Nanomurs pour smartphones
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont utilisé un nouveau procédé de nano-impression pour fabriquer des électrodes transparentes destinées à être utilisées dans des écrans tactiles. Ces nouvelles électrodes comptent parmi les plus transparentes et les plus conductrices jamais développées.
Tout écran tactile, tel que nous le connaissons entre autres des smartphones et de l'interface utilisateur des distributeurs de tickets et des bancomats, nécessite des électrodes transparentes : La surface en verre des appareils est recouverte d'un motif à peine visible composé d'un matériau conducteur. Gr?ce à cela, les appareils détectent si un doigt touche la surface et à quel endroit exactement.
Des chercheurs dirigés par Dimos Poulikakos, professeur de thermodynamique, viennent de créer un nouveau type d'électrodes transparentes gr?ce à un procédé d'impression 3D. Il s'agit d'un réseau de "nanomurs" d'or ou d'argent sur une surface de verre. Les parois sont si fines qu'elles sont à peine visibles à l'?il nu. C'est la première fois que des scientifiques fabriquent de tels nanomurs par impression 3D. Les nouvelles électrodes sont plus conductrices et plus transparentes que celles en oxyde d'indium et d'étain, qui sont aujourd'hui utilisées de manière standard dans les smartphones et les tablettes. C'est un avantage certain : plus les électrodes sont transparentes, meilleure est la qualité de l'écran. Et plus elles sont conductrices, plus l'écran tactile peut fonctionner rapidement et avec précision.
Troisième dimension
"L'oxyde d'indium-étain est utilisé parce que c'est un matériau relativement transparent et que la fabrication des couches a été bien étudiée, mais il n'est que modérément conducteur", explique Patrik Rohner, doctorant dans le groupe de Poulikakos. Pour fabriquer des électrodes plus conductrices, les chercheurs de l'ETH ont misé sur l'or et l'argent, qui conduisent beaucoup mieux l'électricité. Mais comme ces métaux ne sont pas transparents, les scientifiques ont d? recourir à la troisième dimension. En effet, "si l'on veut obtenir à la fois une conductivité et une transparence élevées avec des fils en ces métaux, il y a un conflit d'objectifs", explique le professeur Poulikakos de l'ETH. "Plus la section des fils d'or et d'argent est grande, plus la conductivité augmente, mais plus la transparence du réseau diminue".
La solution : des parois métalliques de 80 à 500 nanomètres d'épaisseur, à peine visibles d'en haut. Comme leur hauteur est deux à quatre fois supérieure à leur largeur, leur section transversale et donc leur conductivité sont suffisamment élevées.
Imprimante à jet d'encre avec une tête d'impression minuscule
Les chercheurs ont fabriqué ces minuscules parois métalliques à l'aide d'un procédé d'impression - appelé Nanodrip - que Poulikakos et ses collaborateurs ont mis au point il y a trois ans (voir Article de ETH-Life du 31.05.2013). Son principe de base est l'impression par jet d'encre électrohydrodynamique. Les scientifiques utilisent des encres composées de nanoparticules métalliques dans un solvant ; un champ électrique extrait de minuscules gouttelettes d'encre métallique d'un capillaire en verre. Le solvant s'évapore rapidement, ce qui permet de construire une structure tridimensionnelle goutte par goutte.
La particularité du procédé Nanodrip est qu'il permet de détacher du capillaire en verre des gouttelettes environ dix fois plus petites que l'ouverture du capillaire. Cela permet d'imprimer des structures beaucoup plus petites. "Imaginez une goutte d'eau suspendue en bas d'un robinet fermé. Et imaginez maintenant qu'une autre minuscule gouttelette est suspendue au bas de cette gouttelette - nous n'imprimons que ces minuscules gouttelettes", explique Poulikakos. Les chercheurs ont obtenu la forme particulière des gouttes en adaptant de manière optimale la composition de l'encre métallique et le champ électromagnétique utilisé.
Fabrication à faible co?t
Le prochain grand défi sera de faire passer la méthode à l'échelle supérieure et de développer le processus d'impression de manière à ce qu'il puisse être appliqué industriellement à grande échelle. Les scientifiques travaillent à cet effet avec des collègues du spin-off de l'ETH. page externeScrona ensemble .
Ils en sont convaincus : si elle réussit à passer à l'échelle supérieure, cette technologie offrira toute une série d'avantages par rapport aux méthodes existantes. Elle sera notamment moins chère, car le procédé Nanodrip ne nécessite pas de salle blanche, contrairement à la fabrication d'électrodes en oxyde d'indium et d'étain. De même, les nouvelles électrodes devraient être mieux adaptées aux grands écrans tactiles en raison de leur conductivité plus élevée. Enfin, leur procédé est aussi le premier à permettre de faire varier la hauteur des nanoparois directement pendant l'impression, explique Rohner, doctorant à l'ETH.
Une application future possible pourrait également être les cellules solaires, pour lesquelles des électrodes transparentes sont également nécessaires. Plus celles-ci sont transparentes et conductrices, plus il est possible d'obtenir du courant. Enfin, les électrodes pourraient également être utilisées dans le cadre du développement des écrans courbes avec la technologie OLED.
Référence bibliographique
Schneider J, Rohner P, Thureja D, Schmid M, Galliker P, Poulikakos D : Electrohydrodynamic NanoDrip printing of high aspect ratio metal grid transparent electrodes. Advanced Functional Materials, 15 décembre 2015, doi : page externe10.1002/adfm.201503705