Imec Magazine. Editie juni 2018 JUNI 2018 EDITIE 1/54. Voorwoord juni 2018 De vijf highlights van mei gezondere kankerbehandeling

Transcriptie

1 Imec Magazine Editie juni 2018 JUNI 2018 EDITIE Voorwoord juni 2018 De vijf highlights van mei 2018 Het internet der onverwachte dingen Leg je hart op deze chip en krijg een gezondere kankerbehandeling Intuïtieve gebouwen op mensenmaat De comeback van het fotorolletje 1/54

2 Zonnegevels als energiebron voor kantoorgebouwen Een oplossing voor het verpakken van GaN-op-200mm-Si vermogencomponenten De mogelijkheden van sequentiële-3dintegratie voor de schaalverkleining van chips 2/54

3 Editie juni 2018 General, ITF Voorwoord juni 2018 Elke maand blikt onze CEO terug op gebeurtenissen uit zijn (professionele) leven en introduceert hij enkele van de onderwerpen die aan bod komen in imec magazine. Deze maand vertelt hij over het belang van technologiedemo s. Technologiedemo s zijn de ideale manier om een discussie of brainstorm op gang te brengen Begin mei bezocht ik samen met mijn vrouw De Techpeditie toen die in Leuven neerstreek. Het is een reizende tentoonstelling over imec-technologie waarin we willen tonen hoe technologie het leven leuker, gezonder en duurzamer kan maken. Het is een heel werk om de 10 containers elke paar weken naar een andere stad te verhuizen en de 16 demo s opnieuw gebruiksklaar te maken. Maar het loont de moeite! Zeker als je de enthousiaste kindergezichten ziet die graag nog een keer rondgaan, de discussiërende pubers die het liever allemaal met een korrel zout nemen of de verwonderde senioren die er zeker van zijn dat zij dat toch niet meer zullen meemaken. En zo vormt De Techpeditie het ideale uitgangspunt voor een gesprek met de bezoekers over technologische vooruitgang, het belang en nut ervan, hoe belangrijk privacy en security daarbij zijn enz. Ook tijdens onze ITF-conferentie eind mei kregen technologiedemonstrators een centrale plaats. In totaal toonden we 55 demo s tijdens ITF. Een ervan was de demo over bifaciale zonnecellen. Met een prachtig model van een aardbol met verschillende oppervlakken tonen de onderzoekers aan wat het verschil van de ondergrond en het soort zonneceltechnologie betekent voor de elektriciteitsproductie. Verder ook een prototype van een fingerprint sensor die, gemaakt op basis van dunnefilm-technologie, je hele smartphonescherm kan omtoveren in een fingerprint scanner. Hierdoor zou het mogelijk worden om bv. elke app te beveiligen met jouw vingerafdruk. Ook radartechnologie wordt steeds belangrijker in het Internet of Things en voor slimme gebouwen en zelfrijdende auto s. Aan de hand van twee demo s toonden we tijdens ITF de stand van zaken. Hoe we zowel low- als high-ghz radars ontwikkelen voor verschillende toepassingen, bv. voor het detecteren en tellen van personen, maar ook voor het identificeren van personen, robots, dieren,... 3/54

4 De demovloer was het bruisende centrum van het ITF-congres waar vaak de beste ideeën tot stand kwamen dankzij gesprekken tussen onze onderzoekers en mensen uit de industrie. Bij de ontwikkeling van de technologie hebben we vaak al een bepaalde toepassing voor ogen, maar iemand die uit een bepaalde sector komt, kan een heel andere toepassing bedenken. De demo is dan de ideale manier om mensen samen te brengen en een gesprek te starten en even samen te brainstormen over de mogelijkheden van die technologie. Maar ook ons juninummer is het ideale vertrekpunt om ideeën te doen ontstaan. En al is de interactie niet zo spontaan als op een demovloer, denk eraan dat je ons altijd kan contacteren als je leest over een interessante technologie die voor jou wel eens interessant kan zijn. Deze maand brengen we je nieuws over zonnecellen die je in gevels van gebouwen kan integreren; een chip waarmee dokters kunnen testen hoe belastend medicatie is voor je hart; een nieuwe 3D-aanpak om nog kleinere chips te maken met meer functies; een nieuw proces om betere en goedkopere GaNvermogenelektronica te maken; en een visie over slimme gebouwen die we tijdens ITF te horen kregen. Veel leesplezier! Luc Van den hove, Algemeen directeur en CEO imec 4/54

5 Editie juni 2018 ITF, Semiconductor technology & processing, Wearables De vijf highlights van mei 2018 Het leven is zo druk! Dus misschien heb je niet altijd de tijd om het nieuws en de doorbraken van imec op de voet te volgen. Op deze pagina vind je een kort overzicht van wat imec de voorbije maand realiseerde. ITF2018 België een groot succes Op 23 en 24 mei verwelkomde imec zo n 1800 gasten van overal ter wereld op z n jaarlijkse ITFconferentie. Met het thema New Perspectives make the impossible possible, nodigde het onderzoekscentrum de deelnemers uit om na te denken over wat de levensveranderende technologieën van de toekomst zullen zijn. Vele van die nieuwe perspectieven en technologieën werden aan het publiek voorgesteld door een keur van sprekers, experten uit de industrie en het onderzoek. Bovendien stelde imec in zo n 50 demostanden zijn eigen nieuwste innovaties voor. Tenslotte ging imec s 2018 Lifetime of Innovation Award naar Dr. Irwin Jacobs, stichter, oud-voorzitter en -CEO van Qualcomm. Kijk hier voor de hoogtepunten van de presentaties van IFT2018. Geïnteresseerd in de editie van volgend jaar? ITF2019 België zal plaatsvinden op 15 en 16 mei. Blokkeer deze datums alvast in je kalender! 5/54

6 Imec toont innovatieve technologie om oogbewegingen te volgen Op ITF toonde imec een nieuwe draadloze technologie die een belangrijke verbetering kan betekenen voor augmented reality/virtual reality (AR/VR)-toepassingen. Aan de basis van deze innovatie ligt electro-oculography (EOG), een techniek om ogen en oogbewegingen te onderzoeken. De nieuwe EOG-technologie is ontwikkeld door de imec-onderzoekers van Holst Centre in Eindhoven. Bestaande AR/VR-helmen zijn meestal duur en omslachtig, en ze zijn dikwijls niet snel genoeg om de drager te volgen, wat de AR/VR-ervaring niet ten goede komt. Imec maakt gebruik van droogcontact-elektrodes op een gewone bril, een ontwerp dat de gebruiker een veel comfortabeler gevoel geeft en bv. toelaat om interfaces en menu s te doorlopen door middel van oogbewegingen, dus zonder handbediening. Wil je meer weten? Lees het volledige persbericht hier. Een nieuwe en kostenbesparende oplossing voor de koeling van supercomputerchips. In mei demonstreerde imec een potentieel goedkope manier om chips te koelen op het niveau van de chipverpakking. Dit is de eerste effectieve koeling die gebruik maakt van een 3D-geprinte douchekop die de koelvloeistof direct op de chip spuit. Dat zorgt ervoor dat alle koelvloeistof op het chipoppervlak dezelfde temperatuur heeft en het vermindert de contacttijd tussen de koelvloeistof en de chip. Dit is een belangrijke vernieuwing met het oog op de steeds toenemende vraag naar hoge-performantie 3D-chips en systemen. Kijk hier voor het volledige persbericht. Imec zet nieuwe standaard voor beveiligde lokalisatie gebaseerd op Bluetooth Ook op ITF kondigde imec aan dat zijn onderzoekers een nieuwe, veilige proximity -technologie hebben ontwikkeld die lokalisatie toelaat tot op 30 centimeter. Deze nieuwe ontwikkeling kwam er dankzij imec-wetenschappers van Holst Centre (Eindhoven) en COSIC, een imec lab aan de KU Leuven. Het zet een nieuwe standaard voor de nauwkeurigheid waarmee objecten en personen kunnen worden gelokaliseerd met een standaard Bluetooth-radio. En het is ook een doorbraak voor een verbeterde beveiliging van gegevens in toekomstige intuïtieve omgevingen zoals voertuigen, gebouwen of steden. Voor meer uitleg en het volledige persbericht, kijk hier. 6/54

7 Imec en Unisantis onthullen ultrageschaalde geheugencel imec en Unisantis, een leidende ontwikkelaar van Surrounding Gate Transistor (SGT) chiptechnologie, kondigen de resultaten aan van hun gezamenlijke ontwikkelde flow om SGTgeheugencellen (6T-SRAM) te maken. Met een oppervlakte tussen 0,0184 en 0,0205 vierkante micrometer komen die tegemoet aan de celoppervlakte voor de N5-technologieknoop. Studies tonen dat de verticale gate-all-around SGT-gebaseerde cellen een plaatsbesparing van 20-30% mogelijk maken in vergelijking met horizontale gate-all-around FETs, terwijl ze die laatste ook overtreffen wat betreft bedrijfsspanning, lekkage, en stabiliteit. Lees het persbericht hier. 7/54

8 Editie juni 2018 Internet of Things, imec.icon, Smart Industries Het internet der onverwachte dingen Een aantal tot de verbeelding sprekende IoT projecten waarin imec nauw samenwerkt met het bedrijfsleven. Als het Internet of Things (IoT) écht alles aan elkaar gaat verbinden Nadat de telefoon en het internet plaatsen aan elkaar wisten te verbinden en de mobiele telefoon hetzelfde deed met mensen, zijn we volop klaar voor het internet der dingen (IoT; Internet of Things). Meest zichtbare toepassingsgebieden voor de gewone burger zijn waarschijnlijk mobiliteit (denk aan zelfrijdende auto s) en de slimme stad (meten van luchtkwaliteit, slimme verkeerslichten ). Maar ook in heel wat andere sectoren bewijst IoT technologie al haar meerwaarde. Het opvolgen van de gezondheid van melkvee bijvoorbeeld. Of in de slimme supermarkt en de reiskoffer die nooit meer zoekraakt. Dankzij imec s kennisportfolio en samenwerkingsprogramma s zijn we van dichtbij betrokken bij een aantal tot de verbeelding sprekende IoT projecten. 8/54

