Door het hoge contrast en resolutie is het prettiger om vanaf papier te lezen dan vanaf een beeldscherm. De tekeningen en teksten zijn scherper dan op een computermonitor. Daarbij kosten beeldschermen veel meer energie en bij zonlicht of schemer zijn ze slecht leesbaar. Elektronisch papier kun je vanuit elke positie lezen, het beeld wordt continu ververst en het is oprolbaar.

E-ink

De ontwikkeling van displays gaat erg hard. Terwijl het TFT scherm nu hard bezig is klassieke kathodestraalbuizen op alle fronten te vervangen, produceert Philips al de eerste oprolbare elektroforetische displays – gebaseerd op E-ink – voor verder onderzoek en presentaties. Intussen staat een mogelijke opvolger van het elektroforetisch display al in de kinderschoenen: Met electrowetting zullen vier gekleurde oliën in de toekomst voor razendsnelle pixels zorgen die in tien milliseconden omschakelen.

Maar voor de consument is het nog niet zo ver. Philips heeft onlangs, binnen het project Polymer Vision, een pre-pilot line neergezet, waarmee het bedrijf per jaar enkele duizenden elektroforetische zwart-wit displays kan maken. Pas over een jaar of twee zullen er van een pilotline miljoenen displays per jaar rollen. “Dit klinkt misschien veel, maar hiermee kun je nog geen consumentenmarkt bedienen”, zegt Gerwin Gelinck, senior scientist bij Philips Research. “De displays van de pilotline gaan we alleen gebruiken om de processen verder te verbeteren en als presentiemateriaal voor ‘leading curstomers’. De echte massaproductie staat pas gepland voor 2007/2008.”

Lage temperatuur

Het elektroforetisch principe is ontwikkeld door het bedrijf E-ink. Kleine bolvormige microcapsules met een diameter van 0,1 mm bevatten zwarte en witte pigmentdeeltjes met een tegengestelde lading. Een elektrische schakeling onder de capsule zet een positief of negatief veld over de capsule, zodat de zwarte of juist de witte deeltjes boven komen liggen. Deze worden dan voor het oog zichtbaar. “De eerste e-ink-toepassing met een hoge resolutie komt de komende zomer in Japan op de markt”, zegt Gelinck. “Philips en E-ink ontwikkelen namelijk displays op glas, maar deze zijn niet oprolbaar.”

Om de vele elektrische veldjes op elke pixel aan te leggen, gebruikt Philips plastic elektronica. De bekende siliciumgebaseerde transistoren worden namelijk gemaakt bij temperaturen van 200 tot 300 graden en daar kunnen de buigzame plastic substraten, die nodig zijn om de display oprolbaar te maken, niet tegen. Ze zouden smelten en daarom is silicium niet zo geschikt. “Een ander voordeel van plastic transistoren is dat we ze vanuit oplossing heel makkelijk aan kunnen brengen op grote oppervlaktes.”, voegt Gelinck toe. “Dit maakt het proces heel goedkoop. De dure hoogvacuümapparatuur die bij anorganische materialen wordt gebruikt heb je niet nodig.”

Spincoaten

Niet alleen de transistoren, maar ook hele elektronische circuits, zoals een deel van de displayaansturing, bestaan uit op elkaar gestapelde plastic laagjes: polyvinylphenol (de isolator) en pentaceen (de halfgeleider). Philips brengt deze lagen aan uit oplossing met behulp van spincoating. Op een rond substraat dat heel hard ronddraait, ontstaat zo een egale laag van typisch 100 nanometer dik. De elektrodes – tot enkele micrometers breed – brengen de onderzoekers hierin aan met behulp van fotolithografie. In de laag zitten fotogevoelige componenten, die onder invloed van licht de oplosbaarheid van het materiaal veranderen. De onderzoekers belichten de laag via een masker. Met een selectief oplosmiddel wassen de onderzoekers de belichte of de juist niet belichte delen vervolgens weg.

“Het inbedden van de al die kunststof elektronica heeft ook een esthetische kant”, vertelt Gelinck. “In een display van een mobiele telefoon zijn de elektrische aanvoerbanen weggewerkt in de behuizing waar ook de aanstuurcircuitjes zitten. Bij een oprolbaar beeldscherm is de behuizing afwezig en zou je de aanvoerbanen rondom het display zien liggen. Dat staat lelijk en is bovendien ‘dode ruimte’. Door een deel van de aanstuurcircuits weg te werken in een dun randje naast het display, hebben we het aantal aanvoerbanen beperkt. Zo is het display mooier en bovendien goedkoper.”

