Organic Electronics

Plastic RF-ID
Paul Heremans
IMEC, Kapeldreef 75, 3001 Leuven, Belgium
K.U.Leuven, dept. ESAT, Leuven, Belgium
July 21, 2017
© imec 2004
ISSCC 2006, San Francisco
Programme of Tuesday February 7
Hot today
© imec 2005
18:00 here!
heremans
2
“RF-ID” :
Draadloze identificatie
heremans
© imec 2005
3
Trend
F. Mattern, ETHZ
“alle dagelijkse voorwerpen zullen informatieverwerkingscapaciteiten bezitten”

RF-ID wordt alomtegenwoordig “ubiquitous”
Indien “voldoend lage” kost kan worden gehaald

Niet enkel “identificatie” wordt alomtegenwoordig,
maar ook systemen die communicatie combineren
met sensoren, informatieverwerking, ….
heremans
© imec 2005
4
heremans
© imec 2005
5
Hoe het werkt
heremans
© imec 2005
6
Verre veld versus nabije veld
field strength (dB)
60
proximity
40
13.56 MHz: 3.5 m
20
0
-20
-40
-60
far field
-20 dB/decade
near field
-60 dB/decade
-80
-100
0.01
heremans
© imec 2005
0.1
1
10
Distance normalized to 
Nabije veld:
“transformator” koppeling
Energieoverdracht
Korte afstand
100
1000
Verre veld:
EM koppeling
“signaal” ipv “energie”
Lange afstand
7
Frequentiebanden
Frequency: MHz
Wavelength
heremans
© imec 2005
8
Waardeketen
heremans
© imec 2005
9
Passieve tag in nabije veld
heremans
© imec 2005
10
Eenvoudigste “tag”
heremans
© imec 2005
11
Fabricatie vandaag
+
=
heremans
© imec 2005
12
Kost versus performantie
Reading distance
• new production methods
• new chip-packaging
100 m
Semi
Passive
RFID
3-4 m
0.5 m
Chipless tags
• magnetic strips
barcode • SAW
Organic
electronics
0.1
1
Active
RFID
Passive
RFID
Read-only
10
Passive
RFID
RW
100
1000 [eurocent]
cost
heremans
© imec 2005
13
Kost versus performantie
Reading distance
• new production methods
• new chip-packaging
100 m
Semi
Passive
RFID
3-4 m
0.5 m
Chipless tags
• magnetic strips
barcode • SAW
Organic
electronics
0.1
1
Active
RFID
Passive
RFID
Read-only
10
Passive
RFID
RW
100
1000 [eurocent]
cost
heremans
© imec 2005
14
Kost versus marktgrootte !
heremans
© imec 2005
15
Hoe ?
chip “printen”
op het substraat
samen met de
antenne
Infineon
Maar …
heremans
© imec 2005
16
Uitdagingen in het onderzoek vandaag
1. De elektronicus is toch geen drukker ?
<>
heremans
© imec 2005
17
de denkwereld van de elektronicus
de wet van Moore of de nanojacht
10
transistors
per sq cm
1cm
2000
transistors
per sq cm
1947
micro
250K
transistors
per sq cm
4M
transistors
per sq cm
40M
transistors
per sq cm

Fijnere lithografie : vandaag : 65 nm

Meer funktionaliteit per eenheid oppervlak

Grotere (300 mm), duurdere fabs

Lagere kost per funktie
1 mm
100 nm
nano
10 nm
2017
heremans
© imec 2005
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
18
de denkwereld van de elektronicus




“Batch” van wafers
Yield !
Precisie (65 nm)
Projectie-lithografie
Evolutie

Grotere wafer

Fijnere lithografie
heremans
© imec 2005
19
versus de denkwereld van de drukker




“WEB” = continu
Visuele voldoening
(foutje hier en daar is geen
probleem)
Snelheid (100m / min)
Kontakt tussen rol en
substraat
Evolutie

Breder web

Sneller drukken

Digitale evolutie: kleinere
oplages =>direct van design
naar plaat
heremans
© imec 2005
20
de elektronicus gaat drukken
heremans
© imec 2005
21
Uitdagingen in het onderzoek vandaag
1.
De elektronicus is geen drukker, of toch ?
2. De halfgeleiders die zich lenen tot
“druk”-technologie hebben een lage
performantie vergeleken met Silicium
heremans
© imec 2005
22
Mobiliteit
Mobiliteit van ladingsdragers in de halfgeleider is
 0.001 X mobiliteit in Silicium
m cm2/Vs
pentaceen
104
GaAs
103
Silicium (processor)
102
Poly-silicium (backplane OLED)
101
1
10-1
a silicium
O-logic
10-2
10-3
10-4
O-zonnecel
O-LED
10-5
heremans
© imec 2005
23
Toepassingen “ondanks” beperkte m

OLED: licht-emitterende diodes

OSC: zonnecellen
IMEC

Backplanes voor displays
PolyIC

Niet-al-te-snelle logic,
bvb RF-ID tag
heremans
© imec 2005
24
Uitdagingen in het onderzoek vandaag
1.
De elektronicus is geen drukker, of toch ?
2.
De halfgeleiders die men kan printen hebben een
lage “mobiliteit”, maar dat belet niet dat er tal van
toepassingen verwezenlijkt kunnen worden
3. 100 Volt op een bloemkool is niet praktisch
heremans
© imec 2005
25
Een greep uit www.google.com
heremans
© imec 2005
26
Opgelet: hoogspanning !
heremans
© imec 2005
27
maar gelukkig hoeft dat niet echt…
IMEC, december 2005
ISSCC 2006
IMEC, juli 2005
10V
5 stage Oscillator with output stage
Vout [V]
8
VDD =10V
f
~16.3kHz ( stage delay ~3.8µs)
6
4
2
0
16.30
heremans
© imec 2005
16.35
16.40
time [ms]
16.45
16.50ms
28
Besluit
1.
De elektronicus is geen drukker, of toch ?
2.
De halfgeleiders die men kan printen hebben een
lage “mobiliteit”, maar dat belet niet dat er tal van
toepassingen verwezenlijkt kunnen worden
3.
Onderzoek verbetert stelselmatig de performantie
=> Plastic RF-ID is een kwestie van tijd,
niet van kunnen
heremans
© imec 2005
29