Steeds kleiner, steeds sneller. Daar draait het om in de micro-elektronica. Computerchips krijgen alsmaar kleinere afmetingen en hogere schakelsnelheden. Die indrukwekkende technologische vooruitgang heeft een keerzijde: de geïntegreerde schakelingen, IC’s, worden steeds kwetsbaarder. De stofvrije condities in de cleanrooms waarin ze vervaardigd worden, worden steeds strenger en de productieapparatuur wordt exponentieel duurder.
Sinds kort kent de digitale elektronica een nieuwe dimensie. Drijvende kracht is dit keer niet ‘steeds kleiner, steeds sneller’ maar de lage prijs en de unieke eigenschappen van het gebruikte materiaal, plastic. In 1998 demonstreerde een groep onderzoekers van het Philips Natuurkundig Laboratorium, onder aanvoering van fysisch-chemicus Dago de Leeuw, als eerste ter wereld een werkende polymere IC. Een nieuw vakgebied!
Polymeren
Wat maakt polymeren zo geschikt voor elektronische toepassingen? Ze kunnen gemakkelijk worden verwerkt en aangebracht vanuit oplossing. Polymere elektronische producten kunnen met simpele hulpmiddelen en tegen geringe kosten worden gemaakt. Polymeren hebben bovendien unieke eigenschappen: ze zijn licht en buigzaam en makkelijk aan te brengen over een groot oppervlak. Ook vanuit milieu-oogpunt bieden ze voordelen: de vervaardiging hoeft niet in ultraschone (deeltjesvrije), energieverslindende cleanrooms te gebeuren en ze zijn na gebruik effectief te verwerken. Nog een belangrijk voordeel: de keuzevrijheid bij de chemische samenstelling van polymeren. Door monomeren met verschillende elektronische eigenschappen te gebruiken voor de synthese, kan men de functies van de materialen naar behoeven instellen. Ten opzichte van de gebruikelijke anorganische halfgeleiders, zoals silicium, hebben de thans beschikbare polymeren ook nadelen: door de beperkte beweeglijkheid van de ladingsdragers zijn de prestaties minder goed. Ter vergelijking: een computer met een kloksnelheid van 1 gigahertz zou in een polymere uitvoering slechts een snelheid van 1 kilohertz halen.
De basis van deze polymere technologie wordt gevormd door ‘geconjugeerde’ polymeren, met afwisselend enkele en dubbele koolstofbindingen. De elektronen van de dubbele bindingen zijn gedelocaliseerd: ze kunnen langs het macromolecuul bewegen, net als in silicium. Door een geschikte keuze van de monomeren kan men zowel halfgeleidende als geleidende polymeren verkrijgen.
Streepjescode
Simpele polymere transistoren werden al aan het begin van de jaren negentig gerealiseerd. Nu zijn transistoren op zichzelf niet erg nuttig. Dago de Leeuw en zijn medewerkers slaagden er echter in om 326 volledig functionele polymere transistoren op een flexibele drager aan te brengen. Door een uitgekiend ontwerp vormden deze transistors tezamen een chip, om precies te zijn een digitale 15bit-codegenerator, met een unieke digitale code. Met deze polymere IC (geïntegreerde schakeling) kan een elektronische, op afstand afleesbare, barcode (streepjescode) worden gerealiseerd tegen zeer lage kosten.
Figuur 2. De elektronische barcode, de spiraal is de antenne die het RF signaal ontvangt; in het midden van de antenne bevindt zich de polymere geheugenchip. Bron: J.W. Hofstraat
Ze kunnen bijvoorbeeld worden toegepast in elektronische prijsstickers. Die kunnen op supermarktproducten aangebracht worden. Ze worden aan de kassa automatisch uitgelezen, terwijl de klant tussen twee poortjes doorloopt. Naast prijsinformatie kunnen de stickers ook andere gegevens bevatten zoals de productiedatum, houdbaarheidsdatum en plaats van herkomst. Al deze toepassingen richten zich op massamarkten, waar behoefte is aan miljarden labels per jaar. Een andere mogelijke toepassing is het toevoegen van elektronische stickers aan advertenties: via de sticker kan de consument productinformatie uitlezen, eventueel na koppeling met een internet-site. Op dit ogenblik worden 48bit-codegeneratoren vervaardigd, waarin zo’n 1000 transistoren zijn geïntegreerd. De commercialisering van polymere IC’s is inmiddels omarmd door de Business Unit Identification van Philips Semiconductors, die uitgesproken heeft als eerste producten van polymere elektronica op de markt te willen brengen.
