Deel dit artikel

dunnefilmtechnologie is een goedkope vorm van elektronica, die bestaat uit een aantal dunne geleidende en niet-geleidende laagjes die op plastic folie worden aangebracht. plastic chips zijn goedkoop en flexibel en maken daarom heel wat nieuwe toepassingen mogelijk, zoals slimme verpakkingen voor gebruiksgoederen. zeker in een wereld waarin steeds meer toestellen en objecten met het internet en met elkaar verbonden zijn, is dit een belangrijke evolutie.

Tussen feit en fictie. De opkomst van plastic elektronica

Kris Myny

In 1973 schreef sciencefictionschrijver en futuroloog Arthur C. Clarke dat elke voldoende geavanceerde technologie niet te onderscheiden valt van magie. In een aantal recente artikels over het onderzoek naar plastic microchips (onder meer in De Tijd en EOS) legden journalisten de link naar de wereld van Harry Potter, meer bepaald naar de bewegende figuren op snoepverpakkingen, foto’s en kranten. Een mooie en flatterende vergelijking was dit, maar momenteel nog grotendeels toekomstmuziek. Er zijn nog wel wat stappen nodig voor de technologie kan tippen aan de verbeelding van J.K. Rowling. Maar opvouwbare of uitrolbare beeldschermen, papieren speelkaarten waarbij de dame naar je knipoogt, boeken waarvan de afbeeldingen eigenlijk geïntegreerde beeldschermen zijn of slimme verpakkingen die van kleur veranderen naargelang van de versheid van het product, ze behoren allemaal tot het potentieel van de ‘dunnefilmtechnologie’. Dit is een goedkope vorm van elektronica die niet langer gemaakt wordt van silicium, maar bestaat uit een aantal dunne geleidende en niet-geleidende laagjes die op een plastic folie worden aangebracht.

Dunnefilmtechnologie is niet nieuw. Zo bestaan er al enige tijd prototypes van beeldschermen die plooibaar of oprolbaar zijn. Maar momenteel zijn die schermen nog niet robuust genoeg om zonder mechanische ondersteuning gebruikt te worden. Daarom wordt het plastic display tegen een glazen plaat gekleefd. Dit soort beeldschermen is al beschikbaar op de markt. Je vindt ze bijvoorbeeld in de nieuwste smartphones met een scherm dat afbuigt aan de randen. Het voordeel ervan is niet alleen dat ze tegen gebogen oppervlaktes geplakt kunnen worden, maar ook dat ze onbreekbaar zijn. Zeker voor smartphones is dat laatste geen overbodige luxe. Natuurlijk moet de technologie eerst nog iets robuuster worden zodat de glazen ondersteuning – die wél kan breken – achterwege gelaten kan worden.

Een ander aspect van dunnefilmtechnologie, namelijk het ontwikkelen van plastic chips, is nog uitdagender en creëert ook meer mogelijkheden. Standaard worden chips nu gemaakt met silicium omdat dit een erg goede halfgeleider is. Plastic daarentegen geleidt geen elektriciteit, dus om een chip op plastic te maken moeten we dunnefilmtechnologie gebruiken, wat wil zeggen dat we een dun laagje halfgeleidend materiaal op de plastic folie moeten aanbrengen. Ideaal zou zijn als we gewoon een laagje silicium op de plastic folie zouden kunnen leggen, maar silicium is slechts een efficiënte halfgeleider als het op hoge temperaturen verwerkt wordt. In combinatie met plastic is dit niet mogelijk, omdat plastic niet bestand is tegen die hitte. Daarom wordt geëxperimenteerd met andere geleidende materialen die op lagere temperaturen rechtstreeks op de plastic folie kunnen worden aangebracht. Hier zijn meerdere kandidaten voor. Metaaloxide lijkt het meest veelbelovende materiaal, omdat het zijn goede halfgeleidende eigenschappen niet verliest op lagere temperaturen en omdat het een relatief eenvoudig fabricageproces toelaat waardoor de kostprijs van de technologie beperkt is. Meer specifiek gaat het om een mengeling van indium-gallium-zink-oxide (IGZO), een materiaal dat nu al door verschillende displayproducenten wordt gebruikt.

Omdat plastic chips flinterdun en flexibel zijn, kunnen ze ongemerkt opgaan in het design van eender welk product, ook op gebogen oppervlakken

Flexibele, plastic chiptechnologie maakt heel wat toepassingen mogelijk die met klassieke siliciumtechnologie niet evident zouden zijn. Omdat plastic chips flinterdun en flexibel zijn, kunnen ze ongemerkt opgaan in het design van eender welk product, ook op gebogen oppervlakken. Een tweede belangrijk voordeel is puur commercieel: het productieproces van plastic chips is eenvoudiger en daardoor significant goedkoper. Als deze chips op grote schaal geproduceerd zouden worden, dan kunnen we evolueren naar een kostprijs van minder dan één eurocent per microchip.

