Je laatste touchscreen?

Een zetje, een veegje en een tikje. De hele digitale wereld is letterlijk onder handbereik. E-mail, sociale netwerken, en de digitale versie van je favoriete blad. Surfen op het web is door smartphones met touchscreen-technologie wel heel erg gemakkelijk geworden. Trotse eigenaars halen hun speeltjes graag te voorschijn en demonstreren hoe soepel en sexy alles werkt. Touch is snel, touch is leuk en touch heeft de toekomst.

Toch kan het snel afgelopen zijn met touch. De huidige aanraak-
schermpjes zijn, net als lcd-displays, afhankelijk van de bijzondere eigenschappen van één materiaal – een metallisch mengsel waarvan de bronnen binnen tien jaar uitgeput kunnen zijn. Niet alleen hightech speeltjes hebben daarvan te lijden, ook zonnecellen en led-verlichting, beide van belang voor een verminderde CO2-uitstoot, komen in de knel. Niet verrassend dus dat bedrijven en laboratoria over de hele wereld naarstig op zoek zijn naar alternatieven.

Als dit nieuws is, dan heeft u waarschijnlijk nog nooit gehoord van het materiaal dat voor alle ophef zorgt. Het mengsel van twee metaaloxiden dat bekend staat als indium tin oxide (ITO) wordt door ingenieurs zowel aanbeden als vervloekt. Het hoofdbestanddeel, indium, is een bijproduct uit lood- en zinkmijnen; het is moeilijk te verkrijgen en kostbaar. Eenmaal beschikbaar voor de industrie maakt de brosheid van het materiaal het moeilijk om ermee te werken.

Maar het heeft één eigenschap die alles goed maakt. Het is namelijk een van de zeldzame stoffen die zowel elektrisch geleidend zijn als optisch transparant, wat betekent dat het materiaal geen fotonen absorbeert.

Absorptie vindt plaats als de energie van een foton overeenkomt met de energie die nodig is om een elektron in een aangeslagen energietoestand te brengen. Een metallische geleider heeft een ‘zee’ aan vrij bewegende elektronen met veel verschillende energietoestanden, waardoor absorptie bijna altijd plaatsvindt. Daardoor laat een metaal vrijwel nooit licht door.
Maar ITO is anders. Het is zo transparant als glas, maar geleidt ook – niet zo goed als de meeste metalen, maar voldoende. Dat maakt het een gewild ingrediënt in moderne elektronische apparaatjes die licht manipuleren. In platte beeldschermen wordt ieder pixel aan- en uitgeschakeld door een stel transparante ITO-elektroden. In dunnefilm zonnecellen heeft de lichtabsorberende siliciumlaag aan de voorzijde een transparante elektrode nodig om een stroomkring te kunnen maken.

Echte doorbraak
Touchscreens zijn de meest recente innovatie die gebruik maakt van ITO. Oudere aanraakschermen werkten nog zonder, die gebruikten dan bijvoorbeeld infrarood leds langs de rand van het scherm waarvan de straal onderbroken werd door aanraking. Maar die opzet was veel te grof en kostte teveel energie voor toepassing in een smartphone. De eerste mobiele toepassingen maakten nog gebruik van twee lagen ITO, gescheiden door een tussenruimte. Door met een pennetje het scherm aan te raken, maakten beide lagen contact en het apparaatje reageerde. Nu heeft de sexy smartphone in je broekzak geen pennetje meer nodig, omdat het gebruikmaakt van de geleiding door je vinger.

Aanraking van het scherm verandert de capaciteit ter plekke, en dat wordt opgepikt door één enkele ITO-laag. “Die innovatie was de echte doorbraak”, zegt Lawrence Gasman van NanoMarkets analisten in Glen Allen, Virginia. “Multi-touch verandert echt de omgang met smartphones, bijna vergelijkbaar met wat de muis betekend heeft voor computers”, zegt hij. “Zonder de mogelijkheid om het beeld uit te vergroten om tekst te lezen, zou je je ogen verpesten door op zo’n klein scherm te lezen.”