Een tweede voorbeeld van een toepassing van polymere elektronica betreft de elektronische aansturing van actieve matrix- displays, waarbij elk beeldelement ( pixel) wordt aan- of uitgeschakeld met behulp van een polymere transistor.
Actieve-matrix-aansturing is bijvoorbeeld bepalend voor de beeldkwaliteit van laptops. Tegenwoordig kunnen uitsluitend glazen actieve platen worden gebruikt, waardoor de beeldschermen relatief zwaar en niet buigbaar zijn.
Figuur 3. Een Polymer-Dispersed Liquid-Crystal Display van 64 × 64 beeldpunten waarvan elk beeldpunt wordt aangestuurd door een actieve matrix van op polymeren gebaseerde dunne film transistoren. Het display heeft een afmeting van 3,5×3,5 cm2. Bron: J.W. Hofstraat
Elektronisch papier
Met polymere elektronica kan een actieve plaat worden verkregen, die dun is en vrijwel niets weegt. Op deze wijze wordt niet alleen een flexibel, maar ook een ‘onbreekbaar’ beeldscherm verkregen. Het is zelfs denkbaar om aldus ‘elektronisch papier’ te maken, een volledig functioneel beeldscherm met de verschijningsvorm en optische kwaliteit van papier. Het kostenvoordeel van polymere elektronica is groot: de huidige, op siliciumtechnologie gebaseerde beeldschermen van laptops zijn relatief groot en dus kostbaar, terwijl de structuur voor de polymere pixelaansturing op eenvoudige wijze kan worden aangebracht vanuit oplossing. Misschien kan deze structuur zelfs gedrukt worden.
De doorbraak uit 1998 heeft dus geleid tot het ontstaan van een geheel nieuwe technologie. De vergelijking met de opkomst van de op silicium gebaseerde chipindustrie, ruim 40 jaar geleden, dringt zich op.
Zie ook:
Literatuur:
- G.H. Gellinck, D.M. de Leeuw, Nobel Prize for Chemistry: conducting polymers, Nederlands Tijdschrift Natuurkunde 66 (2000), 380-382 (Een beeld van de mogelijkheden van polymeren voor electronische toepassingen, naar aanleiding van de toekenning van de Nobel Prijs chemie in 2000 voor Shirakawa, McDiarmid en Heeger voor hun werk aan geleidende polymeren).
- G.H. Gellinck, T.C.T. Geuns, D.M. de Leeuw, Highperformance all-polymer integrated circuits Applied Physics Letters 77 (2000), pp. 1487-1489 (Een inzicht in de recente stand van zaken).
- Dago de Leeuw, Plastic electronics, Physics World 12/3 (1999), pp. 31-34 (Algemeen overzicht over mogelijkheden van plastic electronica).
- C.J. Drury, C.M.J. Mutsaers, C.M. Hart, D.M. de Leeuw, Low-cost allpolymer integrated circuits, Applied Physics Letters 73 (1998), pp. 108-110 (Het eerste artikel over een polymere IC).
KNAW
Dit artikel is afkomstig uit het boek Chemie achter de dijken, een gezamenlijke uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV). Het werd in 2001 uitgegeven ter herdenking van het feit dat de Nederlander Jacobus Henricus Van ‘t Hoff honderd jaar eerder in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de scheikunde won. Chemie achter de dijken belicht Nederlandse uitvindingen en ontdekkingen op chemisch gebied sinds 1901. In zo’n zeventig bijdragen (voor het overgrote deel opgenomen in Kennislink) wordt de betekenis van de Nederlandse chemie duidelijk voor ontwikkelingen op het gebied van de gezondheidszorg (bijvoorbeeld de kunstnier), de voedingsmiddelenindustrie (onder andere zoetstoffen), de kledingindustrie (bijvoorbeeld ademende regenkleding) of de elektronica (zoals herschrijfbare CD’s).