Électronique imprimée :une innovation flexible et à faible coût pour demain

Fabrication électronique imprimable à faible coût

Le besoin de procédés peu coûteux et respectueux de l’environnement pour fabriquer des composants électroniques imprimables et des puces de biocapteurs augmente rapidement. La NASA a développé une approche unique pour un processus basé sur le plasma à pression atmosphérique pour fabriquer des composants électroniques imprimables et des revêtements fonctionnels. Ce système implique une impression à température ambiante assistée par aérosol dans laquelle un aérosol transportant le matériau souhaité à déposer est introduit dans un jet de plasma froid fonctionnant à pression atmosphérique.

Des chercheurs du MIT ont fabriqué un tampon à base de nanotubes de carbone qui imprime des encres électroniques sur des surfaces rigides et flexibles. (Sanha Kim et Dhanushkodi Mariappan)

Le dépôt est le résultat de l'interaction de l'aérosol contenant le matériau précurseur avec le plasma à pression atmosphérique contenant un gaz primaire. Le dépôt plasma assisté par aérosol est un processus simple et à haut débit pour l’impression et la création de motifs, facilement évolutif pour la production industrielle. Plusieurs jets peuvent être utilisés pour déposer différents matériaux, et l'approche peut être adaptée à une variété de plates-formes.

Les applications commerciales du système incluent la technologie biomédicale, l'électronique grand public, le papier électronique, la sécurité et les communications.

« Estampillage » de l'électronique à l'aide de nanotubes

Suprem Das (à gauche) et Jonathan Claussen, chercheurs de l'État de l'Iowa, utilisent des lasers pour traiter les composants électroniques imprimés au graphène, tels que ceux imprimés sur une feuille de papier. (Christophe Gannon)

Imaginez un emballage alimentaire qui affiche un avertissement numérique indiquant que la nourriture est sur le point de se gâter, ou une fenêtre dans votre maison qui affiche les prévisions météorologiques basées sur les mesures des niveaux de température et d'humidité à l'extérieur.

Les ingénieurs du MIT ont inventé un processus d'impression rapide et précis qui pourrait permettre l'utilisation de ces surfaces électroniques. L'équipe a développé un tampon composé de nanotubes de carbone capable d'imprimer des encres électroniques sur des surfaces rigides et flexibles. Le processus devrait être capable d'imprimer des transistors suffisamment petits pour contrôler des pixels individuels dans des écrans haute résolution et des écrans tactiles. Le processus peut également fournir un moyen relativement peu coûteux et rapide de fabriquer d'autres surfaces électroniques.

Étant donné que les techniques telles que l’impression à jet d’encre sont difficiles à contrôler à très petite échelle, elles ont tendance à produire des motifs en forme de « cercle de café » où l’encre déborde sur les bordures, ou des impressions inégales pouvant conduire à des circuits incomplets. La nouvelle technique utilise un tampon nanoporeux qui permet à une solution de nanoparticules, ou « encre », de s'écouler uniformément à travers le tampon et sur n'importe quelle surface à imprimer.

Les nanotubes de carbone se développent sur une surface de silicium selon divers motifs, notamment des hexagones en forme de nid d'abeille et des motifs en forme de fleur. Les nanotubes sont recouverts d'une fine couche de polymère pour garantir que l'encre pénètre dans les nanotubes et que les nanotubes ne rétrécissent pas après l'estampage de l'encre. Le tampon est ensuite infusé d'un petit volume d'encre électronique contenant des nanoparticules telles que de l'argent, de l'oxyde de zinc ou des points quantiques semi-conducteurs.

La clé pour imprimer des motifs précis et haute résolution réside dans la quantité de pression appliquée pour tamponner l’encre. Un modèle a été développé pour prédire la force nécessaire pour appliquer une couche uniforme d'encre sur un substrat, ainsi que la concentration de nanoparticules dans l'encre. Après avoir tamponné des motifs à l’encre de différents motifs, l’équipe a testé la conductivité électrique des motifs imprimés. Après avoir chauffé les motifs après l'estampage, les motifs imprimés étaient hautement conducteurs et pouvaient servir d'électrodes transparentes hautes performances. À l'avenir, l'équipe prévoit d'explorer la possibilité d'une électronique entièrement imprimée.

