Smart Industries

10 min

Flexibele RFID-tags voor een slimmere, verbonden wereld

Imec ontwikkelde samen met Quad Industries en Agfa een toegangsbadge waarin plastic RFID-tags voor het eerst gecombineerd worden met geprinte antennes, zowel in de tag als in de reader.

Scroll

Met de opkomst van het internet der dingen zullen microchips niet alleen geïmplementeerd worden in voertuigen, huishoudelijke toestellen en health wearables, maar ook in goedkopere verbruiksgoederen. Met slimme labels bijvoorbeeld – geïntegreerd in de verpakking – zouden we producten kunnen volgen van productie tot verbruik. Deze labels zouden ook nuttige informatie kunnen geven aan consumenten, bv. over de versheid, oorsprong of bereiding van etenswaren. Door de plastic RFID-chips van imec en TNO (ontwikkeld binnen het kader van Holst Centre) te combineren met goedkope, geprinte antennes, zouden deze slimme labels binnenkort al realiteit kunnen worden. Om deze piste te verkennen, werkte imec samen met Quad Industries en Agfa. Onlangs stelden ze het resultaat van hun samenwerking voor: een demo voor een toegangsbadge waarin plastic RFID-tags voor het eerst gecombineerd worden met geprinte antennes, zowel in de tag als in de reader.

Imec: de voordelen van plastic RFID-chips

Imec is al meer dan tien jaar actief in het domein van de plastic elektronica. In 2012 lanceerden we de eerste plastic microprocessor. En vorig jaar mocht imec samen met Holst Centre (een collaboratie tussen imec en TNO) de “Best Product” Award in ontvangst nemen op het Printed Electronics Europe Conference voor een gezamenlijk project met Cartamundi, een bedrijf dat bordspelen en speelkaarten ontwikkelt die interageren met technologie. Samen hebben ze een kaartspel gemaakt met in elke kaart een geïntegreerde RFID-tag (toen nog met een gewone, commerciële antenne). Zo wordt de gezelligheid van een traditioneel kaartspel gecombineerd met de spanning van een computerspel.

RFID (Radio Frequency Identification)-chips maken het mogelijk om vanaf korte afstand (< 2cm) te communiceren met een speciale RFID-reader. Traditionele RFID-chips zijn gebaseerd op siliciumtechnologie, maar imecs plastic chips gebruiken in plaats daarvan dunne-filmtechnologie (thin-film transistor of TFT), waarbij een dunne laag metaaloxide (een mix van indium-gallium-zink-oxide) als halfgeleider functioneert. De laag metaaloxide heeft een laag temperatuurbudget waardoor deze rechtstreeks op een plastic folie kan worden aangebracht. Het resultaat is een flexibele, plooibare chip.

Deze plastic technologie biedt een aantal significante voordelen. Kris Myny (senior onderzoeker – imec) legt uit: “Omdat onze plastic chips ultradun en flexibel zijn, kunnen ze onzichtbaar geïntegreerd worden in bijna elk product. Je kan ze op eender welke manier buigen of plooien.” Plastic tags zouden bijvoorbeeld geïntegreerd kunnen worden in papieren voedselverpakkingen, in veiligheidsdocumenten of zelfs in bankbiljetten, stuk voor stuk toepassingen die met siliciumtechnologie bijna ondenkbaar zijn. De plastic tag kan echt kan verdwijnen in het design van het product.

Vanuit een commercieel standpunt is het grootste voordeel van deze dunne-filmtechnologie dat de chips goedkoper zijn. Kris Myny: “Als onze plastic chips op grote schaal geproduceerd zouden worden, hebben ze een uniek prijsvoordeel omdat het productieproces veel eenvoudiger is. Onze chips kunnen in slechts enkele stappen geproduceerd worden. In massaproductie zien wij de prijs van onze chip evalueren naar minder dan 1 eurocent. Dat is tien tot 100 keer goedkoper dan wat je vandaag op de markt hebt. Om dit ambitieuze plan mogelijk te maken, moet er natuurlijk wel een sterke vraag zijn vanuit de industrie. Daarom werken we ook nauw samen met de bedrijven die deze technologie zouden kunnen toepassen. Samen proberen we een visie uit te werken over hoe deze technologie kan groeien.”

Quad Industries: specialist in geprinte elektronica

Quad Industries is gespecialiseerd in het printen van elektronica op verschillende substraten, gaande van plastic en textiel tot zelfs papier. Wim Christiaens (R&D Director, Quad Industries) legt uit: “Geprinte elektronica heeft twee grote voordelen: het is goedkoper en maakt het mogelijk om elektronica rechtstreeks te integreren in eender welk materiaal. Zo’n additieve verwerking maakt het productieproces sneller en goedkoper en is een revolutionaire stap voorwaarts in het proces om elk object slim te maken.”

