Siebe van Mensfoort (29) ziet het wel zitten: ruiten die overdag gewoon licht doorlaten, maar ’s avonds zelf licht produceren. Over een aantal jaren moet het mogelijk zijn, denkt hij. Van Mensfoort laat een klein prototype zien, ogenschijnlijk een glazen plaatje met de tint van een lichte zonnebril en een afmeting van zo’n vijf bij tien centimeter. “Hij is nog niet zo transparant als je zou willen, maar dat kan worden verholpen”, zegt de natuurkundige. Hij draait aan een knopje, waardoor het miniruitje een witte gloed begint uit te stralen. “Door deze kun je nog een beetje heenkijken, maar sommige modellen stralen al zoveel licht uit, dat dat niet meer het geval is. Bovendien kun je zien dat veruit het meeste licht naar één kant wordt uitgestraald.” Dat is wel zo praktisch, als je niet ook de tuin wilt verlichten. “In principe kunnen we met deze technologie ruiten maken die wit, natuurlijk licht uitzenden, zodat je binnen het gevoel hebt dat het buiten nog licht is.”

De technologie waarover Van Mensfoort het heeft, is die van de OLED (‘Organic Light-Emitting Diode’), een variant op de bekendere led-lampjes, maar dan gemaakt van organisch materiaal - ‘plastic’ in de volksmond. De afgelopen vier jaar werkte de promovendus bij Philips aan een model dat de werking van OLEDs beschrijft, om het ontwerpen van de ideale OLED mogelijk te maken. De technologie is in opkomst en wordt al in beeldschermen toegepast als energiezuinig alternatief voor lcd- en plasmaschermen. OLED-schermen worden momenteel vooral gebruikt in mobiele telefoons en draagbare audio- en videoapparatuur. Eén van de voordelen is dat je OLED-beeldpunten honderd keer zo snel aan en uit kunt schakelen als bij een lcd-scherm: wel honderdduizend keer per seconde, wat een ongekende tijdsresolutie mogelijk maakt. Bovendien is zwart bij een OLED ook echt zwart: je kunt een OLED-beeldpunt gewoon uitzetten. Bij lcd komt er dan toch altijd nog wat licht van het scherm.

Energieverslindend
Bij Philips houden ze zich echter bezig met een andere veelbelovende toepassing van OLEDs: verlichting. De energieverslindende gloeilamp, die aan de wieg stond van de Eindhovense multinational, heeft zijn langste tijd gehad. De Europese Unie wil de verkoop van deze lampen met ingang van september 2012 zelfs volledig verbieden. Alternatieven zijn er in grofweg twee categorieën: gasontladingslampen (tl-buizen, spaarlampen) en verlichting op basis van lichtgevende diodes: leds. De ‘traditionele’ leds (gemaakt van diverse combinaties van anorganische elementen, met elk hun eigen karakteristieke kleur) zijn vele malen zuiniger dan gloeilampen en gaan erg lang mee. Voor verlichting in huis zijn ze echter vooral geschikt in een speciaal armatuur dat het sterk geconcentreerde licht op een plezierige manier verspreidt. Hierdoor worden ze voornamelijk als spotjes gebruikt.

Droom
Led-lampen op basis van organisch materiaal zijn minder efficiënt dan normale leds, maar de afgelopen jaren zijn OLEDs ontwikkeld die qua zuinigheid kunnen wedijveren met tl-verlichting. Daarnaast hebben OLEDs volgens Van Mensfoort een paar cruciale voordelen boven andere leds. “Leds zijn eigenlijk puntvormige lichtbronnen, terwijl je OLEDs kunt maken in de vorm van een extreem dunne laag, in principe op flexibel materiaal, dat je in willekeurige vormen kunt vouwen: een droom voor ontwerpers.”

In theorie zou je het volledige plafond kunnen bedekken met een laagje OLED, dat een prettig, uniform licht geeft. “Je kunt wit licht maken door verschillende lagen over elkaar heen aan te brengen die elk een eigen kleur licht uitzenden, bijvoorbeeld rood, groen en blauw. Het totaal benadert de kleur van zonlicht prima.”
Het is ook mogelijk om elk van de lagen afzonderlijk aan te sturen, zegt Van Mensfoort. “Zo kun je zelf de kleur van het licht bepalen; ideaal voor sfeerverlichting.” Door de grote verscheidenheid aan organische moleculen en polymeren kan volgens hem eigenlijk elke gewenste kleur licht worden gemaakt.

Maar dat is grotendeels nog toekomstmuziek. De oppervlakte van OLED-lampen wordt voorlopig nog gemeten in vierkante centimeters en de meeste ontwikkelingen bevinden zich nog in de laboratoriumfase. Zo ook bij Philips Research, waar Van Mensfoort onder begeleiding van TU/e-deeltijdhoogleraar prof.dr. Reinder Coehoorn zijn onderzoek verrichtte. Bij aanvang van zijn promotie was überhaupt nog niet duidelijk of het mogelijk was om een model te maken dat voorspellingen doet over de efficiency van OLEDs en de kleur van het uitgezonden licht: de moeilijkheid is dat de moleculen in het werkzame organische materiaal, ingeklemd tussen twee elektrodes, op een wanordelijke manier zijn gerangschikt.

In OLEDs bewegen ladingsdragers, in dit geval negatief geladen elektronen en positief geladen ‘gaten’ (plekken waar een elektron ‘ontbreekt’), door de organische laag totdat een elektron en een gat elkaar ontmoeten. Deze ontmoeting gaat gepaard met een lichtflitsje: hierdoor geven OLEDs licht. Het pad dat de ladingsdragers afleggen -op, over en door de moleculen waaruit het materiaal is opgebouwd- ziet er voor hen uit als een soort berglandschap waarin ze zoveel mogelijk de laagste punten opzoeken; dat kost namelijk de minste energie. Als de organische laag een kristalstructuur zou hebben, met netjes gerangschikte moleculen, zou het landschap waarin de elektronen en gaten zich voortbewegen een plat vlak zijn, dat kantelt wanneer er een spanning wordt aangelegd, legt Van Mensfoort uit. “Hoe gemakkelijk de ladingsdragers zich door het berglandschap bewegen, bepaalt hoeveel licht de OLED geeft en bij welke spanning dat gebeurt. Ik heb een model gemaakt van een blauwe enkellaags OLED en dat vervolgens uitgetest op een prototype dat hier bij Philips in de cleanroom is gemaakt. Ik heb ervoor gekozen te kijken naar een blauwe OLED, omdat dat de moeilijkste kleur is om werkend te krijgen”, zegt Van Mensfoort. “De andere kleuren zijn eenvoudiger, dus als je weet hoe je de blauwe component moet ontwerpen, lukt de rest ook wel.”

De voorspellingen van het model bleken volgens Van Mensfoort uiteindelijk verrassend goed te kloppen. De invloed van de wanorde in het materiaal is niet te verwaarlozen, zo blijkt, en dat is belangrijk voor het ‘matchen’ van de elektrodes en het organische materiaal. Ook werd duidelijk dat het transport van lading op een andere manier van de temperatuur afhangt dan je zou verwachten voor geordend materiaal. Allemaal nuttige kennis voor het ontwerpen van betere OLEDs. Maar Van Mensfoorts bevindingen zijn breder toepasbaar: “Mijn resultaten zijn ook van belang voor andere systemen met wanordelijke organische halfgeleiders, zoals plastic zonnecellen, transistoren en sensoren.”/.