De oprolbare tv

Hun levensduur is nog aan de korte kant, maar de lichtopbrengst is hoog. De prestaties van lichtgevende polymeren nemen toe. Het eerste geel-groene prototype van een flinterdun beeldscherm is er al.

EEN BEELDSCHERM van lichtgevend plastic dat niet dikker is dan 2 millimeter zou in de toekomst LCD-schermen kunnen vervangen. Aan de rand van de Engelse universiteitsstad Cambridge, pal naast een boerderij met dampende mest, zijn de kantoren gevestigd van Cambridge Display Technologies (CDT). Het is een wat merkwaardige locatie voor de geboorte van een revolutionair beeldscherm. Achter ogenschijnlijk oninteressante gevels blijken complete clean rooms schuil te gaan, waar onderzoekers werken aan flinterdunne beeldschermen voor digitale camera's, mobiele telefoons en draagbare televisietoestellen.

In 1989 ontdekten onderzoekers van het Cavendish Lab in Cambridge bij toeval dat een kunststof begon te gloeien als er met behulp van twee elektroden een spanning op werd gezet. De opwinding was groot, want dergelijke lichtgevende polymeren (LEP's) leken een goedkoop alternatief voor lichtgevende diodes (LED's), halfgeleiderdiodes die fungeren als indicatielichtjes in modems of als zender bij draadloze afstandsbediening van televisietoestellen (met infrarode straling).

Aanvankelijk was de lichtopbrengst van de polymeren nog onvoldoende, minder dan 0,01 candela per vierkante meter (Cd/m²). En ook de levensduur was niet erg hoog. Maar door het plastic te voorzien van nauw gedoseerde 'verontreinigingen' zijn de onderzoekers erin geslaagd de lichtopbrengst met een factor 10.000 te vergroten tot een waarde vergelijkbaar met die van huidige televisietoestellen. Een lab van Dow in San Francisco heeft eerder dit jaar zelfs een lichtgevende kunststof ontwikkeld met een helderheid van vierduizend Cd/m²: dat is ongeveer de lichtopbrengst van neonverlichting. Daar tegenover staat helaas wel een korte levensduur.

LEP's bieden tal van mogelijkheden voor bijvoorbeeld displays in klokjes, horloges, rekenapparaten en instrumentpanelen. 'Voor industrieel ontwerpers liggen hier prachtige kansen', zegt Peter J. Warman van de divisie Materiaaltechnologie van TNO Industrie. TNO doet onderzoek naar de toepassingsmogelijkheden van LEP's. Warman: 'Je kunt lichtgevende displays in allerlei vormen maken, tot en met oprolbare televisieschermen. Ik noem het wel eens RTL5 in je binnenzak.'

MONOCHROOM

De laatste jaren zijn de prestaties van lichtgevende polymeren dusdanig verbeterd dat er kleine beeldschermen van kunnen worden gemaakt. Het eerste monochrome prototype dat in Cambridge wordt gedemonstreerd — als display in een mobiele telefoon — meet vijf bij vijf centimeter en is geel-groen van kleur. Dat komt omdat de gebruikte polymeer (p-phenylenevinylene, PPV) deze kleur heeft. Volgens technisch manager Carl Towns is het echter een kleine moeite om kleurcellen bij te plaatsen zodat een volwaardig kleurenscherm kan worden ontwikkeld. Het grote voordeel van LEP-schermen is volgens Towns dat ze kunnen worden vervormd zonder dat het beeld daar zichtbaar onder te lijden heeft: 'Dat hoef je met LCD-schermen niet te proberen, alleen het aanraken geeft al vervorming.'

Huidige beeldschermen bestaan veelal uit vloeibare kristallen, waarvan de moleculen zich onder invloed van een elektrische spanning zo reorganiseren dat ze licht doorlaten of reflecteren. Nadeel is dat vloeibare kristallen maar vijftig procent van het invallende licht absorberen. Dus moet er een lichtbron achter die extra energie verbruikt. Batterijen van notebooks met LCD-schermen raken daardoor snel leeg. Voor een kleurenbeeld moeten ook nog eens filters worden toegevoegd, wat de productie ingewikkeld maakt. Een ander nadeel is dat LCD's zich door de trage respons slecht lenen voor videoweergave. De bewegingen zijn lang niet zo vloeiend als op een televisiescherm. Bovendien is de kijkhoek niet erg groot. Beeldschermen met zogenoemde ferro-elektrische vloeibare kristallen beschikken over veel hogere responstijden en gebruiken minder energie omdat de kristallen hun oriëntatie behouden, ook als de spanning wordt uitgeschakeld. Maar op dit moment worden uitsluitend monochrome beeldschermen met ferro-elektrische vloeibare kristallen geproduceerd, terwijl het contrast minder hoog is dan bij normale LCD's.

