En ciblant le papier parchemin avec un laser, le professeur Seokheun « Sean » Choi et son équipe retirent la couche de cire pour exposer les fibres de cellulose absorbant l’eau. Ces canaux agissent alors comme des autoroutes microscopiques qui guident les encres conductrices à base d’eau pour former des circuits électroniques.
Des chercheurs créent une plateforme pour des circuits biodégradables et entièrement intégrés — sans silicium, sans métaux toxiques, sans salle blanche requise
Et si la prochaine génération d’électronique jetable — les capteurs dans vos emballages alimentaires, les bandelettes de diagnostic dans une clinique médicale, les moniteurs environnementaux disséminés dans une ferme — était fabriquée non pas en silicium ou en plastique, mais sur une feuille de papier que vous pourriez acheter à l’épicerie ?
Cette vision vient de se rapprocher considérablement de la réalité. Une équipe de recherche du Laboratoire de bioélectronique et de microsystèmes de l’Université de Binghamton, dirigée par le professeur Seokheun « Sean » Choi , a mis au point une nouvelle technique de fabrication qui utilise un laser à dioxyde de carbone standard pour écrire des circuits électroniques directement sur du papier sulfurisé commercial — le même papier de cuisson enduit de silicone que l’on trouve dans les cuisines du monde entier.
Le professeur Seokheun « Sean » Choi, du département de génie électrique et informatique du Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science de l’université de Binghamton. Crédit photo : Jonathan Cohen.
Cet article a été accepté pour publication dans ACS Applied Materials & Interfaces., l’une des revues phares dans le domaine des sciences des matériaux.
La technique est d’une simplicité trompeuse. Le papier parchemin est naturellement hydrofuge grâce à une fine couche de silicone en surface. En ciblant précisément le papier avec un laser, l’équipe retire sélectivement cette couche selon des motifs spécifiques, exposant ainsi les fibres de cellulose absorbant l’eau. Ces canaux gravés au laser agissent alors comme des autoroutes microscopiques guidant les encres conductrices à base d’eau exactement là où elles doivent aller : formant des résistances, des condensateurs, des interconnexions et même des circuits de filtrage analogiques complets, le tout sur une seule feuille de papier.
« Le laser confère en quelque sorte une mouillabilité à une surface initialement imperméable », explique Choi, professeur au département de génie électrique et informatique du Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science . « Là où le laser entre en contact avec le papier, celui-ci devient réceptif à nos encres fonctionnelles. Ailleurs, le revêtement en silicone fait office d’isolant naturel. »
Une quête qui a duré dix ans
Ces nouveaux travaux représentent l’aboutissement de plus d’une décennie de recherche menée au sein du laboratoire de Choi sur ce qu’il appelle la « papertronique » — le domaine émergent de l’électronique à base de papier. Depuis son arrivée à Binghamton, Choi est l’un des chercheurs pionniers dans ce domaine, animé par une question centrale : le papier peut-il remplacer le silicium et le plastique pour les dispositifs électroniques jetables à usage unique ?
L’aventure a commencé avec les biobatteries. En 2015, l’équipe de Choi a construit sa première batterie à base de papier : un dispositif pliable ressemblant à une boîte d’allumettes et produisant de l’électricité à partir de bactéries. Ce premier prototype a donné naissance à une série d’innovations : une batterie en origami en forme d’étoile ninja, biobatteries activées par la salive pour les diagnostics d’urgence, des dispositifs portables de récupération d’énergie alimentés par la transpiration et même une biobatterie en capsule ingérable conçue pour fonctionner à l’intérieur de l’intestin humain.
En parallèle, le laboratoire a également mis au point des biocapteurs sur papier pour les diagnostics au point de soins , les tests de sensibilité aux antimicrobiens et la surveillance environnementale , le tout alimenté par les bactéries qui peuplent naturellement notre monde.
