Une équipe d’ingénierie imprime des composants électroniques recyclables en utilisant uniquement de l’eau

La technique d’impression, qui n’utilise pas de produits chimiques agressifs et seulement des températures douces, ouvre la voie à l’électronique durable de demain.

Par Prachi Patel (Opens in a new window)

Des appareils ménagers aux téléviseurs en passant par les voitures et les téléphones, l’électronique numérique est devenue omniprésente dans presque toutes les sphères de la vie. Or, elle a un coût environnemental. En effet, moins du quart des 50 millions de tonnes (Opens in a new window) de déchets électroniques produits chaque année est recyclé (Opens in a new window).

Une équipe d’ingénierie de l’Université Duke vient de présenter les premiers produits électroniques entièrement recyclables imprimés à des températures douces et avec de l’eau au lieu de produits chimiques dangereux. Cette technique promet des produits électroniques ayant une empreinte minimale sur le plan de l’environnement (Opens in a new window) et des émissions de carbone.

La technologie, décrite dans la revue Nano Letters (Opens in a new window), pourrait déboucher sur des appareils électroniques peu coûteux dont tous les matériaux peuvent être récupérés (Opens in a new window) et réutilisés. « Ces résultats prouvent qu’un dispositif relativement complexe – un transistor en couches minces – peut être entièrement imprimé au moyen d’un procédé qui n’utilise que de l’eau », déclare Aaron Franklin, professeur de génie électrique et informatique à l’Université Duke.

Les transistors sont les éléments de base des circuits logiques numériques et des puces électroniques. Les procédés de fabrication classiques sont complexes et nécessitent des salles blanches dotées d’équipements coûteux. Pour imprimer des transistors, les chercheurs utilisent des encres composées de divers matériaux électroniques en suspension dans des solvants rudes. L’impression d’un transistor implique la superposition de couches d’encres différentes. « Ces produits chimiques ont un impact délétère sur l’environnement, et le traitement des déchets nécessite de grandes quantités d’eau et d’énergie », explique Aaron Franklin.

De nos jours, les capteurs électroniques sont de plus en plus présents dans tous les types d’environnement : c’est ce qu’on appelle l’Internet des objets (IdO). « Alors que notre soif de données ne cesse d’augmenter, dit Aaron Franklin, il est impératif de fabriquer ces réseaux de capteurs à l’aide de procédés plus respectueux de l’environnement. »

Les grandes industries comme celle des écrans s’appuient également sur des transistors en couches minces fabriqués à l’aide de procédés qui émettent des gaz à effet de serre, ajoute-t-il. « Si ces transistors pouvaient être imprimés au moyen d’un procédé ne faisant appel qu’à l’eau et à partir de matériaux recyclables, ce serait une véritable transformation. »

Or, se débarrasser des produits chimiques corrosifs dans le procédé de fabrication est plus facile à dire qu’à faire. L’équipe de Duke fabrique des transistors en utilisant trois encres à base de carbone. Certains de ces nanomatériaux de carbone ont tendance à s’agglutiner, et il est difficile de les imprimer en une couche uniforme et dense, nécessaire pour obtenir de bonnes caractéristiques électriques. Pour éviter qu’elles ne s’agglutinent, les encres à base d’eau nécessitent encore des additifs de type détergent. Cela dit, pour éliminer les additifs à la fin du procédé, il faut utiliser des solvants plus corrosifs et des températures plus élevées, ce qui consomme plus d’énergie.

Aaron Franklin et ses collègues ont mis au point un procédé cyclique qui leur permet d’imprimer une couche à l’aide d’une encre à base d’eau, de la rincer à l’eau, de la sécher à une température relativement basse (jusqu’à 70 °C) et de l’imprimer à nouveau. Il s’agit de la température la plus basse à ce jour permettant de réaliser des transistors en couches minces entièrement imprimés, précise-t-il.

L’équipe a montré dans des travaux antérieurs que la quasi-totalité des nanomatériaux de carbone utilisés dans l’impression peuvent être récupérés et réutilisés sans perte de performance. Et si le nouveau procédé utilise beaucoup d’eau, c’est une fraction de l’eau nécessaire pour traiter les produits chimiques toxiques utilisés dans les méthodes de fabrication traditionnelles.

Maintenant qu’elle a démontré qu’il est possible de mettre au point des composants électroniques imprimés durables et recyclables, l’équipe de recherche prévoit de se concentrer sur l’amélioration des performances et de la fiabilité, ainsi que sur la préparation des dispositifs en vue de leur application.

Source : Shiheng Lu et coll. « All-Carbon Thin-Film Transistors Using Water-Only Printing », Nano Letters, 2023.

Article original en anglais : https://www.anthropocenemagazine.org/2023/04/engineers-print-recyclable-electronics-using-nothing-but-water/ (Opens in a new window)

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Anthropocène est la version française d’Anthropocene Magazine (Opens in a new window). La traduction française des articles est réalisée par le Service de traduction de l’Université Concordia (Opens in a new window), la Durabilité à l’Ère Numérique (Opens in a new window) et le pôle canadien de Future Earth (Opens in a new window).