Sébastien Moitzheim en Rob Stroeks, NOST Tokyo
Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.
Samenvatting
Met meer dan twaalfhonderd aanwezigen was de International Conference on Flexible and Printed Electronics (ICFPE) aan de Universiteit van Tokyo dit jaar een groot succes.(1) “Dit bevestigt de aantrekkingskracht van Japan als het om geavanceerde materialen gaat”, stelt voorzitter van de conferentie, professor Takao Someya van de Universiteit van Tokio.
In de biomedische sector verwacht Japan bijvoorbeeld belangrijke toepassingen. Prof. Someya, wereldwijd een belangrijke specialist in organische elektronica, is vorige maand nog aangewezen als leider van een nationaal project: the Someya Bio-Harmonized Electronics Project.
Ook de industrie zit niet stil. Het Koreaanse Samsung legde de strategie uit die het bedrijf zal volgen om zogeheten zachte elektronica te maken. Hierbij worden harde componenten uit de conventionele micro-elektronica gecombineerd met flexibele substraten. Sony riep op tot meer open innovatie om zo de uitdagingen van flexibele elektronica aan te kunnen. Er is al een belangrijke stap richting open innovatie van flexibele geprinte elektronica gezet met de Japan Advanced Printed Electronics Technology Research Association (JAPERA).
Vanuit Nederland waren er onder meer deelnemers vanuit de TU Delft, TNO en het Holst Centrum.
Inleiding
Op de International conference on Flexible and Printed Electronics (ICFPE) aan de Universiteit van Tokyo gaven onder andere Samsung en Sony hun visie op geprinte en flexibele elektronica. Duidelijk werd dat Japan meer en meer open begint te staan voor open innovatie. Dit geldt vooral voor gebieden waar nog grote uitdagingen liggen, zoals bij de flexibele geprinte elektronica.
Micrometer printen
De interesse in flexibele geprinte elektronica valt te verklaren door de mogelijkheden die het opent. Een belangrijk voordeel is dat elektrische componenten grootschalig en goedkoop geproduceerd kunnen worden, bijvoorbeeld door gebruik te maken van roll-to-roll processen.(2) De flexibele componenten vergroten de ontwerpmogelijkheden enorm. Ook is er veel minder materiaal nodig dan bij de conventionele productie van elektrische componenten. Dit levert milieuvoordeel op.
Het Japanse bedrijf SIJ Technology heeft een printer ontwikkeld die een volume tot 0,1 femtoliter kan printen.(3) Dat is 10-15 liter, oftewel een tienduizend biljoenste liter –tienduizend keer kleiner dan de gemiddelde menselijke cel. De technologie kwam voort uit onderzoek van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). Met deze technologie kunnen verschillende vloeistoffen worden geprint, zoals geleidende en isolerende inkt of zelf biologisch materiaal zoals eiwitten. De printer kan een lijn met een diameter van een half micrometer printen, de kleinste afmeting ooit door een commerciële printer gehaald.
Zachte elektronica
Samsung liet tijdens de plenaire sessie horen welke strategie het wil volgen. In plaats van flexibele elektronica wil het bedrijf zachte elektronica gaan ontwikkelen. Dit houdt in dat er gebruik wordt gemaakt van harde chips uit de bestaande lithografische technologie voor silicium, gecombineerd met flexibele substraten. “Door deze harde componenten op een zacht substraat te plaatsen kunnen we de voordelen van beide technologieën benutten”, aldus Kinam Kim, president van het Samsung Advanced Institute of Technology. “De bestaande siliciumtechnologie is al ver ontwikkeld en veel sneller dan wat momenteel mogelijk is met flexibele geleidende polymeren.”
Om deze technologieën te combineren zijn zogeheten transfer tools nodig. Deze moeten de verschillende onderdelen nauwkeurig op het flexibele substraat plaatsen. Hiervoor kunnen twee verschillende strategieën worden toegepast. Bij de eerste methode bepalen betrokkenen op voorhand waar ze de onderdelen op het substraat zullen plaatsen en printen de onderliggende connecties. Bij de tweede methode worden de onderdelen eerst geplaatst, waarna achteraf de interconnecties worden gemaakt.
