Gooi- en smijtelektronica

Vorige week maakte Philips Research in Eindhoven bekend als eerste een display te hebben gemaakt waarin iedere pixel aangestuurd wordt door een eigen plastic transistor. Een oprolbaar beeldscherm ligt in het verschiet.

AAN HET EIND van het bezoek is er nog even tijd voor een snelle gang door de clean room. We schieten in een lichtblauwe nylonjas, doen sloffen om onze schoenen en een muts op het hoofd en begeven ons in een steriele wereld gehuld in zacht geel licht. Het meeste onderzoek betreft siliciumtechnologie maar de laatste jaren geeft Philips Research in Eindhoven (het Nat.Lab.) ook de groep van dr. Dago de Leeuw er de ruimte. En die werkt met elektronica van plastic. ``Er zit schot in'', zegt De Leeuw terwijl hij me een vers gemaakte plastic-wafer aanreikt. ``Ik heb net een hoop nieuwe spullen besteld.''

Vorige week maakte Philips bekend als eerste ter wereld een display te hebben ontwikkeld van 6464 pixels die ieder worden aangestuurd door een transistor met halfgeleidermateriaal van plastic. Het plaatje meet 3 bij 3 centimeter en de schakelfrequentie die het kan bijbenen is maximaal 100 Hz. Het resultaat is een forse stap richting goedkope, flexibele displays. De markt daarvoor lijkt enorm. ``Het is gooi- en smijtelektronica,'' zegt De Leeuw, in Eindhoven werkzaam in de groep Polymeren en Organische Chemie. ``Wat je zou willen is een buigzaam en goedkoop display dat de kruidenier op zijn schappen klemt en waarop hij moeiteloos prijzen kan wijzigen. Of, nog veel mooier, opvouwbaar elektronisch papier dat je aan je gsm knoopt om dan van het internet pagina's te downloaden die je op je gemak wilt nalezen. Maar ik denk dat een van de eerste toepassingen een buigzame creditcard zal zijn met een display dat toont hoeveel financiële ruimte je nog hebt.''

Voor alle duidelijkheid: die flexibele displays zijn er nog niet, nu zit alles nog ingeklemd tussen twee glazen plaatjes. Maar binnen een jaar, zo verwacht De Leeuw, zijn die vervangen door buigzame kunststof en is Philips waar het wezen wil – waarna de slag van laboratorium naar product nog eens een jaar of vijf zal vergen. Het nu bereikte resultaat houdt in dat een uit oogpunt van buigzaamheid geschikt type display is uitgerust met plastic elektronica die naar behoren functioneert. ``De achterkant van het display dat we willen is af'', zegt De Leeuw. ``Daar zijn we heel blij mee want dat deel van de klus was het meeste werk. Na een paar jaar van technologie oppoetsen en materialen optimaliseren doen onze plastic transistors het zo goed dat een display ermee uit de voeten kan.''

Een flexibel display werkt noodzakelijkerwijs anders dan een beeldscherm in de huidige laptop. Een LCD (liquid crystal display) is gebaseerd op de polarisatie van licht door vloeibare kristallen. Dit principe heeft als nadeel dat de beeldkwaliteit sterk afhangt van de hoek waaronder je naar het scherm kijkt. De Leeuw: ``Bij een gebogen display gaat dat dus mis en moet je op zoek naar iets anders. Ons type bestaat uit een dun plaatje kunststof met daarin belletjes vloeibaar kristallijn materiaal. Zet je er spanning op, dan richten de moleculen zich en zijn de belletjes doorschijnend. Zo niet, dan verstrooien ze het invallende licht. Zulke displays gebruiken weinig energie maar hun grote probleem is dat behoorlijk grote spanningsveranderingen vereist zijn om genoeg variatie in contrast te krijgen. Multiplexen, ofwel meerdere signalen tegelijk over één draadje sturen om een kolom of rij pixels in zijn geheel te bedienen, werkt dan niet meer. Je zult iedere pixel ! van een transistor moeten voorzien om te zorgen dat het display het doet. Nu waren dat er 4096, maar in praktische toepassingen zijn het er snel een paar miljoen. Die transistors vervaardigen met gangbare siliciumtechnologie is absurd. Die is voor low end toepassingen veel te ingewikkeld en vergt zoveel stappen dat het onbetaalbaar en onhandelbaar wordt.''

