Shellac pour circuits imprimés

Shellac pour circuits imprimés

Impression non conforme : L’encre gomme laque flexible pourrait également être utilisée sur des formes telles que des bouteilles en PET. Crédit : Empa

Plus précis, plus rapide, moins cher : les chercheurs du monde entier travaillent depuis des années à la production de circuits électriques à l’aide de procédés additifs tels que l’impression 3D robotique (appelée robocasting) avec un grand succès, mais cela devient maintenant un problème. Les particules métalliques qui rendent de tels substrats 3D électriquement conducteurs aggravent le problème des déchets électroniques, d’autant plus que les déchets générés sont susceptibles d’augmenter à l’avenir au vu de nouveaux types de capteurs jetables, dont certains ne sont utilisés que quelques jours.

Cela constitue un gaspillage inutile, selon Gustav Nyström, responsable du laboratoire Cellulose & Wood Materials de l’Empa : « Il y a un besoin urgent de matériaux qui équilibrent les performances électroniques, le coût et la durabilité. Pour développer une encre respectueuse de l’environnement, l’équipe de Nyström s’est donc fixé des objectifs ambitieux : sans métal, non toxique, biodégradable. Et avec des applications pratiques à l’esprit : facilement formable et stable à l’humidité et à la chaleur modérée.

Avec du carbone et de la gomme laque

Les chercheurs ont choisi du carbone bon marché comme matériau conducteur, comme ils l’ont récemment rapporté dans la revue Rapports scientifiques. Plus précisément : des plaquettes de graphite allongées mélangées à de minuscules particules de suie qui établissent un contact électrique entre ces plaquettes, le tout dans une matrice constituée d’un biomatériau bien connu : la gomme laque, qui est obtenue à partir des excrétions de cochenilles. Dans le passé, il était utilisé pour faire des disques; aujourd’hui, il est utilisé, entre autres, comme vernis pour les instruments en bois et les ongles. Ses atouts correspondent exactement au profil recherché par les chercheurs. Et en plus de cela, il est soluble dans l’alcool, un solvant peu coûteux qui s’évapore après l’application de l’encre pour qu’elle sèche.

Malgré ces ingrédients, la tâche s’est avérée difficile. En effet, qu’elle soit utilisée en sérigraphie simple ou avec des imprimantes 3D modernes, l’encre doit présenter un comportement de fluidification par cisaillement : au repos, l’encre est visqueuse. Mais au moment de l’impression, lorsqu’elle est soumise à un effort de cisaillement latéral, elle devient un peu plus fluide, tout comme une peinture murale anti-goutte qui n’acquiert une consistance plus douce que lorsqu’elle est appliquée par la force du rouleau. Cependant, lorsqu’elle est utilisée dans la fabrication additive telle que l’impression 3D avec un bras robotisé, cela est particulièrement délicat : une encre trop visqueuse serait trop dure, mais si elle devient trop liquide pendant l’impression, les composants solides pourraient se séparer et obstruer l’imprimante. petite buse.

Shellac pour circuits imprimés

Nouveau matériau pour circuits imprimés : Deux cubes de test d’un centimètre de large à partir de l’imprimante 3D. Les capteurs électroniques imprimés sont visibles en arrière-plan. Crédit : Empa

Tests avec des applications réelles

Pour répondre aux exigences, les chercheurs ont bricolé intensivement la formulation de leur encre. Ils ont testé deux tailles de plaquettes de graphite : 40 micromètres et 7 à 10 micromètres de longueur. De nombreuses variations étaient également nécessaires dans le rapport de mélange du graphite et du noir de carbone, car trop de noir de carbone rend le matériau cassant, entraînant un risque de fissuration lors du séchage de l’encre. En optimisant la formulation et la composition relative des composants, l’équipe a pu développer plusieurs variantes de l’encre pouvant être utilisées dans différents procédés d’impression 2D et 3D.

“Le plus grand défi était d’atteindre une conductivité électrique élevée”, explique Xavier Aeby, l’un des chercheurs impliqués, “et en même temps former un réseau de type gel de carbone, de graphite et de gomme laque.” L’équipe a étudié le comportement de ce matériau dans la pratique en plusieurs étapes. Par exemple, avec un petit cuboïde de test : 15 grilles superposées de l’imprimante 3D, constituées de fils fins de seulement 0,4 millimètre de diamètre. Cela a montré que l’encre était également suffisante pour des processus exigeants tels que le robocasting.

Pour prouver son adéquation avec des composants réels, les chercheurs ont construit, entre autres, un capteur de déformations : une fine bande de PET sur laquelle est imprimée une structure d’encre, dont la résistance électrique changeait précisément avec différents degrés de courbure. De plus, des tests de résistance à la traction, de stabilité sous l’eau et d’autres propriétés ont montré des résultats prometteurs. L’équipe de recherche est donc convaincue que le nouveau matériau, qui a déjà été breveté, pourrait faire ses preuves dans la pratique. « Nous espérons que ce système d’encre pourra être utilisé pour des applications dans l’électronique imprimée durable », déclare Gustav Nyström, « par exemple, pour les pistes conductrices et les éléments de capteur dans les emballages intelligents et les dispositifs biomédicaux ou dans le domaine de la détection alimentaire et environnementale. »


La batterie biodégradable imprimée en 3D, jetable et en papier


Plus d’information:
Alexandre Poulin et al, Encre gomme laque polyvalente chargée en carbone pour l’électronique imprimée jetable, Rapports scientifiques (2021). DOI : 10.1038 / s41598-021-03075-4

Fourni par les Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux

Citation: Shellac pour circuits imprimés (2021, 20 décembre) récupéré le 20 décembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-12-shellac-circuits.html

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