststoffen.

Maar dat niet alle kunststoffen isoleren werd begin jaren zeventig duidelijk met de ontdekking van stroomgeleiding in de explosieve stof polyzwavelnitride (SN)x. Het was de eerste keer dat men metallische eigenschappen kon toekennen aan een polymeer. En (SN)x geleide niet alleen stroom, het werd zelfs supergeleidend bij 0,3 Kelvin. Intussen heeft een heel scala elektroplastics het licht gezien.

De laatste jaren is duidelijk geworden dat geleidende polymeren tot nog veel meer in staat zijn. Zelfs tot rekenen, door wetenschappers al snel ”intelligentie' genoemd. De eerste diodes en transistoren - de bouwsteentjes die op chips het reken- en telwerk verrichten - zijn al in het lab gemaakt.

Kunststof diodes zagen in het begin van de jaren tachtig al het licht. Over de eerste plastic transistor publiceerden Franse onderzoekers eind 1990 in Advanced Material. Waarop Richard Friend van de universiteit van Cambridge deze transistor als ”goed genoeg' in Science kwalificeerde. ”Het is een overtuigende aanwijzing dat deze dingen in de toekomst zullen werken.' Daarmee kwamen ook plastic chips in principe binnen bereik.

Kunststof opent een nieuwe wereld, en die wereld heet sloppy electronics. Intelligent plastic zou je kunnen zeggen, waaraan niet al te hoge eisen hoeven te worden gesteld. Dus niet de reken- of geheugenchips voor computers, maar veel simpelere elektronische circuits waar desnoods mee kan worden gegooid en gesmeten. En intussen blijven ze hun werk doen. Of het nu gaat om identificatie, het onthouden van geheime codes of andere eenvoudige maar slimme functies. Heel wat flexibeler dan de knisper-knasper silicium-IC's op bijvoorbeeld de huidige smartcards.

”Nodig voor geïntegreerde elektronische circuits zijn discrete onderdelen, diodes, transistoren, interconnecties en isolatoren. In kunststof zijn deze bouwblokjes zo ongeveer aanwezig. Let wel: zo ongeveer', zegt dr. E.E. Havinga van de groep Polymeren en Organische Chemie van Philips Natuurkundig Laboratorium.

”Maar het hele vak staat nog in de kinderschoenen. We hebben nog een lange weg te gaan. En we krijgen niet zoveel tijd als silicium. Over een jaar of tien is plastic elektronica er of het komt niet meer.'

Maar zelfs een all plastic chipcard heeft volgens de researchmedewerker nog wel wat langer nodig dan vijf jaar. De vooruitzichten reiken zelfs verder dan chips. Onderzoekers van de universiteit van Cambridge kregen het in 1990 voor elkaar om lichtgevende diodes van plastic te maken. Enkele maanden geleden maakte het bedrijf Uniax in Santa Barbara (twee jaar geleden opgericht door de al genoemde Alan Heeger) flink wat tamtam met een verbeterde versie die een amber-oranje kleur gaf.

Wat de bouw betreft verschillen deze kunststof light emitting diodes niet van de halfgeleider-LED's die ons vanaf onze stereotorens toeknipperen. Maar lichtgevende diodes zouden in kunststof met miljoenen tegelijk op flexibele schermen kunnen worden geïntegreerd. Beeldschermen en bewijzering in allerlei krommingen zijn dan mogelijk. De LED's van Uniax geven ongeveer twee maal zoveel licht als een tv-beeldbuis. Nadeel is echter dat ze al na enkele weken bezwijken.

”Wat Heeger gelukt is, daar staat niemand verbaasd over', zegt Havinga, ”maar de vinding van Cambridge was voor organici een nieuw verschijnsel. Het is een verrassing dat het zo goed gaat.'

Volgens Havinga is het met ”wat sleutelen' aan de polymeren geen enkel probleem om ze het hele spectrum aan kleuren uit te laten zenden. ”Zelfs blauw licht is geen extra moeilijkheid.' Of er uiteindelijk miniatuurlasers van kunststof kunnen worden gemaakt durft hij niet te zeggen. ”Ik acht het echter niet uitgesloten.'

