Macromoleculen

De chemische en fysische eigenschappen van kunststoffen worden bepaald door de chemische opbouw, de vorm, de rangschikking en de lengte van hun macromoleculen. Deze macromoleculen zijn langgerekte, ketenvormige reuzenmoleculen waarbij de regelmatige opeenvolging van de bouwstenen typerend is. Zo is het bekende polyethyleen een samenvoeging van ethyleenmoleculen. Dit opbouwprincipe noemen de chemici ‘polymerisatie’. De lange ketens van koolstofatomen worden polymeren genoemd.

De meest gebruikte plastics polyvinylchloride (PVC), polypropyleen en polyethyleen (PE) zijn elektrische isolatoren. Kenmerkend voor deze polymeren is dat in de gehele keten alleen enkelvoudige s-bindingen voorkomen. Elk elektron zit daardoor vast aan een bepaalde binding en kan daardoor niet door heel de keten bewegen. Heel wat anders wordt het als de polymeren een geconjugeerde structuur hebben. De eenvoudigste polymeer met een dergelijke structuur is polyacetyleen. De enkele en dubbele atoombindingen wisselen elkaar af in de keten. De enkelvoudige binding is steeds een sigma-binding en de dubbele binding bestaat uit een sigma-binding en een pi-binding. De bindende pi-elektronen bevinden zich bij voorkeur boven en onder de bindingsas. Daardoor is de pi-binding zwakker dan de sigma-binding waar de elektronendichtheid het grootst is tussen de kernen.

Vanwege de geconjugeerde structuur zijn de elektronen niet meer gebonden aan een bepaalde atoombinding. Ze krijgen de vrijheid om over de gehele keten te reizen, als je maar een pad van geconjugeerde bindingen voorziet.

Totaal onverwacht

Polyacetyleen is een langerekte keten van geconjugeerde dubbele bindingen, maar toch is het in praktijk niet geleidend. Normaal is zo’n molecule een willekeurig mengsel van cis- en transschikkingen. Maar toen Shirakawa per ongeluk duizendmaal meer katalysator aan zijn reactiemengsel toevoegde, kreeg hij niet het gewone zwarte poeder, maar een zilverachtig vlies op de wand van zijn reactievat. Hij had bijna puur trans-polyacethyleen gemaakt. Door te spelen met de temperatuur kreeg hij ook een koperen vlies, de pure cis-versie. Hij ontmoette tijdens een congres Alan MacDiarmid en Alan Heeger die onderzoek deden op een anorganisch polymeer, polyzwavelnitride. Dat blonk ook zilverachtig. Samen togen ze aan de slag. Ze oxideerden polyacetyleen met jodium en totaal onverwacht bleek het geleidend. Door de oxidatie, het weghalen van een paar elektronen, bleken de andere elektronen plots heel mobiel te zijn geworden. Het ‘gedopeerde’ polyacetyleen had een geleidbaarheid van 100.000 siemens per meter, slechts duizend keer minder dan koper. Alleen: polyacetyleen wordt aangetast door zuurstof en kan niet tegen vocht. De speurtocht naar analoge stoffen leverde nog meer geleidende plastics op.

Hoppen

Hun geleiding is nooit zo goed als bij een metaal omdat vroeg of laat de elektronen van de ene keten naar de andere moeten overspringen (hoppen). Terwijl ze in een metaal continu kunnen blijven doorstromen.

Je kunt hun mobiliteit verbeteren door de onderlinge afstand tussen de ketens te verkleinen. Er moet meer ordening in het kluwen komen en de zuiverheid van het materiaal moet hoger. De geleidbaarheid kun je nog verhogen door de materialen te doteren: je voegt dan vreemde ladingsdragers toe. Dat kun je door de polymeerketens te oxideren. Hoe beter de polymeren geleiden hoe groter het aantal toepassingen. De TU Eindhoven heeft een polymeer, het zogenaamde poly-3-hexylthiofeen, met een zodanige structuur gemaakt dat de mobiliteit van de ladingsdragers met een factor tienduizend is toegenomen. Met dit polymeer kunnen goedkope chips gemaakt worden. Plastic-elektronica is de verzamelnaam voor dit soort schakelingen. Het vernieuwende is dat deze chips niet meer uit silicium of andere metalen bestaan. Zelfs de stroomvoerende draadjes, die normaal van zilver of goud zijn, zijn nu door plastic vervangen.

PolyLEDS

Het onderzoek naar de PolyLED bevindt zich reeds in een ver gevorderd stadium. De huidige prototypen geven allen de kleur oranje. De gesegmenteerde displays vertonen een hoog contrast en een hoge helderheid (zie afbeelding). Ze verbruiken weinig vermogen. De displays kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden op mobiele telefoons. Hun lichtsterkte is zo’n 4 à 5 lumen per watt, de lichtsterkte van een beeldbuis is daarentegen maar 1 lumen per watt en van een LCD-scherm 1,5 lumen per watt.

