Circuits imprimés : les matières renouvelables à la rescousse

Est-il possible de fabriquer des platines écologiquement durables pour l’industrie électronique à partir de fibres de cellulose ? Thomas Geiger, chercheur à l’Empa, s’est penché sur cette question. Entre-temps, il fait partie d’un projet multinational de l’UE appelé « Hypelignum ». Son objectif : une électronique biodégradable.

Depuis de nombreuses années, Thomas Geiger fait de la recherche dans le domaine des fibrilles de cellulose – des fibres fines qui peuvent être produites à partir de coupes de bois ou de déchets agricoles. Les fibres de cellulose recèlent un potentiel élevé pour une production durable et une décarbonation de l’industrie : elles poussent dans la nature sans émettre de CO2, brûlent sans laisser de résidus et sont même compostables. Elles peuvent être utilisées à de nombreuses fins, par exemple comme renfort de fibres dans les produits techniques en caoutchouc tels que les membranes de pompes.

Mais est-il possible de fabriquer des circuits imprimés à partir de fibres de cellulose, ce qui permettrait de réduire l’empreinte écologique des ordinateurs ? Les circuits imprimés, également appelés platines ou PCB (« printed circuit boards »), sont justement tout sauf innocents sur le plan écologique : ils sont généralement composés de fibres de verre imprégnées de résine époxy. Un tel matériau composite n’est pas recyclable et ne peut jusqu’à présent être éliminé de manière appropriée que dans des installations de pyrolyse spéciales.

Souris d’ordinateur au look ivoire

Geiger avait déjà fabriqué des cartes informatiques en fibres de cellulose et étudié leur biodégradation. Mélangées à de l’eau, les fibres biologiques donnent une boue épaisse qui peut être déshydratée et compactée dans une presse spéciale. Avec une collègue, il a fabriqué 20 platines d’essai qui ont été soumises à divers tests mécaniques et finalement équipées de composants électroniques. L’essai a été concluant et la carte de cellulose a libéré les composants soudés après quelques semaines dans la terre naturelle.

Auparavant, Thomas Geiger avait déjà participé à un projet Innosuisse en collaboration avec la haute école spécialisée OST de Rapperswil, qui avait donné naissance à des pièces de boîtier pour souris d’ordinateur. Les pièces de boîtier fabriquées ont un aspect soyeux et ressemblent, par leur couleur et leur toucher, à des pièces en ivoire. Mais aucun fabricant n’a voulu adopter cette méthode. La concurrence des prix dans le domaine de la petite électronique est encore trop forte pour cela – et les procédés traditionnels de moulage par injection de plastique ont un net avantage.

Platines en laine de bois ou en fibres de cellulose

Maintenant, l’occasion se présente de construire sur les connaissances existantes : Claudia Som, spécialiste du développement durable à l’Empa, a été contactée pour collaborer au projet de recherche européen « Hypelignum ». Celui-ci est dirigé par l’institut suédois de recherche sur les matériaux RISE et cherche de nouvelles voies pour une électronique produite de manière durable. Claudia Som a fait appel à son collègue Thomas Geiger.
Le projet a démarré en octobre 2022. Le consortium de chercheurs, avec la participation de l’Autriche, de la Slovénie, de l’Espagne, des Pays-Bas, de la Suède et de la Suisse, prévoit de fabriquer et d’évaluer des éco-circuits imprimés à partir de différents matériaux : Outre la cellulose nanofibrillée (CNF), la laine de bois et la cellulose de bois de peuplier sont étudiées comme base ; le placage de bois est également utilisé comme base pour les circuits imprimés.

Deux départements de recherche de l’Empa collaborent au projet : D’une part, les spécialistes de la durabilité autour de Claudia Som du laboratoire « Technologie et société. Claudia Som calculera l’empreinte écologique des éco-circuits à l’aide de bases de données sur les matériaux et comparera les différents concepts entre eux.

Thomas Geiger, du laboratoire « Cellulose & Wood Materials » de l’Empa, fabriquera les circuits imprimés à partir de matières premières renouvelables. L’électronique « verte » est depuis longtemps une priorité de recherche du laboratoire dirigé par Gustav Nyström ; l’équipe de Gustav Nyström a déjà développé divers composants électroniques imprimés à partir de matériaux biodégradables, comme des batteries et des écrans (voir encadré). Les exigences posées aux platines informatiques fabriquées industriellement ne sont toutefois pas triviales : les platines doivent non seulement présenter une grande résistance mécanique, mais aussi ne pas gonfler dans des conditions humides ou se fissurer en cas de très faible humidité de l’air.

« Les fibres de cellulose peuvent être une très bonne alternative aux matériaux composites à base de fibres de verre« , explique Thomas Geiger. « Nous déshydratons le matériau dans une presse spéciale avec une pression de 150 tonnes. Ensuite, les fibres de cellulose se collent d’elles-mêmes sans aucun autre adjuvant. Nous appelons cela la ‘cornification‘ ». L’essentiel est de savoir à quelle pression, à quelle température et pendant combien de temps le processus de pressage doit avoir lieu pour produire des résultats optimaux.

Quatre démonstrateurs prévus

Le projet européen Hypelignum a des objectifs très ambitieux : Il doit non seulement étudier les circuits imprimés fabriqués à partir de matières premières renouvelables et compostables, mais aussi développer des encres conductrices pour les connexions électriques entre les composants. Ces encres sont souvent fabriquées à base de nanoparticules d’argent. Les chercheurs sont à la recherche de matériaux de substitution moins chers et moins rares, ainsi que d’une méthode de production écologique pour ces nanoparticules.

Au terme du projet, quatre démonstrateurs devraient rendre visibles les résultats de recherche obtenus : un circuit imprimé écologiquement exemplaire, un grand élément de construction en bois équipé de capteurs et d’actionneurs, des meubles équipés de capteurs dans une chaîne de production automatisée et, enfin, un démonstrateur prouvant la recyclabilité de tous ces composants.

Écrans et batteries en cellulose

En 2022, un groupe de chercheurs de l’Empa dirigé par Gustav Nyström a réussi à construire un écran biodégradable à base d’hydroxypropyl-cellulose (HPC). Ils ont utilisé le HPC comme matériau de support et y ont ajouté une petite quantité de nanotubes de carbone, ce qui a rendu la cellulose conductrice d’électricité. En ajoutant des nanofibres de cellulose (CNF), ils ont transformé l’encre en une forme imprimable. L’écran change de couleur en fonction de la tension électrique appliquée ; en outre, il peut également servir de capteur de pression ou de traction et a le potentiel de jouer un rôle dans l’éco-électronique future en tant qu’interface utilisateur biodégradable.

Auteur : RAINER KLOSE