Je leest:

Plastic perfectie

Plastic perfectie

Auteur: | 28 november 2003

Goedkoop, flexibel, milieuvriendelijk, licht, robuust, integreerbaar, maakbaar op de rol, … Als alle verwachtingen die geleidende polymeren wekken bewaarheid worden, zullen steeds meer producten elektronische functies krijgen.

Producten traceren op hun weg naar en in de supermarkt. En meteen erbij programmeren hoe de verpakking hergebruikt of vernietigd moet worden. Grote vellen met plastic zonnecellen uitrollen als tijdelijke energievoorziening. Meten of luiers aan vervanging toe zijn … Het zijn maar een paar van de vele toepassingen die met silicium wel mogelijk, maar niet rendabel zijn.

In de siliciumindustrie draait het allemaal om steeds kleiner en sneller. Ook al is de grondstof, zand, goedkoop, de productieapparatuur en clean rooms waaraan steeds hogere eisen worden gesteld, maken het productieproces steeds duurder. Met name dat productieproces is voor plastic elektronica veel goedkoper. Een ander voordeel is dat de productieafmetingen niet aan een maximum gebonden zijn, zoals bij de productie van siliciumchips waar alleen plakken van gestandaardiseerde afmetingen gebruikt kunnen worden. In principe kan de productie van polymeerchips ‘op de rol’ gebeuren en dus komen heel andere toepassingen in beeld.

Bij dit scheerapparaat werd voor het eerst PolyLED display technologie commercieel toegepast. Bron: Philips

Weggooichips

Polymeerchips zullen siliciumchips nooit één op één gaan vervangen en dat is ook helemaal niet de bedoeling. We zullen de geboorte van een all-plastic computer niet meemaken. Maar als de elektrische eisen niet zo hoog zijn en massaproductie en prijs belangrijk zijn, liggen er grote mogelijkheden: ‘weggooichips’ als elektronische barcode, grote plastic zonnecellen, grote lichtgevende vlakken en flexibele displays zijn onderwerpen die nu onderzocht worden en soms al tot producten geleid hebben.

De plaats waar het onderzoek in Nederland op polymeergebied samenkomt, is het Dutch Polymer Institute (DPI). Sinds 1998 opereert het DPI als Technologisch Top Instituut (TTI). Het is een virtueel TTI waarin onderzoeksinstellingen op het gebied van polymeren samenwerken met bedrijven die in toepassingen geïnteresseerd zijn. In 1997 riep de toenmalige minister van Economische Zaken Hans Wijers dit nieuwe innovatie-instrument in het leven. En dat het werkt, bleek 18 november jl. op een vergadering waar met alle betrokkenen het functioneren van het DPI geëvalueerd werd.

Precompetitief onderzoek

‘In feite doen wij wat de industrie niet meer zelf kan doen omdat er geen ruimte voor is en wat de universiteiten nog niet deden omdat ze er geen ervaring in hadden’, zegt Prof.dr. Thijs Michels, die bij het DPI de leiding heeft over het onderzoek aan functionele polymeren. ‘Het DPI is iets wezenlijk nieuws, dat er vroeger niet was. Door onderzoek in de precompetitieve fase samen te doen, kunnen bedrijven veel geld besparen en nieuwe kennis opdoen, en dat gebeurt ook. Iedereen is hiervan overtuigd.’ Ir. George van Os, Managing Director van het DPI, vult aan: ‘Hopelijk krijgt dit initiatief meer navolging, ook in Europees verband. Het is mijns inziens veel effectiever om alle onderzoek af te dekken met TTI’s, in plaats van elke hype die zich voordoet met afzonderlijke subsidies te steunen. Subsidies komen beter terecht in een bestaande en goed functionerende omgeving. De politiek zou beter gebruik moeten maken van werkende initiatieven in plaats van elke keer iets nieuws te bedenken. Ik denk trouwens dat een TTI op het gebied van energievoorziening een goede aanvulling is op de vier bestaande TTI’s.’

