Elektronisch circuit geheel van polymeren

De plastic chip is een feit. Philips heeft voor het eerst een elektronisch circuit van polymeren gemaakt nadat Franse onderzoekers in 1990 de eerste functionerende transistoren van geleidende kunststoffen fabriceerden. 'We mogen het eigenlijk niet zo noemen, maar het is wegwerp-elektronica', zegt dr Dago de Leeuw, onderzoeker van de groep Polymeren en Organische Chemie (POC) bij Philips Research in Eindhoven.

De Leeuw noemt 'wegwerp', omdat de eerste toepassingen die men voor ogen heeft voor eenmalig gebruik zijn. De techniek is al in een vergevorderd stadium. De Leeuw voorspelt dat het over een paar jaar geen punt meer zal zijn om een plastic elektronisch circuit op een zak katjesdrop te zeefdrukken. Hij en zijn collega's dromen ervan dat zo'n buigbare opgedrukte schakeling de huidige passieve streepjescodes zal vervangen.

Als het zover komt zal er aan de kassa van de supermarkt geen laserscanner meer nodig zijn. In plaats daarvan zal een kunststof chip reageren op een elektromagnetisch veld en de prijs en inhoud van de verpakking verklikken. Te vergelijken met de draadloze interactie tussen elektronische toegangspasjes en poortjes bij skiliften. 'Actieve' merkjes zijn ideaal tegen winkeldiefstal. Elektromagnetische detectie bij de uitgang registreert ook een gestolen pakje sigaretten in een binnenzak. Een centrale computer zal dan meteen kunnen vertellen dat het produkt niet is afgerekend.

De ontwikkeling van plastic elektronica is niet bedoeld ter vervanging van silicium, het materiaal waarvan bijna alle chips zijn gemaakt. Want tegen de combinatie rekenkracht en lage prijs van conventionele micro-elektronica kan kunststof eenvoudigweg niet op. Polymeren hebben echter wel degelijk een kans in niche-toepassingen waar silicium niet mogelijk of extreem duur is.

Actieve labels op verpakkingen zijn een voorbeeld, maar ook lijkt plastic elektronica interessant voor grote oppervlakken. In platte beeldschermen moet bijvoorbeeld elektronische schakelelementjes over de hele glasplaat worden aangebracht om de beeldelementen stuk voor stuk aan te sturen. In LCD-schermen gebruikt men daarvoor meestal amorf- of polykristallijn silicium. Deze materialen moet men echter met depositieprocessen bij hoge temperaturen aanbrengen. Kunststof is eenvoudiger en goedkoper bij lage temperaturen aan te brengen. Het Japanse Mitsubishi werkt al enige tijd aan een LCD-scherm met plastic stuur-transistoren.

Eenmalige toepassingen

Philips richt zich voorlopig echter op de eenvoudige éénmalige toepassingen. 'Want als we dat niet voor elkaar krijgen, dan kunnen we de rest ook wel vergeten', zegt De Leeuw. Plastic IC's in creditcards en telefoonkaarten lijkt de volgende stap in de ontwikkeling. Dat komt niet omdat plastic een goedkoper alternatief zou zijn voor de huidige silicium chips, want die kosten maar een paar cent. De reden is de verpakking. Die is prijzig omdat de breekbare chip moet worden beschermd en er een aansluiting nodig is naar de contactvlakjes (de geelkoper-kleurige plaatjes die je op de kaarten kunt zien zitten). 'Verpakken kost ongeveer 30 cent per kaart', zegt De Leeuw. 'Met plastic circuits zou de chipkaart-industrie jaarlijks ongeveer 100 miljoen gulden kunnen besparen.'

Om te laten zien dat plastic elektronica ook echt werkt hebben de POC-onderzoekers een zogenaamd oscillatie-circuit gemaakt. Het bevat 10 transistoren. Samen zorgen die ervoor dat een zogenaamde afvoerspanning in een regelmatig ritme aan- en uitschakelt. De Leeuw heeft het circuit aangesloten op een klein schermpje. Het display knippert onder invloed van de wisselspanning in een rustig tempo tussen licht en donker.

De kleinste dimensies op de plastic chip zijn 5 micron (5 duizendste millimeter). Dat is veel groter dan de meest geavanceerde chipfabricage-processen. Die kunnen tegenwoordig details van slechts 0,35 micron afbeelden. Voor plastic chips is miniaturisatie echter niet eens wenselijk. De Leeuw legt uit dat het juist gemakkelijk zou zijn als de circuits straks bestaan uit transistoren, diodes en contactdraden van 20 tot 50 micron breed. Bij die afstanden kunnen de IC's met goedkope zeefdruk- of inkjet-technieken worden aangebracht zonder dat al te veel precisie nodig is.

De basis voor buigbare chips werd midden jaren zeventig gelegd. Toen vonden Hideki Shirakawa, Alan Heeger en Alan MacDiarmid van de Universiteit van Pennsylvania stroomgeleiding in polyacetyleen. De Japanner Shirakawa was bij Heeger te gast. Hij had in 1974 acetyleen gesynthetiseerd als een metaal-achtige film. Dat was nieuw, want voor die tijd was polyacetyleen slechts als een wit poeder bekend. De stof schitterde als zilver, maar geleidde geen stroom.

