Het produceren van buigzame organische elektronica zoals flexibele LEDs en beeldschermen blijkt op grote schaal moeilijker dan gedacht. Dezelfde prototypes van opgerolde schermpjes die fabrikanten destijds trots aan de wereld lieten zien doen nu nog steeds dienst. Nog steeds als prototype, hoewel er hier en daar op de markt producten verschijnen waarin flexibele elektronica is verwerkt zoals designjurken, een fietsjack met lichtgevende strepen of een rugzak met een flexibel zonnepaneeltje erop.

Onzichtbaar
Het grote publiek merkt er nog weinig van. Toch is hoogleraar Jean Manca van de Universiteit Hasselt (België) optimistisch. 'Veel zichtbare toepassingen zijn nog niet op de markt maar printbare, flexibele elektronica wordt wel degelijk in grote hoeveelheden gebruikt. Achter de oplichtende toetsen van een mobiele telefoon zit vaak een plaatje van een geprinte polymere laag die licht geeft. Daarvan zijn er miljoenen. Ook anti-diefstal chips zijn vaak geprinte plaatjes organische elektronica.' 
De doorbraak begint nu te komen, zegt Manca. Van de drie grote toepassingen van organische elektronica is verlichting wel de belangrijkste in de vorm van OLEDs en elektroluminescente panelen voor bijvoorbeeld reclame. De tweede is printbare elektronische circuits zoals sensoren of rfid chips voor beveiliging of intelligente verpakking. De derde is flexibele zonnecellen. 'De efficiëntie van organische zonnepanelen is de laatste jaren gestaag met een procent per jaar gestegen. We zitten nu op acht procent, we moeten naar tien tot vijftien. Je kunt dus uitrekenen hoe lang het nog gaat duren voordat elektriciteit uit oprolbare zonnepanelen betaalbaar is,' aldus Manca.
Op het gebied van organische LED-verlichting is er wel degelijk heel veel nieuws ontwikkeld, zegt Reinder Coehoorn, research fellow bij Philips en hoogleraar nanosystemen aan de TU Eindhoven. Begin deze eeuw ontdekte men dat de efficiëntie van OLEDs enorm verbeterd kan worden met een truc. Normaal gesproken zorgen alleen de zogeheten singlet excitaties voor licht via fluorescentie. Je verliest daardoor driekwart van de energie. Door het toevoegen van moleculen met daarin een iridiumatoom aan de organische laag kunnen de triplet excitaties ook licht geven via fosforescentie. Een groene OLED kan haalt daarmee een kwantumefficiëntie van bijna honderd procent. De blauwe en rode wat minder maar daar wordt aan gewerkt, zegt Coehoorn.
Naast efficiëntie is de laatste jaren heel veel onderzoek gedaan naar een betere levensduur en kleurstabiliteit van OLEDs. 'Met name blauwe fosforescent en gaan minder dan tienduizend uur mee,' zegt Coehoorn. Het blijkt dat elektronen, gaten en excitonen bindingen kunnen breken van het blauwe molecuul. Philips werkt met kleurstoffenleverancier BASF aan meer stabiele moleculen en aan oplossingen waarbij de energierijke deeltjes beter gespreid zijn over de emitterende lagen zodat ze minder schade aan kunnen richten.

Oplosbaar
Organische halfgeleiders zoals kleine geconjugeerde moleculen of polymeren, zijn bij uitstek geschikt om plooibare elektronica te maken. Deze organische verbindingen zijn in vaste vorm flexibel in tegenstelling tot bijvoorbeeld de oer-halfgeleider kristallijn silicium. Bovendien zijn ze oplosbaar. Een groot voordeel want ze kunnen met bijvoorbeeld een inkjet printer of door middel van zeefdruk op glas of op een flexibel substraat worden gespoten in elke vorm die je maar wenst. Polymeren laten zich goed op deze manier verwerken. Inkjet printers hebben een hogere resolutie dan zeefdruk, maar ze produceren niet zo snel.
Het ideaal is het produceren van organische elektronica op een rol plastic. Via een continu proces worden dan grote oppervlakken tegelijk gemaakt. Potentieel is het produceren van flexibele elektronica met het roll-to-roll productieproces heel wat goedkoper dan het traditionele stuk-voor-stuk proces. Het doel voor de komende jaren is de prijs per vierkante meter onder 100 euro te brengen terwijl de lichtopbrengst meer dan 100 lumen per Watt moet zijn (in het lab wordt nu 70 gehaald) en de elektronica 100.000 uur mee moeten. Een gemiddelde TL-buis gaat 70.000 uur mee en geeft 90 lumen per watt.