9 MoniCow: big brother is watching koe Het is zes uur s ochtends op een doordeweekse dag in het Instituut voor Landbouw-, Visserij-, en Voedingsonderzoek (ILVO) in Melle. In de stal ontwaken een vijftigtal koeien langzaam uit hun slaap. Ook de veehouder van dienst begint aan zijn dag. Met een goede kop koffie werpt hij meteen een blik op het computerscherm. Daarop krijgt hij van elke koe een overzicht van een aantal belangrijke gezondheidsparameters. Gelukkig is alles ok met de dieren. De veehouder kan dan ook meteen na zijn eigen ontbijt gaan zorgen voor zijn dieren. Halsband met geïntegreerde accelerometers en temperatuursensoren gebruikt voor het MoniCow project. De gezondheid van de dieren is belangrijk. In eerste plaats voor hun eigen welzijn. Daarenboven ook voor de rendabiliteit van het veebedrijf. Een koe waarvan een uierinfectie of symptomen van kreupelheid te laat worden opgemerkt, kost al gauw enkele honderden euro s. De technologische vooruitgang in de veehouderij voorziet al in een heel aantal hulpmiddelen om de veehouder hierin bij te staan. Helaas hebben de systemen voor het monitoren van vee vooralsnog een aantal beperkingen. Zo is hun functionaliteit meestal gericht op één specifieke toepassing en zijn de gegevens uit meerdere systemen niet makkelijk met elkaar te combineren. Ook is de levensduur van de batterijen in de sensoren die het vee draagt vaak niet afdoend. Een drietal jaar geleden kwamen een aantal veehouders dan ook bij de Universiteit Gent aankloppen met de vraag voor een meer geïntegreerde en energiezuinige oplossing. Uit die vraag ontstond het imec-icon project MoniCow. Hierin werkten veehouders, kennisinstellingen en bedrijfsleven twee jaar samen aan een oplossing. Deze werd bij ILVO uitvoerig getest. Ruwweg bestond de opzet uit sensoren geïntegreerd in de halsband van de koe: accelerometers voor het analyseren van de beweging en sensoren voor het meten van temperatuur. Dankzij een netwerk van ultrabreedband (UWB) zenders kon bovendien nauwkeurige bepaling worden gedaan van de locatie en looproutes van elk dier. 9/54

10 David Plets, Professor bij Waves, een imec onderzoeksgroep aan Universiteit Gent, was bij het project betrokken: We zijn erg trots op de resultaten uit het MoniCow project. In totaal hebben we een veertiental koeien betrokken in onze uitvoerige pilot. De data die we daaruit hebben verzameld tonen aan dat er een goede correlatie is tussen het gemeten gedrag van de dieren en de momenten waarop ze bijvoorbeeld bronstig zijn of bijna gaan kalven. Dit blijkt erg nuttig voor de boer om gerichter aandacht te geven voor de dieren die er op dat moment behoefte aan hebben. Technisch gezien zijn we met name ook blij met het inductieve laadsysteem dat we hebben ingebouwd. Hierdoor kunnen de batterijen van de sensoren draadloos opladen terwijl de koe wacht tijdens bijvoorbeeld het melken of voederen. Dankzij de samenwerking met de opleiding industrieel ontwerp van de Universiteit Gent maakte een student daarenboven een behuizing die er niet alleen mooi uitziet, maar ook de positie in het laadsysteem optimaliseert. David Plets zag ook onverwachte resultaten: We kwamen erachter dat we de herkauwtijd van een koe kunnen afleiden uit onze data. Er bestaan systemen die dit doen, maar die meting is niet erg comfortabel voor de koe en kan daarom slechts sporadisch ingezet worden. In ons systeem komt die informatie als het ware gratis mee met de gegevens die we sowieso al continue verzamelen om de bewegingen van de koe te analyseren. De opgedane kennis uit het project leverede al tien publicaties op in wetenschappelijke magazines en dertien papers op conferenties. Minstens even belangrijk is ook de verdere ontwikkeling naar de markt. De industriële partners in het programma waren DeLaval, ILVO, Metagam, Multicap, NXP Semiconductors België en snaptonic. Momenteel onderzoeken een aantal van hen of het prototype kan doorontwikkeld worden naar een verkoopbaar product. Voor het product op de markt kan komen, moet er onder andere nog grootschaligere validatie gebeuren van de algoritmes. Ook kan er gekeken worden naar andere markten zoals paardenverzorging. Naar verwachting zou dit binnen een tweetal jaar de eerste producten kunnen opleveren die voor de veehouderij beschikbaar zijn. LUNAR: de efficiënte supermarkt Natuurlijk willen we die lekkere melk - en voor de niet-vegetariërs onder ons ook die heerlijke steak ook op onze eettafel zien verschijnen. En daarvoor moeten we eerst naar de supermarkt. Ook daar vinden IoT toepassingen geleidelijk ingang. 10/54

11 Eli De Poorter, Professor bij IDLab, een imec onderzoeksgroep aan Universiteit Gent: Onder druk van online shops zijn supermarkten en retailers op zoek naar manieren om de fysieke winkelbeleving te herdefiniëren door het aanbieden van betere klantervaringen. Bijvoorbeeld door op een schermpje op je winkelwagen gepersonaliseerde informatie aan te beiden op basis van je locatie in de winkel. Denk bijvoorbeeld aan het aanbieden van een route doorheen de winkel op basis van je boodschappenlijstje. Of bij het nemen van een product uit de rekken, suggestierecepten aanreiken - en meteen ook de route naar de aanvullende ingrediënten op basis van je dieet- en allergieinformatie. En wie wil er nu niet de real-time informatie over wachttijden aan de kassa s? Ook voor de supermarkt zelf ziet Eli De Poorter voordelen: De eigenaar kan op basis van heat-maps kijken waar de knelpunten zijn in zijn winkel. En analyseren of promoties aanslaan. Blijven klanten echt langer stilstaan bij een bepaalde reclame-display of lopen ze er gewoon voorbij? En voor nieuw personeel kan het ook een hulp zijn wanneer ze rekken moeten vullen of klanten wegwijs maken. Binnen het LUNAR project werden een aantal van deze scenario s uitgetest. Uitgangspunt was om via ultrabreedbandtechnologie (UWB) - het winkelkarretje te kunnen traceren doorheen het winkeltraject en op basis daarvan extra diensten aan te bieden. Het betrekken van de eindgebruikers leverde cruciale inzichten op. De Poorter: In de eerste opzet hadden we een tablet bevestigd op de stang waarmee je het karretje voortduwt. Ook boden we real-time updates aan waarbij we meermaals per seconde de locatie van de klant bepaalden en de informatie op het schermpje daarop aanpasten. Tot onze verbazing had dit het omgekeerde effect. Consumenten gingen zich zodanig fixeren op de steeds vernieuwende informatie die zich vlak onder hun neus bevond, raakten afgeleid en botsten tegen andere klanten en obstakels. We hebben het systeem dan ook opnieuw vormgegeven, waarbij we de tablet meer achteraan in het karretje hebben geplaatst. Ook de refresh-rate van de informatie schroefden we drastisch terug en we gaven enkel updates op momenten dat het relevant leek: bijvoorbeeld als iemand langere tijd bleef stilstaan op een bepaalde plek. 11/54

12 Winkelkar uit het LUNAR project die je winkelervaring efficiënter en aangenamer maakt, bijvoorbeeld door je naar de juiste winkelrekken te leiden Ook technisch was LUNAR een succesvol project. De Poorter: Eigenlijk blijkt het systeem zelfs meer te kunnen dan onze oorspronkelijke doelen of wat strikt noodzakelijk is voor de eerste toepassingen. Zo zijn bijvoorbeeld de continue updates niet noodzakelijk voor deze specifieke toepassing. Ook kunnen we tot op vijftien centimeter nauwkeurig de locatie bepalen, terwijl we dertig vooropstelden. En waar ons doel was om tweehonderd karretjes te kunnen traceren in een ruimte van tweeduizend vierkante meter, kunnen we uiteindelijk tot zesduizend karretjes opvolgen. Dit kan door de draadloze communicatieprotocollen zo te implementeren dat de karretjes enkel informatie versturen op een moment dat de naburige karretjes dit niet doen. Op deze manier vermijden we dat twee signalen met elkaar gaan interfereren wat voor fouten of verwarring kan zorgen in de interpretatie. 12/54

13 Net zoals bij MoniCow, vinden ook de resultaten van LUNAR hun weg naar de markt. Pozyx, een Gentse start-up, plukt er al de eerste vruchten van. Michael Van de Velde, VP sales & marketing bij Pozyx: Dankzij het LUNAR project is ons bedrijf kunnen doorgroeien naar inmiddels vijftien medewerkers en meer dan drieduizend klanten. Onder andere AB InBev en SpaceX nemen van ons producten af waarin we de kennis gebruiken die we in het LUNAR project hebben ontwikkeld. Imec maakt het mede mogelijk Zowel MoniCow als LUNAR zijn alumni van het imec.icon programma waarin imec vraaggedreven innovatie vanuit het bedrijfsleven ondersteunt. Imec was ook telkens een van de projectpartners. Michael Van de Velde: In het LUNAR project waren de imec onderzoekers verantwoordelijk voor het antenne-design dat we nu nog steeds in onze producten gebruiken. David Plets: Bij MoniCow zetten we onze expertise in om de communicatie te optimaliseren. In een stal is veel metaal aanwezig en ook het lichaam van de koeien hindert de draadloze signalen. Het vermogen en andere parameters van je communicatiesignaal moeten aangepast zijn zodat je betrouwbare informatie kan versturen zonder te veel energieverbruik. Samen met Multicap uit Hove droegen we ook bij aan de lokalisatiealgoritmes. En we voerden een techno-economische studie uit voor de economische haalbaarheid. Laat er dus geen misverstand over bestaan: om met imec samen te werken hoeft dus niet altijd de meest vooruitstrevende hardware uit het lab overgedragen te worden. In veel gevallen biedt imec een uniek inzicht om de bestaande technologie van het partnerbedrijf te verbeteren. Eli De Poorter: In deze IoT projecten is de betrokkenheid van de partners vaak erg groot. Zowel voor de bedrijven als de testpersonen liggen de toepassingen dichtbij hun leefwereld. Dit motiveert hen en maakt het ook voor ons erg boeiend om samen te werken. 13/54

