Flexchips in opmars

820
Batterijen, chips en displays van flexibele elektronica beginnen steeds meer mainstream te worden. Langzaam gaat het in de richting van integratie. Nu nog een goedkope fabricagemethode om een miljardenmarkt te ontsluiten.

tientallen chips op een flexibele wafer

Tijdens de Solid State Circuit Conference, begin februari 2008 in San Francisco, presenteerde het Holst Centre, een samenwerkingsverband van TNO met het Leuvense chipcentrum Imec, een flexibele rfid-chip. Daarmee was het niet de eerste, maar de prestaties van deze chip bereiken nu bijna het niveau dat ze een alternatief kan worden voor de zebracode.

De antenne van de chip vangt signalen van 13,56 MHz op en zet de energie uit het signaal om in een spanning die de chip aan het werk zet: er wordt een signaal teruggezonden met een bitrate van 787 bits per seconde, dat op maximaal tien centimeter afstand valt op te vangen. Met 400 transistoren is de chip ook nog eens kleiner dan andere, wat bijdraagt aan de lage productiekosten. Toch is er nog een stevige weg te gaan voor de chip commercieel rendabel wordt, waarschuwt Programmamanager Organische Circuits dr. Gerwin Gelinck van het Holst Centre.

‘Om energie over afstand te verzenden, zoals bij een rfid-chip gebeurt, moet je aan wettelijke eisen voldoen. De vermogens die wij nodig hebben, zijn daarvoor nog te hoog. Verder zit het geheugen op dit moment ingebakken, terwijl de markt programmeerbare geheugens wil. Op korte termijn denken we wel eenmalig beschrijfbare geheugens te kunnen maken met deze technologie.’

‘Het leeuwendeel van de chip bestaat nu uit de antenne’, gaat Gelinck verder. ‘Die vormt niet het meest aansprekende deel van de chip, maar draagt wel aanzienlijk bij aan de kosten. Als we hem kunnen laten werken bij 900 MHz in plaats van 13,56 kan de antenne veel kleiner worden. Dan kan de kosten-effectiviteit van de chip behoorlijk omlaag. Maar voor we zover zijn, zijn we wel een paar jaar verder.’

Vacuüm

De technologie om de chip op een dunne folie te krijgen was voor een belangrijk deel afkomstig van Polymer Vision, de spin-off van Philips die verantwoordelijk is voor flexibele beeldschermen. In december vorig jaar is dit bedrijf begonnen met de massaproductie van flexibele schermen. Halverwege dit jaar moet de ‘Readius’, een multifunctioneel apparaatje met oprolbaar scherm, op de markt komen. Philips is overigens niet de enige. In de loop van dit jaar komt er ook een apparaat van Plastic Logic, een spin-off van Cambridge University, dat momenteel met geld van twee investeringsmaatschappijen een fabriek bouwt in Dresden.

Van Philips’ technologie is bekend dat de folies niet helemaal volgens de goedkoopste methode gemaakt worden. Veel componenten worden ‘geprint’, maar de noodzakelijke metalen componenten worden opgedampt in vacuüm en dat is duur. Die stap zal bij de rfid-chip van het Holst Centre nog eruit gehaald moeten worden om hem echt goedkoop te maken. Onderzoeksbureau IDTechEx schat dat plastic rfid-chips in 2017 tweederde van de markt in handen zullen hebben, maar dan moeten er wel tien voor een cent te maken zijn.

De toepassing van technologie uit de displays voor rfid-chips geeft wel aan dat het onderzoek naar flexibele elektronica naar elkaar toegroeit. Jarenlang werkten kleine groepen in relatieve isolatie aan hun eigen producten, maar inmiddels is er zoveel kennis dat men bij elkaar kan shoppen voor puzzelstukjes. Die puzzelstukjes zitten met name in de productietechnologie, want hoe fraai de flexibele beeldschermpjes ook zijn, de voornaamste drijfveer achter de plastic elektronica zit in de kosten.