Functionele polymeren

De grootste pijler van het polymeeronderzoek in het DPI is het onderzoek naar functionele polymeren. Van Os: ‘Alle polymeren die wij onderzoeken hebben een functie natuurlijk, maar met deze onderverdeling bedoelen we de niet voor de hand liggende functies zoals zorgen voor stevigheid en bescherming tegen de buitenwereld, maar optische, elektrische en magnetische eigenschappen.’ De geleidende polymeren vormen een belangrijke subgroep binnen de functionele polymeren. Het ministerie van Economische Zaken voltooide dit jaar een Innovatieverkenning op het gebied van functionele polymeren. In bijna alle daarin genoemde toepassingsgebieden spelen geleidende polymeren een rol. Op 17 december aanstaande zal er in Eindhoven een conferentie worden gehouden waar het geïnteresseerde bedrijfsleven warm gemaakt wordt voor toepassingen van dit veelbelovende onderzoeksterrein.

Binnen het onderzoek aan functionele polymeren in het DPI lopen vijf grote projecten waar in totaal veertig mensen aan werken. Michels somt ze even op: ‘We werken aan organische transistoren (field effect transistors of fets) en leds (light emitting diodes), aan composietmaterialen zoals hooggeleidende rubbers, aan optische coatings voor displays, aan zonnecellen en aan brandstofcellen en batterijen. Wat de leds en fets betreft, onderzoeken we allerlei fundamentele problemen die spelen in producten of prototypes, waarvan de werking al is aangetoond. Waarom is de geleiding in de gebruikte materialen nog niet zo goed als zou moeten? En hoe beïnvloeden kleine veranderingen in het productieproces de gewenste eigenschappen? Met welk polymeer kun je het beste alle kleuren licht genereren in polyleds voor displays? Op dat soort vragen proberen wij systematisch een antwoord te krijgen. Het gaat weliswaar om details, maar die hebben toch een wezenlijke invloed op het eindresultaat.’ De bestaande producten zijn polyleds en plastic transistoren, beide onderwerpen die op het Philips Nat.Lab. voor het eerst aangepakt zijn.

Supermarktchip

Prof.dr. Hans Hofstraat, Vicepresident van Philips en groepsleider van de groep Polymers & Organic Chemistry op het Nat.Lab.: ‘Na het scheerapparaat met het PolyLed-display dat Philips als eerste product met polymere elektronica vorig jaar op de markt bracht, komen er volgend jaar meer kleine displays aan voor toepassingen in bijvoorbeeld telefoons en pda’s. Tien jaar nadat Philips met het onderzoek op het gebied van polymere leds begon, zijn de eerste producten op de markt. Voor de andere toepassingen waar we aan werken zal dat nog even duren, uiteraard willen we eerst helemaal zeker zijn van de betrouwbaarheid van onze producten. De supermarktchip hebben we voor het eerst als prototype in het laboratorium laten zien in 1998 en de all-plastic displayaansturing in 2000. De stabiliteit van de halfgeleiders moet nog behoorlijk beter worden voor deze toepassingen in producten terechtkomen.’

‘We doen nu onderzoek naar het gebruik van het zogeheten precursor pentaceen als bouwblok voor geleidende organische materialen (zie kader). Pentaceen heeft het voordeel dat er veel over bekend is. Het wordt al geruime tijd door tal van wetenschappers onderzocht. De geleiding in dat materiaal is prima en begint die in amorf silicium te benaderen. Het nadeel is echter dat het materiaal niet oplosbaar is –in de laboratoria wordt het materiaal aangebracht vanuit de gasfase– en dat is wel nodig als we inkjetdrukken willen gebruiken als productiewijze voor bijvoorbeeld elektronische barcodes. Inmiddels hebben we een techniek ontwikkeld waarmee we het materiaal als oplosbare precursor in mooie homogene, gepatroneerde lagen kunnen aanbrengen. Door een eenvoudige temperatuurstap kunnen we het vervolgens omzetten in het halfgeleidende pentaceen. De stabiliteit van dit materiaal is aanzienlijk beter (van de orde van maanden) dan die van het polythiofeen dat we in eerste instantie voor dit soort schakelingen gebruikten. We zijn nu bezig grotere aantallen van op pentaceen gebaseerde prototypes te onderzoeken om statistisch onderbouwde levensduurgegevens te verkrijgen.’

