L'électronique imprimée est partout et se retrouve dans des applications aussi diverses qu'une couche intelligente ou un missile de précision. Dans cet article, TechBlick mettra en lumière quelques cas d'application et de développement technologique de l'électronique imprimée de rouleau à rouleau (R2R).
Ce faisant, TechBlick vous emmènera dans un voyage à travers des applications dans les domaines de la santé, de l'automobile, de la photovoltaïque, des écrans et autres. Le fil conducteur est l'impression R2R de l'électronique, quelle que soit la technique d'impression utilisée (sérigraphie, flexographie, héliogravure, découpe, etc.). Les applications examinées dans le présent document sont présentées de manière aléatoire et ne suivent aucun ordre d'importance particulier. Les images et les exemples ci-dessous sont extraits de 2021 présentations données à TechBlick, qui est la maison de l'électronique imprimée, flexible, hybride et dans le moule.
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Remise : Remise importante pour participer à des événements physiques en personne. Électronique imprimée, flexible, hybride et/ou R2R | Électronique fabriquée de manière additive | Emballage électronique | Points quantiques | Micro- et mini-Leds | Écrans imprimés et flexibles | Électronique dans le moule | Fineline et nanoimpression | Textiles électroniques | Capteurs portatifs | Patchs cutanés intelligents | Graphène et matériaux 2D | Nanotubes de carbone | Informatique des matériaux | Batteries à semi-conducteurs | Électronique dans le moule, structurelle et 3D | Photovoltaïque pérovskite, organique et hybride | Innovations dans les matériaux de batterie
Capteurs médicaux
De nombreux capteurs sont imprimés. Par exemple, les bandelettes de test de glucose sont imprimées, souvent en R2R. Étant donné qu'il s'agit d'un marché en déclin grâce à la montée en puissance de la surveillance continue du glucose (CGM), nous ne les examinerons pas davantage ici.
L'image ci-dessous montre deux exemples de capteurs sérigraphiés R2R. L'image de gauche montre des électrodes d'électrocardiogramme R2R produites en grands volumes, par exemple, des unités >1M/an. L'image de droite est un exemple de capteur d'incontinence commercialement sérigraphié R2R en utilisant du carbone conducteur sur un matériau non tissé extensible. C'est un progrès dans l'art de la sérigraphie R2R fonctionnelle que de pouvoir imprimer à l'aide d'encres étirables sur des substrats aussi fins et même étirables sans plis ou étirement incorrect et sans rétrécissement pendant les étapes de durcissement de l'encre.
Source: Mekorprint
La sérigraphie rotative est également à la base de capteurs médicaux portables plus avancés : les patchs cutanés intelligents. Vous trouverez ci-dessous le schéma d'un tel produit, impliquant la sérigraphie rotative d'encres conductrices extensibles, d'encres diélectriques, d'encres à base de chlorure d'argent, etc. Ces patchs électroniques intelligents constituent la base d'une plateforme de capteurs portables permettant de mesurer les signes vitaux. Les patchs peuvent commencer par mesurer le rythme cardiaque et la respiration, puis passer à d'autres paramètres physiologiques.
Source: Quad Industries
Une autre réussite commerciale récente et intéressante dans le domaine de l'électronique imprimée R2R concerne un produit médical de grade I développé par InnovationLab GmbH (iL) pour le Dr Jean Bausch GmbH & Co. KG : un papier articulé numérique permettant de mesurer numériquement la topographie des dents. Il s'agit de capteurs R2R de 60μm de fine épaisseur imprimés sur des substrats PI à l'aide d'encres piézorésistives et d'argent, permettant la mesure numérique de 256 niveaux de pression.
La machine pilote R2R d'iL peut imprimer cinq couches en un seul passage et peut imprimer sur une bande de 33 cm avec des longueurs allant jusqu'à 17 m. De plus, la machine, présentée ci-dessous, intègre divers modules de séchage (air chaud, IR, UV, gaufrage à chaud) ainsi que de conversion (laminage, refente, découpe à l'emporte-pièce). Cette machine peut fonctionner jusqu'à 160 mètres de série par minute (le dispositif réel n'a pas été produit à cette vitesse). Les machines de production de Heidelberger Druckmaschinen AG, partenaire d'iL, peuvent traiter des bandes de 44 cm à des vitesses beaucoup plus élevées grâce à une longue section de séchage de 25 mètres.