Het alternatief is elektronica van plastic. Daar heeft Philips de afgelopen jaren ruime ervaring mee opgedaan, met als klinkend resultaat dat het Nat.Lab. twee jaar geleden als eerste plastic chips wist te fabriceren, onder meer op dun buigzaam folie. De Leeuw: ``We zijn in staat over grote oppervlakken zeer ingewikkelde geïntegreerde circuits te maken, inmiddels bij een kloksnelheid van zo'n 10 kHz. Dat is lang niet zo goed als chips van silicium maar dat hoeft ook niet. Niettemin worden ze steeds beter. Deden onze eerste exemplaren het een paar jaar geleden niet langer dan een paar seconden, nu blijven ze maanden goed.''

Plastics die elektrische stroom geleiden zijn in 1977 bij toeval in Japan ontdekt. Ze verschillen van isolerende plastics (de normale variant) omdat de polymeerketens waaruit ze bestaan zogeheten geconjugeerde dubbele bindingen bevatten die bewerkstelligen dat sommige elektronen vrijelijk langs de keten kunnen bewegen. Als bovendien die elektronen van de ene naar de andere keten kunnen overspringen, doordat de ketens niet kris kras door elkaar lopen maar netjes kop-staart zijn gelegd, ontstaat een (half)geleider. Door de keten te voorzien van welgekozen chemische zijgroepen neemt de geleidbaarheid extra toe. Bovendien zijn ze door die zijketens in oplossing te brengen, wat ze veel handelbaarder maakt.

Een plastic transistor (c.q. chip) bestaat uit vier lagen met verschillende elektrische eigenschappen, aangebracht op een substraat van glas of isolerend plastic. Dat gebeurt in Eindhoven met behulp van spin-coating. Bij deze techniek valt een druppel van de gewenste plastic-oplossing op een snel roterende ondergrond, om na contact direct uit te vloeien. Na verdamping van het oplosmiddel is een homogene laag ontstaan ter dikte van enkele tienduizendsten van een millimeter. Een transistor heeft twee geleidende elektrodes en daartussen een halfgeleider en een isolator, alle van plastic. Aan de elektrodes is een speciale stof toegevoegd die na belichting met UV-licht het geleidende materiaal verandert in een isolator. In combinatie met een masker leidt deze lithografische techniek tot een transistor of een chip. De voordelen van plastic boven silicium zijn dat de temperatuur veel minder hoog hoeft te zijn en dat er minder stappen aan te pas komen. Binnen het uur is een plastic! wafer klaar.

Onderzoek naar plastic elektronica is in 1994 door Philips gestart. Aanleiding was de ontdekking in 1990 van een lichtgevende plastic diode in Cambridge. Met deze polyLEDs (polymer light emitting diodes) is in het laboratorium in Eindhoven inmiddels zoveel ervaring opgedaan dat in Heerlen vorig jaar een proeffabriek is gebouwd. PolyLEDs vinden hun toepassing in displays voor mobiele telefoons en als verlichting in LCD-schermen. Ook zijn ze geschikt om tezijnertijd de beeldbuis te vervangen: ze geven per watt 4 à 5 keer zoveel licht.

Plastic chips bestaan in Eindhoven sinds 1998 en nog altijd is er niemand die Philips het kunstje heeft nagedaan. Een toepassing die snel dichterbij komt is de transponder, een soort elektronische barcode. Hij omvat een geheugenchip, met daarop bijvoorbeeld informatie over een product uit de supermarkt, en een spiraal die als antenne fungeert. Wanneer je bij de kassa met je winkelwagen door een poortje rijdt, wordt die informatie met radiogolven afgetapt en aan de kassa doorgegeven. Zonder dat hij zijn pakken melk en doosjes eieren hoeft uit te laden, op de transportband te plaatsen en gebutst en gedeukt weer mag inladen, krijgt de klant de rekening gepresenteerd. Bottleneck van dit systeem is natuurlijk de prijs per transponder. Uitgevoerd in silicium bedraagt die al snel een euro. Zodra toepassing van plastic elektronica dat bedrag met een factor honderd omlaag brengt, en de transponders voldoende snel zijn te lezen, dient zich een enorme markt aan.

Al dit researchwerk vindt nu ook zijn toepassing in displays. ``De ervaring die Philips met het ontwikkelen van plastic elektronica heeft opgedaan heeft zulke goed functionerende componenten opgeleverd dat de technologie geschikt is bevonden om flexibele displays aan te sturen'', zegt De Leeuw. ``De plastic transistors die we maken zijn van voldoende kwaliteit en het gaat snel, simpel en goedkoop. Er zit muziek in.''