Deze twee eigenschappen – flexibiliteit en lage productieprijs – zijn heel relevant in een wereld waarin steeds meer toestellen en objecten met het internet en met elkaar verbonden worden. Met de opkomst van het internet der dingen zullen microchips niet alleen geïmplementeerd worden in voertuigen, huishoudelijke toestellen en technologische gadgets (zoals tablets, sporthorloges, activiteitstrackers), maar ook in goedkopere verbruiksgoederen. Daarbij denken we bijvoorbeeld aan slimme verpakkingen die het mogelijk maken om individuele producten te volgen van productie tot consumptie en die via geïntegreerde sensoren en geheugens informatie verzamelen over de versheid, oorsprong, temperatuur en dergelijke meer.

Om dit mogelijk te maken hebben we eerst en vooral een Radio Frequency Identification of RFID-tag nodig. Die bestaat uit een chip met een unieke identiteit en een antenne. Via radiogolven kan de chip vanop korte afstand worden gelezen met een RFID-lezer. RFID-tags met gewone siliciumchips zijn intussen goed ingeburgerd. Denk bijvoorbeeld aan veiligheidsbadges of de nieuwe MOBIB-kaart voor het openbaar vervoer. Ook in bibliotheken waar we zelf boeken in- en uitchecken, wordt gebruikgemaakt van RFID. We komen dus al bijna dagelijks in contact met RFID-technologie, maar meestal niet in verbruiksgoederen. Want hoe goedkoper het product, hoe goedkoper de erin verwerkte technologie moet zijn. We willen immers geen meerprijs van 50 cent betalen voor een yoghurtje dat toevallig een slim etiket heeft. De grootste troef van plastic RFID is dus de kostprijs: in massaproductie is een plastic RFID-tag tien keer goedkoper dan zijn tegenhanger in silicium.

Recent ontwikkelde imec – in samenwerking met Quad Industries en Agfa – voor het eerst een plastic RFID-tag waarbij ook de antennes, zowel in de tag als in de bijbehorende reader, geprint zijn. Dat printen gebeurt met een nieuw soort zilverinkt die bestaat uit erg fijne zilveren nanopartikels. Dit laagje kan rechtstreeks op plastic (of textiel, papier) worden geprint. Bijgevolg kan het heel gemakkelijk worden geïntegreerd in productverpakkingen. Het resultaat (plastic chip + geprinte antenne) is ongeveer zo groot als een kredietkaart en heel flexibel. Doordat alle componenten rechtstreeks op de plastic folie aangebracht kunnen worden, is het productieproces vrij eenvoudig en goedkoop. Met deze technologie kunnen slimme supermarkten binnenkort al realiteit worden. Plastic RFID-tags met geprinte antennes zouden zo de informatiekloof tussen online- en offlinewinkels kunnen overbruggen. Onlinewinkels kunnen het denkproces van hun klanten volgen: ze zien wat je in het verleden gekocht hebt, hoe vaak je op iets geklikt hebt, wat je in je onlinewinkelkarretje gelegd hebt en opnieuw verwijderd hebt. Dit is waardevolle informatie die fysieke winkels niet hebben. Om die kloof te dichten zouden we slimme winkelrekken kunnen bouwen met geïntegreerde RFID-lezers. Als we vervolgens goedkope en flexibele RFID-tags integreren in productverpakkingen, dan kunnen fysieke winkels volgen welke producten je van het rek neemt en vervolgens toch terugzet. Net als onlinewinkels zouden zij dan hun reclame hierop kunnen afstemmen, uiteraard binnen de correcte privacyoverwegingen.

Als we goedkope en flexibele RFID-tags integreren in productverpakkingen, dan kunnen fysieke winkels volgen welke producten je van het rek neemt en vervolgens toch terugzet

De slimme labels zouden het bovendien eenvoudiger maken om de voorraad op te volgen of om te controleren of er producten op het rek staan met een verstreken houdbaarheidsdatum. Ook voor klanten zijn er voordelen verbonden aan plastic RFID-tags. Zo zou je in een supermarkt met slimme labels je goederen niet meer individueel moeten scannen. Je zou met je gevulde winkelkarretje gewoon langs een lezer kunnen lopen die dan ineens al je boodschappen scant. Als de betaling dan automatisch via je smartphone zou kunnen verlopen, dan wordt offline winkelen bijna even efficiënt als online shoppen. Plastic RFID-tags kunnen dus eigenlijk perfect de huidige barcodes vervangen.

De volgende stap is om sensoren, batterijen, programmeerbare geheugens of displays te combineren met deze RFID-tags. Als die extra functionaliteiten toegevoegd zijn, dan kunnen we pas echt beginnen dromen van een wereld waarin zelfs alledaagse producten slim zijn. We zouden dan individuele producten kunnen traceren doorheen het hele transporttraject, waarbij sensoren de temperatuur en de versheid van het product monitoren. De houdbaarheidsdatum zou dan bijvoorbeeld kunnen worden aangepast afhankelijk van de temperatuur waarop het product bewaard werd. Een dynamische houdbaarheidsdatum zou mogelijks een negatieve impact kunnen hebben op voedselverliezen, maar daar tegenover staat dat transport en opslag van voedsel op de juiste temperaturen een positieve impact kan hebben op de voedselverliezen, wat aangemoedigd zal worden via de gemonitorde data.

