Nieuwe materiaalsoort maakt productie van displays goedkoper

Onderzoekers van het Penn State-onderzoeksinstituut in de Verenigde Staten stellen voor andere transparante metaalverbindingen te gebruiken als geleider bij beeldschermen dan het nu veelgebruikte indium-tin-oxide of ito.

De onderzoekers stellen in een paper in Nature Materials voor om gebruik te maken van materialen als strontiumvanadaat, SrVO₃, en calciumvanadaat, CaVO₃. Deze materialen zijn net als ito in dunnefilmvorm transparant, maar kosten een fractie in vergelijking met ito. Vooral indium is een kostbaar materiaal. Het is een bijproduct van tin-, lood-, ijzer- en koperwinning en is moeilijk 'los' te maken uit het afval dat ontstaat bij de verwerking van de ertsen. Met de huidige winmethodes wordt vermoed dat er nog voor zo'n veertien jaar aan indium te delven is.

Ondanks de constant terugkerende belofte van koolstofnanobuisjes, die ook als transparante geleider zouden kunnen dienen, is het nog steeds lastig die betrouwbaar op grote schaal te produceren. In deze paper stellen de onderzoekers een materiaalsoort voor waarin de elektrostatische interactie tussen negatief geladen elektronen heel groot is in vergelijking met hun kinetische energie, zegt Roman Engel-Herbert, een van de onderzoekers. In deze materialen 'vloeien' elektronen als in een vloeistof in plaats van rond te stuiteren zoals in een gas.

Een dunne film van deze materialen is ook doorzichtig en toch geleidend genoeg. Nu is het zaak uit te vinden welke materialen eigenschappen hebben die vergelijkbaar zijn met die van het strontiumvanadaat en het calciumvanadaat. De kosten van de verschillende metalen liggen vele malen lager dan die van indium. Verder onderzoek zal moeten uitwijzen hoe de materialen op grote schaal te produceren zijn.

Strontiumvanadaat en calciumvanadaat

Reacties (24)

Dit is een heel belangrijk onderzoeksveld. Indium is een geweldig materiaal voor het maken van TFTs, maar door zijn succes is dit anderszins vrij nutteloze metaal (het heeft geen van de voordelen van metaal - het is vrij zwaar, het voegt geen nuttige eigenschappen toe aan legeringen, het is zacht en slap, het is te zwak voor pakkingen) erg duur geworden en is het één van de bottlenecks voor het opvoeren van productievolume.

Je zou zeggen: hoe moeilijk is het om een materiaal te vinden dat goed geleidt en doorzichtig is? Nou, de reden dat alle metalen ondoorzichtig zijn (zelfs al bij enkele tientallen atomen dikte) is exact dezelfde reden dat het goed geleidt. De elektronen die 'vrij' in het metaalrooster rondvloeien - de eigenschap die een metaal een metaal maakt - zijn bijzonder goed in het absorberen en reflecteren van fotonen. Heel erg doorzichtige materialen zijn juist gekenmerkt door zo min mogelijk vrije elektronen. Aluminiumoxide, ofwel saffier, is een goed voorbeeld.

Je bent dus altijd het één met het andere aan het afwegen: doorzichtigheid versus geleiding. Hoewel, er is een andere oplossing. Sommige materialen hebben vrije elektronen die lang niet zo effectief zijn in het absorberen van zichtbaar licht als ander licht, en ITO is één van die materialen. Het is ongeveer net zo goed in geleiden als grafiet (slechter dan de meeste metalen, maar nog steeds best aardig), maar veel doorzichtiger in het zichtbare bereik.

Het zoeken is dus naar een samenstelling van atomen dat:
1) stabiel is
2) precies die eigenschap heeft dat zichtbaar licht doorgelaten wordt ondanks relatief veel vrije elektronen
3) goedkoop is

ITO was ooit dat materiaal, want indium was een afvalproduct. Strontium heeft hetzelfde probleem als indium; er wordt ongeveer evenveel van geproduceerd, dus als strontium opeens populair wordt zal de prijs ook flink hoger worden. Calcium en vanadium zouden de beste oplossingen zijn, want die elementen zijn vrijwel oneindig goedkoop beschikbaar.

Toch even je mooie post wat bijpunten. Indium is met een aantal andere metalen (bismut, tin, lood, cadmium) bekend als legeringselementen voor laagsmeltende legeringen. Alleen het feit dat deze metalen een vervanging kunnen zijn voor kwik bewijst eigenlijk hun nut al. Voor laagsmeltende legeringen is een breed scala aan toepassingsgebieden. Denk aan hoe sprinklersystemen werken, een plug laagsmeltende legering verzorgt de afdichting die wegsmelt zodra een brand uitbreekt.

Indium wordt ook toegepast in soldeerverbindingen omdat het zelfs hele gladde materialen als glas goed kan bevloeien. Ook verbeterd het de vermoeiing van de soldeerverbinding en bewerkstelligt het een lage smelttemperatuur.

