Ook chipkaarten, elektronische streepjescodes en zonnecellen kunnen in de toekomst waarschijnlijk geheel uit kunststof worden gemaakt. Het voordeel: deze apparaten zijn simpeler te produceren en erg sterk. Plastic kun je gieten en eenvoudig bewerken met een techniek die veel op fotokopiëren lijkt. Plastic is daarom veel simpeler te produceren dan gewone elektronica.
Geleidend plastic
Plastic elektronica heeft dus de toekomst. Voor dit soort elektronica zullen kunststoffen gebruikt worden die elektriciteit geleiden. Dat is op zich al bijzonder, want normaal is plastic een goede isolator. Er is echter een plasticsoort met een bijzondere structuur, die ervoor zorgt dat elektronen door het materiaal heen kunnen stromen. Het bestaat uit lange moleculen van aaneengeschakelde benzeenringen, aangeduid als polyphenyleenvinyleen (PPV). In deze benzeenringen zitten elektronen relatief los. Vooral als er een klein beetje vervuiling wordt bijgemengd, zijn de elektronen beweeglijk. Door die toevoegingen stoten sommige plaatsen in het materiaal gemakkelijk een elektron af, andere nemen er één op. Daardoor kunnen de elektronen door het plastic gaan bewegen. De elektronen springen als het ware van de ene vervuiling naar de andere. Zo stromen de elektronen door het materiaal. Daarmee lijkt het materiaal erg op silicium of gallium, bekende halfgeleiders.
Licht uit plastic
Silicium is populair, omdat daaruit allerlei elektronische onderdelen kunnen worden gemaakt. Onderzoekers zijn erin geslaagd om simpele elektronische componenten ook uit geleidend plastic te maken. Een voorbeeld is de Light Emitting Diode (LED). Met zo’n LED kan een stukje plastic licht geven. Dat is de eerste stap op weg naar een beeldscherm, met duizenden LED’jes in rijen en kolommen, die samen een tv-beeld kunnen vormen.
Een klein spanninkje is genoeg om elektronen in een plastic LED in beweging te brengen. Er ontstaat dan een soort stoelendans tussen de elektronen om de plaatsen waar nog een elektron te kort is. Zodra een elektron op een lege plaats springt, komt er energie vrij in de vorm van een lichtdeeltje. Door slim te variëren met de structuur van de kunststof, kan de kleur van het licht worden beïnvloed, vertelt Martien de Voigt, hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven. ‘Zo kun je bijna elke kleur maken. Dat is belangrijk voor beeldschermen. Zo kun je bijvoorbeeld kleurenschermen produceren.’
Plastic op de grens
Het onderzoek van De Voigt wordt uitgevoerd in nauwe samenwerking met de onderzoeksgroep van Hidde Brongersma bij dezelfde universiteit. De groep van Brongersma is gespecialiseerd in het analyseren van de oppervlakten en grenslagen (zie Boenwas en Goud). ‘Vooral de overgang van verschillende materialen bepalen de elektrische en optische eigenschappen,’ aldus De Voigt. Moeilijkheid bij het maken van een plastic LED is de stabiliteit van het materiaal. ‘We onderzoeken allerlei factoren die de schuld kunnen zijn van de achteruitgang van het materiaal,’ vertelt De Voigt. ‘Stof kan een probleem zijn of vervuilingen die vanaf de elektroden het materiaal binnendringen. Ook het contact met lucht kan ervoor zorgen dat de kwaliteit van de kunststof afneemt.’
Om beter te begrijpen hoe het plastic wordt aangetast, onderzoekt De Voigt met zijn medewerkers hoe de plastic LED’s precies zijn samengesteld. Hij doet dat zo nauwkeurig, dat elke fout in het materiaal aan het licht komt. Het is daarbij de kunst om de subtiele plastic elektronica niet kapot te maken tijdens de meting. ‘Om het materiaal zo min mogelijk te verstoren, koelen we het af tot onder 260 graden onder nul. De atomen blijven dan in elk geval vastgevroren op hun plaats, ook als we het materiaal verstoren met de metingen.’ De metingen worden uitgevoerd door nauwkeurig protonen of heliumatomen af te schieten op het stukje plastic. Uit de manier waarop ze terugkaatsen, kan worden afgeleid wat de samenstelling is.
Dankzij dit soort metingen worden belangrijke vorderingen gemaakt met de toepassing van de plastic LED’s. Het is al gelukt om LED’s te combineren tot een simpel beeldscherm, waarbij elke LED één beeldpuntje voor zijn rekening neemt. Philips bouwt nu een fabriek voor deze beeldschermpjes. Het is de bedoeling dat ze verwerkt worden in zaktelefoons. Ze zijn sterker dan gewone LCD-schermen en gebruiken maar een fractie van de energie. Voor een telefoon, die alleen zijn eigen accu heeft voor de elektriciteitsvoorziening, is dat belangrijk.
Een plastic beeldschermpje, met 4096 transistoren van een halfgeleidend polymeer. Het schermpje meet 3,5 bij 3,5 centimeter. Bron: Phillips
Zendertje met streepjescode
In de laboratoria van Philips in Eindhoven is een andere toepassing ontwikkeld voor plastic elektronica. De onderzoekers zijn erin geslaagd om een kleine zender te maken, geheel in plastic. Wanneer er een sterke radiopuls wordt gegeven in de buurt van dit stukje plastic, antwoordt het met een reeks pulsjes in een bepaald ritme. Uit dit patroon kan een identificatienummer worden afgeleid. Daarmee lijkt het een beetje op een streepjescode. Ook daar komt het patroon van streepjes overeen met een nummer.
De zendertjes zijn bedoeld om producten te identificeren. De plastic zender functioneert als een draadloze streepjescode. Het apparaatje kan een onderdeel worden van plastic verpakkingsmateriaal. Zo kan een fles shampoo, een bakje kipfilet of een doos van een diepvriespizza een elektronisch zendertje bevatten. Dat is veel gemakkelijker dan een streepjescode. Bij de kassa hoef je alleen maar met je wagentje door een poortje te rijden en alle producten zenden hun identificatienummer uit. Zonder dat er nog een mens aan te pas komt, kan zo de inhoud van het winkelwagentje worden vastgesteld. Dat scheelt tijd bij de kassa. Het is bovendien handig bij het inventariseren van voorraden of bij het transport tussen het magazijn en de winkel.
Een compleet identificatiezendertje op een antidiefstalsticker. Bron: Phillips
Het maken van de plastic zender is een hele prestatie. Een oprolbaar plastic tv-scherm is nog veel lastiger. De bijbehorende elektronica moet miljoenen pulsjes verwerken. Heel wat anders dan de paar pulsjes voor de draadloze streepjescode.
Een experimenteel LCDtje van polymeren dat blijft werken, ook als het gebogen wordt. Bron: Phillips