Lichtgevende schermen

Steeds meer computers worden verkocht met plat LCD-scherm. Verwacht wordt dat LCD-schermen de ouderwetse kathodestraalbuis (CTR) volledig zal vervangen, zeker nu de prijzen met veertig tot vijftig procent zijn gedaald. Inmiddels wordt aan een volgende generatie beeldschermen gewerkt, die niet `verlicht' hoeven te worden, maar juist zelf licht geven.

Voor zijn lezing tijdens het BA Festival of Science in Glasgow heeft Ifor Samuel een groot aantal speeltjes voor zich uitgestald, zoals mobiele telefoons met opvallend heldere schermpjes. Om aan te tonen hoe stevig het materiaal is, slaat hij er met een hamer op. Kapot gaan ze niet.

De stevigheid is niet het enige dat opvalt. De plastics fungeren ook als halfgeleider, waarbij licht wordt afgegeven als er een elektrische spanning doorheen wordt gestuurd.

In normale kunststoffen is zoiets ondenkbaar: de bewegingsvrijheid van elektronen in normale polymeren is beperkt doordat de elektronen aan de atomen zijn gebonden. Om die reden worden plastics vaak als isolator gebruikt.

In de jaren zeventig zijn voor het eerst zogenoemde geconjugeerde polymeren ontwikkeld waarin elektronen een veel grotere bewegingsvrijheid hebben dankzij elkaar overlappende chemische bindingen tussen de koolstofatomen in de polymeerketens. Om de kunststoffen echt geleidend te maken, moeten de elektronen overspringen naar andere polymeerketens, wat mogelijk is door de ketens zo dicht mogelijk bij elkaar te plaatsen.

Door de verplaatsing van de elektronen komt bij sommige polymeren energie vrij in de vorm van licht, iets dat elektronluminescentie wordt genoemd. De lichtopbrengst is inmiddels dusdanig verbeterd dat licht emitterende dioden (LED's) kunnen worden vervaardigd: de bouwstenen van een volgende generatie beeldschermen die plat en flexibel zijn.

Op dit moment worden twee soorten schermen onderscheiden: PolyLED (Polymer Light-Emitting Diode) en Organic Light-Emitting Diode (OLED). Bij de eerste vormen polymeren de bouwstenen, bij de tweede gaat het om monomeren. Beide schermen hebben geen achtergrondverlichting nodig zoals wel het geval is bij traditionele LCD's, en ze gebruiken opvallend weinig energie: 2 tot 10 volt. Extra voordeel is dat de schermen een zeer brede kijkhoek hebben tot wel 160 graden.

De OLED-techniek is ontwikkeld door Kodak, maar inmiddels neemt ook Sanyo een voorhoedepositie in als het gaat om OLED-schermen. Sanyo is gestart met het vervaardigen van schermen van 1 tot 5 inch voor o.a. mobiele telefoons en digitale camera's. Later zullen grotere formaten schermen voor onder meer pc's in productie genomen worden. Samsung en Pioneer brengen al op commerciële basis OLED-schermen op de markt, maar die zijn nog zwart-wit, en hooguit geschikt voor bijvoorbeeld autodisplays.

Ook Philips zit niet stil. De komende maanden verschijnt er een (zwart-wit) polyLED schermpje voor GSM toestellen. Een kleurenscherm is in ontwikkeling, zij het dat daarvoor een meer complexe productietechniek ontwikkeld moet worden.

Vooralsnog gaat het niet om flexibele (buigzame) schermen. De huidige generatie schermen wordt dan ook niet met op plastic, maar op een substraat van glas vervaardigd. Plastic films zijn (nog) niet goed bestand tegen water en zuurstof, en gaan hooguit enkele weken mee. Ook bij de productie loopt men nog vaak tegen beperkingen aan. Vandaar dat onderzoek wordt gedaan naar goede afschermtechnieken.

Toch gaat men ervan uit dat over enige tijd oprolbare televisie- of computerschermen, lichtgevend behang en lichtgevende kleding ontwikkeld zouden kunnen worden. De Britse lampenfabriek Elumin verwacht dat deze materialen in verkeersborden en kantoren licht zullen gaan geven. Voor concrete toepassingen moeten de eigenschappen van de lichtgevende plastics nog wel verbeterd worden. Daarbij wordt ook naar nieuwe materialen gekeken. Samen met Paul Burn van de Universiteit van Oxford bestudeert Ifor Samuel al enige tijd kleine moleculen die vanwege hun typische structuur enigszins aan sneeuwvlokken doen denken. Omdat de moleculen beschikken over geconjugeerde kernen hebben ze dezelfde eigenschappen als lichtgevende polymeren, alleen hebben materiaaltechnici er veel meer vat op. Bij geleidende polymeren is de kleur van het licht dat wordt afgegeven moeilijk te veranderen zonder dat ook de andere eigenschappen worden beïnvloed. Om die reden zijn materiaaltechnici vaak lang bezig om de juiste combinatie van eigenschappen te vinden. Bij de moleculen van Samuel zijn kleur en de andere chemische eigenschappen strikt van elkaar gescheiden. De kern van de moleculen bepaalt de kleur van het licht, en de typische uitlopers of dendrieten hebben invloed op andere eigenschappen als de stevigheid. Door de ruimte tussen de uitlopers te variëren kan de geleidbaarheid van de materiaal heel precies aangestuurd worden.

De groep van Samuel heeft ook technieken ontwikkeld om de lichtopbrengst te verbeteren. Dat gebeurt met microstructuren die fungeren als buigingsrooster: via diffractie (buiging en weerkaatsing van lichtstralen) komt het licht versterkt en onder een specifieke hoek naar buiten. Huidige LED's hebben als nadeel dat door reflectie maar een zeer gering deel van het licht in de gewenste richting wordt uitgestraald. De rest wordt geabsorbeerd. Door refractielaagjes aan te brengen kan de lichtopbrengst worden verhoogd en kunnen beeldschermen worden ontwikkeld die minder stroom gebruiken.

Samuel denkt dat het gebruik van dergelijke technieken al snel tot concrete toepassingen kan leiden, niet alleen in beeldschermen, maar bijvoorbeeld ook op het gebied van datatransport.

Op dit moment worden data over langere afstanden als laserlicht via glasvezels verstuurd. Het probleem is dat licht over langere afstanden dooft en optische versterkers moeten worden gebruikt om het signaal op zijn bestemming te krijgen. De groep van Samuel heeft een optische versterker ontwikkeld, die licht duizendmaal beter versterkt dan bestaande technieken. Het effect wordt bereikt door het laserlicht te leiden naar een vloeistof die uit geleidende polymeren bestaat en daar een (tweede) laserstraal op te richten, waardoor de lichtmoleculen worden geëxciteerd en het lichtsignaal wordt versterkt.