Indium is verder bekend als afdichting in cryogene omstandigheden, als een soort metalen pakking of o-ring dus, vooral ook omdat het bij lage temperaturen supergeleidendheid ten toon spreidt. Cryogene omstandigheden gaan vaak samen met hoogvacuüm. Door de lage dampdruk van indium belast het metaal het vacuüm niet te veel en is daarom een populair afdichtmateriaal, ook bij vacuümtoepassingen dus.

Als sheet/folie materiaal kan het als een thermische interface dienen voor een heat sink, omdat het goed geleid en zich met geringe druk naar het oppervlak voegt. Indium wordt verder als coating materiaal gebruikt om op andere materialen te sputteren, op te dampen of te (electro)plateren.

Misschien heeft de inefficiëntie van opdampen of sputteren je Indium als afvalproduct doen noemen, want veel materiaal komt bij die processen niet op de beoogde plek terecht. Buiten TFT productie heeft Indium echter een hoop toepassingen en is dus een nuttig metaal.

edit: taal

[Reactie gewijzigd door teacup op 16 december 2015 07:05]

Maakt niet uit of het ecologischer of mogelijk goedkoper kan zijn. Grote productie lijnen gaan hun methodes niet aanpassen omdat hun producten nu ook verkopen en ze er meer dan genoeg winst op maken. De investering brengt ze niets op, op zeer korte termijn.

Geloof maar dat de research-afdeling van beeldschermfabrikanten nu even wild wordt hoor. Zeker als de indium-prijs blijft stijgen (wel verwacht) en de prijs van scherm-oppervlak blijft dalen gaan ze binnenkort overstappen. Een nieuwe fabriek die goedkoper werkt verdient zich op termijn toch wel terug, en er wordt aan de lopende band herbouwd (pun intended).

China produceert 50% van alle indium op dit moment, en als we daar ruzie mee krijgen... nou ja, dan wil je graag iets anders gebruiken. Dat geldt al voor de nodige metalen (China is ook al groothandelaar in een stel andere rare-earths)...

China is eigenlijk het enigste idiote land om dergelijke metalen te oogsten waarbij extreem veel vervuiling optreed.

Ze laten zich gebruiken door de rest van de wereld maar veel keus hebben ze niet, de rest van de wereld die koopt ook het gros van de artikelen die ze daar produceren.

In westerse landen zouden dergelijke fabrieken al -tig keer gesloten, veel tweede en derde wereld landen zijn niet stabiel genoeg om er productie te draaien.

Lijkt mij niet bepaald idioot als je daardoor een enorme invloed hebt op de elektronica markt. Trouwens de reden waarom China de zeldzame metalen markt domineert, is omdat het kwa prijs moeilijk te concurreren is met dat land. De reden waarom het daar dan ook zo goedkoop kan is exact doordat ze het niet zo nauw nemen met het milieu.

Nee, maar als het indium na 14 jaar op is dan zullen ze nu alvast moeten bedenken hoe het dan verder zou moeten.

Wel als ze binnen 15j nog willen produceren. En visionair zijn kan in dit geval nog veel meer winst opleveren.

Met de huidige winmethodes wordt vermoed dat er nog voor zo'n veertien jaar aan indium te mijnen is.

[Reactie gewijzigd door Wilibrord op 15 december 2015 15:16]

Zo'n goudmijn is display producent niet hoor, dat zijn meestal kleine marges.

Met de snelheid van de vooruitgang, vraag ik me wel af of binnen 10 jaar beeldschermen nog wel bestaan die op hetzelfde materiaal en dezelfde technieken gebaseerd zijn.
Stel, 10 jaar geleden zou er zo'n wondermateriaal voor crt of plasma schermen zijn gevonden en je verbouwt je productieprocessen om daar mee te kunnen werken, wat heel veel geld kost....
Nu kan je zo'n crt scherm nergens meer kopen.
Het is een enorme gok om je productieproces aan te passen in een markt die zo snel verandert.

Dat is waar, maar ze hoeven het ook niet nu meteen om te gooien natuurlijk.
Misschien is het wel nooit nodig, of misschien hebben ze straks helemaal geen keus (wat er staat, dat ITO opraakt).
In dat laatste geval is het wel prettig een alternatief klaar te hebben liggen.
En in het eerste geval, jammer, maar zo'n (transparant+geleidend+goedkoop) materiaal kan ook andere toepassingen hebben (zonnepanelen?). Dus onderzoek ernaar doen kan altijd wat leuks opleveren.

Terwijl door dunne film zonnepanelen de vraag van Indium wel stijgt. Of misschien dat de prijs van indium daarom juist hoger is...

[Reactie gewijzigd door lars_jj op 15 december 2015 16:40]

Het is goed nieuws dat het goedkoper kan

Hmmmm... goedkoper voor wie ?? De fabrikant of de consument ???

Er staat een ‘Feedback’-link onder de titel aan de rechter zijde van het artikel, die verwijst naar:

Geachte Redactie

Spelfout in de titel.
"Nieuwe" moet zijn; "Nieuw"

Nieuwe materiaalsoort is gewoon goed. Terug naar de basisschool met jou.

Op zich wel een interessant fenomeen dat mensen met een slechte taalbeheersing zich nu ook beginnen te roeren.