Geprinte tags bieden ook mogelijkheden in andere domeinen. We zouden ze bijvoorbeeld kunnen integreren in het etiket van merkkledij zodat de authenticiteit van het kledingstuk makkelijk geverifieerd kan worden. Een andere optie is om slimme doordrukstrips voor medicatie te maken. Plastic RFID-tags geïntegreerd in de verpakking zouden dan bijhouden of je je dagelijkse medicatie al dan niet genomen hebt en indien nodig een herinnering sturen naar je smartphone. Ook op vlak van draagbare technologie zijn hier mogelijkheden, denk maar aan slimme pleisters die via sensoren je hartritme, huidtemperatuur en ademhaling opvolgen.

Plastic RFID-tags geïntegreerd in de verpakking van je medicatie zouden kunnen bijhouden of je je dagelijkse dosis al genomen hebt en indien nodig een herinnering sturen naar je smartphone

De afgelopen decennia is siliciumtechnologie heel snel geëvolueerd. Zoals voorspeld in de wet van Moore (1965) zijn onderzoekers en de chipindustrie er de voorbije decennia in geslaagd om het aantal transistoren op een chip om de twee jaar te verdubbelen. Siliciumchips zijn veel kleiner én veel krachtiger geworden. Daar kunnen plastic chips voorlopig niet aan tippen. En dat hoeft ook niet. Plastic technologie is niet bedoeld als potentiële vervanger van siliciumtechnologie, maar eerder als een aanvulling die nieuwe applicaties mogelijk maakt, net omdat plastic chips flexibel en goedkoper zijn.

Toch moeten er nog heel wat uitdagingen worden overwonnen vooraleer plastic chips echt kunnen doorbreken. De eerste plastic chips waren qua eigenschappen en complexiteit te vergelijken met de siliciumchips uit de jaren 1970. Sindsdien is er al heel wat vooruitgang geboekt. Zo slaagden we er dit jaar in om voor het eerst plastic chips te ontwikkelen die compatibel zijn met de ISO-normen, dit wil zeggen dat de chip nu niet alleen kan communiceren met een speciaal daarvoor gemaakte lezer, maar ook met de standaardlezer die in smartphones ingebouwd is. Dit is niet evident, want de ISO-standaard is ontwikkeld voor siliciumchips. Plastic technologie heeft heel andere kenmerken, dus om aan deze standaard te voldoen moesten de chips veel sneller en efficiënter worden. Dat ze nu toch aan die ISO-normen kunnen beantwoorden, is een belangrijke stap. Smartphones zijn immers de draaischijf van het internet der dingen, dus om een significante rol te spelen in dit verhaal is het essentieel dat eender welke smartphone plastic chips kan uitlezen.

Om plastic elektronica echt te integreren in onze samenleving moet de technologie nog verder worden geoptimaliseerd. We streven hierbij naar een variant op de wet van Moore, vandaag toegepast voor de siliciumchiptechnologie. Meer concreet zullen plastic chips nog kleiner, energiezuiniger en sneller worden. De eerste doelstelling, het verkleinen van de plastic chips, is belangrijk om de kostprijs nog verder te drukken. Hoe kleiner de oppervlakte die we nodig hebben, hoe lager de kostprijs. Daarenboven, als de chip verkleint, zal het volume van de gebruikte materialen ook verkleinen wat dan weer een positieve invloed heeft op het milieu. Daarnaast moeten de chips energiezuiniger worden. Dat laat ons toe om complexere chips te ontwikkelen. Bovendien is het belangrijk dat ze zo lang mogelijk autonoom (eventueel met een batterij) kunnen werken; hoe minder energie ze verbruiken, hoe makkelijker dat is. De laatste doelstelling, snelheid, houdt in dat het aantal berekeningen per milliseconde moet worden verhoogd. Als de chips sneller werken, kunnen ze ook snel variërende data (zoals je hartslag, bewegingen van je spieren, enzovoort) meten en verwerken, waardoor ze breder inzetbaar zijn.

We zullen wellicht nog even geduld moeten oefenen vooraleer bovenstaande dromen van flexibele technologie werkelijkheid worden, maar het onderzoek is de laatste jaren in een stroomversnelling geraakt, de technologie wordt steeds beter en de markt heeft het potentieel van plastic chips geroken. Op volledig flexibele displays zullen we wellicht nog even moeten wachten, maar slimme verpakkingen, al dan niet met geïntegreerde sensoren, kunnen we waarschijnlijk al binnen enkele jaren in onze winkels vinden. Hoe dan ook is het slechts een kwestie van tijd vooraleer onzichtbaar geïntegreerde, flexibele technologie niet langer magisch is, maar vanzelfsprekend wordt.

Kris Myny is principal member of technical staff bij imec en ontving vorig jaar een prestigieuze ERC Starting Grant van de Europese Commissie voor zijn onderzoek naar plastic microchips. Hij werd recent ook genoemd als een van de top tech-pioneers van België door de zakenkrant De Tijd.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen