Flexible electronicsImage sensors and vision systems

5 min

De comeback van het fotorolletje

Neen, we hebben het niet over het fotorolletje van je analoge fototoestel. Wel over een digitale ‘fotorol’ waarmee je Röntgenbeelden kan maken, vinger- en handpalmscanners, inspectiecamera’s die rond een leiding passen enz. Pawel Malinowski, programma-manager bij imecs dunnefilmelektronica-groep en Florian De Roose, onderzoeker bij imec, vertellen meer over de technologie die ze samen met collega’s van Holst Centre ontwikkelen. 

Scroll

Wat je met een dun laagje elektronica en fotodiodes zoal kan doen

Als je een plastic folie of glasplaat bedekt met dunne laagjes van bepaalde materialen, is het mogelijk om elektrische schakelingen en fotodiodes te maken. Voor de elektronica (dunnefilm-transistoren) kan je bv. metaaloxide gebruiken en voor de fotodiodes kunnen perovskieten, organische moleculen of kwantumdots gebruikt worden. Op die manier krijg je beeldsensoren die semi-doorzichtig, plooibaar (indien op folie), en relatief goedkoop zijn, en waarvan zeer grote oppervlakken kunnen gemaakt worden. Maar wat kan je doen met grote, semi-doorzichtige, goedkope en plooibare foto-oppervlakken?

Een eerste voorbeeld situeert zich in de medische sector. Voor Röntgenbeelden moet je nu nog naar de afdeling radiologie, maar dankzij dunnefilm-beeldsensoren wordt het mogelijk om draagbare Röntgenapparaten te maken die veel lichter en goedkoper zijn dan bestaande versies (en onbreekbaar als ze op basis van folie gemaakt worden). 

Vinger- en handpalmafdrukken kunnen gebruikt worden ter identificatie. Ook dat kan met dunnefilm-beeldsensoren. Stel bv. dat je volledige smartphone-scherm een laagje beeldsensoren krijgt, dan kan elke app op je homescreen beveiligd worden met je vingerafdruk. Of wikkel zo’n beeldsensor-folie rond een deurklink of boormachine, en alleen jij kan die openen/gebruiken op basis van de afdruk van je handpalm. 

Als je een glazen oppervlak (wand, vloer) bedekt met dunnefilm-beeldsensoren, kunnen gebaren of andere schaduwen herkend worden. Voor slimme gebouwen kan dit zeer interessant zijn. 
En tenslotte kan je de beeldsensor-oppervlakken ook ergens rond gaan ‘wikkelen’, bv. rond een pijpleiding of op een vliegtuigvleugel. Zo kan die gemakkelijk geïnspecteerd worden op veroudering, lekken, scheurtjes enz.

applications thin film imaging

Mogelijke toepassingen van grote, semi-doorzichtige, goedkope en plooibare foto-oppervlakken gebaseerd op dunnefilmtransistoren en -fotodiodes. 

Klaar voor de FBI

Tijdens een belangrijke Display-conferentie (SID) in Los Angeles toonden imec en Holst Centre eind mei hun vinger- en handpalmsensor op basis van dunnefilm-beeldsensoren. De folie is slechts 0,2mm dik en kan op elk willekeurig object geïntegreerd worden om een identiteitscheck te doen. Denk bv. aan een deurklink, een gsm-scherm, het stuur van een wagen enz. 

fingerprint thin film

De dunnefilm-beeldsensorfolies, ontwikkeld door imec en Holst Centre, voor het detecteren van vinger- en handpalmafdrukken

Een eerste folie heeft een grootte van 6 bij 8 cm – waardoor 4 vingers gelijktijdig kunnen gecheckt worden – en een resolutie van 200ppi. Bij een tweede folie – voor één vingerafdruk – wordt een resolutie van 500ppi gedemonstreerd. Deze nauwkeurigheid wordt typisch door de FBI gebruikt om personen correct te identificeren. 

De beeldsensoren detecteren zichtbaar licht tussen 400 en 700nm dat gereflecteerd wordt door de huid. Bovendien kunnen ze ook licht detecteren dat in de huid doordringt alvorens gereflecteerd te worden. Op basis van dit laatste kan een hartslag gedetecteerd worden, hetgeen een extra veiligheidscheck is. 

De vinger- en handpalmsensor bestaan uit een laag oxide-dunnefilm-transistoren met daarbovenop organische fotodiodes. Door een ander organisch materiaal te gebruiken, kunnen de fotodiodes ‘getuned’ worden zodat ze een andere golflengte detecteren. Bijvoorbeeld: nabij-infrarood. Hierdoor zou je het aderpatroon in een hand kunnen visualiseren, hetgeen nog nauwkeuriger zou zijn voor identificatie dan een handpalmafdruk.

Naast deze vingerscanner op basis van fotodiodes en licht, werken imec en Holst Centre ook aan één op basis van thermische sensoren (PYCSEL project). Opnieuw wordt een onderste laag oxide-dunnefilmtransistoren gebruikt. De bovenste laag bestaat uit een materiaal waarmee elektrisch temperatuurveranderingen gemeten kunnen worden. Een vingerafdruk wordt dan gemeten door lokale verschillen in temperatuurverandering overeenkomstig met het patroon van de vingerafdruk. Ook hier wordt een resolutie van 500ppi voorop gesteld. 

Een draagbaar Röntgenapparaat

De digitale Röntgenapparaten van vandaag zijn zeker een grote stap voorwaarts op hun analoge tegenhangers. Toch zijn ze nog niet ideaal. Zo zijn ze relatief duur – hetgeen hun gebruik in ontwikkelingslanden beperkt – en de resolutie kan beter. Typisch wordt een dikke laag scintillator gebruikt om de Röntgenstralen om te zetten in licht, dat dan op de beeldsensor valt en verder verwerkt wordt. Het licht dat door de scintillator gaat, wordt verstrooit in vele richtingen waardoor een deel van de informatie die nog in de Röntgenstralen aanwezig was, verloren gaat. 

