L'encre électronique permet l'impression à température ambiante de circuits capables de basculer entre les modes rigide et souple
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L'électronique à rigidité variable est à la pointe de la technologie adaptative, permettant à un seul dispositif de passer d'un mode rigide à un mode souple selon son utilisation. Le gallium, métal connu pour son fort contraste de rigidité entre les états solide et liquide, est un candidat prometteur pour de telles applications. Cependant, son utilisation est freinée par des difficultés telles qu'une tension superficielle élevée, une faible viscosité et des transitions de phase indésirables lors de la fabrication.
Une équipe de chercheurs du KAIST et de l'Université nationale de Séoul a développé une encre électronique permettant l'impression à température ambiante de circuits à rigidité variable, capables de basculer entre les modes rigide et souple. Cette avancée marque une avancée majeure vers les dispositifs portables, implantables et robotisés de nouvelle génération .
L'équipe dirigée par le professeur Jae-Woong Jeong de l'École de génie électrique du KAIST, le professeur Seongjun Park de la spécialisation en soins de santé numériques de l'Université nationale de Séoul et le professeur Steve Park du Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux du KAIST ont publié leurs travaux dans Science Advances .
Cette nouvelle encre allie une viscosité imprimable à une excellente conductivité électrique, permettant la création de circuits multicouches complexes et haute résolution, comparables aux circuits imprimés commerciaux (PCB). Ces circuits peuvent modifier dynamiquement leur rigidité en fonction de la température, offrant ainsi de nouvelles perspectives pour l'électronique multifonctionnelle, les technologies médicales et la robotique.
Les appareils électroniques conventionnels ont généralement des formats fixes : rigides pour la durabilité ou souples pour la portabilité. Les appareils rigides comme les smartphones et les ordinateurs portables offrent des performances robustes, mais sont inconfortables à porter, tandis que les appareils souples sont plus confortables, mais manquent de précision de manipulation. Face à la demande croissante d'appareils adaptant leur rigidité au contexte, les appareils électroniques à rigidité variable gagnent en importance.
Pour relever ce défi, les chercheurs se sont concentrés sur le gallium, qui fond juste en dessous de la température du corps. Le gallium solide est assez rigide, tandis que sa forme liquide est fluide et souple. Malgré son potentiel, l'utilisation du gallium en impression électronique est limitée par sa tension superficielle élevée et son instabilité à la fusion.
L'équipe a développé un procédé d'impression à base d'encre métallique liquide à pH contrôlé. En dispersant des particules de gallium de taille micrométrique dans une matrice de polyuréthane hydrophile à l'aide d'un solvant neutre ( diméthylsulfoxyde , ou DMSO), ils ont créé une encre stable et à haute viscosité, adaptée à l'impression de précision. Lors du chauffage post-impression, le DMSO se décompose pour former un environnement acide qui élimine la couche d'oxyde recouvrant les particules de gallium. Ceci déclenche la coalescence des particules en réseaux électroconducteurs aux propriétés mécaniques ajustables.
Les circuits imprimés obtenus présentent des dimensions fines (environ 50 μm), une conductivité élevée (2,27 × 10⁶ S/m) et un rapport de modulation de rigidité allant jusqu'à 1 465, permettant au matériau de passer d'une rigidité similaire à celle du plastique à une souplesse similaire à celle du caoutchouc. De plus, l'encre est compatible avec les techniques d'impression conventionnelles telles que la sérigraphie et le revêtement par immersion, permettant ainsi la fabrication de dispositifs de grande surface et en 3D.
L'équipe a démontré cette technologie en développant un dispositif multifonctionnel qui fonctionne comme un appareil électronique portable rigide en conditions normales, mais se transforme en un dispositif de santé portable souple une fois fixé au corps. Ils ont également créé une sonde neuronale qui reste rigide lors de l'insertion chirurgicale pour un positionnement précis, mais qui se ramollit une fois à l'intérieur du tissu cérébral pour réduire l'inflammation, soulignant ainsi son potentiel pour les implants biomédicaux.
« L'aboutissement principal de cette recherche réside dans la résolution des défis de longue date de l'impression sur métal liquide grâce à notre technologie innovante », a déclaré le professeur Jeong. « En contrôlant l'acidité de l'encre, nous avons pu connecter électriquement et mécaniquement les particules de gallium imprimées, permettant ainsi la fabrication à température ambiante de circuits haute résolution et de grande surface, avec une rigidité réglable. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour l'électronique personnelle, les dispositifs médicaux et la robotique de demain. »
https://news.kaist.ac.kr/newsen/html/news/?mode=V&mng_no=47230