Een voorbeeld van een toepassing van een plastic chip: een electronische streepjes- of barcode. De spiraal is een antenne die een RF-signaal op kan pikken en het zwarte gedeeltje in het centrum is de geheugenchip. Bron: Philipswww.research.philips.com

Ook bij TNO Industrie vinden activiteiten plaats die gericht zijn op het verbeteren van het halfgeleidermateriaal. Dr. Herman Schoo heeft er de groep Polymer Electronics onder zijn hoede. Schoo: ‘Als je de mobiliteit van de ladingsdragers met een factor 10 omhoog brengt, maak je de schakelsnelheid en dus de klokfrequentie sneller. Dan kun je in plaats van één meting –bijvoorbeeld bij uitlezen van een identificatiekaart bij automatische toegangsverlening, wat best een paar tienden van seconden mag duren– alle producten tegelijk detecteren in een supermarktkarretje dat de kassapoort passeert.’

Hofstraat vervolgt: ‘De belangrijkste toepassing is voor Philips de displayaansturing. We hebben sinds 2000 toen we als eerste een werkende, volledig op polymeren gebaseerde displayaansturing hebben laten zien, de optische kwaliteit verbeterd en het IC slimmer gemaakt. In 2000 werd deze chip nog gedemonstreerd op een substraat van glas, inmiddels hebben we die aansturing ook op een polymeer en dus flexibel substraat gemaakt. We richten ons nu op de reproduceerbaarheid en de processing condities. De opschaling tot economische schaal is ook een punt waar we veel aandacht aan besteden. Daarnaast hebben we inmiddels ook een 48-bits elektronische barcode gemaakt en hebben we een kleine activiteit op het gebied van polymere geheugens.’

Principiële doorbraak

Onlangs heeft een groep onderzoekers onder leiding van dr. Dago de Leeuw in het Philips Nat.Lab. laten zien dat ‘CMOS’ in plastic elektronica ook mogelijk is. CMOS (van Complementary Metal Oxide Semiconductor) is de technologie die in silicium het gebruik van p- en n-type halfgeleidend materiaal combineert. Tot nu toe konden uitsluitend p-type halfgeleidende polymeren worden toegepast, dat wil zeggen dat de positieve ladingsdragers voor het transport van lading zorgen. Door de uitvinding van de Nat.Lab.-onderzoekers kunnen nu p- en n-type geleiding ook in polymeren gecombineerd worden. Het voordeel daarvan is dat de snelheid van de schakelingen toeneemt en dat ze eenvoudiger worden. Hofstraat: ‘Dit is nog fundamenteel onderzoek en er moet nog veel werk verzet worden voor we het in een product kunnen laten zien, maar de eerste werkende schakelingen zijn er. Het is een principiële doorbraak die een heleboel nieuwe toepassingen dichterbij brengt.’


Geleidende polymeren

Polymeren zijn lange ketenmoleculen, aaneenschakelingen van identieke basiseenheden, monomeren of precursors genaamd. De meeste polymeren zijn isolatoren, maar sommige hebben de eigenschap dat ze elektrische stroom in zekere mate kunnen geleiden. In 2000 kregen Heeger, McDiarmid en Shirakawa de Nobelprijs voor hun ontdekking van geleidende polymeren in 1977. Uit combinaties van isolerende, halfgeleidende en geleidende polymeren kunnen in soortgelijke lagenstructuren als in silicium gebruikelijk zijn, chips worden opgebouwd. Met alle voordelen die polymeren hebben boven silicium. Het is goedkoop materiaal dat in twee opzichten flexibel is: letterlijk in mechanische zin maar ook figuurlijk omdat chemische, optische en elektrische eigenschappen te beïnvloeden zijn door de keuze van de samenstellende monomeren of zijgroepen. Ten opzichte van silicium chips zijn er ook nadelen: plastic elektronica is veel langzamer. Een computer met een kloksnelheid van 1GHz zou in polymere uitvoering maar 1 kHz halen.

Alle geleidende polymeren zijn van een bepaald type. Het zijn geconjugeerde polymeren. Tussen de individuele atomen in een dergelijk polymeer komen afwisselend enkele en dubbele chemische bindingen voor. Dit houdt in dat de elektronen die de dubbele binding verzorgen, vrij kunnen bewegen langs de keten. Als de moleculen dicht genoeg bij elkaar liggen kunnen elektronen ook overspringen naar dichtbijgelegen ketens en dus kan er een elektrische stroom vloeien. Naarmate een materiaal zuiverder en beter geordend is, is de geleidbaarheid beter en komen er meer toepassingen in de elektronica dichterbij. Het verst in deze ontwikkeling zijn de organische leds: een actieve laag van geleidende polymeren die onder invloed van een elektrische spanning licht gaat uitzenden.

Polymere chips kunnen met eenvoudige technieken als spincoaten en inkjetdrukken bij lage temperaturen in een paar stappen gemaakt worden. In principe is massaproductie ‘op de rol’ mogelijk. De oplosbaarheid en de viscositeit van de polymeren kan door het aanbrengen van flexibele zijgroepen aan het productieproces aangepast worden. Door die zijgroepen slim te kiezen kunnen meteen eigenschappen als stabiliteit en geleidbaarheid geregeld worden. Worden de halfgeleidende polymeren gebruikt als actieve, dat wil zeggen lichtgevende laag in organische leds, dan kan zo ook de kleur van het licht gekozen worden.

Eigenschappen en mogelijke toepassingen De specifieke eigenschappen van geleidende polymeren brengen op korte of langere termijn een groot aantal interessante toepassingen binnen bereik. _ · antistatisch: film, kleding, verpakking van elektronica, bescherming · hooggeleidend: bedrading, elektrodes, corrosiebestrijding, condensator · halfgeleidend, hoge ladingsmobiliteit: transistor, diode, plastic chips · volumeverandering: actuator, kunstspier · kleur (elektrochroom): camouflage, ‘smart window’ · fotovoltaïsch: fotodiode, zonnecel · lichtemissie: led, display, verlichting · oppervlakte-energie: drukrollen, ‘smart membrane’, filters · weerstandsverandering: sensoren, alarm, temperatuurmeting_ -————————————————————————————————————————————————————————-

Zonnecellen

Ook in andere toepassingen kunnen geleidende polymeren op den duur silicium gaan vervangen, bijvoorbeeld in zonnecellen. Dat zijn nu nog starre, zware, lastig hanteerbare en kwetsbare dingen. Het gebruik van zonne-energie is nu dan ook nog beperkt. De belangrijkste reden is dat het nuttig gebruik van zonne-energie relatief duur is en niet kan concurreren met bestaande energievormen. Fotovoltaïsche zonnecellen worden gemaakt van hoogwaardige en dure halfgeleiders zoals multikristallijn silicium. Met het uiteindelijke doel om goedkoper zonne-energie te kunnen benutten, wordt aan de Technische Universiteit Eindhoven onderzoek verricht naar plastic zonnecellen.

