Électronique imprimée : innovation flexible et low-cost pour demain

Fabrication d'électronique imprimable à faible coût

Le besoin de processus peu coûteux et écologiques pour fabriquer de l'électronique imprimable et des puces biosenseurs croît rapidement. La NASA a développé une approche unique : un processus plasma à pression atmosphérique pour fabriquer de l'électronique imprimable et des revêtements fonctionnels. Ce système implique une impression à température ambiante assistée par aérosol : un aérosol portant le matériau désiré est introduit dans un jet de plasma froid à pression atmosphérique.

Le dépôt résulte de l'interaction de l'aérosol contenant le précurseur avec le plasma à pression atmosphérique contenant un gaz primaire. Le dépôt plasma assisté par aérosol est un processus d'impression et de patterning à haut débit et facile, aisément industrialisable. Plusieurs jets peuvent déposer différents matériaux, l'approche s'adaptant à diverses plateformes.

Applications commerciales : biomédical, électronique grand public, e-paper, sécurité, communications.

"Tamponner" l'électronique avec des nanotubes

Imaginez un emballage alimentaire affichant une alerte numérique de péremption imminente, ou une fenêtre affichant la météo basée sur température et humidité extérieures.

Des ingénieurs du MIT ont inventé un procédé d'impression rapide et précis pour ces surfaces électroniques. L'équipe a développé un tampon en nanotubes de carbone imprimant des encres électroniques sur surfaces rigides et flexibles. Le procédé devrait imprimer des transistors assez petits pour contrôler des pixels individuels dans écrans haute résolution et tactiles. Aussi une façon relativement peu coûteuse et rapide de fabriquer d'autres surfaces électroniques.

Les techniques comme l'impression jet d'encre sont difficiles à contrôler à très petites échelles, produisant des motifs "anneau de café" (encre débordant) ou impressions inégales menant à circuits incomplets. La nouvelle technique utilise un tampon nanoporeux laissant une solution de nanoparticules ("encre") s'écouler uniformément à travers le tampon sur la surface.

Les nanotubes sont cultivés sur silicium en motifs variés (nids d'abeille hexagonaux, formes florales). Revêtus d'une fine couche polymère pour assurer la pénétration de l'encre dans les nanotubes et éviter leur rétraction après tamponnage. Le tampon est imprégné d'un petit volume d'encre électronique contenant nanoparticules (argent, oxyde de zinc, points quantiques semiconducteurs).

La clé pour des motifs précis haute résolution : la pression appliquée. Un modèle prédit la force nécessaire pour tamponner une couche uniforme d'encre sur un substrat, et la concentration de nanoparticules dans l'encre. Après tamponnage de motifs variés, l'équipe a testé la conductivité électrique. Après chauffage post-tamponnage, les motifs étaient hautement conductifs, servant d'électrodes transparentes haute performance. L'équipe poursuit vers l'électronique entièrement imprimée.

Graphène imprimé traité au laser pour électronique papier

Le graphène en nid d'abeille carbone est d'un atome d'épaisseur, conduit électricité et chaleur, fort et stable. Des projets récents utilisant imprimantes jet d'encre pour circuits et électrodes graphène multicouches ont mené à son utilisation pour électronique flexible, portable, low-cost. Mais une fois imprimé, le graphène doit être traité pour améliorer conductivité et performance — généralement hautes températures ou produits chimiques dégradant surfaces flexibles/jetables (films plastiques, papier).

Chercheurs Iowa State ont développé une méthode laser pour traiter le graphène. En traitant circuits et électrodes graphène multicouches imprimés jet d'encre par laser pulsé, la conductivité électrique s'est améliorée sans endommager papier, polymères ou autres surfaces fragiles.

Le graphène imprimé devient un matériau conducteur pour nouvelles applications : capteurs usages biologiques, stockage énergie, composants conducteurs, électronique papier.

Technologie laser pilotée par ordinateur irradiant sélectivement l'oxyde de graphène imprimé. Le traitement élimine liants d'encre et réduit l'oxyde de graphène en graphène, assemblant physiquement millions de minuscules flocons. Conductivité électrique multipliée par plus de 1000. Le traitement laser localisé change aussi la forme et structure du graphène imprimé : surface plane → nanostructures 3D en relief ressemblant à de minuscules pétales s'élevant. Structure rugueuse et striée augmentant la réactivité électrochimique, utile pour capteurs chimiques et biologiques.

Voie ouverte pour électrodes électrochimiques graphène low-cost jetables : capteurs, biosenseurs, piles à combustible, dispositifs médicaux.

Dispositifs électroniques "imprimés" avec encre magnétique

Ingénieurs UC San Diego ont développé une encre magnétique pour batteries auto-réparatrices, capteurs électrochimiques, circuits électriques textiles portables. L'encre contient des microparticules orientées par champ magnétique, permettant aux particules des deux côtés d'une déchirure de s'attirer magnétiquement, réparant le dispositif. Réparation de déchirures jusqu'à 3 mm.

Les matériaux auto-réparateurs existants nécessitent un déclencheur externe et prennent minutes à jours. Ce système ne nécessite aucun catalyseur externe, réparation en ~0,05 seconde.

Encre utilisée pour imprimer batteries, capteurs, circuits textiles. Dispositifs endommagés par coupure et écartement créant gaps croissants. Dispositifs se réparent et récupèrent fonction en perdant conductivité minimale.

Circuit auto-réparateur imprimé sur manche de T-shirt, connecté à LED et pile bouton. Circuit et tissu coupés → LED s'éteint. En quelques secondes, LED se rallume quand les deux côtés du circuit se rejoignent et se réparent, restaurant conductivité. Futur : encres différentes pour large gamme d'applications.

Ressources

• www.nasa.gov/centers/ames
• www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink
• https://news.mit.edu
• https://www.news.iastate.edu/news