Momenteel gebruikt Quad Industries nog voornamelijk siliciumchips. Hun technologie combineren met de plastic chips van imec zou de kosten niet alleen significant verlagen, maar zou ook nieuwe mogelijkheden creëren omdat de technologie zo nog flexibeler wordt.

Demo voor toegangsbadges: plastic RFID-tags met geprinte antennes

In 2015 zette een consortium van Vlaamse bedrijven – onder de coördinatie van Afga – een nieuw SIM-SOPPOM project op. Dit project, dat de naam Met@link kreeg, heeft als doel om metaalinkten in te zetten om de technologische en economische mogelijkheden van het internet der dingen en hybride flexibele elektronica uit te breiden. Het resultaat van deze samenwerking is een toegangsbadgedemo. De toegangsbadge bevat een plastic RFID-tag van imec in combinatie met een geprinte antenne. Geprinte antennes werden al eerder succesvol op RFID-tags geïmplementeerd, maar dit is de eerste keer dat ook de RFID-reader een geprinte antenne heeft. Daarvoor werd in de reader altijd een gewone antenne op een stugge printplaat gebruikt omdat die makkelijker te verbinden is met de RFID-tag. Het gebruik van een flexibele geprinte antenne maakt het mogelijk om de reader optimaal te integreren, zelfs op een gebogen of 3D oppervlak.

De samenwerking tussen de Met@link partners was essentieel om deze demo mogelijk te maken en om bepaalde moeilijkheden te overwinnen. Een eerste probleem was de energieconsumptie van de plastic chips: die verbruiken meer energie dan gewone siliciumchips. Daardoor was de combinatie met geprinte antennes niet evident aangezien deze een hogere weerstand en meer energieverlies hebben. De imec-onderzoekers moesten dus eerst een manier vinden om het energieverbruik van hun plastic chip te verbeteren. De energie-efficiëntie van dit soort chips werd gepresenteerd op ISSCC 2017, de belangrijkste conferentie over circuit design, waarbij een energieverbruik van slechts 7,5mW voor een complete plastic NFC-barcode chip bereikt werd. Daarnaast ontwikkelde Agfa een nieuwe soort zilverinkt bestaande uit zilveren nanopartikels. Omdat deze geavanceerde zilverinkt een betere geleider is, werd het makkelijker voor Quad Industries om antennes te printen die werken in combinatie met imecs plastic chips. Vervolgens werden alle componenten in Holst Centre samengevoegd tot complete RFID-tags. Het resultaat is een flexibele chip in combinatie met een antenne die ongeveer even groot is als een bankkaart en geprint is op een stukje plastic folie dat zo dun is dat het kan verdwijnen in zo goed als elk product.

Flexibele RFID-chip met geprinte antenne

Flexibele RFID-chip met geprinte antenne

Deze demo bewijst het potentieel van hybride flexibele elektronica waarbij plastic RFID-tags en een reader gecombineerd worden met geprinte antennes. Dit zou het productieproces een pak goedkoper maken. Wim Christiaens: “Voor Quad Industries is deze demo een belangrijke stap in het vereenvoudigen van ons productieproces. Met geprinte antennes kunnen we zowel onze op maat gemaakte touchscreens als de antennes op hetzelfde plastic substraat drukken. Op die manier kunnen we alles in één keer printen.” De volgende stap is om deze combinatie te verwerken in meer geavanceerde applicaties.

De reader in deze demo heeft ook een aangepast, geprint touchscreen met een numeriek toetsenbord waarmee bezoekers zonder badge een code kunnen ingeven om toegang te krijgen tot het gebouw.

De reader in deze demo heeft ook een aangepast, geprint touchscreen met een numeriek toetsenbord waarmee bezoekers zonder badge een code kunnen ingeven om toegang te krijgen tot het gebouw.

Dromen van een slimmere, verbonden wereld

Goedkopere technologie betekent een wijdere verspreiding van technologie. Slimme supermarkten bijvoorbeeld zouden binnenkort realiteit kunnen worden. Plastic RFID-tags met geprinte antennes zouden op die manier de informatiekloof tussen online en offline winkels kunnen overbruggen. Online winkels 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 online winkelkarretje gelegd hebt en opnieuw verwijderd hebt. Dit is waardevolle informatie die fysieke winkels niet hebben. Een bedrijf als Quad Industries zou deze opportuniteit kunnen gebruiken om slimme winkelrekken te creëren met geïntegreerde RFID-readers. In productverpakkingen zouden dan goedkope en flexibele RFID-tags met geprinte antennes verwerkt worden. Op die manier zou je kunnen volgen hoe vaak een bepaald product wordt opgepakt en teruggezet. De slimme labels zouden het ook eenvoudiger maken om de voorraad op te volgen of om te controleren of er producten op het rek staan met een verstreken houdbaarheidsdatum. Omdat plastic elektronica via massaproductie geproduceerd kan worden (door large-area manufacturing) zou het integreren van een slim label nauwelijks een effect hebben op de prijs van een product. Plastic RFID-tags zouden dus eigenlijk perfect de huidige barcodes kunnen vervangen.

