L’impression tridimensionnelle (3D) est devenue de plus en plus avancée au cours des dernières années et a été utilisée avec succès pour créer d’innombrables articles, notamment des jouets, des meubles et des composants électroniques. L’équipement d’impression 3D devenant plus abordable, il pourrait également être utilisé pour fabriquer des composants électroniques souples pour les appareils portables.
Malgré ses promesses dans ce domaine, l’impression 3D a jusqu’à présent rarement été utilisée avec succès pour produire des composants électroniques complexes et flexibles. L’une des raisons en est que les matériaux élastiques à l’état solide qui peuvent conduire l’électricité sont difficiles à imprimer avec les encres existantes.
Des chercheurs de l’Institut coréen des sciences et technologies ont récemment démontré que l’impression 3D permettait de créer des composants élastiques conducteurs d’électricité. La stratégie d’impression qu’ils proposent, décrite dans un article publié dans Nature Electronics, pourrait ouvrir la voie à l’impression à grande échelle de composants multifonctionnels et extensibles pour les appareils portables.
La réalisation par l’équipe de conducteurs élastiques au moyen de l’impression 3D a été rendue possible en grande partie grâce à une nouvelle encre composite à base d’émulsion qu’ils ont conçue. Cette encre spéciale est constituée de composants liquides dispersés dans un élastomère conducteur, un matériau caoutchouteux qui conduit l’électricité.
« L’impression de conducteurs élastiques à l’état solide avec des géométries tridimensionnelles est un défi car les propriétés rhéologiques des encres existantes ne permettent généralement qu’un dépôt par couches », écrivent Byeongmoon Lee, Hyunjoo Cho et leurs collègues dans leur article.
« Nous montrons qu’un système d’émulsion – composé d’un composite élastomère conducteur, d’un solvant non miscible et d’un solvant émulsifiant – peut être utilisé pour l’impression omnidirectionnelle de conducteurs élastiques. Les propriétés viscoélastiques du composite assurent l’intégrité structurelle des éléments imprimés – ce qui permet d’inscrire directement des géométries tridimensionnelles autoportantes, filamentaires et hors plan – ainsi que des comportements pseudo-plastiques et de lubrification qui assurent la stabilité de l’impression et empêchent le colmatage des buses ».
L’encre composite utilisée par les chercheurs présente de nombreuses propriétés avantageuses par rapport aux autres encres couramment utilisées dans l’impression 3D. Elle présente notamment des propriétés de viscoélasticité, d’amincissement par cisaillement et de lubrification qui facilitent l’impression de structures 3D complexes.
« Les structures imprimées du conducteur intrinsèquement extensible présentent une taille de caractéristique minimale inférieure à 100 μm et une extensibilité de plus de 150 % », ont écrit Lee, Cho et leurs collègues dans leur article. « La vaporisation de la phase de solvant dispersée dans l’émulsion entraîne la formation de réseaux conducteurs microstructurés et localisés en surface, qui améliorent la conductivité électrique. »
Pour démontrer le potentiel de leur approche de l’impression 3D et de l’encre à base d’émulsion qu’ils ont conçue, les chercheurs ont imprimé des interconnexions élastiques qu’ils ont ensuite utilisées pour créer un capteur de température portable avec un écran extensible. Ce dispositif s’est avéré performant et la même méthode pourrait bientôt être utilisée pour créer divers autres composants extensibles et conducteurs.
Dans leur article, Lee, Cho et leurs collègues soulignent la possibilité de combiner leur approche avec des technologies de numérisation 3D pour créer des composants électroniques souples qui épousent parfaitement la forme du corps humain et sont donc plus agréables à porter pour les utilisateurs. En outre, l’encre qu’ils ont créée pourrait inspirer la création d’autres encres à base d’émulsion qui fonctionnent de manière similaire mais sont basées sur des compositions et des élastomères différents.