Source : Innovation Lab GmbH et Dr. Jean Bausch GmbH & Co. KG présentés au TechBlick 2021
Automobile
La prochaine application que je souhaite mettre en avant concerne le secteur automobile. Une tendance majeure dans cette industrie est le remplacement des interrupteurs mécaniques par des interrupteurs capacitifs. L'image ci-dessous provient de PolyIC GmbH (une société de Kurz) et montre un film tactile transparent imprimé par R2R intégré à la roue motrice ou à l'engrenage d'un véhicule. Les capteurs transparents sont un film métallique imprimé R2R, composé d'encres à nanoparticules d'argent de 100 nm d'épaisseur, imprimées avec une largeur de ligne et un espacement de 10 µm et 100 µm, respectivement. La technique exacte d'impression R2R est propriétaire.
Source : PolyIC GmbH présenté au TechBlick mai 2021
Emballage intelligent
La prochaine application mise en avant concerne les emballages pharmaceutiques intelligents pour améliorer l'adhésion aux médicaments. Jones Healthcare Packaging a activement développé cette technologie depuis 2013 et elle est maintenant en cours de commercialisation avec des échantillons réels testés par des patients. Le développement initial était basé sur une imprimante R2R pilote à bande étroite (illustrée ci-dessous) sur un substrat PET utilisant des encres argent/carbone. Le produit actuel est imprimé par flexographie avec des encres au carbone sur des substrats en papier. Le circuit imprimé en carbone est illustré ci-dessous. Il s'agit bien sûr de la première génération de produits. À l'avenir, l'électronique fonctionnelle, ainsi que les écrans imprimés, pourraient être intégrés dans l'emballage intelligent lui-même.
Source : Jones Healthcare présenté à TechBlick Mars 2021
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(9) Symposium sur l'emballage électronique : Puces IA, conditionnement 5G, Chiplets. Intégration hétérogène, boîtiers en éventail à haute densité, mise à l'échelle, avenir des semi-conducteurs.
Vous pouvez également consulter le portefeuille croissant de masterclasses de TechBlick.
Photovoltaïque
Changeons maintenant de sujet pour mettre en évidence les applications de l'électronique imprimée R2R dans l'industrie photovoltaïque. Le photovoltaïque organique est en développement commercial depuis 20 ans ou plus. Beaucoup se souviennent de l'époque grisante de Konarka (fondée en 2001), qui a fait faillite en 2012 après avoir levé quelque 170 millions de dollars. Le développement de la technologie s'est poursuivi sans interruption malgré ce revers. Aujourd'hui, les approches R2R imprimées et R2R évaporées atteignent toutes deux un haut niveau de maturité technologique.
L'exemple ci-dessous provient de Sunew au Brésil, qui a pris des mesures pour augmenter sa production. La ligne de production se compose de 5 stations d'impression, chaque station déposant une couche de la pile OPV. Il y a 32 lignes d'impression sur la largeur de la bande. La largeur de la bande est de 50 cm et sa longueur peut atteindre 1,5 km. Sunew peut maintenir une uniformité d'épaisseur de <2% sur la largeur de la bande. Notez qu'un défi majeur dans la mise à l'échelle à partir des résultats de laboratoire est le contrôle des interfaces entre les couches et la morphologie de la couche active donneur-accepteur.
L'image de gauche montre comment ils peuvent maintenir une efficacité constante à mesure qu'ils se rapprochent de la bande de 500 mm. Le panel d'images de droite montre des exemples d'installations réelles de cellules photovoltaïques organiques produites par R2R. Notez que d'autres entreprises, comme Armor (revêtement R2R) et Heliatek (cellule tandem évaporée R2R), augmentent également la vitesse et la largeur du processus.
Source : Sunew (Présenté en mai 2021 à la conférence TechBlick)
Bien sûr, beaucoup s'intéressent aujourd'hui activement au photovoltaïque pérovskite (PePV), dont la courbe d'apprentissage est la plus rapide de toutes les technologies PV. Cette technologie peut également être imprimée. Par exemple, Energy Material Corp (EMC) est en train de mettre à l'échelle la production R2R entièrement en ligne de PePV, de l'éolienne à l'éolienne. L'image de droite ci-dessous montre la transition en cours d'un pilote à une ligne de production à grande échelle, soulignant l'ampleur ambitieuse de l'opération. La ligne de production impliquera l'impression R2R sur des bandes de 1,5 m de verre flexible de 100 µm d'épaisseur à des vitesses de bande proches de 30 m/min. L'ambition est d'avoir une usine PePV imprimée en R2R capable de produire 20 millions de mètres carrés par an.
La couche conductrice transparente comprend une couche de maille métallique R2R imprimée par flexographie R2R à l'aide de la technologie Kodak. Le film à maille métallique illustré ci-dessous à gauche est imprimé sur du verre Corning de 100µm à 60m/min. Les largeurs de ligne ne sont pas divulguées mais le procédé Kodak peut imprimer des largeurs de ligne inférieures à 10 µm de manière fiable à des vitesses de bande élevées.