Veelbelovend lijken ook FED's of veldemissieschermen, een combinatie van klassieke plasma-monitoren en kathodebuizen. Deze FED-schermen werken zoals beeldbuizen: fosforen lichten op door beschieting met elektronen. Alleen komen de elektronen niet uit een elektronenbron zoals de straalkathode in een beeldbuis, maar uit duizenden micro-elektronen-emitters. FED's worden momenteel al wel geproduceerd, onder meer door het bedrijf Pixtec, maar ze worden hoofdzakelijk voor militaire toepassingen gebruikt. Voor de consumentenmarkt zijn ze nog veel te duur en het energiegebruik is nog te hoog voor alledaagse toepassingen. Ook kunnen FED's niet op flexibele substraten worden aangebracht, wat volgens Warman van TNO nu juist de grote kracht is van LEP's: 'Je kunt met bestaande druktechnieken, zelfs inktjet-printen, polymeren op flexibele substraten aanbrengen samen met twee laagjes elektroden. Het productieproces is op zich heel simpel, al blijft het een technologische uitdaging.'

Voor commerciële toepassingen moeten LEP's nog verder worden verbeterd. Zo is een levensduur van minimaal vijf jaar vereist. De ondergrens van de gebruikstijd ligt momenteel op 5.000 uur. Vooral blauwe LEP's zijn nog een probleem, tegenover een hoge lichtopbrengst staat een levensduur van slechts 100 uur. Een ander probleem was lange tijd de oxidatie van het materiaal. Polymeren die aan licht worden blootgesteld, verkleuren omdat het materiaal reageert met de zuurstof in de lucht. Door het scherm in meerdere dunne lagen op te bouwen kan dit probleem worden omzeild. 'Oxidatie is nauwelijks meer een probleem,' zegt Robert Jan Visser van PolyLED, een onderzoeksgroep van Philips Research Lab in Eindhoven. Philips nam als eerste een licentie op de LEP-technologie van Cambridge Display Technology. Samen met het zojuist opgerichte Dutch Polymer Institute en de Technische Universiteit Eindhoven wil het bedrijf de eigenschappen van LEP's verbeteren.

Philips wil de polymeren in eerste instantie gebruiken als achtergrondverlichting (backlights) van LCD-schermen en palmtop-computers. LED's koppelen een hoge lichtopbrengst aan een laag energieverbruik; de benodigde spanning bedraagt 3,3 volt. De prototypes die in Eindhoven zijn gemaakt besparen een factor 10 tot 100 aan energie vergeleken met minder homogene backlights. Bovendien hebben ze een levensduur van zo'n 50.000 uur. Voorlopig is dat een record. Philips wil de LEP's volgend jaar juni op de markt brengen. 'We doen het in stappen, van achtergrondverlichting voor beeldschermen naar display-producten', zegt Visser van Philips.

DUBBELE SCHERMEN

Cambridge Display Technology is al een paar stappen verder. Met Seiko-Epson worden dubbele schermen ontwikkeld, de ene helft volgens de LEP-techniek en de andere in de vorm van een TFT (Thin Film Transistor), het soort LCD dat veel in notebooks wordt gebruikt. Een dergelijk scherm zou gebruikt kunnen worden als bedieningspaneel voor printers. Het LCD gedeelte geeft tekstuele gegevens weer, terwijl de LEP-helft een instructiefilmpje toont. Het Amerikaanse bedrijf Uniax doet zelfs onderzoek naar de mogelijkheden van LEP's als halfgeleiderlaser. Samen met de Universiteit van Arizona is men er eerder dit jaar in geslaagd een ringlaser in de polymeren aan te leggen. Het licht draait daarin net zolang totdat voldoende fotonen zijn verzameld om ze te bundelen tot een krachtige laserstraal. Voorlopig zijn dergelijke toepassingen echter nog toekomstmuziek. LEP's zullen vermoedelijk al wel binnen vijf jaar in laptops worden gebruikt. Carl Towns van Cambridge Display Technology: 'De LCD-industrie heeft een technologische voorsprong opgebouwd die je niet zomaar even inhaalt. Bovendien is het een technologie waarmee de industrie vertrouwd is. LCD's zullen de markt blijven domineren, maar geleidelijk zullen LEP's hun plaats innemen.'