14 Vanzelfsprekend ontwikkelt imec ook zelf vooruitstrevende technologie voor IoT toepassingen. Denk aan radar-gebaseerde technologie voor nauwkeurige lokalisatie in gebouwen. Deze is minder invasief voor de persoonlijke werk- en levenssfeer dan camera-gebaseerde systemen en bovendien gebaseerd op de gangbare Bleutooth standaard. Ook kan het ingezet worden voor zogenaamde secure proximity detection. Denk aan autodeuren die vanzelf losgaan als je in de buurt komt met je sleutel of smartphone. In toenemende mate specialiseren autodieven zich in het hacken van dergelijke systemen door zogenaamde relay attacks. Ze gebruiken daarbij een klein toestel om het draadloze signaal op te vangen en te versterken wanneer je sleutel of telefoon bijvoorbeeld vlak bij de voordeur hebt liggen. Met imec s radartechnologie zijn dergelijke aanvallen onmogelijk. Bluetooth-gebaseerde technologie voor veilige locatiebepaling, zoals recent gepresenteerd door imec en haar partners Slimme reiskoffer: the sky is the limit En de toepassingen zijn letterlijk eindeloos. Jeroen Hoebeke, professor bij ID lab, een imec onderzoeksgroep aan Universiteit Gent: IoT is inmiddels wel een containerbegrip geworden. Voor mij gaat het met name om objecten die in oorsprong niet gemaakt zijn met connectiviteit als uitgangspunt. 14/54

15 Zo richt een van de recent gestarte imec.icon projecten zich op de slimme reiskoffer. Een die dankzij geïntegreerde technologie zichzelf kan wegen en ook nooit meer zoekgeraakt. Hoebeke: We zien ook interessante ontwikkelingen in de sport. Een domein waarin sowieso al veel gemeten wordt. De uitdagingen daar zijn bij topsporters om accuraat en real-time te kunnen meten en feedback te kunnen geven. Ook om in teamsporten uitgebreide en contextuele analyses te kunnen doen van de onderlinge posities en relaties. Bijvoorbeeld bij voetbal hoe de opstelling van de verdediging zich verhoudt tot het scorend vermogen van de aanvallers. Ook bestaan er al sensoren in de bal of de voetbalschoenen om de interactie tussen de bal en de speler te meten. Bij baanwielrennen kan je analyseren wat de optimale posities en pedaalkracht zijn voor maximale snelheid en minimale vermoeidheid. Eens de technologie is ontwikkeld, is het dan vaak ook de uitdaging om het laagdrempelig ter beschikking te kunnen stellen van de amateurclubs en -sporters. IoT sensor voor toepassing in baanwielrennen Ook de schaalgrootte van de projecten is vaak een uitdaging. Hoebeke: Niet alleen in de landbouw, retail en het smart suitcases project, maar ook bijvoorbeeld in de vele projecten in de logistiek sta ik telkens versteld van de veelheid aan meetpunten en de grootte van afstanden die we moeten overbruggen. Dit stelt ook specifieke eisen aan de technologie en de implementatie ervan. Zo wil je een koffer op de luchthaven of een pakje in een magazijn tot op enkele centimeter nauwkeurig kunnen traceren. Maar je wil het ook nog kunnen volgen als het op de baan of in de lucht is. Daarbij volstaat dan weer een nauwkeurigheid van enkele honderden meters. Ook zien we met name in de logistiek een moeilijkheid op vlak van integratie in de bestaande technische infrastructuur. Bedrijven hebben vaak grote investeringen gedaan in een systeem van een bepaalde leverancier en dan is het lastig om daar nieuwe elementen aan toe te voegen. Maar ik zie wel een grote bereidheid om nieuwe technologie en standaarden te adopteren. De sector is volop in beweging en begrijpt dat een grote mate van flexibiliteit moet ingebouwd worden om investeringen in automatisering te laten renderen op langere termijn. Amazon is daar een goed voorbeeld van. Niet toevallig zijn zij van nature een IT bedrijf wat zich heeft gespecialiseerd in slimme logistiek. 15/54

16 Laat het duidelijk zijn: de grenzen van IoT implementaties zijn nog lang niet bereikt. Imec reikt dan ook een hand naar bedrijven die gebruik willen maken van het verscheiden aanbod aan technologie en diensten. Meer weten? Wil je als bedrijf een innovatief product in de markt zetten en denk je dat imec je daarbij kan helpen? Lees meer over de imec.icon open call of contacteer Steven van Assche, imec.icon Programma Manager. Op de MoniCow projectpagina, vind je onder andere een mooie reportage van Kanaal Z. De LUNAR projectpagina van imec.livinglabs vertelt je meer over de stapsgewijze aanpak in het project. Recent publiceerde imec een persbericht over Bluetooth-gebaseerde lokalisatietechnologie. Biografie David Plets In 2006 behaalde David Plets zijn Master in de Elektrotechnische Ingenieurswetenschappen, met ICT als specialisatiedomein. Sindsdien maakt hij deel uit van de Wireless, Acoustics, Environment & Expert Systems (imec-waves)- groep (Departement Informatietechnologie- INTEC-UGent). In 2011 rondde hij zijn doctoraat af rond de karakterisering en optimalisatie van draadloze broadcast en WLAN-netwerken. Zijn huidig onderzoek behelst de optimalisatie van draadloze communicatie- en broadcastnetwerken, met een focus op dekkingsgraad, blootstelling en interferentie. Hij is verder betrokken in onderzoek rond lokalisatietechnieken en IoT, for zowel industrie- als health-gerelateerde toepassingen. Sinds 2016 is hij deeltijds professor aan de vakgroep INTEC-UGent. 16/54

17 Biografie Eli De Poorter Eli De Poorter is professor bij IDLab, verbonden aan Universiteit Gent en imec. Hij verricht onderzoek omtrent draadloze communicatienetwerken voor IoT toepassingen, gaande van indoor lokalisatietoepassingen tot betrouwbare communicatie voor industrie 4.0. Hij is de auteur van meer dan 100 IoT gerelateerde publicaties en is de Universiteit Gent coördinator van de nieuwe Internet of Things postgraduaat opleiding. 17/54

18 Biografie Jeroen Hoebeke Jeroen Hoebeke is verbonden aan het Internet Technology and Data Science Lab verbonden aan Universiteit Gent en imec. Als professor verricht hij er reeds jarenlang onderzoek naar draadloze oplossingen voor het Internet of Things. Tevens bekijkt hij hoe open standaarden kunnen gebruikt worden om sensoren en actuatoren makkelijker uit te rollen, met elkaar te laten praten en te gebruiken in IoT toepassingen. Deze expertise heeft hij toegepast in verschillende IoT domeinen zoals slimme gebouwen, logistiek, gezondheidszorg, sport en industrie 4.0. Sinds 2015 is hij ook docent van het nieuwe vak Internet of Things aan de Universiteit Gent. 18/54

19 Editie juni 2018 Smart Health, Life sciences, Image sensors and vision systems, CSR Leg je hart op deze chip en krijg een gezondere kankerbehandeling Chemo- en immunotherapie zijn enorm belastend voor het hart en kan onherstelbare schade aanrichten. Wat als de dokter met een simpele test kon nagaan welke behandeling voor jóuw hart het minst belastend is? Thomas Pauwelyn, onderzoeker bij imec, werkte samen met cardioloog Stefan Janssens aan een chip die kan gebruikt worden voor zo n test. Imagine... Stel je voor dat we in de toekomst geen dierproeven meer nodig hebben om geneesmiddelen te ontwikkelen. En stel je voor dat de dokter kan nagaan welk medicijn het beste is voor jouw lichaam. Het geheim is een chip met duizenden elektrodes en misschien zelfs ingebouwde mini-microscopen. Je doneert wat huidcellen of bloed. Die worden geherprogrammeerd tot bijvoorbeeld hartcellen. En dankzij doordachte structuren, materialen en moleculen op de chip, groeien die cellen als in een echt hart, met kloppende bewegingen en contractiegolven die worden doorgegeven. Verschillende wells (zoals in celcultuurplaten) worden aangebracht bovenop de chip en automatisch worden verschillende soorten medicatie in die wells (en zo dus op je hartcellen) aangebracht. De elektrodes en microscopen meten de toestand van de cellen op en na verwerking van al die data, wordt beslist op welk medicijn jouw hartcellen het beste reageerden. 19/54

20 Belastend voor het hart Aan de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen gaan grote trials vooraf waarin de medicatie op celculturen, op proefdieren en uiteindelijk op testpersonen wordt uitgetest. Veel van deze geneesmiddelen halen de markt niet omdat ze te toxisch zijn voor het hart. Maar zelfs de medicatie die wel op de markt terecht komt, is voor veel mensen belastend voor het hart en kan onherstelbare schade aanrichten. Denk maar aan kankerpatiënten die zo verzwakt zijn door de chemotherapie dat ze uiteindelijk sterven aan een hartprobleem. En zelfs al is de uitkomst niet zo dramatisch, toch is het belangrijk om het hart in goede conditie te houden voor een succesvolle behandeling en een snelle revalidatie nadien. Willen we dit probleem van cardiotoxiciteit helemaal uitsluiten, zijn nog grotere en duurdere trials nodig en komen er nog minder nieuwe geneesmiddelen op de markt. De oplossing is tweevoudig: het testen op cardiotoxiciteit tijdens de ontwikkelingsfase van medicatie efficiënter en sneller laten verlopen én eens de medicatie is goedgekeurd per patiënt testen hoe zijn of haar hartcellen reageren op een specifiek geneesmiddel. Dierproeven of in vitro testen? Dierproeven worden gebruikt om nieuwe medicatie te testen, al probeert men dit vanuit ethisch standpunt tot een minimum te beperken. Ook zijn dit soort testen duur, tijdrovend, én zijn ze dikwijls niet representatief voor het menselijk lichaam. In vitro-testen (cellen in petrischaaltjes) worden vaak aanvullend gebruikt. Deze testen zijn goedkoper, vragen minder tijd, zijn vanuit ethisch standpunt beter, maar zijn ook niet ideaal omdat ze niet altijd representatief zijn. Vandaag worden vaak cellijnen gebruikt die niet op dezelfde manier groeien of hetzelfde reageren als de te onderzoeken cellen, bv. hartcellen. Toch zijn in vitro-testen zeker de toekomst, mits we ze nog verder kunnen verbeteren zodat we in de schaaltjes dezelfde situatie kunnen nabootsen als in het menselijk lichaam. Chiptechnologie kan daarbij helpen. De in vitro test van de toekomst Imec werkt al langer aan een chip met elektrodes waarop cellen kunnen groeien. De elektrodes kunnen kleine elektrische pulsen geven aan de cellen (bv. voor elektroporatie) of elektrische signalen van de cellen opmeten (bv. bij hersencellen en hartcellen). 20/54