« Mon ambition à long terme a toujours été de créer, sur le papier, un système électronique complet, autonome et jetable », a déclaré Choi. « Nous avons commencé par la source d’énergie : la biobatterie. Puis nous sommes passés aux capteurs. Il nous manquait le circuit lui-même : les résistances, les condensateurs et les interconnexions qui relient tous les éléments. »
La pièce manquante est apparue en 2024, lorsque l’équipe de Choi a présenté le premier circuit imprimé entièrement intégré sur papier – comprenant des résistances, des condensateurs et des transistors ajustables – sur une seule feuille de papier chromatographique, grâce à des motifs imprimés à la cire guidant le dépôt d’encre. Ces travaux, publiés dans la revue Advanced Sustainable Systems , ont validé le concept, mais ont révélé une limitation tenace : les barrières de cire utilisées pour définir les éléments du circuit se sont estompées et ont bavé sous l’effet de la chaleur, limitant la taille minimale des éléments réalisables à environ un millimètre. De ce fait, les circuits restaient volumineux – de l’ordre de plusieurs dizaines de centimètres – et il était impossible de concevoir des circuits compacts et denses, pourtant indispensables aux applications pratiques.
Les appareils électroniques à base de papier (ou « papertronics ») peuvent être compostés ou incinérés.
Franchir la barrière de résolution
Cette nouvelle approche laser révolutionne le processus. En utilisant du papier parchemin hydrophobe plutôt que du papier chromatographique hydrophile, et un laser pour créer sélectivement des canaux hydrophiles au lieu de cire pour former des barrières hydrophobes, l’équipe a bouleversé le paradigme de fabrication. Résultat : des circuits de seulement 250 micromètres de large avec un espacement de 300 micromètres, soit une amélioration de deux à trois fois par rapport aux meilleures méthodes à base de cire, et une taille suffisamment réduite pour intégrer des circuits de filtrage complets dans un espace de quelques millimètres seulement.
« Nous n’avons pas seulement amélioré la résolution ; nous avons modifié les principes physiques qui la déterminent », explique Choi. « Avec la cire, il faut lutter contre la cire fondue qui se répand sur le papier. Grâce à notre technologie laser, le motif est défini par la taille du point laser et reste parfaitement précis. Il n’y a ni diffusion, ni flou, ni incertitude. »
L’équipe a démontré la polyvalence de la plateforme en fabriquant un ensemble complet de composants électroniques sur papier : des résistances dont la résistance peut être ajustée sur trois ordres de grandeur simplement en modifiant la formulation de l’encre ; des interconnexions avec une résistance de feuille aussi faible qu’environ un ohm par carré, rivalisant avec les systèmes électroniques rigides ; des condensateurs réglables de microfarads à millifarads ; et des filtres RC passe-bas et passe-haut entièrement fonctionnels dont la réponse en fréquence correspond étroitement aux prédictions théoriques.
Point essentiel, toutes les encres fonctionnelles utilisées sont à base d’eau et exemptes de métaux toxiques et de solvants organiques. Les circuits sont biodégradables – se décomposant dans le sol en quelques semaines – et peuvent être incinérés en quelques secondes en cas d’élimination rapide. Pour les applications nécessitant une durée de vie plus longue, une fine couche d’encapsulation en silicone protège les dispositifs de l’humidité et des chocs sans altérer leurs performances électriques.
Du laboratoire au monde réel
Choi a récemment publié un article de synthèse dans Device où l’auteur explore les domaines émergents de la papertronique et de la paperfluidique et trace la voie de leur intégration dans des systèmes intelligents à base de papier. Il y soutient que la papertronique et la paperfluidique ont évolué en grande partie en parallèle et que leur convergence pourrait donner naissance à une nouvelle génération de dispositifs autonomes, auto-détecteurs et jetables pour les secteurs de la santé, de la sécurité alimentaire et de la surveillance environnementale.
Ces travaux de recherche ont été menés par Zahra Rafiee (doctorante en 2025) et Ruohan Zhang, doctorante, toutes deux au sein du laboratoire de bioélectronique et de microsystèmes de Choi. Ils ont été financés par la National Science Foundation .
« Imaginez un pansement qui surveille l’état d’une plaie et vous alerte sans fil sur votre téléphone ; une fois utilisé, vous le jetez au compost », explique Choi. « Ou encore une étiquette d’expédition qui suit la température et l’humidité tout au long de la chaîne d’approvisionnement, puis se biodégrade en décharge. C’est vers cela que nous nous dirigeons. »
