Sharp maakt lcd-schermen veel dunner en sneller

Digitale krant past
in binnenzak

De Delftse hoogleraar ziet de toepassingen al voor zich. „Je stapt de trein in met een opvouwbaar beeldscherm in je binnenzak. Je draagt een horloge met een antenne, koppelt die aan het scherm en je leest via Internet de elektronische krant”. Prof. dr. C. I. M. Beenakker is hoofd van het Technology Center van Dimes, het instituut voor micro-elektronica en submicrontechnologie van de Technische Universiteit in Delft. Zijn afdeling werkt aan de verbetering van lcd's of liquid crystal displays, beeldschermen die uit vloeibare kristallen zijn opgebouwd.

„Wij zijn hier pas een paar jaar geleden mee begonnen”, zegt Beenakker, „pakweg 98 procent van al het werk aan lcd-schermen gebeurt in Japan en Korea”. Daar kwam een paar weken geleden ook het nieuws vandaan: Sharp meldt een nieuwe methode te hebben gevonden om lcd-schermen te maken. Het elektronicabedrijf bedacht ook enkele toepassingen: de flinterdunne computer, communicatieapparatuur ter grootte van een creditcard, elektronische fotoalbums en inderdaad: de futuristische krant.

Kristallijn silicium

De vondst van Sharp heeft te maken met de manier waarop de duizenden beeldpunten waaruit een scherm is opgebouwd, 'bediend' worden. Een lcd-scherm is voorzien van een dunne laag silicium, het basismateriaal voor het bouwen van chips. Sharp is erin geslaagd dat silicium zodanig aan het glas te bevestigen dat de kwaliteit ervan goed genoeg is om zelfs gecompliceerde chips –rekenprocessors of geheugenchips– te integreren in het silicium op de glasplaat zelf, in plaats van achter de rand van het scherm.

Beenakker geeft aan dat het aanbrengen van silicium op lcd-schermen anders verloopt dan bij de fabricage van chips. „Bij lcd-schermen heb je altijd met glas te maken. Een dunne laag silicium aanbrengen gebeurt normaal bij hoge temperaturen, ongeveer 900 graden Celsius. Daar kan het glas niet tegen, dus je moet proberen silicium aan te brengen bij 'lage' temperaturen, rond de 400 graden Celsius. Dat lukt met een speciale reactor die zo'n temperatuur combineert met een elektrische ontlading, zoals die voorkomt in een tl-buis. Zo slaat een dunne laag siliciumatomen neer op de glasplaat”, zegt Beenakker.

Helaas heeft het silicium op de glasplaat nog niet de vereiste kwaliteit. „Het is net een zoutkristal waarop je een aantal keren met een hamer geslagen hebt. Je houdt allerlei heel kleine kristallen over, ter grootte van 5 miljoenste millimeter. Daar kun je niet zoveel mee: elektronen verplaatsen zich het snelst door grote, aaneengesloten zuivere kristallen. Het amorfe (vormloze, SMdB) silicium op de glasplaat werkt dan ook erg vertragend”.

Laserflitsen
Om de kwaliteit van het silicium te verbeteren, gebruikt het Delftse lab kortdurende laserflitsen om het materiaal snel op te warmen. Daarbij smelt het silicium, maar het glas blijft koel. Als daarna ook het silicium afkoelt, ontstaan opnieuw kristallen, die beduidend groter zijn dan de oude. De laserbundel tast daarbij een grote glasplaat af, genoeg voor een aantal schermen voor laptops. Dat gaat snel, zegt Beenakker, een plaat van 1 vierkante meter is in een paar minuten gereed en kan dan in stukken worden gezaagd.

Toch is de kwaliteit van het nu ontstane “polykristallijne silicium” nog lang niet voldoende. „Wij proberen nu dat afkoelingsproces in de siliciumsmelt zo te sturen dat de kristallen stollen tot grotere eilanden. Polykristallijn silicium is nog zoiets als een zoutkorrel waar je één klap met een hamer op gegeven hebt. Je wilt juist een zo gaaf mogelijk kristal bereiken, zoals bij de plakken silicium waaruit chips gemaakt worden. Dat is in feite één kristal met een diameter van 30 centimeter”.

Knowhow
Sharp wil op dit moment nog niet uitleggen hoe zijn uitvinding in elkaar zit. „Dat is juist het cruciale onderdeel van de technologie en het gaat hier om zeer belangrijke knowhow”, antwoordt Namiko Hattori, woordvoerder van de Japanse onderzoeksafdeling.

Beenakker kent het procédé van Sharp niet, maar heeft wel een vermoeden hoe het werkt. Technologisch gezien is het volgens hem „een stap te ver” om één kristal van 1 vierkante meter te maken aan de binnenkant van het lcd-scherm. Maar dat is ook niet nodig: „Wat wij in Delft nu doen, is eerst bepalen waar we graag monokristallijne gebieden willen hebben. Dat zijn de plaatsen waar we later ingewikkelde transistoren willen aanbrengen”.

Inmiddels lukt het de Delftse hoogleraar om op elke gewenste plaats op de glasplaat eilandjes te maken die elk bestaan uit één enkel kristal ter grootte van een honderdste millimeter. „Deze eilandjes zijn groot genoeg om daarin een transistor te maken met dezelfde kwaliteit en snelheid als transistoren in monokristallijn silicium”.

Die 'grote' eilanden verkrijgt Beenakker door de glasplaat tegelijkertijd van boven en van onder met laserpulsen te behandelen, zodat het stollingsproces nog langer duurt. Nu is het een kwestie van transistoren bouwen in de eilandjes en ze onderling verbinden met een metaalstrip. „Zoiets moet Sharp ook gedaan hebben”, denkt hij.

Het Japanse elektronicabedrijf noemt de techniek “continuous grain silicon”, CGS, en heeft inmiddels een klein lcd-paneel gebouwd met een diameter van 2,6 inch (6,5 centimeter), dat vier keer zo snel werkt als de huidige modellen. Het scherm bevat beeldpunten van circa 0,04 millimeter breed. Omdat achter elk beeldpunt transistoren zijn weggewerkt, is slechts tweederde deel van het beeldpunt doorzichtig. „Redelijk goed voor dit formaat beeldschermen”, oordeelt Beenakker.

Kunststof transistor
De nieuwe techniek van Sharp maakt het mogelijk om chips, zowel processors als geheugenchips, te integreren in het scherm. Vandaar dat Sharp spreekt over de „flinterdunne computer”. Nog wat verder in het verschiet ligt het flexibele beeldscherm, wanneer het de onderzoekers lukt om het silicium aan te brengen op kunststoffen.

Er is nog een andere ontwikkeling die zo'n flexibel scherm dichterbij brengt, maar dan met een heel andere techniek. Franse wetenschappers van het CNRS-laboratorium voor moleculaire materialen in Thiais slaagden erin transistoren volledig uit kunststof te bouwen. Buigen of vouwen ervan beïnvloedt de werking ervan niet. Toch maakt deze transistor weinig kans, want de snelheid ervan is te laag, vergelijkbaar met die van het amorfe silicium. Enig voordeel ervan is de lagere prijs: ze zijn gemakkelijker te produceren. Maar Beenakker verwacht ook een forse prijsverlaging van de lcd-schermen, mogelijk wel tot 50 procent, als ze volgens de nieuwe methode van Sharp gemaakt kunnen worden.