21 Vier jaar geleden startte een doctoraatsonderzoek (van Thomas Pauwelyn) samen met KU Leuven en het universitair ziekenhuis Gasthuisberg om de chip te optimaliseren voor in vitro-testen voor cardiotoxiciteit van medicijnen. De bouwblokken voor zo n chip werden uitgetest, om zo uiteindelijk een platform te kunnen maken met microfluïdica, ingebouwde mini-microscopen, en aparte kamers met elk zo n 1000 elektrodes. De elektrodes zijn perfect geschikt om elektrische signalen van hartcellen op te meten. Standaard wordt dit gedaan met de patch-clamp methode waarbij een dunne pipet contact maakt met de hartcel. Dit is echter een destructieve methode. Daarnaast bestaan er ook al nieuwere systemen, eveneens gebaseerd op elektrodes, die elektrische signalen van hartcellen op een niet-destructieve manier kunnen meten. De elektrodechip die hier beschreven wordt, is uniek omdat de elektrische signalen ín de cel gemeten worden door het membraan eerst te openen door elektroporatie (elektrische stimulatie van de cel met behulp van de elektrodes). Dankzij het niet-destructieve karakter van deze meting kunnen de hartcellen voor langere tijd ongestoord opgemeten worden. De lensvrije-microscooptechnologie van imec werd ook uitgetest in dit kader. Het is immers belangrijk om ook het samentrekken van de hartcellen op te volgen. Dit kan een indicatie zijn voor hun reactie op bepaalde geneesmiddelen. Uiteindelijk kan het ook informatie geven over hoe representatief de test is: Groeien ze op dezelfde manier als in het menselijk lichaam? Hebben ze een kloppende beweging? Wordt de contractiegolf ook doorgegeven tussen naast elkaar liggende cellen? In deze eerste fase van het onderzoek werden de niet-bewerkte beelden van de lensvrije microscoop gebruikt. Deze niet-bewerkte beelden bleken voldoende om na te gaan hoe sterk de cellen van vorm veranderen en hoe snel ze van vorm veranderen en ontspannen. Op die manier bevat het platform dus ook een sensor om de contractie van de hartcellen te monitoren. En het is net die combinatie, van elektrische én contractiele sensoren, die deze chip zo waardevol maakt voor cardiotoxiciteitsscreening in de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen. Er bestaan nog chips die beide parameters opmeten, maar dit in verschillende gebieden op de chip (bij bepaalde cellen wordt de elektrische activiteit gemeten en bij andere cellen de contractie). Imecs chip is de enige die beide parameters meet op dezelfde cellen. Het gaat hier niet enkel om fundamenteel onderzoek. Het is de bedoeling dat deze chip in de praktijk kan gebruikt worden, door farmaceutische bedrijven, door specialisten in ziekenhuizen etc. Daarom is het belangrijk om een goedkope (wegwerp)chip te maken. Vandaar dat gekozen werd voor siliciumtechnologie zoals ook gebruikt wordt voor computerchips omdat dergelijke chips in grote aantallen kunnen geproduceerd worden en relatief goedkoop zijn. 21/54

22 In een ander project InforMed werd aandacht besteed aan het compatibel maken van dit chipplatform met de standaard testmethodes in de farmaceutische industrie. Daar wordt met celcultuurplaten gewerkt die een standaard aantal wells of ruimtes bevatten waarin cellen, moleculen, etc kunnen aangebracht worden. Samen met het bedrijf Micronit Microtechnologies werd daarom een unieke verpakking gemaakt voor de chip. De chip heeft 16 zones met elk zo n 1000 elektrodes en elke zone wordt in verbinding gebracht met een microfluïdische ruimte of kamer via kleine kanaaltjes. Via die kleine kanaaltjes wordt de gepipetteerde vloeistof (bv. een uit te testen medicijn) getransporteerd naar één van de 16 zones waarop bv. hartcellen groeien. Printplaat met de multi-elektrodechip die verbonden is met microwells in een celcultuurplaat om bv. 16 soorten medicatie in toe te dienen die vervolgens via fijne baantjes getransporteerd wordt naar de chips waarop cellen groeien. Verder onderzoek Er is nog verder onderzoek nodig vooraleer deze chip terecht komt in standaard in vitro-testen voor het ontwikkelen van medicatie of voor het kiezen van de juiste medicatie voor een patiënt. Zo zullen meerdere celmodellen uitgetest worden op de chip, bv. cellen van zieke en van gezonde patiënten om na te gaan of deze anders reageren op bepaalde medicatie. Ook het verwerken van alle meetresultaten van de elektrodes en de minimicroscopen is een heel huzarenstuk. Specifieke software wordt hiervoor momenteel nog ontwikkeld. Maar deze chip is zeker een stap in de goede richting, naar een gepersonaliseerde geneeskunde waarbij patiënten op de best mogelijke manier behandeld worden. Onderzoekers in verschillende disciplines farmacie, stamcelonderzoek, chiptechnologie zetten alles in het werk om dit waar te maken. 22/54

23 De ontwikkeling van hart-op-chip systemen door imec opent nieuwe en zeer boeiende perspectieven voor de ontwikkeling van geneesmiddelen en voor het beter begrijpen van hartziekten. Hopelijk kunnen we deze technologie in de toekomst gebruiken in het ziekenhuis, om nieuwe biologische inzichten over hartziekten te combineren met doelgerichte behandelingen die in ontwikkeling zijn. - Professor Dr Stefan Janssens, Cardioloog UZ Gasthuisberg Meer weten? Je kan de paper Reflective lens-free imaging on high-density silicon microelectrode arrays for monitoring and evaluation of in vitro cardiac contractility opvragen via ons contactformulier. De ISSCC-paper A Electrode 1024-Channel Multimodal CMOS MEA for High-Throughput Intracellular Action Potential Measurements and Impedance Spectroscopy in Drug-Screening Applications is eveneens beschikbaar via ons contactformulier. Meer info over InforMed, gefund door de ECSEL Joint-undertaking (ECSEL ), vind je op de projectwebsite. 23/54

24 Biografie of Thomas Pauwelyn Dr Thomas Pauwelyn has studied at KU Leuven since He earned his BSc in Bioscience Engineering specializing in Catalytic Technologies in 2011 and a Master s in Nanoscience and Nanotechnology with the Bioscience Engineering option in Thomas completed a PhD at KU Leuven and imec s Life Science Technologies group in He received an IWT fellowship to carry out his PhD and has also successfully applied for a postdoctoral innovation Mandate Grant from VLAIO. Thomas s research focuses on developing novel organ-on-chip systems for predictive toxicology and drug development. 24/54

25 Biografie Stefan Janssens Prof. Dr. Stefan Janssens obtained his medical degree in 1984 from the University of Leuven, Belgium, summa um laude, and finished his clinical cardiology fellowship at Gasthuisberg University Hospital, Leuven, Belgium. He subsequently obtained an international John E. Fogarty fellowship from the NIH (Bethesda, MD, USA) to continue his studies in cardiovascular medicine at Massachusetts General Hospital, Harvard University in Boston from and was appointed Professor of Medicine in 2002 at KU Leuven and Chairman of the Department of Cardiovascular Diseases in His clinical interest focuses on cardiac intensive care and his research is primarily directed towards translational studies on myocardial dysfunction and cardiac repair. The prime research in the laboratory focuses on different progenitor cell populations, on the Nitric Oxide (NO) / cyclicgmp signaling system, and on therapeutic interventions in patients with ischemic heart disease and reduced left ventricular function. 25/54

26 Editie juni 2018 Smart Cities, Sensor solutions for IoT Intuïtieve gebouwen op mensenmaat Tijdens ITF2018 in Antwerpen verdiepten we ons in het hoe en waarom van slimmer wonen en werken. Wellness en personalisering zijn belangrijke drijfveren voor IoT in gebouwen De context en ultieme uitdaging voor IoT in gebouwen is volledige steden duurzamer en aangenamer maken. Denk aan wat we in het City of Things project verwezenlijken in Antwerpen en bij uitbreiding naar Vlaanderen, kadert John Baekelmans, Managing Director imec Nederland & Vice President bij imec. Gebouwen maken een belangrijk deel uit van een stad. Zo wordt veertig procent van alle energie in een stad verbruikt door en in gebouwen. We leven en werken in gebouwen. Een groot deel van wat we slimmer kunnen maken, speelt zich dus in deze context af. En dan met name in de ervaringen van de gebruikers en bewoners van de gebouwen. Een recente studie van JLL beschrijft de tien belangrijkste trends in bedrijfsvastgoed. Van flexwerken en digitalisering tot innovatiecultuur en community gevoel. John Baekelmans kiest er twee wat verrassende kandidaten uit om verder op in te gaan. Wellness: een context creëren voor een optimale mentale en fysieke gezondheid. En humanisering: het personaliseren van ruimtes voor een mensgerichte ervaring. 26/54

27 10 trends in bedrijfsvastgoed volgens een studie van JLL ( 2018 Jones Lang LaSalle) Elke dag een wauw-gevoel Gebouwen worden in toenemende mate assets voor rekrutering, verklaart John Baekelmans. Je gaat niet langer alleen maar werken voor een bedrijf om wat ze doen, maar ook vanwege het gebouw waarin je terechtkomt. De vraag die John Baekelmans zichzelf daarbij altijd voor ogen houdt is: Hoe kan je een ruimte zodanig personaliseren dat ze je elke dag een wauw-gevoel geeft? Een tiental jaar gelden zouden we dan gedacht hebben aan scenario s waarbij elke ruimte met witte muren en geavanceerde projectietechnieken kon omgetoverd worden tot je eigen woonkamer. Maar daar gaat het helemaal niet over, zegt John Baekelmans: Elke mens heeft andere voorkeuren. Denk aan lichtintensiteit, kamertemperatuur, zittend of staand werken enzovoort. Bovendien heb je in flexwerkplekken ruimtes met verschillende functies. Ruimtes om te rusten of in stilte te kunnen werken en andere voor ontmoetingen en besprekingen. In al deze ruimtes wil je je persoonlijke voorkeuren terugvinden. Je gaat niet langer alleen maar werken voor een bedrijf om wat ze doen, maar ook vanwege het gebouw waarin je terechtkomt. 27/54

28 Meten is weten En waar beter beginnen dan in eigen huis? John Baekelmans: Op de eerste verdieping van onze eigen gebouw op de High Tech Campus in Eindhoven hebben we ongeveer een jaar geleden elke ruimte uitgerust met sensoren die de luchtkwaliteit meten. We gebruiken daarvoor commercieel verkrijgbare technologie, en liefst zo goedkoop mogelijk. De uitdaging is vervolgens om uit deze goedkope sensoren toch betrouwbare data te krijgen. Deze sensoren geven na verloop van tijd namelijk afwijkende waarden door. Drift heet dat. Die drift moeten we corrigeren. Dit kan door de sensoren te herkalibreren en door algoritmes die de afwijkingen compenseren in de gepresenteerde informatie. Nu we weten hoe we dat moeten doen, kunnen we dit ook als een service aanbieden aan producenten van dergelijke sensoren. Screenshot van real-time C02 concentraties gemeten bij imec Nederland in het Holst Centre gebouw in Eindhoven. Het is voor imec dan ook belangrijk om aan te tonen dat de kennis schaalbaar en overdraagbaar is. John Baekelmans: We hebben daarom ook een gelijkaardige opstelling bij het Homelab in Gent. Met dat verschil dat het daar allemaal netjes weggewerkt is in de muren. Het heeft ons maar een dag gekost om het hele systeem te installeren en inmiddels krijgen we er al zeven maanden lang betrouwbare data uit. Volgende stap is om in de Krook in Gent, een innovatief publiek gebouw waar onder andere de openbare bibliotheek is gevestigd, een netwerk met tweehonderd sensoren te installeren. 28/54

29 En je kan ook slim gebruik maken van bestaande infrastructuur. Zo hebben we in Antwerpen een twintigtal voertuigen van bpost uitgerust met onze sensoren. Omdat die sowieso de hele stad bestrijken, creëer je een efficiënte manie om met een beperkt aantal sensoren toch een voldoende accurate map te maken. Om de blinde vlekken op te vullen, de auto s rijden bijvoorbeeld niet s nachts, hebben we er ook een aantal vaste meetpunten geïnstalleerd op gebouwen en lantaarnpalen. Voorlopig meten de imec sensoren in Antwerpen de hoeveelheid fijn stof en stikstofdioxide (NO 2 ). Vanaf later dit jaar zullen ook metingen van de ozonconcentratie gebeuren. Maar wat leer je hieruit en hoe komt dat de eindgebruiker ten goede? John Baekelmans: In dit stadium gaat het met name nog om het meten en analyseren. Toch leveren onze living-lab experimenten al een aantal inzichten voor toepassingen op. Zo krijg ik regelmatig een sms je van mijn medewerkers dat ik de deur van mijn kantoor moet openzetten omdat de luchtkwaliteit er te slecht geworden is. René Elfrink, Senior Researcher Solutions4IoT bij imec Nederland getuigt: We zien dat we veel van de ongewenste situaties in de hand werken door ons eigen gedrag. Hoe vaak gaan we niet met te veel in een vergaderruimte zitten en overbelasten daarmee de klimaatregeling? En mensen reageren ook pas als het te laat is. Op het moment dat je hoofdpijn krijgt, is het kwaad al geschied. Je moet gebruikers dus een waarschuwing geven voor het zover is. Maar ook daarin zijn we halsstarrig. Een tijd geleden hadden we onze sensoren ingebouwd in kastje wat eruitzag als een verkeerslicht. En dan nog zagen we dat mensen pas actie ondernemen als het licht op rood staat en niet al bij oranje. Een waarschuwing via onze smartphone werkt dan blijkbaar beter. Waar we naartoe gaan is dat het gebouw zich automatisch en intuïtief aanpast op basis van wat het over jou heeft geleerd. En zonder dat je een mobiele telefoon of ander apparaat bij je moet hebben. Zo toont onze recente demo-opstelling in een schaalmodel aan dat we de luchtkwaliteit continu op pijl houden door de klimaatregeling aan te passen aan de situatie in de ruimte. Voor een opschaling naar een echte omgeving werken we aan de samenwerking met de bedrijven die de klimaatregeling beheren. Luchtkwaliteit is natuurlijk maar een aspect. John Baekelmans: Je kan uit deze metingen ook veel afgeleide informatie halen die bruikbaar is. Zo kunnen we op dit moment al het volume in een kamer berekenen uit onze metingen. En in De Krook gaan we onze data inzetten om te kunnen weergeven waar in het gebouw nog vrije ruimte is om te lezen of te weken, hoe mensen door het gebouw bewegen enzovoort. 29/54

30 Massage en yoga De échte factor die het verschil zal maken, blijft volgens John Baekelmans namelijk de mens: Happiness at work is een van de belangrijkste drijfveren voor werknemers. En zou dat dus ook moeten zijn voor iedere werkgever en gebouwbeheerder. Fun, wellness en pleasure komen dichterbij de werksfeer dan je denkt. Yogasessies, een masseur laten langskomen Werkgevers die zaken aanbieden die je normaal thuis doet of zelfs daar niet aan toekomt kunnen een ongelofelijke meerwaarde creëren voor het welbehagen van medewerkers. Negentig procent van de kost van een bedrijf zit in de mensen. Die hebben het grootste effect op efficiëntie en rendabiliteit. Het is dus des te belangrijker ook dit te optimaliseren bovenop de gangbare zaken als energiemanagement en processflows. Massages en yoga kunnen daar zeker al in helpen. Maar ook hier kan technologie een doorslaggevende factor zijn. Er zijn studies uitgevoerd in gebouwen die tot in het extreme zijn geoptimaliseerd op indoor luchtkwaliteit. Veel verder nog dan de reeds bestaande groene huizen en werkplekken. Metingen toonden bijvoorbeeld aan dat de efficiëntie van medewerkers om te reageren op stresssituaties met vijfenzeventig procent verbeterde. Veel van de uitdagingen bevinden zich dan ook weer niet op het niveau van de technologie. John Baekelmans: Een grondig begrip van de mens en zijn houding ten aanzien van verandering is cruciaal. We hebben in Vlaanderen dan ook een community van zowat dertigduizend mensen die we op gezette tijden inschakelen als proefpersoon of om hun feedback en inzichten te geven. Het is ook belangrijk om met deze testen niet alleen de digital natives te bereiken. In het City of Things project in Antwerpen hebben we community managers die ervoor zorgen dat we op een inclusieve manier te werk gaan. Ze betrekken ook de mensen die bijvoorbeeld niet meer op eigen kracht hun huis uitkomen. Imec community managers betrekken bewoners bij het City of Things project. Hier in de wijk SintAndries in Antwerpen 30/54

31 Van technologie naar cognitieve psychologie In zijn ITF presentatie legde ook Erik van Mossevelde, Director Corporate Technology bij Niko, de parallel tussen de mens en de systemen in een slim gebouw. Zijn uitgangspunt was dat ze uit dezelfde componenten zijn opgebouwd. De mens heeft zintuigen; een slim gebouw heeft sensoren. De mens heeft een lichaam; het gebouw een fysieke infrastructuur. De mens communiceert met taal en lichaamstaal en ook met een gebouw kan je op verschillende manieren in interactie: schakelaars, aanraakschermen En waar de mens een brein heeft, zal een gebouw straks artificiële intelligentie bezitten. Een van de punten die Erik van Mossevelde maakte is dat we op al deze domeinen moeten inzetten. En niet enkel op bijvoorbeeld de infrastructuur. Cognitieve psychologie is voor volgens Erik van Mossevelde dan ook een van de belangrijkste disciplines voor toekomstige ontwikkelingen in de richting van intuïtieve gebouwen. Deze tak van de psychologie onderzoekt het menselijke denken en zaken die te maken hebben met problemen oplossen en informatieverwerking. Zo verwacht hij hieruit bijvoorbeeld inzicht in de mate van controle die gebruikers uit handen willen geven. Hoeveel wil je dat je gebouw automatisch voor jou regelt en wat wil je zelf in de hand houden? Waar imec naartoe wil? John Baekelmans: Wij willen met imec toonaangevend zijn in de slimme stad. En dus ook slimme gebouwen. En niet alleen op het vlak van technologie. Daarin doen we al veel, zoals het optimaliseren van zonneceltechnologie of het ontwikkelen van de volgende generatie sensor- en communicatietechnologie. We willen vooral ook de beleving van de mens gaan optimaliseren en zijn interactie met de technologie die in de achtergrond haar werk doet. Hiervoor is ons onderzoek in échte omgevingen cruciaal. Als je je innovaties niet uitwerkt in co-creatie met de eindgebruikers, heb je haast geen kans op slagen. Meer weten? Hier kan je de studie van JLL over de top 10 trends in bedrijfsvastgoed opvragen Deze pagina beschrijft een aantal use cases in het City of Things project Real-time metingen van luchtkwaliteit bij imec Nederland in Holst Centre in Eindhoven Januari artikel in imec magazine over meer technische aspecten van IoT voor gebouwen Meer informatie over Imec HomeLab en Imec OfficeLab 31/54

32 Biografie John Baekelmans John Baekelmans is Vice President & Managing Director bij imec Nederland. Als Managing Director heeft hij de algemene bedrijfsleiding en operationele verantwoordelijkheid voor imec Nederland. Bovenop zijn rol bij Imec NL, leidt hij de onderzoeksgroepen Internet of Things en Connected Health Solutions en is hij verantwoordelijk voor het onderwerp Smart City binnen imec wereldwijd. Voor hij bij imec in dienst trad, werkte John 21 jaar bij Cisco, waar hij wereldwijd diverse leidinggevende functies bekleedde in de departementen Engineering, Services en M&A. Hij was er o.a. auteur van verschillende Amerikaanse en Europese patenten. John was ook medeoprichter van Fifthplay, een Belgische start-up op het domein van slimme woningen en gebouwen. Voor hij aan de slag ging bij Cisco was John bij Siemens betrokken bij het ontwerpen, toepassen en gebruiken van grote PBX-netwerken. John behaalde een masterdiploma computerwetenschappen aan de Universiteit Antwerpen en is een Cisco Certified Internetwork Expert (CCIE). 32/54