Maar hoe lang kunnen we nog op het wonderlijke materiaal rekenen dat dit alles mogelijk maakt? Niemand weet precies hoeveel indium er nog is, zegt Thomas Graedel van de universiteit van Yale. Hij is het hoofd van de VN-werkgroep voor wereldwijde metalenhandel. Die onbekendheid is er mede het gevolg van dat indium een bijproduct van de mijnbouw is, en dat niet alle mijnen moeite doen om het indium te winnen. De Amerikaanse geologische dienst schat de wereldwijde reserves van indium wereldwijd op 16 duizend ton, waarvan het grootste deel in China. Als je die hoeveelheid deelt door het jaarlijkse gebruik, dan zijn de voorraden in 2020 uitgeput.

Er komen vast nieuwe vindplaatsen van indium, maar het is onwaarschijnlijk dat die de sterk stijgende vraag aankunnen. Volgens Gasman is de markt voor aanraakschermen dit jaar 1,47 miljard dollar waard en dat rijst tot 2,5 miljard in 2017. Ook al is de voorraad onbekend, het ITO zal steeds schaarser en duurder worden. Dit economische feit, en het gegeven dat China de export al begint af te knijpen, drijft ondernemingen ertoe om alternatieve indium-vrije aanraakschermen te ontwikkelen.

Leuk bedacht
Tenzij er opeens een andere technologie opgeld doet, lijkt het logisch te zoeken naar een materiaal dat chemisch verwant is. Neem nu zinkoxide – eenvoudig beschikbaar en tegen een fractie van de kosten van ITO. Maar het is niet erg transparant, en het geleidt ook niet best. Dat is een probleem, want de geleidbaarheid bepaalt de gevoeligheid van het scherm, en de geleidbaarheid van ITO zit ongeveer aan de onderkant van praktische bruikbaarheid.

Misschien moeten we indium niet schrappen, maar er slimmer
gebruik van maken. Zo hebben Tobin Marks en collega’s van de Northwestern universiteit in Evanston, Illinois een materiaal ontwikkeld dat gebaseerd is op cadmiumoxide met een klein beetje indium, dat net zo transparant is als ITO en drie tot vier keer beter geleidt. Maar omdat het gevoelig is voor corrosie, moet het met een dun laagje ITO afgedekt worden. Niettemin bevat het geheel 20 procent indium in vergelijking met 90 procent indium voor ITO.
Dat klinkt veelbelovend. Maar helaas, het ligt niet zo eenvoudig. Om te beginnen is cadmium een erg giftig metaal, dat voorzichtige omgang behoeft.

Maar ook is cadmiumoxide nogal bros, en dat is een slechte eigenschap voor een schermpje waarop geprikt, getikt en gewreven wordt.
En geleidende polymeren dan? Deze lange organische moleculen fungeren als moleculaire draden en verslaan ITO met gemak in buigbaarheid en flexibiliteit. Maar je kunt ze niet smelten zonder de eigenschappen te veranderen en ze lossen ook niet op, dus coatings maken van pure geleidende polymeer is ongeveer onmogelijk. Bovendien zijn ze gevoelig voor ultraviolet licht en zuurstof in de lucht.

En de winnaar wordt…
Is er dan geen enkel materiaal dat aan alle eisen voldoet? “Jawel”, zegt Mark Hersam van de Northwestern universiteit, “koolstof.” Koolstof is een chemische kameleon. Als zwart bulkmateriaal is koolstof zo ongeveer het meest lichtabsorberende materiaal dat we kennen. Maar pel het af tot nanoschaal, en het wordt transparant. In juni ontwikkelde een team van de Koreaanse Sungkyungkwam universiteit een film bestaand uit vier lagen grafeen op een plastic ondergrond. Grafeen, het wonderlijke materiaal achter de Nobelprijs van dit jaar, bestaat uit koolstoflagen van slechts één atoom dik. De grafeen-plastic film liet negentig procent van het licht door en had een geleidbaarheid die weinig onderdeed voor het beste ITO.

Koolstofnanobuisjes, in feite grafeenlaagjes opgerold tot kleine cilinders, zijn ook veelbelovend. Ze zijn sterk, transparant en goed verkrijgbaar. Prima geschikt voor een flexibel aanraakscherm, zegt Hersam. “Je kunt ze buigen en uitrekken zonder dat de eigenschappen er onder te lijden hebben.”
Moeilijker is het om er een geleidend netwerk mee te maken. Individuele nanobuisjes geleiden heel goed, maar eenmaal aan het einde gekomen, springen elektronen niet over naar een volgend buisje. Hersam wil dat oplossen door nanobuisjes aan elkaar te solderen zonder dat de optische eigenschappen daar onder mogen lijden.

