In ontwikkelde landen wordt per persoon jaarlijks zo’n honderd kilo voedsel weggegooid, onder meer omdat de houdbaarheidsdatum op de verpakking is overschreden. Die verspilling is uiteraard slecht voor de portemonnee en voor het milieu. Het probleem is dat het nu eenmaal lastig is om in te schatten hoe lang voedsel goed blijft. Bij gekoelde producten bijvoorbeeld is de levensduur afhankelijk van de exacte temperatuur waaronder de producten bewaard zijn. Daardoor worden fabrikanten gedwongen de uiterste houdbaarheid betrekkelijk conservatief in te schatten.

Een van de manieren om iets tegen de voedselverspilling te doen, is door de verpakking te voorzien van een elektronische sensor die bijvoorbeeld de zuurgraad van het verpakte voedsel in de gaten houdt. Met een scanner kun je deze sensor uitlezen om te zien of je biefstukje al aan het ontbinden is, of de paprikachips juist nog lekker krokant zijn. Technisch is dat al prima mogelijk, zegt Eugenio Cantatore, UHD bij Mixed-signal Microelectronics. “Je hebt een sensor nodig met wat elektronica die de sensor kan uitlezen. In principe kan dat gewoon met standaard siliciumchips. Het probleem is alleen dat die te duur zijn.”

Een eenvoudige siliciumchip kost volgens Cantatore al snel zo’n tien eurocent. Geen probleem natuurlijk voor toepassing in een computer of smartphone, maar voor een zak chips van minder dan een euro is dat behoorlijk prijzig. “Wij werken aan elektronische chips waarbij de halfgeleider geen silicium is, maar een organische stof. Plastic elektronica dus. Dat heeft als voordeel dat je het direct in een plastic verpakking kunt aanbrengen.” De plastic halfgeleider kan, opgelost in een vloeistof, zelfs als een soort inkt worden geprint op allerlei flexibele oppervlakken, zoals papier en verpakkingsplastic. Dat maakt plastic elektronica goedkoper dan siliciumelektronica -een sensorschakeling van minder dan een eurocent is haalbaar- en bovendien geschikt voor toepassingen waarbij de conventionele elektronica het laat afweten.

De flexibiliteit van de plastic chips maakt ze uniek, legt de Italiaan uit. “De huidige siliciumchips worden geproduceerd bij hoge temperatuur, meer dan duizend graden voor computerchips van kristallijn silicium. Voor het verwerken van amorf en polykristallijn silicium, dat bijvoorbeeld in beeldschermen wordt gebruikt, heb je nog altijd een temperatuur van zeshonderd graden nodig. Je hebt daarom altijd een substraat, een harde ondergrond, nodig die bij die temperaturen niet smelt. Voor computerchips is dat silicium en voor beeldschermen is het glas. Onze halfgeleidende stoffen kun je bij temperaturen onder de tweehonderd graden verwerken. Dat betekent dat je het kunt aanbrengen op plastics als polyethyleennaftalaat. Dat is een goedkoop en flexibel plastic, verwant aan PET, waar veel flessen van worden gemaakt.”

Er kleven natuurlijk ook nadelen aan plastic elektronica: niet voor niets is silicium nog de standaard. De basiscomponenten van elektrische schakelingen zijn transistors. En plastic transistors werken volgens een ander principe dan die van silicium, legt Cantatore uit. “Het zijn zogeheten accumulatietransistoren en dat heeft grote gevolgen voor hun karakteristieken.”

De elektrische eigenschappen van ‘gewone transistoren’ zijn zeer voorspelbaar; alle transistors in een schakeling zijn zo goed als identiek. “Plastic transistoren zijn echter zeer variabel”, zegt Cantatore. “Het nadeel van de goedkope fabricageprocessen bij lage temperaturen is dat elke plastic transistor anders is. Dat maakt het veel moeilijker om er schakelingen mee te bouwen. Je moet namelijk rekening houden met de variabiliteit van de elektrische eigenschappen van de transistors. Je hebt complexe wiskundige modellen nodig om het gedrag van een schakeling van plastic elektronica goed te voorspellen. Wij hebben zowel verstand van het ontwerpen van schakelingen, van de fysica van de transistors als van de wiskundige modellen.”

Met die gevarieerde kennis zijn Cantatore en zijn collega’s van Mixed-signal Microelectronics (MsM) erin geslaagd om twee verschillende plastic ADC’s (analog-to-digital converters) te bouwen, als uitvloeisel van twee verschillende samenwerkingsprojecten. Beide resultaten werden eerder deze week op de belangrijke elektronicaconferentie ISSCC in San Francisco als hoogtepunt aangemerkt.

Met een ADC worden analoge signalen, zoals het meetsignaal van een sensor, omgezet in digitale gegevens. Er bestonden tot dusverre nog maar twee plastic ADC’s. “Wij hebben daar nu twee nieuwe aan toegevoegd; dat verdubbelt de wereldproductie”, lacht de Italiaan. “Een van beide circuits, die we binnen het Europese samenwerkingsproject COSMIC hebben gemaakt, is de allereerste geprinte ADC ooit. Bovendien gebruiken we in deze ADC zowel p-type als n-type transistors. Dat maakt het veel gemakkelijker om allerlei functies te maken.” De onderzoekers gebruikten zeefdruk om de circuits als het ware op plastic te ‘stencilen’.

Met de ontwikkeling van plastic ADC’s komen de genoemde toepassingen in de levens- en geneesmiddelenbranche binnen bereik. Een sensorschakeling bestaat namelijk uit vier componenten: de sensor zelf, een versterker, een ADC die het signaal digitaliseert en een radio die het uitlezen op afstand mogelijk maakt. Er zijn al plastic sensoren om druk, temperatuur, lichtintensiteit en bepaalde chemische stoffen te meten. En ook de versterkers en radiozenders, zoals RFID, bestaan al in een plastic variant. De ADC is dus de laatste schakel in de ketting.

De karakteristieken van de plastic ADC zijn nog erg bescheiden: denk aan een maximale resolutie van zeven bits en snelheden van enkele Hz. Sowieso is plastic elektronica veel trager dan silicium. Niet alleen zijn de componenten beduidend groter -minstens enkele micrometers-, ook de snelheid waarmee de signalen worden doorgegeven ligt een factor duizend lager.

Een smartphone met plastic elektronica kunnen we dus wel vergeten. Maar voor een sensor die gedurende meerdere weken de temperatuur in de gaten moet houden of moet waarschuwen als de biefstuk begint te verzuren, is dat natuurlijk geen probleem. Datzelfde geldt voor een verwante toepassing: plastic zonnecellen. Ook op dit vlak wordt, onder meer in de groep van TU/e-hoogleraar René Janssen, vooruitgang geboekt. Plastic elektronica en een duurzame toekomst lijken dus prima samen te gaan.