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Nouvelles encres à base de graphène pour la fabrication à grande vitesse d'électronique imprimée

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Une méthode peu coûteuse et rapide d'impression d'encres au graphène à l'aide d'un procédé d'impression conventionnel de rouleau à rouleau, comme celui utilisé pour imprimer des journaux et des paquets nets, pourrait ouvrir la voie à un large éventail d'applications pratiques, notamment des produits électroniques imprimés peu coûteux, des emballages intelligents et des capteurs jetables.

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Développée par des chercheurs de l'Université de Cambridge en collaboration avec Novalia, société technologique basée à Cambridge, cette méthode permet d'ajouter du graphène et d'autres matériaux électriquement conducteurs à des encres conventionnelles à base d'eau et d'imprimer avec un équipement commercial typique, la première fois que le graphène a été utilisé pour imprimer à grande vitesse sur une presse commerciale à imprimer à grand tirage.

Le graphène est une feuille bidimensionnelle d'atomes de carbone d'une seule épaisseur. Sa flexibilité, sa transparence optique et sa conductivité électrique le rendent adapté à un large éventail d'applications, y compris l'électronique imprimée. Bien que de nombreux prototypes de laboratoire aient fait l'objet de démonstrations dans le monde entier, l'utilisation commerciale à grande échelle du graphène n'a pas encore été réalisée.

"Nous sommes heureux d'être les premiers à rapprocher les encres au graphène de la fabrication réelle. Il y a beaucoup d'entreprises qui ont produit des encres au graphène, mais aucune d'entre elles ne l'a fait à une échelle proche de celle-ci", a déclaré le Dr Tawfique Hasan du Cambridge Graphene Centre (CGC), qui a développé la méthode. "Pouvoir produire des encres conductrices qui pourraient être utilisées sans effort pour l'impression à très grande vitesse à l'échelle commerciale ouvrira toutes sortes d'applications différentes pour le graphène et d'autres matériaux similaires"

"Cette méthode nous permettra de mettre des systèmes électroniques dans des formes tout à fait inattendues ", a déclaré Chris Jones de Novalia. "C'est une technologie incroyablement flexible."

La méthode de Hasan, mise au point au Centre de nanosciences de l'Université, consiste à mettre en suspension de minuscules particules de graphène dans un mélange de solvants " porteurs ", qui est ajouté aux formulations d'encre conductrice à base d'eau. Le rapport des ingrédients peut être ajusté pour contrôler les propriétés du liquide, ce qui permet au solvant porteur d'être facilement mélangé à une encre conductrice à base d'eau conventionnelle pour réduire considérablement la résistance. La même méthode fonctionne pour les matériaux autres que le graphène, y compris les nanoparticules métalliques, semi-conductrices et isolantes.

Actuellement, les motifs conducteurs imprimés utilisent une combinaison de carbone mal conducteur avec d'autres matériaux, le plus souvent l'argent, ce qui est coûteux. Les encres à base d'argent coûtent 1 000 £ ou plus par kilogramme, alors que cette nouvelle formulation d'encre graphène serait 25 fois moins chère. De plus, l'argent n'est pas recyclable, tandis que le graphène et d'autres matériaux carbonés peuvent facilement être recyclés. La nouvelle méthode utilise des solvants bon marché, non toxiques et respectueux de l'environnement qui peuvent être séchés rapidement à température ambiante, ce qui réduit les coûts énergétiques pour le séchage de l'encre. Une fois sèche, l'encre électrique est également imperméable et adhère très bien à son support.

Les encres à base de graphène ont été imprimées à une vitesse de plus de 100 mètres par minute, ce qui est conforme aux taux de production commerciale pour l'impression graphique, et bien plus rapide que les prototypes précédents. Il y a deux ans, Hasan et ses collègues ont réalisé un prototype de piano transparent et flexible en utilisant des encres à base de graphène, dont la fabrication a pris entre six et huit heures. Grâce à l'utilisation de cette nouvelle encre, il est possible de fabriquer des appareils plus polyvalents sur papier ou sur plastique à un débit de 300 par minute, à un coût très faible. Novalia a également produit un deck DJ imprimé et une affiche interactive, qui fonctionne comme une batterie en utilisant la même méthode.

Guohua Hu, Richard Howe et Zongyin Yang, doctorants de Hasan et du groupe Hybrid Nanomaterials Engineering de CGC, en collaboration avec Novalia, ont testé la méthode sur une presse commerciale typique, qui n'a nécessité aucune modification afin d'imprimer avec l'encre graphène. En plus des nouvelles applications qu'elle ouvrira pour le graphène, cette méthode pourrait également ouvrir de toutes nouvelles opportunités commerciales pour les imprimeurs graphiques commerciaux, qui pourraient se diversifier dans le secteur de l'électronique.

"Le Royaume-Uni, et la région de Cambridge en particulier, a toujours été fort dans le secteur de l'impression, mais surtout pour l'impression graphique et l'emballage ", a déclaré Hasan, membre de la Royal Academy of Engineering Research Fellow et maître de conférences au département de génie. "Nous espérons utiliser cette forte expertise locale pour étendre notre plate-forme d'encre fonctionnelle. En plus de l'électronique imprimable moins chère, cette technologie ouvre des domaines d'application potentiels tels que les emballages intelligents et les capteurs jetables, qui jusqu'à présent ont été largement inaccessibles en raison de leur coût."

À court et moyen terme, les chercheurs espèrent utiliser leur méthode pour fabriquer des biocapteurs, des moissonneuses d'énergie et des étiquettes RFID imprimés et jetables.