Produktie aan de rol
In het geval van OLEDs is het substraat nog meestal glas en de verlichting dus niet flexibel. Bovendien worden ze niet gemaakt met printtechnieken maar door opdampen in vacuüm. Dat levert nette, defectvrije lagen op, die essentieel zijn voor beeldschermen en efficiënte verlichting. Maar opdampen is duurder dan printen. 'Voor sommige toepassingen als elektroluminescente panelen is een perfecte film helemaal niet nodig. Die moet vooral goedkoop zijn. Ook voor zonnepanelen zijn de kosten doorslaggevend,' zegt Manca.
De moeilijkheid met OLEDs is dat de printtechniek niet zo geschikt is als vervanger van het opdampen. 'Met printtechnieken is het lastig om veel lagen op elkaar te maken waarbij die netjes gescheiden blijven. Het maximum is twee of drie, terwijl wij zeker tien lagen nodig hebben,' zegt Coehoorn. Een ander probleem is de levensduur. OLEDs zijn veel gevoeliger voor vocht dan bijvoorbeeld organische zonnecellen. Een dunne, buigzame beschermlaag moet de actieve delen afdekken. Doe je dat niet dan ontstaan er op den duur zwarte vlekjes doordat vocht uit de lucht door kleine pinholes in de kathodelaag dringt en het metaaloppervlak tussen de kathode (gemaakt van LiF met een dikke laag aluminium) en de organische laag oxideren. Het onderzoeksconsortium Fast2Light met onder andere Philips ontdekte dat je het beste de elektroden met meerdere laagjes van bijvoorbeeld SiN-polymeer kunt afdekken. Coehoorn verwacht buigzame OLEDs pas over een jaar of vijf.

Drukkerij
Een van de innovatieve bedrijven die al wel toepassingen maakt van flexibele elektronica is Lumoza, een spin-off van de Universiteit Hasselt. Lumoza maakt allerlei elektronica, als het maar geprint kan worden, legt directeur Wouter Moons uit. Daarvoor werkt hij samen met een drukkerij. 'We zijn drie jaar geleden begonnen met het maken van affiches voor reclamedoeleinden omdat die doorgaans niet zo lang hangen. De levensduur van de elektroluminescente panelen was toen nog kort. Dat probleem is nu grotendeels opgelost. Over enkele maanden komen we met drie consumentenprodukten die 20.000 tot 50.000 uur meegaan. Meer kan ik er nog niet over zeggen,' aldus Moons.
De produkten van Lumoza worden gemaakt in een gewone drukkerij. Op een ondergrond van bijvoorbeeld PET-folie worden door middel van zeefdruk de laagjes materiaal aangebracht die nodig zijn om de elektroluminescente panelen te maken, van elektroden, dielektrisch materiaal zoals bariumtitanaat en de elektroluminescente inkt bijvoorbeeld met een geconjugeerd polymeer zoals is PEDOT/PSS (kort voor poly(3,4-ethyleendioxythiofeen)poly(styreensulfonaat), fullereenderivaten of zelfs grafeen. Het aantal laagjes is onbeperkt zodat bijvoorbeeld verschillende kleuren kunnen worden gebruikt. Een echt display met individuele pixels is het echter nog niet. Daarvoor is de nauwkeurigheid van het printproces nu nog te laag, legt Moons uit. Wel kunnen er al sensoren meegeprint worden die bijvoorbeeld beweging detecteren. Een reclamebord kan dan oplichten wanneer een produkt uit het schap wordt genomen. Of een dvd-doosje start een animatie wanneer het wordt opgepakt. De batterij die stroom levert is nu nog een knoopcel, maar binnenkort wordt ook die meegeprint.
Lumoza print op glas, plastic folie, hout en papier. Printen op textiel kan ook, maar dan moet er wel een stugge laag toegevoegd worden. De printbare elektronica kun je namelijk wel buigen maar niet uitrekken. 'Mensen blijken zo'n stugge plaat op hun t-shirt niet prettig te vinden,' zegt Moons. De kleding met verlichting erop loopt dus nog niet zo goed. Er wordt gewerkt aan nog flexibeler polymeren.
 
Dit artikel is gepubliceerd in C2W7, 23 april 2011.