33 Editie juni 2018 Flexible electronics, Image sensors and vision systems 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 dunnefilmelektronicagroep en Florian De Roose, onderzoeker bij imec, vertellen meer over de technologie die ze samen met collega s van Holst Centre ontwikkelen. 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 (dunnefilmtransistoren) 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). 33/54

34 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. 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. 34/54

35 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 oxidedunnefilmtransistoren 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. 35/54

36 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. 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 dunnefilmzonnecellen maakt komt hier van pas. Verder bekijkt imec ook verschillende integratiemogelijkheden. De dunnefilm-fotodiodes kunnen namelijk op dunnefilmelektronica 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. 36/54

37 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 onder subsidieovereenkomst nr 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 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 /54

38 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 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 highresolution 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 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. 38/54

39 Editie juni 2018 Smart Energy, Photovoltaics, Silicon Photonics Zonnegevels als energiebron voor kantoorgebouwen In gevels ingewerkte zonnecellen zullen in de toekomst een belangrijk onderdeel worden van de duurzame energiebalans van nieuwe gebouwen. Dat zal zeker zo zijn voor kantoren en openbare gebouwen die beschikken over grote geveloppervlaktes maar waar de daken dikwijls al ingenomen zijn door nutsinstallaties. Voor architecten en fabrikanten van BIPVgevelbekleding (building-integrated photovoltaics) zijn er echter nog veel onbekenden. Wat is er vandaag al mogelijk? Hoe snel zal deze technologie zich ontwikkelen? Hoe draagt ze bij tot de energieopbrengst van een gebouw? Om op die vragen te antwoorden, hebben imec en de KU Leuven hun BIPV-expertise nu gebundeld in een gezamenlijke EnergyVille-project. Zij onderzoeken hoe gevelpanelen met geïntegreerde zonnecellen kunnen uitgroeien tot een oplossing die de gebouwesthetiek ten goede komt, gemakkelijk te installeren is, en bovendien flexibel en voordelig te produceren is. Maar in de eerste plaats zoeken wij toch naar totaaloplossingen voor een beter energierendement van het gebouw, zeggen Eszter Voroshazi, groepsleider van het imec-team voor zonnecelmodules en -systemen en Dirk Saelens, professor energie in gebouwen aan de ingenieursfaculteit van de KU Leuven. 39/54

40 Driedubbele functie Dirk Saelens: De gevels van veel openbare en kantoorgebouwen zijn bekleed met grote prefabpanelen in glas of ondoorzichtige materialen. Ze vervullen een dubbele functie als beschermende buitenschil van het gebouw en als designelement. Wij willen hier een derde functie aan toevoegen: energie opwekken. Dat zou ook kunnen door bovenop de bestaande panelen standaard zonnepanelen aan te brengen. Maar deze verstoren het uitzicht van het gebouw, zijn in die opstelling mogelijk minder efficiënt, en kunnen allerlei problemen opleveren met het onderhoud en de elektronica. Wij kijken daarentegen naar gevelpanelen met ingebouwde zonnecellen, die flexibel en voordelig te produceren zijn in een ruime waaier aan vormen, afwerkingen en energie-opbrengsten. Eszter Voroshazi: De zonnepanelen die nu op onze daken liggen, bestaan uit zestig standaard zonnecellen van kristallijn silicium. Ze worden aan de andere kant van de wereld geproduceerd en er is geen gemakkelijkere of goedkopere manier om kleinere oplages in andere formaten en configuraties te maken. Bedrijven vragen ons soms om bestaande panelen op maat te versnijden, maar dat kan niet: het paneel zou gewoon stuk zijn. Voor bruikbare BIPV moeten de cellen in de gevelelementen worden geïntegreerd, in het aantal, de vorm en de configuratie die nodig zijn voor dat specifieke gevelelement. Voor een dergelijke flexibele productie is naast kristallijn silicium cellen ook een ander type uiterst geschikt: dunnefilm-zonnecellen. Met deze nieuwe technologie kunnen zelfs semi-transparante oppervlakken worden gemaakt. Flexibel gevelpanelen maken Dirk Saelens: Om het ultieme BIPV-gevelpaneel te produceren, moeten wij eerst nog enkele obstakels overwinnen. Om te beginnen moet zo n paneel er goed uitzien. Gevelpanelen worden immers ontworpen om een gebouw een eigen, soms zelfs unieke look te geven. Als we willen dat architecten BIPV toepassen, dan moeten panelen met zonnecellen even aantrekkelijk zijn. Een tweede obstakel heeft te maken met de flexibiliteit in de afmetingen van de panelen. Zelfs binnen een bepaald bouwproject zijn soms panelen van diverse afmetingen nodig. Dat is alleen maar te bereiken met flexibele, geautomatiseerde assemblage. En een derde uitdaging heeft te maken met de installatie. Traditionele gevels worden door een bouwbedrijf geïnstalleerd. Maar als er in de panelen zonnemodules zitten, moeten die door elektriciens met het elektriciteitssysteem van het gebouw worden verbonden vóór de gevel volledig gesloten wordt. In sommige gevallen moeten de elektriciens dan twee keer langskomen en dat is geen optimale procedure. Bovendien is er achter de panelen maar heel weinig ruimte voor de elektronica (zoals de omvormer). Maar zelfs met voldoende ruimte blijft het een uitdaging om onderhoud uit te voeren, laat staan een paneel te vervangen. De enige oplossing voor deze netelige kwestie zijn plug & play panelen met geïntegreerde, geminiaturiseerde, hoogwaardige elektronica, zodat de installateur de panelen alleen maar moet bevestigen en de expertise van een elektricien niet nodig is. 40/54

41 Eszter Voroshazi: Wij werken samen met een lokale partner, een expert in automatisering, om een tool te bouwen om gevelpanelen automatisch te assembleren. Momenteel worden de onderdelen van maatpanelen vooral manueel geassembleerd. Dat biedt maximale flexibiliteit, maar het is duur en niet efficiënt. De zonnecellen en elektronica die wij aan gevelpanelen willen toevoegen, zijn heel kwetsbaar. Ze moeten met de grootste nauwkeurigheid en betrouwbaarheid in een schone productieomgeving worden ingebouwd. Daarvoor zijn dus assemblagetools van een nieuwe generatie nodig, waarvan we een eerste binnenkort in onze EnergyVille-labs in gebruik nemen. In de toekomst zien we een computerprogramma dat in staat is om op basis van het ontwerp van de architect en de energievereisten van het gebouw automatisch het ideale paneel te ontwerpen. Dit ontwerp zal vervolgens worden omgezet in instructies voor de assemblagerobots. Wat kan er vandaag al? Dirk Saelens: Aan de KU Leuven beschikken wij al over een test- en demo-omgeving waarin wij gevelpanelen in allerlei configuraties kunnen integreren en monitoren. Maar de EnergyVille-campus biedt ons nog veel meer: een specifiek testgebouw met 15 slots om gevelpanelen aan te sluiten. Dit is ideaal om panelen met allerlei samenstellingen en configuraties gedurende langere periodes in de winter en de zomer te testen en te vergelijken. De panelen zijn verbonden met onze monitoringapparatuur voor rendement, ventilatie en fysieke gebouweigenschappen en om een omgeving te simuleren met bijv. opslagsystemen of een gelijkspanningsnet. Om de inplanting van kantoorgebouwen realistisch te benaderen zijn de gevels in EnergyVille op het oosten, zuiden en westen gericht. BIPV op drie gevels van een gebouw levert energie gedurende het grootste gedeelte van de dag, van s ochtends vroeg tot zo laat mogelijk. Dit stemt veel meer overeen met het verbruikspatroon in een gebouw dan zonnepanelen op een zuidgericht dak die vooral op het hoogste punt van de zonnecyclus een energiepiek leveren. Eszter Voroshazi: Hoever staan wij nu? Wat kunnen wij architecten, engineeringbureaus en fabrikanten van gevelpanelen al bieden? Om te beginnen kunnen experts van imec en KU Leuven een gebouwontwerp ontleden en vertalen in energiebehoeften (evolutie van de vereiste energie in de loop van de dag, mogelijkheden voor duurzame opwekking, vergelijking tussen wisselstroom- en gelijkstroomnetten, simulaties voor koeling en opwarming ). Vervolgens kijken wij naar de meest geschikte technologie (soorten cellen, elektronica, aansluitingen ). Daarna assembleren wij één of meer prototypes met oppervlaktes tussen 10 en 20 m². En als de resultaten positief zijn, kunnen wij de technologie overdragen naar een gevelfabrikant die de vereiste volumes en oppervlaktes produceert. Momenteel hebben wij zo al een aantal panelen geassembleerd en getest en zijn we klaar voor nog veel meer. 41/54

