Des circuits électriques fabriqués avec une imprimante à jet d’encre

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Une équipe rassemblant des chercheurs de l’université de Tokyo, du Georgia Institute of Technology et de Microsoft Research vient de démontrer la possibilité d’imprimer des circuits électriques sur différents types de supports souples à partir d’une imprimante de bureau. L’encre des cartouches est remplacée par un mélange à base de nanoparticules d’argent. Ce procédé permet de réduire le coût et le délai de fabrication de façon drastique. Le professeur Yoshihiro Kawahara a expliqué à Futura-Sciences les implications et avantages de cette méthode.

Le 15/11/2013 à 15:42 - Par Marc Zaffagni, Futura-Sciences

L’imprimante utilisée par l’équipe de scientifiques est un modèle de marque Brother acheté dans le commerce. Des cartouches vierges ont été emplies avec une encre composée de nanoparticules d’argent qui assurent la conductivité du circuit électrique. La technique d’impression s’apparente à celle d’une impression jet d’encre classique. © Université de Tokyo, Georgia Institute of Technology, Microsoft Research

Lorsqu’il s’agit de fabriquer des prototypes d’appareils électroniques, les supports les plus couramment employés actuellement sont les platines d’expérimentation (solderless breadboards en anglais) ou les circuits imprimés (printed circuit boards, ou PCB). Mais ils présentent tous les deux des inconvénients en matière de coût, de temps et de performances, notamment lorsqu’il s’agit de créer des circuits sur des supports souples. Une équipe de chercheurs vient d’exposer une méthode pour imprimer des circuits électriques sur des supports souples (papier jet d’encre, films PET blanc ou transparent) à partir d’une imprimante jet d’encre achetée dans le commerce pour moins de 80 dollars (environ 60 euros). Le but est d’offrir aux chercheurs, aux enseignants mais aussi aux « makers » adeptes du do it yourself une solution peu onéreuse, rapide et facile à mettre en œuvre pour concevoir des prototypes d’appareils électroniques.

« Nous avons caractérisé les limitations des matériaux et équipements disponibles dans le commerce et démontré des applications pratiques sur des appareils électroniques », explique Yoshihiro Kawahara, professeur à l’université de Tokyo, à Futura-Sciences. C’est lui qui a mis en œuvre ce travail d’expérimentation, en collaboration avec le Georgia Institute of Technologyet la participation de Microsoft Research. Il ne s’agit donc pas d’une invention à proprement parler, mais d’une démonstration de faisabilité. L’ensemble de la méthode et des équipements nécessaires sont décrits dans une publication scientifique corédigée par l’équipe.

Un circuit électrique imprimé à l’aide de l’imprimante jet d’encre. Le support ici est un film PET transparent souple. © Université de Tokyo, Georgia Institute of Technology, Microsoft Research

Le principe de l’impression à jet d’encre appliqué à la fabrication de circuits électriques n’est pas nouveau. L’innovation dont il est question ici concerne l’encre conductrice qui est utilisée. Les chercheurs soulignent que de grands progrès ont été réalisés dans ce domaine, en particulier au niveau du processus qui permet de créer la conductivité de l’encre une fois l’impression du circuit achevée. Jusqu’à récemment, il fallait chauffer ces encres à base denanoparticules d’argent. Ces dernières sont enrobées dans du polymère afin d’éviter qu’elles s’agglomèrent lorsqu’elles sont encore en suspension. Pour casser cette coquille et provoquer l’assemblage des nanoparticules, il faut procéder à un frittage thermique en chauffant le circuit électrique à 150 °C pendant plusieurs heures. Un processus long, et qui limite grandement les supports d’impression. Mais il existe désormais une encre à nanoparticules d’argent dont la conductivité s’active grâce à un frittage chimique. Les nanoparticules sont diluées dans un solvant, une émulsion faite de latex polymère et d’halogénures. La conductivité apparaît en quelques secondes dès que l’encre commence à sécher et que le solvant s’évapore.

Une minute pour imprimer un circuit par jet d’encre

Pour valider leur technique, l’équipe de chercheurs a utilisé l’encre fabriquée par Mitsubishi Paper Mills, dont le prix est de 200 dollars pour un flacon de 200 millilitres. L’imprimante utilisée pour les tests est une Brother DCP-J140W achetée sur Amazon pour 77 dollars. « Nous avons choisi une imprimante Brother en raison de la taille et du volume des gouttelettes d’encre que produisent ses buses. Mais nous avons également essayé des modèles de marque Canon qui fonctionnaient très bien. Il devrait en être de même avec d’autres marques », précise Yoshihiro Kawahara. Des cartouches vierges ont été remplies à l’aide d’une seringue avec l’encre ànanoparticules d’argent. Lors des différents essais, les scientifiques sont parvenus à imprimer un circuit électrique en 60 secondes, à peine moins que pour imprimer une page de texte monochrome.

Outre la vitesse, ce procédé offre l’avantage de pouvoir imprimer sur des supports souples, tels que du papier pour imprimantes jet d’encre ou des films en PET polytéréphtalate d'éthylène blanc ou transparent. Des tests ont également été réalisés avec succès sur du papier photo brillant des marques Fujifilm et Kodak. Cela permet ainsi de réduire considérablement le coût de fabrication. « L’impression par jet d’encre a un coût de revient inférieur à un dollar pour un format A4. Si vous envoyez le dessin d’un circuit imprimé à un fabricant, il vous en coûtera au minimum quelques centaines de dollars. Et s’il s’agit d’un support flexible, le prix avoisine les 1.000 dollars », poursuit Yoshihiro Kawahara. Autre avantage, cette impression ne demande aucun logiciel particulier. Elle peut se faire à partir de schémas sous forme d’images vectorielles ou matricielles. Encore mieux, il est même possible de créer uncircuit électrique en le dessinant à main levée sur du papier et se servant du mode photocopieur de l’imprimante.

De nombreux avantages, mais aussi quelques défauts

Cependant, cette technique présente quelques défauts. Le premier concerne la résistivité de l’encre, qui augmente avec le temps. Les chercheurs ont constaté une hausse de 15 % de la résistivité au bout de sept mois. Un phénomène qu’ils attribuent à l’oxydation des nanoparticules d’argent. La solution consiste à protéger le circuit électrique imprimé avec un film plastique. Les plastifieuses que l’on trouve dans le commerce sont suffisantes, précise-t-on dans l’étude. Il faut également savoir que bien que l’on puisse créer des circuits à partir de supports souples, toute flexion excessive détériore l’assemblage des nanoparticules et entraîne une perte de conductivité.

Pour démontrer la validité de la technique d’impression, plusieurs sortes de capteurs, ainsi que des antennes, ont été fabriqués. On peut citer notamment un ruban capacitif conçu à partir d’un circuit imprimé par jet d’encre qui, une fois plongé dans un verre, peut prendre des mesures. Il y a également une antenne destinée à une étiquette électronique RFID, dont les performances mesurées ont été équivalentes à celles d’un modèle du commerce. L’équipe menée par Yoshihiro Kawahara entend poursuivre ses travaux en explorant une piste bien précise. Elle consiste à pouvoir créer des prototypes en 3D en associant l’impression jet d’encre avec la découpe laser, afin de fabriquer des circuits « qui s’interconnecteraient comme des origamis ». À suivre donc…

Signalons pour terminer qu’une entreprise canadienne, Cartesian, vient de lancer une campagne de financement sur Kickstarter pour un projet d’imprimante à technologie jet d’encre qui permet de fabriquer des circuits imprimés. Baptisée EX¹, cette imprimante utilise elle aussi une encre à base de nanoparticules d’argent. Elle peut imprimer des circuits électriques sur du papier, du plastique, du verre, du bois, de la céramique, de la silicone et même du tissu. L’imprimante, à assembler soi-même, est actuellement proposée au tarif de 1.500 dollars. Les premières livraisons auront lieu en juillet 2014. Le projet EX¹ a déjà largement dépassé son objectif de financement, avec plus de 100.000 dollars récoltés sur 30.000 attendus.