Fabrication d’électronique flexible améliorée à l’aide de plasma d’or et de vapeur d’eau

Fabrication d'électronique flexible améliorée à l'aide de plasma d'or et de vapeur d'eau

(A) Des surfaces d’or évaporées sur des substrats de parylène de 2 um d’épaisseur ont été exposées à un plasma de vapeur d’eau. (B) La liaison de l’or traité au plasma à la vapeur d’eau a été réalisée en superposant les deux substrats et en les stockant dans l’air ambiant pendant quelques secondes à plusieurs heures sans aucune pression ou chaleur appliquée. Crédit : RIKEN

Des chercheurs du RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) et du RIKEN Cluster for Pioneering Research (CPR) au Japon ont développé une technique pour améliorer la flexibilité des appareils électroniques ultra-minces, tels que ceux utilisés dans les appareils ou les vêtements pliables. Publié dans Avancées scientifiques, l’étude détaille l’utilisation du plasma de vapeur d’eau pour lier directement des électrodes en or fixées sur des films polymères ultra-minces séparés, sans avoir besoin d’adhésifs ni de températures élevées.

À mesure 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 plus gros problèmes est de savoir comment connecter et intégrer plusieurs appareils ou parties d’un appareil qui résident chacun sur des films polymères ultra-minces séparés. Les méthodes conventionnelles qui utilisent des couches d’adhésif pour coller les électrodes ensemble réduisent la flexibilité et nécessitent une température et une pression qui endommagent l’électronique ultra-mince. Des méthodes conventionnelles de liaison directe métal sur métal sont disponibles, mais nécessitent des surfaces parfaitement lisses et propres qui ne sont pas typiques de ces types d’électronique.

Une équipe de chercheurs dirigée par Takao Someya au RIKEN CEMS/CPR a développé une nouvelle méthode pour sécuriser ces connexions qui n’utilise pas d’adhésif, de température élevée ou de pression élevée, et ne nécessite pas de surfaces totalement lisses ou propres. En fait, le processus prend moins d’une minute à température ambiante, suivi d’une attente d’environ 12 heures. La nouvelle technique, appelée liaison assistée par plasma vapeur d’eau, crée des liaisons stables entre les électrodes d’or qui sont imprimées dans des feuilles de polymère ultrafines (2 millièmes de millimètre) à l’aide d’un évaporateur thermique.







Des liaisons or-or entre les électrodes sur des films ultra-minces séparés ont été possibles en utilisant un plasma de vapeur d’eau. Dans cet exemple, une LED a été fixée et la durabilité des films minces peut être vue – la lumière fonctionne toujours même après avoir été étirée et froissée. Ceci est idéal pour les appareils électroniques intégrés dans les vêtements ou sur la peau. Crédit : RIKEN

« Il s’agit de la première démonstration d’électronique en or ultra-mince et flexible fabriquée sans aucun adhésif », a déclaré Kenjiro Fukuda, chercheur scientifique principal de RIKEN CEMS/CPR. « Grâce à 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 était plus performant que les techniques conventionnelles d’adhésif ou de collage direct. En particulier, la force et la consistance des liaisons étaient supérieures à ce que la liaison directe assistée par surface standard a obtenue. Dans le même temps, le matériau se conformait mieux aux surfaces courbes et était plus durable que ce qui pouvait être réalisé en utilisant une technique adhésive standard.

Selon Fukuda, la méthode elle-même est étonnamment simple, ce qui pourrait expliquer pourquoi ils l’ont découverte par accident. Après avoir fixé les électrodes d’or sur des feuilles de polymère, une machine est utilisée pour exposer les côtés d’électrode des feuilles à un plasma de vapeur d’eau pendant 40 secondes. Ensuite, les feuilles de polymère sont pressées ensemble de sorte que les électrodes se chevauchent au bon endroit. Après avoir attendu 12 heures à température ambiante, ils sont prêts à l’emploi. Un autre avantage de ce système est qu’après activation par plasma de vapeur d’eau, mais avant d’être liés entre eux, les films peuvent être stockés dans des emballages sous vide pendant des jours. Il s’agit d’un aspect pratique important lorsque l’on considère le potentiel de commande et de distribution de composants préactivés.

Fabrication d'électronique flexible améliorée à l'aide de plasma d'or et de vapeur d'eau

Un OPV, un OLED et cinq films de câblage ont été fabriqués sur différents substrats ultra-minces, puis intégrés à l’aide de WVPAB. Sur cette photo, le système intégré est enroulé autour d’un bâton (rayon de 10 mm). Crédit : RIKEN

Comme preuve de concept, l’équipe a intégré des modules photovoltaïques organiques ultra-minces et des modules d’éclairage LED qui ont été imprimés sur des films séparés et reliés par cinq films polymères supplémentaires. Les appareils ont résisté à des tests approfondis, notamment en étant enroulés autour d’un bâton et en étant froissés et tordus à l’extrême. De plus, l’efficacité énergétique des LED n’a pas souffert du traitement. La technique a également permis de joindre des puces LED préemballées à une surface flexible.

« Nous nous attendons à ce que cette nouvelle méthode devienne une technologie de câblage et de montage flexible pour les appareils électroniques portables de nouvelle génération qui peuvent être fixés aux vêtements et à la peau », a déclaré Fukuda. « La prochaine étape consiste à développer cette technologie pour une utilisation avec des métaux moins chers, tels que le cuivre ou l’aluminium. »


Les métaux liquides décomposent les combustibles organiques en feuilles graphitiques ultra-minces


Plus d’information:
Masahito Takakuwa et al, Liaison directe à l’or pour l’électronique intégrée flexible, Avancées scientifiques (2021). DOI : 10.1126/sciadv.abl6228. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl6228

Citation: Fabrication d’électronique flexible améliorée à l’aide d’or et de plasma de vapeur d’eau (2021, 22 décembre) récupéré le 22 décembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-12-fabrication-flexible-electronics-gold-water-vapor. html

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