Dessiner des circuits électroniques flexibles avec un stylo

Et si, au lieu de se limiter à dessiner de simples schémas de circuits électroniques, un banal stylo suffisait à réaliser de véritables circuits fonctionnels ? C'est l'approche que proposent des chercheurs chinois de la Tsinghua University de Pékin (Chine) en collaboration avec une équipe de la Stanford University (États-Unis). Ils ont mis au point une encre à base de nanotubes de carbone et d'une solution polymère visqueuse. À l'aide d'un simple stylo que l'on trouve dans le commerce, elle peut être appliquée sur un substratsubstrat et les nanotubes de carbone qu'elle contient se retrouvent alignés au sein d'une fibre polymère. Cette fibre présente une conductivité électrique élevée et une grande flexibilité mécanique. De quoi imaginer son utilisation pour la fabrication de circuits électroniques flexibles destinés aux futurs systèmes intelligents portables, à des écrans tactiles souples ou des cellules solaires flexibles, aux puces RFIDpuces RFID ou encore à des systèmes électroniques 3D.

D'autres équipes s'étaient déjà intéressées à cette technique dite de l'étirage de fibre ou fiber drawing. Mais les fibres qu'elles avaient pu obtenir ne dépassaient pas les quelques millimètres de long. Les vitesses d'étirage étaient par ailleurs trop faibles pour imaginer les employer dans la production de circuits électroniques. À l'aide de leur stylo, les chercheurs chinois ont, quant à eux, réussi à assembler des fibres de plus de 50 cm de long avec une vitesse de 10 cm/s.

C'est essentiellement dans la formulation de l'encre que se cache leur succès. Cette dernière est composée de nanotubes de carbone plongés dans une solution à base d'oxyde de polyéthylène. Cette solution hautement visqueuse est à la fois extrêmement élastique et mécaniquement résistante, ce qui permet d'étirer de longues fibres de nanotubes de carbone pendant le processus d'écriture.

Grâce à une encre spécialement formulée (b), les chercheurs chinois ont mis au point une technique de dessin (figure a, en haut) qui leur permet de tracer des lignes de fibres de nanotubes de carbone avec une grande précision (figure a, en bas). © Huang et al., 2015 American Chemical Society

Une technique encore perfectible

Dans la pratique, l'écriture ne se fait pas exactement de la manière dont elle se fait avec une encre classique. Le stylo doit en effet être légèrement tenu en l'air pour étirer des fibres qui peuvent ensuite être appliquées sur le substrat. Mais la technique permet tout de même de dessiner avec précision des modèles complexes. Et un système mécanique automatisé pourrait encore améliorer le processus.

Pour compléter leur étude, les chercheurs chinois se sont intéressés à la conductivitéconductivité des fibres de nanotubes de carbone ainsi dessinées. À leur grande surprise, non seulement celles-ci ne perdent pas en conductivité après plusieurs flexionsflexions et distorsions, mais elles deviennent même plus conductrices. Environ 30 % plus après 1.000 flexions du substrat. Peut-être parce que ces opérations de flexion déforment les polymères en améliorant l'alignement des nanotubes.

L'équipe a également constaté que la concentration de polymères dans la solution visqueuse influait sur les diamètres des fibres de nanotubes. Ceux-ci s'étendent ainsi de 300 nm à 3 μm, les fibres les plus fines présentant des conductivités supérieures à celles des fibres les plus épaisses.

Dans le futur, les chercheurs chinois espèrent pouvoir appliquer la méthode à d'autres domaines comme l'étirage de fibres semi-conductrices, en utilisant d'autres formulations d'encres.