Source : EMC (à droite) et Kodak (à gauche).
Image de Kodak provenant d'une présentation à TechBlick (mars 2021).
Avec le laissez-passer annuel TechBlick, vous pouvez également participer aux événements suivants en 2022 :
(5) Micro- et mini-LEDs
(6) Points quantiques : innovations matérielles et applications commerciales
(7) Graphène et matériaux 2D : Utilisateurs finaux, applications, principaux producteurs et start-ups
(8) Matériaux 5G/6G
(9) Informatique des matériaux
(10) Capteurs médicaux portables, e-textiles et surveillance continue des signes vitaux
Affiche
L'impression R2R est également utilisée pour imprimer des écrans électrochromiques. Cette technologie n'est pas nouvelle mais elle est désormais prête pour la production de masse. La ligne de production d'Ynvisible, basée sur la sérigraphie R2R, est illustrée ci-dessous. L'écran électrochrome est multicouche et se compose d'une couche d'argent, d'une contre-électrode, d'un électrolyte, d'une couche de symboles, d'une couche électrochrome et d'une couche graphique, le tout pris en sandwich par un substrat supérieur et inférieur qui fait barrière à l'humidité. Pour réduire les coûts de production, la conversion et les tests ont également lieu en ligne R2R, ce qui constitue une avancée importante.
Ces écrans électrochromiques imprimés sont adaptés aux écrans segmentés simples destinés aux applications IoT à grand volume. Les écrans ont une épaisseur de <300µm et peuvent être pliés à un rayon de 10mm. De plus, la puissance est très faible (1µW/cm2) car ils peuvent conserver leur état pendant 15min ou plus avant de nécessiter un rafraîchissement. Ils peuvent être alimentés à une tension de 1,5 à 3 V et peuvent être pilotés à l'aide d'une simple microélectronique. Cela signifie qu'ils pourraient être alimentés par des batteries imprimées et des OPV imprimés (voir l'image de droite ci-dessous montrant un tel démonstrateur). Ces écrans peuvent être fixés à un substrat cible à l'aide d'adhésifs. Dans les derniers développements, une couche graphique peut également être ajoutée pour donner une impression de couleur afin que les écrans soient conformes à la marque.
Source : Ynvisible présenté à TechBlick en juillet 2021
L'impression R2R est et peut être utilisée dans d'autres types d'affichages plus complexes. Dans les écrans LCD à points quantiques (QD), le film d'amélioration QD est revêtu d'une matrice à fente R2R. Un exemple est montré ci-dessous à droite. Il s'agit d'une réussite commerciale. L'impression peut également jouer un rôle dans la technologie émergente des microLED. Elle peut être utilisée pour imprimer des interconnexions enveloppantes reliant la face avant et la face arrière du substrat en verre. Elle peut également déposer des bosses, des plots de connexion, etc.
Des travaux de développement préliminaires sont également en cours pour explorer la possibilité d'un certain type de processus R2R pour placer les micro-LED elles-mêmes. Je présente ici une approche préliminaire basée sur le procédé LIFT (transfert avant induit par laser) suivi d'un photofrittage rapide R2R sur des substrats à basse température utilisant de la soudure standard.
Dans le procédé LIFT, une impulsion laser est envoyée à travers un support transparent à motifs. Le laser frappe un revêtement de séparation exclusif, qui libère le matériau ou le composant. La feuille de route illustrée ci-dessous, à gauche, a été réalisée par le Holst Centre. Elle montre comment l'entreprise a d'abord démontré, sur une machine à petite échelle, le dépôt de matériaux en ligne étroite avant de faire évoluer la technologie vers le transfert de composants. Récemment, Holst a démontré l'utilisation du LIFT pour transférer des micro-LED de 40x40x50 µm3 avec un espacement de 80µm et des interconnexions de 500µm. Cette démonstration à l'échelle du laboratoire a eu un rendement (relativement) faible de 98%, 20% des LEDs se retrouvant sur le côté. Ces résultats sont loin d'être prêts pour la production, mais ils établissent une feuille de route avec un grand potentiel d'amélioration. Cette technique, combinée au photofrittage R2R, offre la possibilité de développer un processus entièrement R2R.
Source : A droite, le procédé LIFT du Centre Holst présenté au TechBlick en juin 2021. À gauche, film d'amélioration des points quantiques revêtu d'une matrice à fente R2R par Nanosys et ses partenaires.
Les progrès de l'impression R2R fineline sont considérables. L'image ci-dessous montre des exemples de travaux réalisés par Asahi Kasei au Japon. Cette société a mis au point un moule à rouleaux sans soudure (SRM) utilisant la lithographie par faisceau d'électrons pour réaliser des films imprimés R2R sans soudure à haute résolution. Certains résultats sont également présentés ci-dessous, démontrant la capacité de caractéristiques ultrafines de ce procédé R2R. L'application est proche de la commercialisation, notamment comme RFID transparent pour le suivi et la traçabilité.