Moeilijk te hanteren

Onderzoekers van Philips proberen vooral grip te krijgen op het verwerken en vormgeven van de plastische geleiders. Ze zijn van nature moeilijk te hanteren. Dat ligt aan de moleculaire bouw waaraan ook de geleidende eigenschappen ten grondslag liggen. Ze bestaan allemaal uit zogenaamde geconjugeerde ketens.

Met wat koppeltekens, is-gelijk-tekens en C'tjes is die bouw zelfs in een stukje tekst gemakkelijk uit te beelden. We kijken eerst naar de moleculaire ruggegraad van de zeer goede isolator polyetheen. Van deze eenvoudigste en meest gebruikte kunststof is de basisketen uit koolstofatomen (C) opgebouwd:

C-C-C-C-C-C- enz.

Het skelet van de eenvoudigste geleider polyacetyleen lijkt hier op het eerste gezicht nauwelijks van te verschillen. Ook hier weer koolstofatomen. Maar wat valt er op: de aaneenrijging is een regelmatige afwisseling van dubbele en enkelvoudige bindingen. Voilà:

C=C-C=C-C=C-C= enz.

Ook chemici schrijven dit zo op, bij gebrek aan beter. In werkelijkheid is de extra lading (een streepje stelt twee elektronen voor) uitgesmeerd over de keten. Die extra lading geleidt de stroom, maar zorgt ook voor de verstarring. Zoals gewone kunststoffen in gesmolten vorm wel eens worden vergeleken met gekookte spaghetti zo zijn geconjugeerde polymeren te vergelijken met een massa breinaalden die bovendien aan elkaar koekt. Niets mee te beginnen. Zelfs smelten is er vaak niet bij.

Maar ook geleiding krijgen we niet voor niets. In de elektronen van zuivere ”elektroplastics' is geen beweging te krijgen. Er moet, zoals Shirakawa en Heeger dat ontdekt hadden, doping worden bijgemengd. Dat onttrekt elektronen aan de ketens of voegt deze ladingsdragers er juist aan toe. Chemici zouden zeggen: het gedoopte polymeer is een zout met tegengesteld geladen ionen, waarvan er één (het polymeer) de stroom goed geleid.

Wat eenvoudiger zouden we de elektronen in de ketens ook kunnen vergelijken met de schuifletters uit de letterborden van BRT's IQ-quiz. Schuiven met de letters om woorden te vormen is mogelijk omdat één van de 25 vakjes vrij is. Zouden alle vakjes zijn opgevuld dan was er geen beweging mogelijk. In de polymeerketens maakt behalve uitnemen ook toevoegen van elektronen door doping het stromen mogelijk.

Een voordeel van de nieuwe techniek is de lage verwerkingstemperatuur die goedkope produktie mogelijk maakt. En verder aan technologische vooruitzichten geen gebrek.

”In de huidige chiptechnologie kun je door de hoge temperaturen maar een beperkt aantal lagen halfgeleidermateriaal op elkaar stapelen. Terwijl je het met kunststof in principe oneindig ingewikkeld kunt maken', zegt Havinga van het Natlab.

Ook wordt in de wetenschappelijke literatuur geopperd dat ”plastronics' de produktie van bijvoorbeeld liquid cristal displays een stuk goedkoper zouden maken. Deze vloeibaar kristal-beeldschermen bestaan uit twee glasplaten met daar tussenin vloeibare kristallen.

Voor de besturing van de pixels waaruit deze schermen zijn opgebouwd, is een uitgebreid netwerk van elektrische verbindingen nodig. Daarvoor gebruiken de huidige fabricagetechnieken amorf silicium. Ook de diodes of transistoren, die nodig zijn om de vloeibare kristallen te manipuleren om de doorlaatbaarheid van de honderdduizenden venstertjes van LCD-schermen regelen zijn in principe op een goedkope manier uit plastic op te trekken. Havinga: ”Want van kunststofelektronica spuit je zo met een pipet een plak'.