Imec ontwikkelde samen met de partners uit het DiCoMo-project een nieuw soort digitaal Röntgenapparaat dat goedkoper is, lichter, veiliger (want er kan een lagere dosis Röntgenstralen gebruikt worden), robuuster en gevoeliger. Het is een mooie bijdrage in de evolutie naar draagbare Röntgentoestellen die gewoon bij de patiënt in de kamer kunnen gebruikt worden. 
Er werd een demonstrator gemaakt van 640 bij 480 pixels, met een resolutie van 254ppi. Er wordt een onderste laag metaaloxide-dunnefilmtransistoren gebruikt met daarboven een fotoactieve laag. Op die manier heb je minder lichtverstrooiing dan in bestaande digitale Röntgenscanners. 

In een ander project – NEXIS – worden verschillende lagen dunnefilm-fotodiodes op elkaar gestapeld, elk gevoelig voor een andere golflengte. Zo creëer je een Röntgenscan met veel meer informatie dan de traditionele systemen. Zo zou het bijvoorbeeld kunnen gebruikt worden voor het vaststellen en monitoren van een beroerte of herseninfarct. Een draagbare Röntgenscanner heeft vele voordelen omdat het in de behandelkamer zelf kan gebruikt worden en zo veel tijd bespaart waardoor sneller kan gehandeld worden. 

x ray thin film

In een volgende fase van het onderzoek zal de Röntgen-folie steeds groter gemaakt worden, op basis van een stabiel productieproces dat later kan getransfereerd worden naar de industrie

Imec onderzoekt – samen met materiaalbedrijven – mogelijke materialen voor dunnefilm-beeldsensoren: oxides, perovskieten, kwantumdots, kleine organische moleculen, enz. Ook de jarenlange ervaring uit imecs zonnecelgroep – die dunnefilm-zonnecellen maakt – komt hier van pas. Verder bekijkt imec ook verschillende integratiemogelijkheden. De dunnefilm-fotodiodes kunnen namelijk op dunnefilm-elektronica of op silicium-elektronica geïntegreerd worden. De keuze wordt gemaakt op basis van de vereisten van de specifieke toepassing.

Het onderzoek naar dunnefilm-elektronica, -beeldschermen en -beeldsensoren gebeurt in samenwerking met Holst Centre, dat in 2005 werd opgericht door imec en TNO. Holst Centre heeft een eigen GEN1-pilootlijn waar technologieën kunnen uitgetest worden op industriële schaal en op professionele toestellen. Het is immers de bedoeling dat dunnefilmtechnologie op roll-to-roll printers kan gemaakt worden, op grote stukken folie. 

Dank u!

Speciale dank aan Hylke B. Akkerman (Holst Center) en de OPD and GEN1 teams in Holst Centre en aan David Cheyns (imec) en het thin-film team in imec, voor het werk dat ze deden op het vlak van thin-film imaging, zoals beschreven in dit artikel.

 

Meer weten?

  • De paper ‘Thin-Film Quantum Dot Photodiode for Monolithic Infrared Image Sensors’ en ‘A Flexible Thin-Film Pixel Array with a Charge-to-Current Gain of 59μA/pC and 0.33% Nonlinearity and a Cost Effective Readout Circuit for Large-Area X-ray Imaging’ kan je opvragen via ons contactformulier.
  • Het DiCoMo project is een Europees Horizon2020-project. Op de projectwebsite vind je  de verschillende partners terug. Dit project wordt gefinancierd door de Europese Unie en past in het Horizon2020 onderzoeks- en innovatieprogramma als onderdeel van de call H2020-ICT-2014-1 onder subsidieovereenkomst nr. 643920.
  • Het Nexis project is een Europees Horizon2020-project. Op de projectwebsite vind je de verschillende partners terug. Dit project wordt gefinancierd door de Europese Unie en past in het Horizon2020 onderzoeks- en innovatieprogramma onder subsidieovereenkomst nr. 780026.
  • Het Pycsel project is een Europees Horizon2020-project. Op de projectwebsite vind je de verschillende partners terug. Dit project wordt gefinancierd door de Europese Unie en past in het Horizon2020 onderzoeks- en innovatieprogramma onder subsidieovereenkomst nr. 732423

Biografie Pawel Malinowski

Pawel E. Malinowski received his MSc degree in electronics and telecommunications (thesis on design of radiation-tolerant integrated circuits) from the Lodz University of Technology, Poland, in 2006. In 2011, he gained his PhD in electrical engineering from the KU Leuven, Belgium (thesis on III-nitride-based imagers for space applications).
Since 2011 he has worked as a senior researcher and project manager in the Large Area Electronics Department at imec, where he focuses on thin-film image sensors and on high-resolution OLED displays. From 2006 to 2011, Pawel was a PhD Researcher at imec, Leuven, Belgium, working on AlGaN photodetectors and imagers for space applications. Pawel has authored or coauthored more than 30 publications. He was a recipient of the International Display Workshops Best Paper Award in 2014 and SID Display Week 2018 Distinguished Paper.

Biografie Florian De Roose

Florian De Roose received his M.S. degrees in electrical engineering from KULeuven, Leuven., Belgium in 2013. Afterwards, he joined the research team towards advanced thin-film applications at the Thin-Film Electronics group of imec. Concurrently he is also part of the MICAS group of the KULeuven as a PhD researcher on advanced mixed-signal design in a-IGZO thin-film technology on flex. His research interests include display design, NFC and sensor readout on flex and large area imaging, with  special interest in system design of large area applications and the corresponding technology constraints.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies