Les premiers composants électroniques imprimés entièrement recyclables et de taille inférieure au micromètre pourraient révolutionner la fabrication des écrans.

Des ingénieurs électriciens de l'Université Duke ont démontré leur capacité à imprimer des composants électroniques entièrement fonctionnels et recyclables à l'échelle submicronique. Cette technique pourrait avoir un impact sur le secteur de l'affichage électronique, qui pèse plus de 150 milliards de dollars, et sur son impact environnemental, tout en permettant à l'industrie manufacturière américaine de prendre pied dans un secteur vital et en pleine expansion.

La recherche est publiée dans la revue Nature Electronics .

« Si nous voulons sérieusement accroître la production américaine dans des domaines dominés par des concurrents mondiaux, nous avons besoin de technologies transformatrices », a déclaré Aaron Franklin, professeur distingué Edmund T. Pratt, Jr. de génie électrique et informatique et de chimie à Duke.

Notre procédé permet d'imprimer des transistors à base de carbone entièrement recyclables et offrant des performances comparables aux normes industrielles. Le résultat est trop prometteur pour ne pas être étudié plus en détail.

Les écrans électroniques jouent un rôle essentiel dans presque tous les secteurs : téléviseurs, écrans d'ordinateur, cadrans de montre et écrans de voiture. Presque tous sont fabriqués à l'étranger, principalement en Corée du Sud, en Chine et à Taïwan.

Le processus de fabrication a un impact environnemental significatif en raison des émissions de gaz à effet de serre et de l'énorme empreinte énergétique requise par le traitement sous vide. De plus, selon une estimation des Nations Unies, moins d'un quart des millions de kilos d'appareils électroniques jetés chaque année sont recyclés.

Il y a plusieurs années, le laboratoire de Franklin a développé le premier circuit imprimé électronique entièrement recyclable au monde . Cependant, cette démonstration utilisait une impression par jet d'aérosol, incapable de former des éléments de moins de 10 micromètres, ce qui limitait considérablement leurs applications potentielles dans le monde de l'électronique grand public.

Dans le cadre de cette nouvelle recherche, Franklin et ses collègues ont collaboré avec Hummink Technologies pour franchir cette barrière de taille. Leurs machines d'impression capillaire de haute précision utilisent des énergies de surface naturelles concurrentes pour extraire d'infimes quantités d'encre d'une pipette tout aussi minuscule. C'est le même phénomène qui rend les essuie-tout si absorbants, car le liquide est aspiré dans les interstices étroits entre leurs fibres.

« Nous avons envoyé certaines de nos encres à Hummink et avons obtenu des résultats prometteurs », a déclaré Franklin. « Mais ce n'est qu'après avoir installé une de leurs imprimantes ici à Duke que mon groupe a pu exploiter pleinement son potentiel. »

Les chercheurs ont utilisé trois encres à base de carbone, composées de nanotubes de carbone, de graphène et de nanocellulose, faciles à imprimer sur des supports rigides comme le verre et le silicium, ou flexibles comme le papier ou d'autres surfaces respectueuses de l'environnement. Il s'agit essentiellement des mêmes encres que celles initialement démontrées lors des recherches précédentes de Franklin, mais avec des propriétés de fluidité améliorées qui leur permettent de fonctionner avec les imprimantes Hummink.

Dans la démonstration, ils montrent que cette combinaison d'encre et de matériel innovants peut imprimer des éléments de plusieurs dizaines de micromètres de long avec de petits espaces de la taille d'un sous-micromètre entre eux.

Ces petits espaces, formés de manière constante, constituent la longueur du canal des transistors à couches minces (TFT) à base de carbone, dont les dimensions réduites se traduisent par de solides performances électriques. Ce sont ces transistors qui assurent le contrôle du fond de panier de tous les écrans plats.

« Ces types d’approches de fabrication ne remplaceront jamais les puces informatiques à base de silicium à hautes performances, mais il existe d’autres marchés où nous pensons qu’elles pourraient être compétitives, voire transformatrices », a déclaré Franklin.

Derrière chaque écran numérique se cache un vaste réseau de transistors microscopiques à couches minces qui contrôlent chaque pixel. Alors que les écrans OLED consomment plus de courant et nécessitent au moins deux transistors par pixel, les écrans LCD n'en nécessitent qu'un seul.

Lors d'une étude précédente , les chercheurs ont pu démontrer que leurs transistors imprimés et recyclables alimentaient quelques pixels d'un écran LCD. Franklin estime que les nouveaux TFT imprimés submicrométriques sont proches des performances nécessaires pour démontrer la même chose avec les écrans OLED.

Bien qu'il existe d'autres cas d'utilisation potentiels pour cette technologie, comme l'intégration de capteurs supplémentaires dans l'empreinte d'une puce pour en accroître la précision, Franklin estime que les écrans numériques sont les plus prometteurs. Outre son caractère entièrement recyclable, le procédé d'impression consomme beaucoup moins d'énergie et produit beaucoup moins d'émissions de gaz à effet de serre que les méthodes de fabrication traditionnelles de TFT.

« Les écrans fabriqués avec une technique similaire constituent l'application à grande échelle la plus réalisable que j'ai jamais eue dans mon laboratoire », a déclaré Franklin.

« Le seul véritable obstacle, à mon avis, est d’obtenir suffisamment d’investissements et d’intérêt pour surmonter les obstacles restants à la réalisation du potentiel considérable. »

https://pratt.duke.edu/news/submicrometer-transistor-printing