Source : Asahi Kasei
La nanoimpression R2R peut également être utilisée pour créer des caractéristiques ultrafines R2R. L'exemple ci-dessous est un procédé hybride R2R continu, développé par le Printable Electronics Research Centre de Suzhou. Ce procédé permet de former des structures métalliques à mailles intégrées aux caractéristiques ultrafines (<5µm) destinées à des applications tactiles et chauffantes transparentes. Le schéma de gauche dans l'image ci-dessous montre le déroulement du processus. Notez que le gaufrage s'effectue à l'aide d'un tambour roulant de nanogaufrage. Les images du milieu montrent le motif de la maille métallique et la nature intégrée des lignes conductrices, qui permet d'épaissir la ligne pour obtenir une conductivité plus élevée sans compromettre la douceur de la surface. L'image de droite ci-dessous montre une machine R2R qui a été précédemment déployée par O-Film pour produire commercialement ces écrans tactiles à mailles métalliques. À son apogée, 1,5 million de ces panneaux étaient produits chaque année.
Source : Centre de recherche sur l'électronique imprimable de Suzhou présenté au TechBlick mars 2021
Pour clore notre tour d'horizon, j'aimerais évoquer l'impression RFID R2R et son évolution vers la production R2R de circuits hybrides multi-puces complexes. Dans ce cas, je prends l'exemple de Smooth & Sharp (S&S) à Taïwan qui a développé l'impression R2R sur papier. Dans le cas le plus simple, S&S a commencé à fabriquer des NFC sur papier. Il y a deux ans, le prix de ces NFC était au moins deux fois plus élevé que celui de leurs homologues en plastique fabriqués de manière conventionnelle. Aujourd'hui, S&S indique que la parité des prix est atteinte, ce qui peut contribuer à rendre plus de marchés accessibles.
Il est important de noter que c'est aussi le début du développement technique. Les antennes NFC ont une petite puce et une seule couche de métallisation. Comme on peut le voir ci-dessous, l'avenir verra se développer davantage de puces, de couches et de conceptions de circuits plus complexes. Les exemples ci-dessous montrent l'intégration d'un tag à 2 puces (NFC et LED), le développement d'une pièce à 11 composants (2 couches actives et 10 composants passifs), et la démonstration d'un tag R2R à 6 couches imprimé sur papier.
Cette tendance est globalement très prometteuse. L'installation de fabrication d'électronique hybride flexible (FHE) est encore à un stade de développement relativement précoce, mais elle progresse. Des puces flexibles ultrafines avancées, soit nativement flexibles, soit amincies, deviennent disponibles. Actuellement, avec l'aide des RDL (couches de redistribution), ces boîtiers deviennent capables de la résolution des lignes imprimées sur un substrat flexible. Il est important de noter que des techniques de fixation à basse température (soudure photosensible, soudure à ultra-basse température ou adhésifs conducteurs alignés sur des particules) font leur apparition pour permettre la fixation des composants sur du PET et du papier. C'est le début de la feuille de route vers la fabrication R2R d'électronique hybride complexe.
En résumé, nous démontrons que l'électronique imprimée R2R est vraiment tout le monde avec de nombreuses applications. C'est un paysage dynamique qui évolue rapidement. Pour en savoir plus sur cette technologie et cet écosystème, veuillez consulter TechBlick (www.TechBlick.com). TechBlick est la maison de l'électronique imprimée, flexible, hybride, 3D, in-mould, et 3D dans le monde entier.
Source : Smooth & Sharp présenté à TechBlick mai 2021
Ce prototype semble simple, mais de nombreux défis techniques doivent être relevés, d'autant plus que la surface n'est pas plane. En particulier, la fiabilité des composants aux interfaces (voir ci-dessous) doit être testée et garantie. Une source majeure de manque de fiabilité à ces interfaces est le décalage du coefficient de dilatation thermique des différents matériaux, qui entraîne une accumulation de contraintes pendant le cycle thermique. Comme le montre le tableau ci-dessous, il existe une large gamme de coefficients en jeu.
La connexion aux matrices de mise à plat peut poser un problème particulier. Ici, l'aérosol dépose des rampes diélectriques sur lesquelles des pistes en Ag sont imprimées par aérosol. Les pistes conductrices peuvent se briser, glisser ou se divulguer. De même, les pistes conductrices traversant des zones remplies d'adhésif peuvent également constituer un défi. Dans cette étude, Parsons a présenté ses stratégies pour réaliser des tests de fiabilité.
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