RFID-Chip für 1 Cent Zukunftstechnologie Polymerelektronik RFID aus dem Tintenstrahldrucker

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1 neugierig.05 RFID-Chip für 1 Cent Zukunftstechnologie Polymerelektronik RFID aus dem Tintenstrahldrucker Eike Becker Institut für Hochfrequenztechnik TU Braunschweig 1

2 Institut für Hochfrequenztechnik Arbeitsgruppen Mikrowellentechnik (Prof. Schöbel) Terahertztechnik (Prof. Koch) Hochfrequenztechnik und Photonik (Prof. Kowalsky) ca. 60 Mitarbeiter Drittmittelvolumen ca. 3 Mio 2

3 Gliederung Was ist Polymerelektronik? Polymerelektronik vs. Siliziumelektronik Anwendungen RFID-Tags Wo bleiben die Plastik-Tags? Prognose Zusammenfassung 3

4 Silizium-Elektronik Materialien: Halbleiter (Silizium) Leiter (Metalle) Isolatoren (Oxide) Herstellung: Fotolithographie Vakuumtechnik Hochtemperaturprozesse (Diffusion, Legieren, Oxidieren) 4

5 Was ist Polymerelektronik? Isolatoren Halbleiter Leiter Plastik! Nobelpreis 2000 (Heeger, MacDiarmid, Shirakawa) "for the discovery and development of conductive polymers" 5

6 Was ist Polymerelektronik? Metall Oxid Silizium Silizium-MOSFET Transistor leitfähiges Polymer isolierendes Polymer Plastikfolie Polymer-Transistor 6

7 Was ist Polymerelektronik? Herstellung Die Ausgangsmaterialien liegen als Lösungen/Dispersionen vor benötigt werden dünne Schichten und feine Strukturen aus diesen Materialien mehrere Schichten müssen genau übereinander platziert werden es sollen kostengünstig große Flächen beschichtet werden DRUCKEN (Offset, Tintenstrahl, Flexo,...) Elektronik von der Rolle Bild: PolyIC 7

8 Polymerelektronik vs. Siliziumelektronik Bild: Fraunhofer IZM Polymerelektronik sehr langsam (Hz...kHz) geringe Komplexität einfache Technologie flexible Substrate großflächig Siliziumelektronik sehr schnell (GHz) hohe Komplexität aufwändige Technologie starres Substrat kleine Chipflächen (mm²) 8

9 Polymerelektronik Anwendungen Kosten Performance Polymerelektronik Silizium- Elektronik Preis Massenartikel sehr billig Einmal/Wegwerf-Elektronik RFID Sensorik GGG (Gifts, Games, Gadgets) besondere Eigenschaften flexible Displays (LCD, E-Paper) großflächige, verteilte Anwendungen (Sensorik) 9

10 Polymerelektronik Anwendungen Bild: PolyIC Bild: University of Tokyo 10

11 RFID mit Polymerelektronik Vision Herstellung mit Drucktechniken durch Massenproduktion sehr billig (< 1 Cent) Markt: Item-Level-Tagging, Konkurrenz zum Barcode besonderer Vorteil: Integration mit Verpackung, Elektronik wird gleich mit gedruckt Zusammenbau des Tags (Chip, Spule) entfällt 11

12 RFID mit Polymerelektronik Erste Realisierung eines RFID-Tags mit Polymerelektronik Polymer-Chip Konventionelles RFID- Tag (Spule, Kondensator) Bild: Philips Silizium-Diode 12

13 Wo bleiben die Plastik-RFIDs? Herstellung keine Zusätze (Thixotropie, Benetzung, Viskosität,...) beim Drucken, da Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften die Geschwindigkeit der Elektronik wird durch die Größe der Strukturen bestimmt: kleine Strukturen hohe Geschwindigkeit Genauigkeit von < 10 µm erforderlich sehr dünne, homogene Schichten für Isolator und Halbleiter (Ausbeute) bekannte Drucktechniken stoßen an ihre Grenzen 10 µm 200 nm 50 nm Materialien Stabilität, Lebensdauer (Wasser, Sauerstoff) PARC, Xerox hohe Reinheit des Halbleiters erforderlich vielfältige Wechselwirkungen der Materialien, noch nicht verstanden keine einfache Technologie 13

14 Wo bleiben die Plastik-RFIDs? Systemkomponenten Leitfähigkeit der Polymere zu gering für Antenne/Spule Gleichrichter/Dioden lassen sich nur schwer realisieren hohe Komplexität des Chips auch bei einfachen RFID-Anwendungen bisher keine komplementäre Logik (Energieverbrauch, Ausbeute) sehr anspruchsvolle Anwendung Technologieentwicklung Material- und Prozessvielfalt führt zu flacher Lernkurve Konkurrenz zu existierender Technologie erzwingt (zu) hohe Anforderungen hohe Schwelle für den Markteinstieg 14

15 Wo bleiben die Plastik-RFIDs? Wird Plastik-Elektronik eine Zukunftstechnologie bleiben? Einführung von ersten Produkten nicht nur über den Preis keine Konkurrenz zu Silizium-Elektronik Voraussetzungen: Konvergenz der technologischen Prozesse und Materialsysteme Finden einer Killer-Applikation Zeitskala: Polymerelektronik in Display-Anwendungen 3-5 Jahre RFID-Tags 5-10 Jahre 15

16 Zusammenfassung Polymerelektronik: Elektronische Schaltungen aus Plastik Vergleich zu Silizium: Schlechtere Eigenschaften, dafür einige besondere Vorteile Billige Massenproduktion im Prinzip möglich RFID-Tags: bisher proof-of-principle noch viele Hürden zu überwinden 16