Figuur 1. Concept van een zachte chip. Sommige componenten kunnen direct in de flexibele film worden gemaakt, andere maken gebruik van conventionele lithografische technieken. Door de harde componenten op het flexibele substraat aan te brengen en vervolgens te koppelen kan een flexibel apparaat gemaakt worden.
Het klinkt makkelijk, maar het maken van geprinte interconnecties is nog een uitdaging. Dit komt doordat de benodigde metalen zoals zilver en koper tot inkt verwerkt moeten worden. Deze inkt heeft dan nog altijd een hogere weerstand dan de pure vaste stof van het metaal. Dit maakt het lastiger om efficiënte apparaten te maken. Er was tijdens de conferentie dan ook een aparte sessie gewijd aan geleidende inkt.
Someya Bio-Harmonized Electronics Project
Een belangrijke toepassing van flexibele elektronica die Samsung voorziet betreft biomedische applicaties. Kim legde uit dat de verwachte groei van flexibele elektronica tot nu toe nog lang niet gehaald is. De biomedische sector zou de drijvende kracht voor groei kunnen zijn. Japan heeft dit ook ingezien. De Japanese Science & Technology agency (JST) heeft met het fonds Exploratory Research for Advanced Technology” (ERATO) in augustus dit jaar het Someya Bio-Harmonized Electronics Project gefinancierd dat tot maart 2017 zal lopen.(4) Professor Takao Someya van de Universiteit van Tokyo, tevens voorzitter van de ICFPE, zal dit project leiden.
Figuur 2. De onderwerpen die onderzocht zullen worden voor het Someya Bio-Harmonized Electronics Project. (Bron: Projectsite)
Flexibele elektronica is door de zachte structuur uitermate geschikt voor koppeling aan biologie. Dit biedt de mogelijkheid om elektrische en chemische signalen te meten en deze informatie te gebruiken om de toestand van het lichaam te bepalen. Dit kan handig zijn bij ziekten waar een constant monitoring van bepaalde stoffen belangrijk is, zoals bijvoorbeeld glucose bij diabetes.
Open innovatie
Het ontwikkelen van nieuwe technologieën wordt meer en meer een uitdaging. “De technologie voor videorecorders vereiste hoogstens tientallen patenten van een paar bedrijven. Tegenwoordig is een technologie zoals Blu-Ray gebaseerd op ruim drieduizend patenten van zestig verschillende bedrijven. Hierdoor is het moeilijker geworden om iets nieuws te ontwikkelen”, legde Ryoji Chubachi, vicevoorzitter van Sony, uit.
Om dit probleem op te lossen deed Chubachi een oproep tot meer open innovatie. Hij noemde CERN als een succesvol voorbeeld van hoe open innovatie kan leiden tot een prachtig resultaat, zoals in dit geval de bevestiging van het bestaan van het Higgs boson deeltje. In Japan krijgt het thema open innovatie steeds meer aandacht. Zo is sinds kort de Tsukuba Innovation Arena (TIA-nano) opgericht die onderzoek doet in nanotechnologie.(5) TIA-nano heeft daarin zes kerndomeinen vastgesteld (zie figuur 3).
Dit initiatief, waarvan Chubachi bestuurslid is, promoot open innovatie en combineert verschillende instituten zoals het National Institute for Materials Science (NIMS), de universiteit van Tsukuba en de High Energy Accelerator Research Organization (KEK). TIA-nano wordt ondersteund door zowel METI, het Ministerie van Economische Zaken als door MEXT, het Ministerie van Onderwijs. TIA-nano is open voor iedereen die wil bijdragen aan kennis en innovatie door middel van nanotechnologie.
Figuur 3. De zes kerndomeinen waar TIA-nano zich op focust: nano-elektronica, power electronics, nano-MEMS, nano-groen, koolstofnanobuizen en nano-materiaalveiligheid.
JAPERA
Om de krachten te bundelen is in maart 2011 een open innovatie associatie opgericht: de Japan Advanced Printed Electronics Technology Research Association (JAPERA).(6) Hier doen momenteel al 31 Japanse bedrijven en instituten aan mee (zie tabel 1). Japan wil hiermee zijn internationale concurrentiepositie versterken om goedkoop, snel en efficiënt flexibele elektronica te kunnen printen.