“Aan de functies in elektronische circuits stellen we overigens wel hoge eisen”, voegt Gelinck toe “Als een pixel het niet doet door een kapotte transistor, dan valt die pixel uit. Dat is jammer maar dan doet de rest van het display het nog wel. Als echter een transistor in een circuit uitvalt, dan doet dit hele circuit het niet meer. Hierin kunnen we ons dus nog minder fouten veroorloven.”

Levensduur

Philips staat nog voor een aantal uitdagingen voordat het display optimaal werkt en geschikt is voor massaproductie. “Zo zorgen deeltjes en stof er voor dat lijnen soms uitvallen”, zegt Gelinck. “Dat moeten we nog verbeteren. Dit zag je overigens ook bij de eerste laptopdisplays. Die hadden ook foute lijnen of pixels.”

Philips werkt hard aan de levensduur van het display. In tegenstelling tot bijvoorbeeld glazen displays, kan een oprolbaar beeldscherm niet helemaal afgesloten zijn. Hierdoor komt er vocht en lucht binnen en daar kunnen de organische materialen niet goed tegen. “De displays die we nu maken gaan ongeveer een paar maanden mee. We bekijken nu welke materialen precies degraderen en waarom ze dat doen. We denken dat oxidatiereacties tussen water en onze organische halfgeleiders de grote boosdoener zijn. Verder kijken we naar methodes om de lagen te beschermen zonder dat het display minder flexibel wordt.”

Daarnaast kijken de onderzoekers ook of ze de displays nog dunner kunnen maken, zodat ze nog verder zijn op te rollen. “De displays halen nu een kromtestraal van twee centimeter”, zegt Gelinck. “Dat komt omdat het hele lagenpakket ongeveer 300 micrometer dik is. Bij het oprollen rek je materialen uit en veel materialen kunnen niet meer dan 1% rek verdragen. Rol je toch verder dan kunnen de lagen van elkaar af gaan staan of zelfs opbreken. We willen eigenlijk naar een dikte van 100 micrometer toe zodat je het display op kunt rollen tot een kromtestraal van één centimeter. Dan is het vergelijkbaar met de dikte van een mobiele telefoon. De e-ink laag draagt nu verreweg het meeste bij aan de dikte en moet dunner kunnen.”

Nichemarkt

Op de website van Polymer Vision is nog maar een concreet product te bewonderen, maar over andere toepassingen wordt hard nagedacht. “Wat voor toepassingen zo’n technologie gaat hebben weet je van te voren niet precies”, legt Gelinck uit. “Wat je wel weet is dat je niet in een markt moet gaan vechten waar al een technologie voor bestaat. Het is dus niet zo slim om met kunststof transistoren te gaan concurreren in gebieden waarin amorf silicium zit, zoals die van de huidige TFT-schermen.”

“Die TFT-schermen zijn trouwens een mooi voorbeeld van hoe het wel moet”, aldus Gelinck. “Met TV’s hadden ze in het begin niet kunnen concurreren, want ze waren lang niet zo mooi als bestaande TV’s. Daarom is TFT begonnen in een markt waar het uniek was. Het feit dat ze dun waren, maakte ze uitstekend geschikt voor laptops. In die nichemarkt is TFT dus begonnen en daar wordt nu geld verdiend. Daarna kun je de technologie verder ontwikkelen en andere markten betreden. Nu is TFT in het stadium waarin het de huidige TV zal vervangen.”

Het viel Philips in het begin niet mee om de juiste toepassingen te bedenken voor de polymere elektronica. "We hebben er lang over nagedacht. Het unieke aan plastic elektronica zijn de mechanische eigenschappen en de lage temperatuur waarbij je het kunt maken. Omdat een oprolbaar scherm nieuw is, zal de consument het minder snel vergelijken met iets wat al bestaat, zoals een LCD-scherm. Dat het nog niet in kleur is bijvoorbeeld, accepteren mensen. Dan sta je in elk geval in de markt, en vanuit die positie kun je de technologie verder ontwikkelen overgaan op kleur.