In de bestaande laptops vraagt het scherm het meeste vermogen. Vervang je dit scherm door een vergelijkbaar scherm van PolyLEDs, dan werkt een laptop ongeveer drie keer zo lang op dezelfde accu. Een scherm van PolyLEDs kan bovendien veel dunner gemaakt worden dan een LCD-scherm. Een ander nadeel van een LCD-scherm is dat omwille van de polarisatoren je er recht moet voor zitten. Een PolyLED-scherm heeft daar geen hinder van. Het licht wordt in alle richtingen met dezelfde sterkte uitgezonden en het scherm is van opzij nog leesbaar.

Een PolyLED bestaat uit een sandwichstructuur met een lichtgevende polymeer tussen twee elektroden op een substraat van glas of doorzichtig plastic. Het aanbrengen van het polymeer op het substraat gebeurt door spin-coating. Spin-coating is een techniek die een vrijwel perfecte homogene plasticfilm oplevert met een dikte van 100 tot 200 nm. Het substraat heeft de vorm van een schijf die zeer snel ronddraait. Een druppel van de plasticoplossing valt op de schijf en spreidt zich volledig uit tot een homogene film. Terwijl het oplosmiddel verdampt, trekt de plastic film zich strak. Het substraat krijgt zo een coating van een geleidende of halfgeleidende plastic. Met deze techniek kun je grote structuren maken wat met halfgeleiders zoals silicium onmogelijk is, omdat het gehele materiaal enkelvoudig kristallijn moet zijn.

De elektrische spanning tussen de kathode en anode zorgt ervoor dat aan de bovenkant van de structuur elektronen het polymeer instromen en aan de onderkant terug worden afgevoerd. Door de afvoer van elektronen ontstaan in het polymeer ‘gaten’. De instromende elektronen recombineren met de gaten en geven hun overtollige energie af onder de vorm van licht.

Plastic chips

Een plastic chip is een stuk complexer dan een PolyLED. De geleidende en halfgeleidende plastics halen het niet van het extreem zuivere en enkelvoudig kristallijne silicium. Maar dat is helemaal niet nodig; de plastic chip concurreert niet met de silicium chip. Plastic chips zijn honderd keer goedkoper en zeer flexibel. Deze chip kan bijna dubbelgevouwen worden zonder stuk te gaan.

De plastic chips hebben ook een gelaagde structuur die op een substraat wordt aangebracht. Op het substraat komt een viertal lagen. De buitenste lagen zijn elektroden, één binnenste laag is een isolator en de andere een halfgeleider. In de buitenste lagen zijn patroons van geleidende en isolerende gebieden verwerkt die functioneren als source, drain en gate van de transistoren die samen de chip vormen.

Het patroon wordt als volgt aangebracht. Met spin-coating verkrijgt het substraat de onderste elektrode, een laagje gedoteerd polyaniline (PANI) opgelost in een oplosmiddel waaraan een zogenaamde fotoinitiator is toegevoegd. Daarna wordt de polymeerfilm doorheen een sjabloon met ultraviolet licht bestraald. Het gedoteerde polyaniline heeft een geleidbaarheid die hoog genoeg is om dienst te kunnen doen als elektrische verbinding. De belichte delen reduceren echter onder invloed van de fotoinitiator tot een materiaal met een elektrische geleidbaarheid die zo’n 1010 keer lager is en dus elektrisch isoleert. De belichte delen worden dus de isolerende gebieden, de onbelichte gebieden geleiden. Tenslotte wordt de film verhit en verdampt het restant van de fotoinitiator dat nog in de niet-belichte delen aanwezig was. Daarna brengt met spin-coating de twee volgende lagen aan: een 50 nm dikke film van de halfgeleider PTV en een 250 nm dikke film van de isolator PVP. De tweede PANI-elektrode met fotoinitiator wordt gespincoat. Opnieuw vindt door een sjabloon de belichting met UV plaats. Het resultaat is een plastic transistor die door de contactpunten source, drain en gate met andere transistoren verbonden is. De halfgeleidende PTV-laag bepaalt hoofdzakelijk de elektrische eigenschappen van de transistor.

Valsmunters buitenspel

Over de mogelijke toepassingen wordt bij Philips nog volop nagedacht. De ontwikkeling tot praktische producten is volop bezig. Zo beschikt men reeds over een plooibaar beeldschermpje van 64 bij 64 beeldpunten, elk aangestuurd door een plastic transistor. Als je plastic chips in de verpakking van allerlei producten verwerkt, is het niet langer nodig om aan de kassa van een supermarkt alle streepjescodes manueel te scannen. Je loopt gewoon met je volle kar door een magnetisch poortje en het ticket met alle spullen en prijzen komt er in één keer uitgerold. Gedaan met aanschuiven aan de kassa. Bankbiljetten kunnen in de toekomst met een kunststof microchip een unieke identificatiecode krijgen. Valsmunters en bankrovers zouden wel eens voorgoed buitenspel gezet worden.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 2 uit de jaargang 2001 van het blad Archimedes.