Anderen zien daar weinig in. Jonathan Coleman van Trinity College in Ierland werkt samen met Hewlett-Packard aan transparante stroomgeleiders. “Toen we begonnen, dacht de hele industrie dat het idee van koolstofnanobuisjes de toekomst had. Maar nu niet meer”, zegt Coleman. Nadat hij verschillende pogingen had ondernomen om de weerstand tussen de buisjes te overbruggen, ging hij met zijn collega’s overstag. “We beseften dat je met metaalnanodraadjes in plaats van koolstofnanobuisjes een contact krijgt op plaatsen waar de draadjes elkaar raken. Daardoor kan elektronenoverdracht plaatsvinden”, vertelt hij.

Experimenten met zilvernanodraadjes leverde een transparantie op van 85 procent en een geleidbaarheid die slechts een beetje achterbleef bij die van ITO. “Optisch en elektronisch deed zilver niet onder voor de beste kwaliteit ITO”, zegt Coleman. “Bovendien is het materiaal totaal flexibel.”
Helaas heeft dit wondertje een stevige prijs: zilvernanodraadjes zijn tien maal duurder dan het toch al niet goedkope ITO. Andere metalen lenen zich er helaas nauwelijks voor. Koper bijvoorbeeld geleidt prima, maar erg transparant wordt het niet (met zestig procent lichtdoorlaat).

Maar zelfs als de magische eigenschappen van zilver niet geëvenaard kunnen worden door andere materialen, is er nog hoop. Als de productie van zilveren touchscreens aantrekt, daalt de prijs. En omdat indium alleen maar duurder wordt, zullen de prijzen elkaar ooit snijden. “De vraag is wanneer”, zegt Coleman. “Hewlett-Packard ziet zilvernanodraadjes als de beste kanshebber.”
Dus, dames en heren, waar zet u op in? Zilver, koolstof, zink, cadmium of polymeren? Wat wordt de zegevierende opvolger van het teruglopende indiumtinoxide? Geen van de materialen heeft nog een overtuigende voorsprong. Er staat veel op het spel door de enorme vraag naar touchscreens, en nergens gaat de innovatie zo snel. Binnenkort zal er toch een winnaar uit de rij naar voren moeten stappen, want we willen de aanraakschermen niet meer kwijt.

Overgenomen uit New Scientist, 23 oktober 2010. Oorspronkelijke titel ‘Losing touch’. Vertaling: Jos Wassink.

<![CDATA[

]]>Het Centraal Bureau voor de Statistiek volgde
het studieverloop van scholieren die in 1999 slaagden voor het eindexamen. In
totaal stroomde 47 procent van hen door naar het hbo en ging een kwart naar de
universiteit. De rest studeerde verder in het mbo of vwo, ging werken of
vertrok op reis.

Vooral in het hbo blijkt het gemiddelde eindexamencijfer
een goede voorspeller van de studieduur. Van de groep hbo’ers die op de havo
gemiddeld lager dan een zes haalde, heeft nog niet de helft (48 procent) na
vijf jaar een diploma. Vwo’ers met dezelfde eindexamencijfers doen het beter in
het hbo: na vijf jaar heeft zeventig procent een diploma op zak.

Ook in het wo is er een verband tussen de
studieduur en de hoogte van de eindexamencijfers. Wie gemiddeld een zeven of
hoger haalde heeft twintig procent meer kans om binnen zes jaar af te studeren
dan studenten met gemiddeld lager dan een zes.

Opvallend is het verband tussen de
studieprestaties van scholieren en de relatie van hun ouders, vooral onder wo-studenten
met lage eindexamencijfers. Wo-studenten met lager dan een zes van wie de ouders
op het moment van het eindexamen samen waren, hebben later 44 procent kans
binnen zes jaar af te studeren. Bij studenten met dezelfde cijfers maar gescheiden
ouders, is dat slechts 20 procent.