Prof.dr. René Janssen, leider van de groep Molecular Materials and Nanosystems aan de faculteiten natuurkunde en scheikunde: ‘Als er zonlicht valt op het actieve materiaal, ontstaat er een elektron/gatpaar. Dat gaat zeer efficiënt en met een hoge snelheid. De gemaakte ladingsdragers moeten daarna afgevoerd worden naar een elektrode, voordat ze de kans krijgen te recombineren. Omdat het transport relatief traag is, wordt gebruik gemaakt van een dunne actieve organische laag, zodat de elektrode toch snel bereikt wordt. Het belangrijkste aandachtspunt in het onderzoek is het verbeteren van het rendement. De beste plastic zonnecellen bestaan uit een mengsel van een geconjugeerd polymeer dat als electrondonor fungeert en een oplosbaar C60-fullereen (bucky ball) dat als elektronacceptor optreedt. Deze hebben inmiddels een rendement van circa 3,5%. Dat is echter nog te laag vergeleken met cellen op basis van multikristallijn silicium die in productie een rendement hebben van bijna 15% en in het laboratorium zelfs 20%, maar in de laatste jaren is veel vooruitgang geboekt. Nog maar twee jaar geleden hadden de beste plastic zonnecellen een rendement van minder dan 1%. We zoeken nu naar materialen die het zonlicht effectiever, dat wil zeggen in een groter deel van het spectrum, absorberen. Op basis van wat we nu weten moeten rendementen tussen de 5 en 10% haalbaar zijn in plastic zonnecellen.’

‘Dat het rendement nog steeds veel lager is dan voor siliciumcellen vindt Shell, een van de partners in dit onderzoek, helemaal niet erg,’ voegt Michels eraan toe. ‘Toen Shell zich uit de markt van de polymeren terugtrok, zijn ze vanwege de langetermijnvooruitzichten partner van DPI gebleven. De mogelijkheid om uiteindelijk enorme vellen zonnecellen goedkoop te produceren is wat het voor hen aantrekkelijk maakt.’ Dat soort productie ligt echter nog ver in het verschiet. Michels is het met de experts eens dat het zeker nog 15 jaar zal duren eer plastic zonnecellen op de markt komen.

Sensoren

Michels: ‘Ons programma is niet heilig in die zin dat we ons in de toekomst beperken tot de vijf genoemde projecten. Binnenkort hebben we weer een ’call for proposals’ en daar mogen wat ons betreft hele nieuwe voorstellen bij zijn die buiten de vijf bestaande onderzoeksgebieden vallen. Ik denk zelf dat er op het gebied van sensoren leuke toepassingen mogelijk zijn. Je moet dan denken aan detectiemethoden in bijvoorbeeld de biochemie. Zodra aan een specifieke organische groep een geleidend polymeer adsorbeert, verandert de ladingsverdeling en zou je bijvoorbeeld aan de kleur kunnen zien welke moleculen gedetecteerd zijn.’

TNO Industrie werkt op dit moment al aan sensoren. De groep van Schoo heeft een flexibel sensorconcept ontwikkeld. Het bestaat uit een polyled en een fotodiode met een polymeer als actieve laag. In de ruimte daartussen bevindt zich een stof die van kleur verandert als er een reactie plaatsvindt. Op die manier kun je het kleursignaal in een gemakkelijker te verwerken en op te slaan elektrisch signaal omzetten. Schoo: ‘Je kunt denken aan sensoren die vocht meten of aan alcoholcontrole door de politie. Het aardige van dit concept is het niet aan een formaat gebonden is. Je kunt de sensoren zo groot maken als je wilt, maar je kunt ze ook in veel kleine stukjes verdelen. Je kunt zo iets duizend keer in een klap meten en dus de betrouwbaarheid opvoeren, of zelfs duizend verschillende metingen doen. Vanuit de voedingsindustrie, de medische wereld en ook de defensie-industrie (anthraxdetectie na 9-11) is er veel belangstelling voor dit soort veelzijdige sensoren. Het leuke van werken met polymeren is dat je ze zo kunt ontwerpen dat ze net dat doen wat jij wilt.’

Dit artikel is een publicatie van De Ingenieur.
© De Ingenieur, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 november 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.