Le graphène imprimé traité au laser permet l'électronique du papier

Un circuit d’auto-guérison imprimé sur la manche d’un T-shirt était connecté à une lumière LED et à une pile bouton. Le circuit et le tissu sur lequel il était imprimé ont tous deux été coupés, auquel cas la LED s'est éteinte. En quelques secondes, la LED s'est rallumée alors que les deux côtés du circuit se rejoignaient et se guérissaient.

Le nid d'abeilles en carbone graphène n'a qu'un atome d'épaisseur, conduit l'électricité et la chaleur et est solide et stable. Des projets récents utilisant des imprimantes à jet d'encre pour imprimer des circuits et des électrodes de graphène multicouches ont conduit à l'utilisation du graphène pour des appareils électroniques flexibles, portables et peu coûteux. Mais une fois imprimé, le graphène doit être traité pour améliorer la conductivité électrique et les performances de l'appareil, ce qui signifie généralement des températures élevées ou des produits chimiques susceptibles de dégrader les surfaces d'impression flexibles ou jetables telles que les films plastiques ou même le papier.

Des chercheurs de l’Iowa State University ont développé une méthode utilisant des lasers pour traiter le graphène. En traitant les circuits électriques et les électrodes en graphène multicouches imprimés à jet d'encre avec un processus laser pulsé, la conductivité électrique a été améliorée sans endommager le papier, les polymères ou d'autres surfaces d'impression fragiles.

Le graphène imprimé par jet d'encre est transformé en un matériau conducteur capable d'être utilisé dans de nouvelles applications telles que des capteurs à usage biologique, des systèmes de stockage d'énergie, des composants conducteurs électriques et des composants électroniques sur papier.

Les ingénieurs ont développé une technologie laser contrôlée par ordinateur qui irradie sélectivement l’oxyde de graphène imprimé par jet d’encre. Le traitement élimine les liants de l’encre et réduit l’oxyde de graphène en graphène, assemblant physiquement des millions de minuscules flocons de graphène. Le processus rend la conductivité électrique mille fois meilleure. Le traitement laser localisé modifie également la forme et la structure du graphène imprimé d'une surface plane à une surface avec des nanostructures 3D surélevées qui ressemblent à de minuscules pétales s'élevant de la surface. La structure rugueuse et striée augmente la réactivité électrochimique du graphène, le rendant utile pour les capteurs chimiques et biologiques.

Ces travaux ouvrent la voie à la création d'électrodes électrochimiques à base de graphène jetables et peu coûteuses pour des applications telles que les capteurs, les biocapteurs, les piles à combustible et les dispositifs médicaux.

Appareils électroniques « imprimés » à l'encre magnétique

Les ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego (UCSD) ont développé une encre magnétique qui peut être utilisée pour fabriquer des batteries auto-réparatrices, des capteurs électrochimiques et des circuits électriques portables à base de textile. L'encre est constituée de microparticules orientées dans une certaine configuration par un champ magnétique qui permet aux particules des deux côtés d'une déchirure d'être attirées magnétiquement les unes vers les autres, provoquant ainsi la guérison automatique d'un dispositif imprimé avec l'encre. Les appareils réparent des déchirures allant jusqu'à 3 millimètres.

Les matériaux d'auto-guérison existants nécessitent un déclencheur externe pour relancer le processus de guérison. Il leur faut également entre quelques minutes et plusieurs jours pour travailler. Le nouveau système ne nécessite aucun catalyseur extérieur pour fonctionner et les dommages sont réparés en 0,05 seconde environ.

L’encre était utilisée pour imprimer des batteries, des capteurs électrochimiques et des circuits électriques portables à base de textile. Ensuite, les appareils ont été endommagés en les coupant et en les séparant pour créer des espaces de plus en plus larges. Les appareils se sont encore guéris et ont retrouvé leur fonction tout en perdant un minimum de conductivité.

Un circuit d’auto-guérison a été imprimé sur la manche d’un T-shirt et connecté à une lumière LED et une pile bouton. Le circuit et le tissu sur lequel il était imprimé ont tous deux été découpés. À ce moment-là, la LED s'est éteinte. En quelques secondes, la LED a commencé à se rallumer alors que les deux côtés du circuit se rejoignaient et se guérissaient, rétablissant la conductivité. À l'avenir, les ingénieurs envisagent de fabriquer différentes encres avec différents ingrédients pour un large éventail d'applications.

Ressources

www.nasa.gov/centers/ames 

www.techbriefs.com/tv/magnétique_ink

http://news.mit.edu 

http://www.news.iastate.edu/news