42 Dirk Saelens: BIPV is een boeiend domein op het kruispunt van engineering en onderzoek. Wij beschikken nu al over bruikbare technologieën en wij kunnen praktische oplossingen voor bedrijven helpen ontwikkelen. En wij willen ook nog veel nieuwe richtingen verkennen, naar een grotere efficiëntie, willekeurige, complexe vormen, plug & play concepten met geïntegreerde elektronica, ingebouwde batterijopslag, volledig geautomatiseerde assemblage Nu EnergyVille alle expertise samenbrengt in één enkel lab zijn wij perfect in staat om deze R&D uit te voeren en op Europees niveau een toonaangevende rol te vervullen inzake BIPV. Wij doen een oproep aan paneelfabrikanten om samen met ons een nieuwe generatie BIPV-producten te ontwikkelen, producten die hen een uniek concurrentievoordeel kunnen opleveren bij het bouwen van duurzame gebouwen. EnergyVille 2 onlangs in gebruik genomen De nieuwe kantoren en laboratoria van het samenwerkingsinitiatief EnergyVille bevinden zich in Thor Park, een onderdeel van de vroegere mijnsite van Waterschei (Belgisch Limburg). Onderzoekers van KU Leuven, VITO, imec en Uhasselt bundelen daar hun krachten om onderzoek te verrichten naar duurzame energie en slimme energiesystemen. Het tweede EnergyVille-gebouw werd officieel in gebruik genomen op 31 mei Ongeveer 100 onderzoekers zullen er onder andere BIPVpanelen ontwikkelen, maar ook bijvoorbeeld nieuwe dunnefilm-zonneceltechnologie en een nieuw type vastestofbatterij voor toepassing in elektrische voertuigen en als energieopslag. Meer weten? Een frisse kijk op het assembleren van PV modules: geweven interconnecties, blogartikel van Eszter Voroshazi in het magazine PVTech. Een voorspeller voor zonnepanelen, een artikel in het mei 2018-nummer van het imec magazine. Een pleidooi voor gelijkstroom in woningen en bedrijfsgebouwen, artikel in het juni 2017-nummer van het imec magazine. 42/54

43 Biografie Eszter Voroshazi Eszter Voroshazi is groepsleider van de module- en systeemactiviteiten bij imec. Zij behaalde een ingenieursdiploma aan INSA in Rennes (2008, Frankrijk) en een doctoraat aan de KU Leuven (2008, België). Zij is momenteel betrokken bij de EnergyVille-samenwerking die zich richt op de ontwikkeling van innovatieve PV-moduletechnologieën en materialen, het voorspellen van energieopbrengst en BIPV. Zij maakt bovendien als PV-expert deel uit van standaardisatiecomités en verricht reviews voor organisaties die onderzoeksbeurzen toekennen, en voor conferenties en vakbladen. Zij is medeauteur van meer dan 80 papers met een h-index van 18. Biografie Dirk Saelens Dirk Saelens is professor Energy in Buildings aan het departement bouwkunde van de KU Leuven. Bij EnergyVille is hij verantwoordelijk voor de academische aspecten van Buildings and Districts. Zijn belangrijkste expertisedomein is het beoordelen van energie en comfort in gebouwen en stedelijke omgevingen door middel van metingen en gebouwensimulatie. Dirk Saelens behaalde in 1997 zijn master in architecturale engineering aan de KU Leuven en zijn doctoraat in burgerlijke bouwkunde in 2002 op onderzoek naar geventileerde dubbelwandige gevels. 43/54

44 Editie juni 2018 GaN power electronics Een oplossing voor het verpakken van GaNop-200mm-Si vermogencomponenten Imec en UTAC hebben een uniek proces ontwikkeld voor het verdunnen en metalliseren (langs de achterzijde) van GaNop-200mm-Si wafers. Daarmee maakten ze een verpakte 650V GaN-component die kleiner is dan de bestaande oplossingen. Intro Gallium-nitride, een materiaal met een brede bandgap, biedt heel wat voordelen ten opzichte van silicium (Si) voor toepassingen in vermogen-elektronica. Door hun hogere doorslagspanning en kleinere on-resistance kunnen GaN-vermogen-chips het vermogen veel efficiënter omzetten dan de meest geavanceerde chips uit Si. Daarnaast hebben GaN-vermogen-chips ook nog eens een 10 tot 100 keer hogere schakelsnelheid dan Si-chips, waardoor ze het ook op systeemniveau veel beter doen. Dankzij deze eigenschappen hebben de eerste generatie GaN-vermogen-chips hun toepassing gevonden in bijvoorbeeld batterijladers voor gsm s en elektrische wagens, point-of-load vermogensystemen, industriële stroomvoorzieningen, DC/DC-convertoren voor servers, invertoren om zonnepanelen met het grid te verbinden, enz... GaN wordt vandaag gegroeid op verschillende substraten, zoals saffier, silicium-carbide (SiC) en Si. Si-substraten zijn vooral interessant omwille van hun lager kostenperspectief en omwille van de mogelijkheid om standaard fabricageprocessen uit de halfgeleiderindustrie te gebruiken. Terwijl de industrie vooral werkt met wafers van 150mm diameter, heeft imec een voortrekkersrol gespeeld bij de ontwikkeling van de technologie op 200mm Si wafers. 44/54

45 Maar de fabricage van GaN-op-Si-componenten op 200mm wafers is niet eenvoudig: door de grotere diameter en het alsmaar hogere spanningsbereik zal de wafer ook meer en meer buigen. De fundamentele moeilijkheid wordt veroorzaakt door de mismatch in roosterparameter, en vooral in thermische expansie-coëfficiënt tussen de GaN/AlGaN-lagen en het Si-substraat. De AlGaN-buffer, nodig om het verschil tussen de Si- en GaN-roosters te overbruggen, wordt gegroeid bij hoge temperaturen. Tijdens het afkoelen treedt een buiging op van de wafers, en kunnen de erg gestresste wafers gemakkelijk breken of micro-fracturen vertonen. Door het zorgvuldig engineering van deze stress, heeft imec een platform kunnen ontwikkelen voor 200mm CMOScompatibele GaN-vermogen-componenten. Hiermee kunnen vermogen-schakelaars (enhancement mode) en Schottky-diodes ontwikkeld worden voor spanningen tot 100, 200 en 650V. Typische 200mm Si wafer met GaN-transistoren Maar de aanwezigheid van stress in de wafers vormt, behalve voor de fabricatie, ook een uitdaging voor het verpakken van de vermogen-componenten. Kleinere GaN-op-Si-wafers kunnen inmiddels verpakt worden, maar er bestaat nog geen betrouwbaar proces voor het verpakken van de fragiele GaN-op-200mm-Si componenten. Maar zonder verpakkingstechnologie heeft de ontwikkeling en migratie van een GaN-op-200mm-Si technologie weinig zin. Om deze uitdaging aan te gaan, heeft imec een samenwerking opgezet met OSAT-partner UTAC voor de assemblage van GaN-op-200mm-Si technologie. Hieronder lijsten Stefaan Decoutere, Programmadirecteur GaN Power Electronics bij imec, en Nicolo Ronchi, onderzoeker bij imec, samen met UTAC s R&D-team de uitdagingen op, en stellen ze een proces voor om de eerste, ultrakleine, functionele verpakte GaN-op-200mm-Si component te maken. 45/54

46 Het verpakken van GaN-op-200mm-Si componenten: wat zijn de uitdagingen? Vermogen-componenten werken typisch bij erg hoge spanningen en frequenties, waardoor warmte gegenereerd wordt als bijproduct. De verpakking moet dan ook een efficiënt pad voorzien langs waar de warmte kan worden afgegeven. Voor GaN-op-200mm-Si vermogen-componenten kan dit opgelost worden door de Si-drager te verdunnen en een metallisatie aan te brengen langs de achterzijde. Op die manier kan een goed thermisch en elektrisch contact tussen de chip en de verpakking worden bekomen, en kan een uniforme warmte-dissipatie worden gegarandeerd. Maar de stress die door de GaN-laag bovenop de Si wafer veroorzaakt wordt, is sterk genoeg om de wafer te doen buigen. Daardoor kan de wafer breken tijdens het verdunnen en metalliseren. Eens de GaN-op-200mm Si wafer met succes verdund en gemetalliseerd is, moet hij ook verzaagd worden, en dat stelt de onderzoekers opnieuw voor een uitdaging. Omdat de wafers zo broos zijn, kunnen ze niet op een traditionele manier verzaagd worden. Dat kan immers leiden tot afbrokkeling van het GaN-materiaal en zelfs tot micro-cracks. Daarom moet een geoptimaliseerd proces worden ontwikkeld vooraleer met het verpakken kan worden begonnen. Na het verzagen moeten de componenten gemonteerd worden in de verpakkingen. Deze verpakkingen moeten zo klein mogelijk zijn, met een geoptimaliseerde korte-pin configuratie. Kleine verpakkingen met korte pinnen bieden niet alleen heel wat voordelen voor toepassingen die kleine afmetingen vragen. Het zal ook leiden tot een verminderde parasitaire inductantie, die typisch veroorzaakt wordt door lange bond wires en pinnen. Deze parasitaire inductantie kan een limiet opleggen aan de uiteindelijke snelheid waartegen de verpakte component zal werken. Ook is een materiaal met hoge thermische en elektrische geleidbaarheid nodig om een efficiënt pad te bekomen tussen de achterzijde van de component en de verpakking. Dat is essentieel voor dit type verpakkingen. In een laatste stap moeten de verpakte componenten nog met een goede thermische geleidbaarheid gesoldeerd worden op een PCB. Een aangepast verpakkings-proces Met deze uitdagingen in gedachte hebben imec en UTAC een unieke oplossing ontwikkeld voor het verpakken van GaN-op-200mm-Si vermogen-componenten. Hiervoor werden p-gan high-mobility-electron transistoren (HEMTs) gemaakt op een dikke (1.150µm) Si-drager van 200mm diameter. Op deze wafers werd een buiging (warpage) van µm gemeten na het verdunnen van de wafer (waarbij de warpage de afwijking is tussen het laagste punt en het hoogste punt op de wafer). Dit toont aan hoe moeilijk het is om een betrouwbaar proces te ontwikkelen. 46/54

47 Hoewel er geen problemen waren met het verdunnen van de wafers, werd nadien een grote buiging vastgesteld. En dit bemoeilijkt het metalliseren van de achterzijde van de verdunde wafers. UTAC heeft samen met zijn leverancier een metallisatieproces ontwikkeld dat rekening houdt met deze buiging. Daarmee konden ze met succes een Ti-Ni-Ag-laag coaten op basis van een zogenaamde mirror finish. Om het afbrokkelen tijdens het verzagen te verminderen, heeft UTAC een proces ontwikkeld op basis van laser grooving en mechanische verzaging. Hiermee worden groeven voorzien langsheen de zaag-banen vooraleer met de mechanische verzaging te beginnen. Hierdoor wordt de GaN-buffer aan de rand van iedere component verwijderd, waardoor de GaN-buffer minder zal afbrokkelen en breken. Illustratie van de laser-groove procedure en mechanisch verzagen van de componentjes, wat leidt tot verminderde afbrokkeling In een laatste stap wordt elke component gemonteerd in een dual flat no-lead (DFN) verpakking. Dit type verpakking wordt standaard gebruikt in de industrie. Om bruikbaar te zijn voor vermogentoepassingen werd een materiaal met hoge geleidbaarheid gebruikt om de component te bevestigen, en werden korte pinnen voorzien. Foto van de 5x5mm 2 verpakte GaN-component 47/54

48 Een kleine 650V 16A verpakte GaN-component Met een totale oppervlakte van 5x5mm 2 en een dikte van 0,7mm zijn de verpakte componentjes kleiner dan state-of-the-art. Om hun werking na te gaan, voerde het team standaard elektrische karakteriseringen uit. Hieruit blijkt dat het verpakkingsproces de werking en de stabiliteit van de componentjes niet beïnvloedt. De verpakte componenten werken bij spanningen tot 650V (afvoer-naar-bron doorslagspanning), bij 16A bronspanning, en bij een lage inductantie. Elektrische karakterisering van de verpakte GaN-op-Si-componenten De GaN-roadmap: nieuwe uitdagingen voor het verpakken Met deze proces-flow kan imec zijn GaN-op-200mm-Si technologie aanbieden, vanaf de groei van GaN, tot het maken en verpakken van de componentjes. De verpakte componenten zijn beschikbaar als standalone componentjes en kunnen als discrete componenten op een gemeenschappelijk PCB worden geassembleerd. Naar de toekomst toe kijken de imec onderzoekers ook naar andere substraten dan Si. Zo gaan ze op zoek naar substraten waarvan de thermische expansie-coëfficiënt beter aansluit bij die van GaN zoals het recent voorgestelde QST -substraat van Qromis. Met dit substraat zouden GaNvermogencomponenten gemaakt kunnen worden die werken bij hogere spanningen dan 650V. Of ze kijken naar SOI (silicium-op-isolator) als substraat voor de groei van GaN. In combinatie met het toepassen van geul-isolatie laat dit materiaal toe om verschillende GaN-vermogen-transistoren monolithisch te integreren op een enkele chip, wat resulteert in kleinere en minder complexe systemen. Maar het gebruik van nieuwe substraten zal ook bijkomende uitdagingen met zich meebrengen voor het verpakken van de componenten, en dat zal in de toekomst verder worden onderzocht. 48/54

49 Dit onderzoek maakt deel uit van imecs Industrial Affiliation Program op GaN-vermogenchips. Met dit programma wil imec de huidige GaN-op-Si technologie meer matuur en betrouwbaar maken, en nieuwe concepten verkennen voor de volgende generatie GaN-technologie. Het onderzoek kadert ook in het Europese ECSEL PowerBase project. PowerBase kreeg funding van de Electronic Component Systems for European Leadership Joint Undertaking onder grant agreement No Meer weten? Over UTAC GaN-vermogentransistoren met SOI-technologie, imec magazine Imec and Qromis present high performance p-gan HEMTs on 200mm CTE-matched substrates, persbericht Website van het PowerBase Project Biografie Stefaan Decoutere Stefaan Decoutere behaalde een M.Sc. en een Ph.D. in Electronic Engineering aan de KU Leuven, in respectievelijk 1986 en Sinds 1987 werkt hij bij imec, waar hij aanvankelijk werkte aan de ontwikkeling van een hogespannings BCD-technologie. Van 1992 tot 1997 leidde hij de ontwikkelingen van hogesnelheids BiCMOS- en SiGe HBT-technologieën. In 1998 werd hij hoofd van de Mixed Signal/RF technologie-groep bij imec. Sinds 2010 leidt hij de ontwikkelingen van GaN-vermogentechnologie, en in 2015 werd hij Directeur van het GaN technologie-programma. 49/54

50 Biografie Nicolo Ronchi Nicolò Ronchi is geboren in Thiene, Italië. Hij behaalde de Laurea (master) degree en een Ph.D. in Electronics Engineering aan de Universiteit van Padova (Italië), in 2008 en 2012 respectievelijk. In 2007 begon hij in het kader van zijn master-thesis te werken op GaNgebaseerde componenten. Zijn onderzoekswerk op deze technologie duurde verder tijdens zijn doctoraat, en, sinds 2012 in imec, als onderzoeker in de Power en Mixed Signal Technologies groep (PMST). Zij grootste interesse gaat uit naar de karakterisatie en betrouwbaarheids-analyse van GaN-gebaseerde componenten voor hoge-frequentie- en vermogen-schakelings-toepassingen. 50/54

51 Editie juni 2018 Semiconductor technology & processing De mogelijkheden van sequentiële-3d-integratie voor de schaalverkleining van chips Sequentiële-3D-integratie is een veelbelovend alternatief voor de schaalverkleining van chips. Nadine Collaert (distinguished member of technical staff bij imec) en haar team zetten de uitdagingen en de mogelijke voordelen van deze opkomende integratie-technologie op een rijtje. Intro Naar verwachting zullen technologie-innovaties ons toelaten om de traditionele schaalverkleining van logische en geheugenchips op basis van de Wet van Moore nog minstens vijf tot tien jaar verder te zetten. Tegelijkertijd zoeken onderzoekers wereldwijd ook naar alternatieve oplossingen om de steeds toenemende uitdagingen aan te gaan die gepaard gaan met de verdere verkleining van transistoren. Eén van deze alternatieven is sequentiële-3d-integratie (S3D), een relatief nieuwe technologie die belooft om bepaalde problemen van klassieke tweedimensionale chip-fabricatie (2D CMOS) aan te pakken. Volgens de S3D integratie-techniek wordt een chip of systeem sequentieel in verschillende lagen geprocest en verticaal geïntegreerd. Er bestaan drie verschillende varianten afhankelijk van het niveau waar de onderverdeling van het systeem en de stapeling van de subsystemen plaatsvindt. 51/54

52 Eén van deze alternatieven is sequentiële-3d-integratie (S3D), een relatief nieuwe technologie die belooft om bepaalde problemen van klassieke tweedimensionale chipfabricatie (2D CMOS) aan te pakken. Drie verschillende S3D varianten Een eerste variant is S3D op transistor-niveau. Daarbij wordt de poort van de transistor opgesplitst in lagen van pmos en nmos. Bij een tweede variant, S3D op CMOS-niveau, worden conventionele tweedimensionale standaard-cellen in verschillende lagen geplaatst. En tenslotte kan de onderverdeling ook op IP-block-niveau plaatsvinden. Zo kan bijvoorbeeld de analoge en I/Ofunctionaliteit gescheiden worden van het logische en geheugencircuit. Deze laatste variant wordt hybride S3D genoemd (of heterogene 3D), omdat er behalve CMOS-technologieën verschillende andere technologieën kunnen worden gecombineerd. Sequentiële-3D (a) op niveau van de transistor, en (b) op niveau van standaard-cellen. 52/54

53 Illustratie van hybride S3D. In dit voorbeeld worden het logische en geheugencircuit in een onderste laag gemaakt in 3nm technologie (of in5), terwijl het overblijvende deel (analoog en I/O) in een bovenste laag gemaakt is in de 28nm technologiegeneratie. Het niet-schaalbare deel (analoog en I/ O) neemt in dit geval 30% van de oppervlakte van het circuit in. Technologie-integratie: de uitdagingen S3D brengt specifieke uitdagingen mee op het gebied van technologie. Deze hebben vooral te maken met het beperkte thermisch budget dat beschikbaar is voor het processen van de onderste en de bovenste laag. Imec heeft innovatieve oplossingen voorgesteld voor de fabricage van interconnect-metalen, contactjes en de poort-stapels van de transistoren. Nu deze uitdagingen aangepakt zijn, belooft de techniek om de hoeveelheid transistoren per chip-oppervlak te doen toenemen, de lengte van de interconnect-lijnen te reduceren en de co-integratie van heterogene chiptechnologieën te vergemakkelijken. Wat zijn de voordelen? Maar om de echte voordelen te kennen, heeft het imec team voor elk van de varianten een systematische analyse uitgevoerd van het vermogen, de performantie, de benodigde oppervlakte en de kost. Het grootste voordeel is voor rekening van de heterogene S3D variant, waarbij het logische en geheugendeel gemaakt zijn met een geschaalde technologie, en het overgebleven, niet-schaalbare deel (analoog in combinatie met I/O) gemaakt is in een meer relaxte 28nm technologie in de bovenste laag. S3D is minder rendabel voor dimensionele schaalverkleining (dus S3D op transistor- of celniveau). De relatieve voordelen hangen echter ook sterk af van de veronderstellingen die gemaakt worden met betrekking tot de technologie, en van de manier waarop de verschillende componenten worden verdeeld. Een typische toepassing van een S3D-implementatie kunnen gestapelde SRAM-geheugencellen zijn, waarbij transistoren van naburige cellen op elkaar gestapeld worden. De hybride S3D-benadering kan voordelig zijn voor de implementatie van de volgende generatie applicatie-hardware, zoals 5G en machine learning. 53/54

54 Meer weten? Een uitgebreide versie van dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd in Chip Scale Review (mei-juni 2018), en kan via deze link worden opgevraagd. Het artikel is getiteld Sequential-3D integration for advanced semiconductor scaling, en werd geschreven door Anne Vandooren, Jacopo Franco, Arindam Mallik, Liesbeth Witters and Nadine Collaert, imec. Biografie Nadine Collaert Nadine Collaert behaalde een M.S. en Ph.D. in electrical engineering aan het ESAT departement van de KU Leuven, in 1995 en 2000 respectievelijk. Sindsdien richtte ze zich op de theorie, het ontwerp en de technologie van FinFET-transistoren, opkomende geheugenchips, transducers voor biomedische toepassingen en de integratie en karakterisering van biocompatibele materialen (bijv. materialen gebaseerd op koolstof). Van 2012 tot april 2016 was ze programma-manager van het LOGIC programma bij imec, waarbij ze zich toelegde op hoge-mobiliteitskanalen, TFETs en nanodraad-transistoren. Sinds april 2016 is ze distinguished member of technical staff, verantwoordelijk voor het onderzoek naar nieuwe benaderingen voor de schaalverkleining van CMOS, gebaseerd op heterogene integratie van nieuwe materialen met Si, en nieuwe material enabled transistor- en systeembenaderingen om de functionaliteit te verhogen. 54/54