In 1977 besloot het trio om doping aan polyacetyleen toe te voegen. MacDiarmid en Shirakawa hadden een opstelling gemaakt waarmee ze de hoeveelheid jodium in polyacetyleen konden regelen en tegelijkertijd de stroom konden meten. 'We hebben slecht en goed nieuws', rapporteerde het tweetal na afloop. 'Het slechte nieuws is dat de stroommeter is doorgebrand, maar de stroomgeleiding door polyacetyleen is een miljoen keer toegenomen.'

Toen de doping-truc eenmaal bekend was werden snel andere geleidende polymeren gevonden. Het bleken allemaal halfgeleiders te zijn, net als silicium. Het onderzoek op het gebied van deze bijzondere polymeren begeeft zich sindsdien ruwweg op twee gebieden. De 'eenvoudige' toepassingen zoals coatings of vezels, waarvoor men de kunststoffen zo geleidend mogelijk maakt, blijven hier buiten beschouwing.

Het tweede onderzoekgebied kijkt vooral naar de halfgeleidende eigenschappen. Net als van de kristalvormige halfgeleiders silicium of galliumarseen bleken er met geleidende plastics ook elektronische componenten te kunnen worden gemaakt. In 1990 slaagden onderzoekers van de universiteit van Cambridge er zelfs in om de eerste lichtgevende diodes van plastic te maken. Op de Princeton Universiteit hebben ze de levensduur van deze plastic lichtbron inmiddels weten te verlengen tot anderhalve maand.

Zowel plastic als kristallijne halfgeleiders zijn te vergelijken met een stad waarin het hele verkeer is dichtgeslibd. Overal staan auto's. Op de kruispunten, de hoofdwegen, zelfs op de trottoirs is geen vierkante meter vrij. Nemen we er enkele wagens uit, dan ontstaat er ineens ruimte voor beweging. Zo gaat dat ook met halfgeleiders. Zogenaamde doping-atomen of -verbindingen werken daarin als parkeergarages. Ze onttrekken elektronen aan de atoombindingen in het kristalrooster (in bijvoorbeeld silicium) of de polymeerketens waardoor de rest meer bewegingsvrijheid krijgt en er een stroom kan lopen.

Alle geleidende polymeren hebben zogenaamde geconjugeerde ketens. Er zitten anderhalf keer zoveel elektronen in de koolstof-strengen (C=C-C=C-C=C enz, waarbij één streepje twee elektronen voorstelt) als in 'normale' polymeren (C-C-C-C-C enz). Doping onttrekt één elektron aan de dubbele binding, waardoor achterblijvende elektronen meer bewegingsruimte krijgen.

Lange tijd waren geconjugeerde polymeren vrij onhandelbaar. De soepele ketens in 'boterhamzakjes' polyetheen zijn te vergelijken met gekookte spaghetti, maar de ketens in het verwante geleidende polyacetyleen lijken veel meer op stugge ongekookte spaghetti-stengels. Om elektronische functies aan het plastic te kunnen geven is het belangrijk dat de polymeren goed verwerkbaar zijn en de mobiliteit van de elektronen in het materiaal hoog is. Aan de eerste voorwaarde is al langer voldaan. Door het aanbrengen van speciale zijgroepen heeft men de oplosbaarheid van de polymeren verbeterd waardoor ze bijvoorbeeld in de vorm van drukinkt kunnen worden gebruikt.

Doodlopende straten

Deze zijgroepen zorgen echter weer voor nieuwe problemen omdat ze niet geleidend zijn. In polymeren hebben ze hetzelfde effect als de isolerende omhulling van een elektriciteitskabel. Het materiaal lijkt dan op een samengeperste kluwe geïsoleerde korte draden. Elektronen bewegen gemakkelijk in de ketens, maar de zijgroepen isoleren de stroomvoerende kern waardoor elektronen niet meer tussen de moleculaire kabels kunnen overspringen. Door de bulk loopt dan geen stroom, net zoals er geen verkeer mogelijk is in een stad die hoofdzakelijk bestaat uit doodlopende straten.

De oplossing die hiervoor is gevonden heeft in Eindhoven voor de opening naar de eerste elektronische circuits gezorgd. De zijgroepen die de oplosbaarheid van de geconjugeerde polymeren moeten vergroten zijn zo ontworpen dat ze na het zeefdrukken of stempelen met een temperatuurbehandeling van 140 ß8C loslaten en verdampen. Daardoor worden de ketens dicht tegen elkaar gedrukt. De elektronen kunnen daardoor van keten naar keten overspringen en krijgen daardoor een mobiliteit die voldoende is voor elektronische functies.

Als de mobiliteit hoger is, kunnen de rekenstappen in een chip elkaar sneller opvolgen. De transistoren op de plastic laboratorium-exemplaren kunnen momenteel een tempo van enkele honderden klokpulsen per seconde aan. Binnen enkele jaren zal dat volgens De Leeuw 10 tot 50 kilohertz zijn, en dat is voldoende voor telefoonkaarten.