En dat betekent een grote nadruk op fabricagetechnieken. Flexibele chips worden bij voorkeur geprint. Daarvoor zijn dan wel hoogwaardige inkten nodig, met precies de goede elektronische eigenschappen, van isolerend tot sterk geleidend, voor de verschillende onderdelen van een chip. NEC meldde op dit terrein in februari een doorbraak met een inkt waarin nanobuisjes zijn opgelost. De resulterende transistoren zouden honderd keer sneller zijn dan bestaande flexibele exemplaren. De crux van printen is dat het bij kamertemperatuur kan plaatsvinden, wat energiebesparingen in de orde van negentig procent oplevert ten opzichten van siliciumtechnologie.

flexibele rfid-chip met dito antenne

Doorzichtig

De verschillende elementen voor plastic elektronica komen samen op de conferentie Printed Electronics Europe, die op 8 en 9 april in Dresden gehouden wordt. Naast beeldschermen, nieuwe inktsoorten en rfid-chips zal daar een belangrijke rol weggelegd zijn voor de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van flexibele zonnecellen.

Die bestaan weliswaar al, maar niemand is er nog in geslaagd om ze te printen. Dat betekent dat er nog een wereld te winnen valt aan productiekosten. Dat is voor zonne-energie essentieel, want net als bij zebracodes is er een rivaliserende technologie die vooralsnog veel goedkoper is. Hetzelfde geldt voor flexibele batterijen: al wel te maken, maar nog niet in goedkope massaproductie. Dus blijft het toepassingsveld beperkt.

De verschillende elementen – energie genereren, opslaan en gebruiken in elektronische schakelingen – komen niet alleen bij elkaar, ze worden ook transparant. Onlangs liet de University of Washington al een contactlens zien met transparante elektronica die beelden op het netvlies kan projecteren, maar de plannen zijn grootser. Denk bijvoorbeeld aan autoramen waarover route-informatie geprojecteerd wordt. De technologie bestaat in principe, het is vooral een kwestie van integreren en betaalbaar maken.

Compatibiliteit zal dan ook een belangrijk issue zijn tijdens de conferentie. Er zijn zoveel start-ups die met hun eigen technologie aan de gang gaan dat een doorbraak mogelijk tegengehouden wordt door aarzelingen bij afnemers of de technologie waar zij voor kiezen wel de concurrentiestrijd zal doorstaan. Van standaardisering is nog weinig sprake.

De IEEE standaard 1620.1 legt vast hoe de prestaties van een organische transistor vast te stellen. Een groep bedrijven verenigd in de Organic Electronics Association heeft vorig jaar september een ‘roadmap’ vastgesteld hoe organische elektronica zich in de komende jaren moet ontwikkelen, maar de richting is diffuser dan die van de vertrouwde roadmap voor silicium, die al decennia lang de wet van Moore volgt.

Niettemin denkt IDTechEx, dat zich in deze markt specialiseert, dat de totaalomzet aan geprinte elektronica dit jaar op ruim een miljard dollar zal uitkomen. In 2011 is dat vijf miljard, maar daarna begint een explosieve groei, naar 48 miljard in 2017 en 300 miljard in 2027. Dat is een markt waar Philips en het Holst Centre volgaarne een graantje van zullen willen meepikken.


Materialen voor flexibele chips

Flexibele chips worden doorgaans gemaakt van plastics (er zijn exotische varianten op papier), maar niet iedere polymeer is er uiteraard geschikt voor. Sterker nog, de werkzame componenten zijn soms organische kristallen, aangebracht op folie in de vorm van inkt.

Een favoriet kristalmateriaal is pentaceen, waarvan onder andere de rfid-chip van het Holst Centre gemaakt is. Pentaceen bestaat uit vijf geschakelde benzeenringen, die zorgen voor een hoge elektron-mobiliteit. Om dezelfde reden zijn ook andere uit benzenen opgebouwde moleculen, zoals antraceen en rubreen, populair. Rubreen, met acht benzeenringen in een stervorm, is het organische molecuul met de hoogste elektron-mobiliteit.

Rubreen geeft van zichzelf geel licht af, maar kan door menging met andere materialen ook gebruikt worden voor rode en witte oled’s (organische led’s). De meeste oled’s zijn echter gemaakt van polymeren, zoals polyetheen, polypyrrol en polyaniline. Combinaties van die moleculen staan bekend als melanine, een groepsnaam voor kleurstoffen die van nature in de menselijke huid voorkomen. Vandaar dat soms gezegd wordt dat oled’s van melanine zijn gemaakt.

Eerder verschenen in Technisch Weekblad nr 16, 2008. Illustraties: Holst Centre.