JAPERA wil de vroege commercialisering van geprinte elektronica verwezenlijken door productietechnologie te ontwikkelen. Het neemt deel aan het door de New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) gefinancierde project Development of Materials and Process Technology for Advanced Printed Electronics, dat loopt van 2011 tot en met 2016. Hiervoor is 23,7 miljoen euro beschikbaar.
Figuur 4. De voordelen en voorbeelden van flexibele en geprinte technologieën door JAPERA.
Het NEDO-project waar JAPERA zich mee bezighoudt heeft hoofdzakelijk vier doelen:
- De ontwikkeling van de technologie om continu zeer flexibele elektronische substraten te printen;
- De ontwikkeling van de materialen en procestechnologie voor de productie van geavanceerde geprinte TFT (dunne laag transistor) matrices;
- Printmethoden toepassen om elektronisch papier te maken;
- Printmethoden toepassen om flexibele sensoren te maken.
Tabel . Open innovatiepartners in JAPERA, per 1 september 2012
Nederlandse deelname
Tijdens de ICFPE was Nederland onder andere vertegenwoordigd door TNO en het Holst Centrum. Het Holst Centrum is een open innovatie platform, vergelijkbaar met TIA-nano en JAPERA. Het doet veel onderzoek naar flexibele elektronica met verschillende partijen vanuit de universitaire wereld en de industrie. De onderzoeksonderwerpen lopen uiteen van roll-to-roll printen tot de ontwikkeling van specifieke materialen die nodig zijn voor de productie van flexibele geprinte elektronica. Het Holst Centrum wil onder andere verschillende mogelijke toepassingen verkennen waarin flexibele elektronica gebruikt kan worden.(7) Tijdens de ICFPE presenteerde Gerwin Gelinck, manager van het OLED-display programma, het onderzoek van het Holst Centrum om flexibele elektronica toe te passen in Röntgendetector folies, smart labels en zonnepanelen.
Professor Ryoichi Ishihara van de TUDelft was als lid van de ICFPE-organisatie verantwoordelijk voor de Europese relaties. In Nederland heeft Ishihara bijgedragen aan de roadmap Printing voor de topsector High Tech Systemen en Materialen (HTSM).(8) Zelf is Ishihara in samenwerking met Professor Shimoda van het Japan Advanced Institute of Science and Techology (JAIST) bezig met onderzoek naar vloeibaar silicium.(9) Dit maakt het mogelijk om silicium direct te printen om bijvoorbeeld TFTs te produceren. Volgens Ishihara is de ICFPE een goede plek voor nieuwe contacten en partners om printtechnologieën verder te ontwikkelen en deze te commercialiseren.
Conclusie
Het grote aantal deelnemers maakt de Japanse aandacht voor het thema flexibele elektronica duidelijk. “Met meer dan 1250 deelnemers is dit evenement een groot succes!”, stelt voorzitter Someya trots vast. De twee eerdere ICFPE-conferenties in Zuid-Korea (2009) en Taiwan (2010) waren met 350 en 400 deelnemers veel kleiner. Volgens Someya is de grote aandacht voor deze editie te danken aan de sterke positie van Japan op het gebied van materialen. Daarom heeft Japan veel te bieden wat betreft de benodigde materiaalkennis voor flexibele geprinte elektronica. De volgende ICFPE zal in 2013 weer in Korea worden gehouden.
Bronnen
- Site van “The 2012 International Conference on Flexible and Printed Electronics”.
- Artikel over het “roll-to-roll” process.
- Informatie van SIJ Technology.
- Site van het “Someya Bio-Harmonized Electronics Project” (Japans).
- Site van de Tsukuba innovatie associate (TIA-nano).
- Site van de open innovatie associate “Japan Advanced Printed Electronics Technology Research.
- Nieuwsbericht “Holst Centre and imec launch research program on flexible OLED displays”, 17 januari 2012.
- Roadmap HTSM “printing”.
- Nieuwsbericht over spincoaten van Vloeibaar silicium, 28 februari 2012.
