Une méthode d’impression de circuits transparents et flexibles à température ambiante

Une équipe de chercheurs a mis au point une technique novatrice pour imprimer des films d’oxyde métallique ultrafins à température ambiante. Cette méthode permet de créer des circuits transparents et flexibles, capables de fonctionner à haute température tout en restant robustes.

Traditionnellement, la fabrication d’oxydes métalliques pour l’électronique nécessitait des équipements spécialisés, coûteux et fonctionnant à haute température. L’objectif des chercheurs était de développer une technique permettant de créer et de déposer des films d’oxyde métallique à température ambiante, s’apparentant à l’impression de circuits d’oxyde métallique.

Michael Dickey, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’Université d’État de Caroline du Nord, précise sa pensée : «Les oxydes métalliques sont un matériau important présent dans presque tous les appareils électroniques. La plupart sont électriquement isolants, comme le verre. Cependant, certains oxydes métalliques sont à la fois conducteurs et transparents, ce qui les rend essentiels pour les écrans tactiles des smartphones ou les moniteurs d’ordinateurs.»

Une technique inspirée de la nature

Les chercheurs ont mis au point une méthode originale pour séparer l’oxyde métallique d’un ménisque de métal liquide. Un ménisque est la surface courbe d’un liquide qui s’étend au-delà de l’extrémité d’un tube, maintenue par la tension superficielle. Dans le cas des métaux liquides, la surface du ménisque est recouverte d’une fine pellicule d’oxyde métallique qui se forme au contact de l’air.

Le professeur Dickey décrit le processus : «Nous remplissons l’espace entre deux lames de verre avec du métal liquide, de sorte qu’un petit ménisque dépasse des extrémités des lames. Les lames font office d’imprimante, et le métal liquide sert d’encre. Le ménisque de métal liquide peut alors être mis en contact avec une surface. Lorsque nous déplaçons le ménisque sur la surface, l’oxyde métallique à l’avant et à l’arrière du ménisque adhère à la surface et se détache, laissant une trace similaire à celle d’un escargot. Au fur et à mesure, le liquide exposé sur le ménisque forme constamment un nouvel oxyde, permettant une impression continue.»

Cette technique permet de déposer un film mince d’oxyde métallique à deux couches d’environ 4 nanomètres d’épaisseur. Le film adhère au substrat de manière solide, sans risque de bavure ou d’étalement. Les chercheurs ont démontré l’efficacité de cette méthode avec plusieurs métaux liquides et alliages métalliques, chaque métal modifiant la composition du film d’oxyde métallique.

Une découverte surprenante a été la nature des films imprimés. Unyong Jeong, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université des Sciences et Technologies de Pohang (POSTECH), souligne : «Les films imprimés sont transparents mais possèdent des propriétés métalliques. Ils sont hautement conducteurs. Nous pensons que conductivité élevée est due au fait que le centre du film mince à deux couches contient très peu d’oxygène, le rendant plus métallique et moins oxydé.»

Des applications potentielles variées

Les chercheurs ont également constaté que les films minces conservaient leurs propriétés conductrices à haute température. Un film de 4 nanomètres d’épaisseur reste conducteur jusqu’à près de 600 degrés Celsius, tandis qu’un film de 12 nanomètres conserve ses propriétés jusqu’à au moins 800 degrés Celsius.

L’équipe a démontré l’utilité de leur technique en imprimant des oxydes métalliques sur un polymère, créant des circuits hautement flexibles et suffisamment robustes pour conserver leur intégrité même après 40 000 pliages. Le professeur Dickey ajoute : «Les films peuvent également être transférés sur d’autres surfaces, comme des feuilles, pour créer des composants électroniques dans des endroits inhabituels.»

Cette nouvelle méthode d’impression de circuits transparents et flexibles à température ambiante ouvre la voie à de nombreuses applications potentielles dans l’électronique grand public, l’industrie et la recherche. Les chercheurs protègent actuellement la propriété intellectuelle de cette technique et sont ouverts à la collaboration avec des partenaires industriels pour explorer ses applications potentielles.

L’avenir de l’électronique pourrait bien être façonné par cette technique innovante, permettant la création de dispositifs plus flexibles, plus résistants et plus adaptables à des environnements variés.

Légende illustration : Les films d’oxyde métallique sont essentiels dans la plupart des dispositifs électroniques, mais ils sont généralement déposés à des températures élevées à l’aide de procédés lents, basés sur le vide. Les chercheurs ont imprimé des films d’oxyde natif sur de grandes surfaces dans des conditions ambiantes en déplaçant un ménisque de métal fondu sur un substrat cible.

L’article, intitulé « Ambient Printing of Native Oxides for Ultrathin Transparent Flexible Circuit Boards », a été publié dans la revue Science. Les co-premiers auteurs de l’article sont Minsik Kong, ancien chercheur invité à NC State et doctorant à POSTECH, et Man Hou Vong, doctorant à NC State. Omar Awartani, ancien chercheur postdoctoral à NC State, Mingyu Kwak, Ighyun Lim et Younghyun Lee de POSTECH, Seong-hun Lee, Jimin Kwon et Tae Joo Shin de l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan, et Insang You de l’Université de Waterloo ont également participé à la rédaction de l’article.