Op dit moment bestaan imecs plastic chips enkel uit een unieke identiteit die afgelezen kan worden door een aangepaste reader of smartphone. De volgende stap is om sensoren, batterijen, programmeerbare geheugens en displays te integreren in deze tags. Als deze extra functionaliteiten toegevoegd zijn, dan kunnen we pas echt beginnen dromen van een wereld waar zelfs alledaagse objecten slim zijn. Een mogelijke toepassing waaraan gedacht wordt, is het creëren van slimme doordrukstrips voor medicatie. Plastic RFID-tags geïntegreerd in de verpakking zouden dan bijhouden of je je dagelijkse medicatie al dan niet genomen hebt en indien nodig een reminder sturen naar je smartphone. Een andere mogelijkheid is om dit soort tags te gebruiken in het logistieke proces: om individuele producten te tracken doorheen het hele transporttraject, waarbij sensoren de temperatuur en de versheid van het product monitoren “De mogelijkheden zijn bijna eindeloos,” zegt Kris Myny. “Omdat plastic elektronica zoveel goedkoper is en onzichtbaar geïntegreerd kan worden in nagenoeg elk product, kunnen we onze verbeelding de vrije loop laten.”

Strategische samenwerkingen tussen de onderzoekswereld en de industrie zijn essentieel om het internet der dingen verder te ontwikkelen. Kris Myny: “Quad Industries heeft de nodige ervaring en de connecties om onze technologie te implementeren in nieuwe, concrete applicaties.” Wim Christiaens voegt hieraan toe: “Als technologieprovider is het voor ons belangrijk om de markt een stap voor te blijven en onze klanten innovatieve oplossingen te kunnen aanbieden. Daarom is de samenwerking met imec belangrijk voor ons. We zitten vlak bij elkaar, allebei in Vlaanderen, dus samenwerken is gemakkelijk en we vullen elkaar goed aan. Een project als Met@link heeft ook als voordeel dat we elkaars noden en mogelijkheden hebben leren kennen. Wij kijken dus zeker uit naar een verdere samenwerking met imec.”

 

Meer weten?

  • - Kris Myny won de poster award op te SIM User Forum 2017. Klik hier om de poster te bekijken die meer informatie geven over de demo ontwikkeld binnen het Met@link project.
  • Video die de potentiële applicatiedomeinen van plastic RFID-chips illustreert.
  • Video over Kris Myny’s ERC Starting Grant project (716426); één van de mijlpalen in dit project was o.a. het verbeteren van het energieverbruik van de plastic chips waardoor de combinatie met geprinte antenne’s mogelijk werd.

 


[1] SIM (Strategisch Initiatief Materialen) is een onafhankelijk innovatie-initiatief dat de positie van de Vlaamse materiaalindustrie wil versterken door wetenschappelijk onderzoek te stimuleren en door samenwerking tussen de industrie en de kennisinstellingen te bevorderen. Het oorspronkelijke doel van het SIM-SOPPOM project was om geprinte zonnecellen te ontwikkelen, maar later werd het project uitgebreid tot geprinte fotonica, geprinte energie en geprinte elektronica. Met@link is het eerste project dat deel uitmaakt van dit uitgebreide SOPPOM+ programma.

Biografie Kris Myny

Kris Myny behaalde zijn master ingenieurswetenschappen elektronica aan de Katholieke Hogeschool Limburg in 2002. In 2004 werd hij deel van imecs onderzoeksteam en begon hij te werken aan de ontwikkeling van robuuste plastic elektronica. In 2013 doctoreerde hij aan de KU Leuven. Intussen is hij senior onderzoeker bij imec en gespecialiseerd in circuit design voor flexibele dunnefilmtransistor-circuits. Hij publiceerde en presenteerde zijn werk in verschillende internationale tijdschriften en op conferenties en komt regelmatig in het nieuws. Hij werd opgenomen in de lijst van 50 Belgische top tech-pioniers van De Tijd. Vorig jaar ontving hij de prestigieuze ERC Starting Grant van de Europese Commissie waardoor hij zijn baanbrekende onderzoek naar dunnefilmtransistor-circuits kan verderzetten.

Biografie Wim Christiaens

Wim Christiaens studeerde af als ingenieur in de elektronica aan de Universiteit Gent. In 2004 behaalde hij een doctoraat in Electronics Engineering aan de Universiteit Gent voor zijn werk over de integratie van passieve en actieve componenten in flexibele circuit boards. In 2014 startte hij als R&D Director bij Quad Industries, waar hij verantwoordelijk is voor de coördinatie van alle innovaties met een sterke focus op het verkennen van nieuwe technologieën en toepassingen in het veld van geprinte elektronica.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies