Salon de Hanovre : des interrupteurs électroniques en films polymères intelligents

Le transistor est l’un des composants les plus importants en électronique. En commutant ou en amplifiant les signaux électriques, les transistors garantissent que nos smartphones, ordinateurs et même nos machines à café font ce que nous voulons qu’ils fassent. Une nouvelle génération de transistors économe en énergie est désormais en cours de développement, basée sur des films minces, légers et conducteurs d’électricité. Imaginez des micro-actionneurs dotés de leur propre capacité de détection intégrée dans des circuits imprimés flexibles à base de film. C’est la vision poursuivie par les équipes de recherche dirigées par Paul Motzki (Université de Sarrebruck) et John Heppe (Université des sciences appliquées, htw saar). L’équipe présentera le principe de cet interrupteur innovant à base de film au salon technologique « Hannover Messe » du 20 au 24 avril (Hall 11, Stand D41).

Une façon courante d’expliquer le rôle des transistors est de dire qu’ils sont à l’électricité ce qu’un robinet est à l’eau. Imaginez l’électricité comme de l’eau s’écoulant dans un tuyau, où la pression qui entraîne le flux est la tension électrique appliquée. Un transistor peut activer ou interrompre le flux, ou réguler la quantité de courant autorisée à passer. Sans transistors, la vie moderne s’arrêterait. Les chiffres en jeu sont vertigineux : un seul smartphone contient plusieurs milliards de transistors. Mais lorsque des tensions et des fréquences élevées sont impliquées, les transistors peuvent devenir gros et coûteux. Les transistors actuels sont construits à partir de multiples couches de matériaux semi-conducteurs comme le silicium ou le germanium.

Les chercheurs de Sarrebruck ouvrent maintenant de nouvelles voies en construisant des transistors à partir de film de silicone. « Nous remplaçons les composants semi-conducteurs par des matériaux appelés élastomères diélectriques », explique Paul Motzki, professeur de systèmes de matériaux intelligents à l’Université de Sarrebruck, qui développe ce concept avec le professeur John Heppe de la htw saar. Les deux équipes exposeront une version de démonstration de leur nouvel interrupteur électrique à base de film lors de l’édition de cette année de la Hannover Messe.

Des films intelligents à la place du silicium

Les deux groupes de recherche sont spécialisés dans la transformation de films polymères ultraminces en actionneurs fonctionnant sans capteurs supplémentaires. Les films sont revêtus sur leurs deux faces d’une couche d’électrode flexible et hautement conductrice. Lorsque les chercheurs appliquent une tension sur le film polymère élastomère, ces couches conductrices s’attirent, comprimant le film et l’amenant à s’étendre latéralement, augmentant ainsi sa surface. « En faisant varier la tension appliquée, nous pouvons contrôler le mouvement du film avec une grande précision, le faire exécuter des mouvements de flexion continus ou le faire vibrer à une fréquence ou une amplitude souhaitée », explique Paul Motzki. Les films sont également auto-sensibles, car même le plus petit mouvement du film correspond à une variation spécifique de la capacité électrique. En utilisant ces valeurs de capacité, les chercheurs peuvent quantifier précisément la déformation spatiale du film. Cette propriété leur permet également de contrôler le mouvement du film, en spécifiant exactement comment il doit se déformer et à quelle vitesse.

Depuis des années, Paul Motzki et son équipe perfectionnent ces films intelligents pour qu’ils réagissent de plus en plus vite et avec plus de sensibilité. Le résultat est une nouvelle classe de micro-actionneurs économes en énergie qui peuvent être contrôlés pour exécuter des séquences de mouvements complexes et très précises ou pour maintenir une position fixe définie. L’équipe a déjà construit une large gamme de prototypes – d’une « seconde peau » tactile pouvant être intégrée dans des vêtements portables, des boutons dynamiques virtuels fournissant un retour haptique aux utilisateurs d’écrans tactiles, à des pompes et des vannes, et même des haut-parleurs ultra-légers. Et ces actionneurs à base de film ne consomment de l’énergie que lorsqu’ils sont en mouvement, pas lorsqu’ils maintiennent une position fixe.

Des films élastiques qui peuvent contrôler le flux de courant électrique – actionneur et capteur en un

La prochaine étape est de faire fonctionner ces films intelligents comme des interrupteurs électroniques, afin qu’à l’avenir, ils puissent être utilisés comme des transistors économes en énergie. Pour cela, les films ont besoin d’un nouveau type de revêtement. Jusqu’à présent, la couche conductrice était constituée de carbone amorphe en poudre, appelé « noir de carbone ». Cependant, la résistance électrique de la couche de noir de carbone est bien trop élevée pour des applications transistor efficaces. C’est pourquoi l’équipe de Paul Motzki travaille avec le groupe de recherche du professeur John Heppe « Capteurs physiques et mécatronique » à la htw saar. Les deux groupes travaillent côte à côte au Centre de mécatronique et de technologie d’automatisation de Sarrebruck (ZeMA) – une installation de recherche commune gérée par les deux universités, avec Paul Motzki comme directeur scientifique/PDG du ZeMA.

L’équipe de John Heppe est spécialisée dans les revêtements ultraminces. Au lieu d’appliquer une couche de noir de carbone, l’équipe recherche des moyens d’appliquer une couche métallique hautement conductrice qui commutera le courant à des vitesses extrêmement élevées. Le défi est que le film doit encore pouvoir s’étirer de manière significative pour fonctionner, ce qui signifie que deux couches métalliques rigides imprimées ne sont pas vraiment envisageables. La solution, en fin de compte, est d’utiliser un revêtement qui n’est pas rigide. « Nous utilisons une technique de revêtement spécialisée appelée pulvérisation cathodique », dit John Heppe. L’astuce est que les chercheurs étirent d’abord le film avant de déposer une couche métallique conductrice ultramince. Avec une épaisseur d’environ dix nanomètres, cette couche d’électrode est plus de mille fois plus fine qu’un cheveu humain. Ils étirent ensuite un peu plus le film. « C’est comme peindre un cercle sur un ballon : si vous continuez à le gonfler, la couche peinte commencera à se fissurer à de nombreux endroits », explique Heppe.

Un revêtement métallique ultramincrevêtu de fissures – la voie vers un transistor flexible à base de film

Lorsque les chercheurs relâchent la tension, les fissures se referment et le courant peut circuler. Lorsqu’ils étirent le film, les fissures dans la couche d’électrode s’ouvrent à nouveau et le courant est interrompu, ce qui permet une commutation contrôlée marche/arrêt – exactement ce qui est requis. Si la couche métallique sur l’élastomère se contracte de manière à former des plis, elle n’offre toujours qu’une résistance minimale, permettant à de forts courants de traverser l’interrupteur à film. « Nous observons des résistances de seulement 50 à 100 ohms sur une surface d’environ un centimètre carré, ce qui signifie que les circuits haute tension avec des cycles de commutation très rapides nécessaires pour contrôler des vannes et des pompes sont également une option réaliste. Nous pouvons passer de très faibles à de très hautes résistances », déclare le professeur Heppe. Entre les deux extrêmes (« toutes les fissures ouvertes » et « toutes les fissures fermées »), la quantité de courant qui circule peut être précisément contrôlée – tout comme un robinet régule le débit d’eau. Des électrodes de ce type peuvent être déposées par pulvérisation cathodique sur le film polymère avec un espacement de seulement quelques micromètres.

« À l’avenir, les transistors à film pourraient être utilisés pour la commutation à plus haute fréquence de tensions dans la gamme des kilovolts – ce qui nécessite actuellement des composants transistor volumineux et souvent coûteux. Globalement, ces systèmes de commutation deviendraient plus petits, plus efficaces et moins chers », affirme Paul Motzki. Les équipes de recherche de Sarrebruck visent à développer des circuits imprimés flexibles et légers à base de film pour des applications haute tension. Jusqu’à présent, les signaux qui contrôlent les appareils électriques et électroniques sont régulés par des transistors conventionnels soudés sur des cartes de circuits imprimés rigides et plates. Avec cette nouvelle technologie, les transistors pourraient être intégrés directement dans des films actionneurs flexibles. « Nos circuits imprimés flexibles innovants pourraient ouvrir de nouvelles applications dans des domaines tels que la technologie médicale. Des micro-actionneurs auto-détecteurs seraient incorporés directement dans la carte de circuit imprimé en film », explique Motzki.

À la Hannover Messe, les équipes présenteront leur technologie avec un interrupteur à film de démonstration : Lorsqu’un levier est tiré, le film polymère s’étire, des fissures se forment dans la couche d’électrode métallique ultramince, la résistance passe brutalement de la gamme des ohms à la gamme des mégaohms, et le flux de courant cesse. Lorsque le levier est relâché, le film se détend, les fissures se referment et – avec une résistance maintenant redescendue en dessous de 100 ohms – le courant circule avec des pertes minimales, même à des tensions allant jusqu’à, disons, 10 kilovolts, ce qui est le type de niveau de tension nécessaire pour de nouveaux actionneurs électrostatiques.

Contexte

Le projet TransDES (Recherche de nouvelles structures de Transistors basées sur des systèmes Diélectriques Elastomères Souples) est financé conjointement par la Sarre et le Fonds européen de développement régional (FEDER). Le projet est une collaboration entre les équipes de recherche dirigées par le professeur Paul Motzki (Université de Sarrebruck) et le professeur John Heppe (htw saar) au Centre de mécatronique et de technologie d’automatisation (ZeMA) à Sarrebruck – une installation de recherche commune gérée par les deux universités.

La technologie des élastomères diélectriques continue d’être explorée et développée dans de nombreux projets de recherche doctorale. Les travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et ont reçu le soutien de nombreuses sources, notamment des financements de l’UE via une bourse de recherche Marie Curie et de la Fondation allemande pour la recherche via son programme prioritaire DFG SPP KOMMMA. Le gouvernement de l’État de la Sarre a fourni un soutien financier via les projets FEDER iSMAT et Multi-Immerse, et ME Saar (l’Association des industries de la métallurgie et de l’électricité en Sarre) a financé un programme de recherche doctorale.

Les chercheurs traduisent les résultats de leur recherche orientée vers l’application dans la pratique industrielle. Pour faciliter le transfert de leur technologie de matériaux intelligents vers les secteurs commerciaux et industriels, les chercheurs ont créé la société « mateligent GmbH », qui exposera également au même stand lors de l’édition de cette année de la Hannover Messe.