Des chercheurs du RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) et du RIKEN Cluster for Pioneering Research (CPR) au Japon ont mis au point une technique permettant d'améliorer la flexibilité de l'électronique ultra-mince, telle que celle utilisée dans les appareils pliables ou les vêtements. Publiée dans Science Advances, l'étude détaille l'utilisation d'un plasma de vapeur d'eau pour lier directement des électrodes d'or fixées sur des films polymères ultrafins séparés, sans avoir besoin d'adhésifs ou de hautes températures.
Alors que les appareils électroniques deviennent de plus en plus petits et que le désir d'avoir des appareils électroniques pliables, portables et sur la peau augmente, les méthodes conventionnelles de construction de ces appareils sont devenues peu pratiques. L'un des principaux problèmes est de savoir comment connecter et intégrer plusieurs dispositifs ou pièces d'un dispositif qui se trouvent chacun sur des films polymères ultra-minces distincts. Les méthodes conventionnelles qui utilisent des couches d'adhésif pour coller les électrodes les unes aux autres réduisent la flexibilité et nécessitent des températures et des pressions qui sont dommageables pour l'électronique ultra-mince. Il existe des méthodes conventionnelles de liaison directe métal-métal, mais elles nécessitent des surfaces parfaitement lisses et propres, ce qui n'est pas typique de ce type d'électronique.
Une équipe de chercheurs dirigée par Takao Someya au RIKEN CEMS/CPR a mis au point une nouvelle méthode pour sécuriser ces connexions qui n'utilise ni adhésif, ni haute température, ni haute pression, et qui ne nécessite pas de surfaces totalement lisses ou propres. En fait, le processus prend moins d'une minute à température ambiante, suivie d'une attente d'environ 12 heures. La nouvelle technique, appelée collage assisté par plasma de vapeur d'eau, crée des liaisons stables entre des électrodes d'or qui sont imprimées dans des feuilles de polymère ultrafines (2 millièmes de millimètre) à l'aide d'un évaporateur thermique.
"Il s'agit de la première démonstration d'électronique en or ultra-mince et flexible fabriquée sans aucun adhésif", déclare le chercheur principal Kenjiro Fukuda du RIKEN CEMS/CPR. "En utilisant cette nouvelle technologie de liaison directe, nous avons pu fabriquer un système intégré de cellules solaires organiques flexibles et de LED organiques." Les expériences ont montré que le collage assisté par plasma de vapeur d'eau a donné de meilleurs résultats que les techniques conventionnelles de collage ou de collage direct. En particulier, la force et l'uniformité des collages étaient supérieures à celles du collage direct standard assisté par surface. En même temps, le matériau se conformait mieux aux surfaces courbes et était plus durable que ce que l'on pouvait obtenir avec une technique de collage standard.
Selon M. Fukuda, la méthode elle-même est étonnamment simple, ce qui pourrait expliquer pourquoi ils l'ont découverte par hasard. Après avoir fixé les électrodes en or sur des feuilles de polymère, une machine est utilisée pour exposer les côtés des électrodes des feuilles à un plasma de vapeur d'eau pendant 40 secondes. Ensuite, les feuilles de polymère sont pressées l'une contre l'autre afin que les électrodes se chevauchent au bon endroit. Après 12 heures d'attente à température ambiante, elles sont prêtes à être utilisées. Un autre avantage de ce système est qu'après l'activation au plasma de vapeur d'eau, mais avant d'être collés ensemble, les films peuvent être stockés dans des emballages sous vide pendant plusieurs jours. Il s'agit d'un aspect pratique important si l'on considère les possibilités de commander et de distribuer des composants pré-activés.
En guise de preuve de concept, l'équipe a intégré des modules photovoltaïques organiques et des modules d'éclairage à DEL ultraminces, imprimés sur des films séparés et reliés par cinq films polymères supplémentaires. Les dispositifs ont résisté à de nombreux tests, notamment à l'enroulement autour d'un bâton et à des froissements et torsions extrêmes. En outre, l'efficacité énergétique des LED n'a pas souffert de ce traitement. La technique a également permis de fixer des puces LED préemballées sur une surface flexible.
"Nous espérons que cette nouvelle méthode deviendra une technologie de câblage et de montage flexible pour les appareils électroniques portables de la prochaine génération, qui pourront être fixés aux vêtements et à la peau", explique M. Fukuda. "La prochaine étape consiste à développer cette technologie pour l'utiliser avec des métaux moins chers, comme le cuivre ou l'aluminium."
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