Une innovation dans les composants électroniques imprimés, organiques et flexibles fait progresser les nouveaux appareils électroniques
Les composants électroniques flexibles imprimés à base de carbone ont été avancés pour la première fois il y a 20 ans comme un moyen possible de permettre la production de masse de circuits flexibles bon marché pour des applications diverses, allant des écrans pliables aux appareils portables de soins de santé. La plupart des composants électroniques sont actuellement fabriqués à partir de silicium sur les substrats rigides de petites puces, mais des composants flexibles peuvent accueillir de plus grandes surfaces. Les contraintes inhérentes à leurs propriétés ont fait que l’électronique imprimée, organique et flexible a été limitée aux applications à faible vitesse, comme les simples appareils de température ou d’humidité. Cela a exclu certaines applications, notamment pour les communications sans fil. Le projet HEROIC a tiré parti des polymères semi-conducteurs pour développer des transistors imprimés plus rapides. L’équipe a atteint une fréquence opérationnelle record de 160 MHz, dans la gamme très haute fréquence en utilisant un transistor organique fabriqué avec un polymère imprimé. «Les communications sans fil utilisant l’électronique polymère imprimée ne sont plus simplement une possibilité lointaine et exotique», déclare Mario Caironi, coordinateur du projet, de l’Institut italien de technologie, qui accueille le projet. «Avant HEROIC, personne n’envisageait cela sérieusement, maintenant des feuilles de route sont ouvertes.»
Au-delà de la mobilité
L’une des principales réussites d’HEROIC a été de s’attaquer d’abord au problème de la faible mobilité. La mobilité définit la vitesse à laquelle une charge électrique peut circuler lorsqu’elle est soumise à un champ électrique. Les composants électroniques au silicium, par exemple, ont une mobilité 100 à 1 000 fois supérieure à celle obtenue par les meilleurs polymères semi-conducteurs. «La motivation pour HEROIC est venue de calculs simples, mais surprenants, que j’ai faits montrant que les polymères imprimables étaient déjà capables d’atteindre des vitesses allant de 100 MHz à 1 GHz. Mais cela nous a laissé d’autres problèmes à résoudre», ajoute Mario Caironi. L’équipe a dû reconstruire l’architecture des transistors, les éléments fondamentaux de tout circuit, y compris leurs interfaces physiques. Elle a également réduit les dimensions des électrodes imprimées pour permettre de courts espaces entre les électrodes, réduisant ainsi le temps qu’il faut à une charge pour les traverser. Une électrode étroite est essentielle, car elle permet également de réduire l’un des principaux facteurs limitant la vitesse du transistor, connu sous le nom de capacité parasite, qui perturbe le fonctionnement du transistor à haute fréquence. Elle a également retravaillé des méthodes pour imprimer des films semi-conducteurs avec une microstructure pour une mobilité élevée. «Les outils d’impression de pointe n’offraient que des résolutions dix fois inférieures à celle requise. Nous avons couplé des lasers ultra-rapides capables de pulser à des centaines de femtosecondes, offrant une résolution micronique et submicronique, avec des techniques d’impression courantes», explique Mario Caironi. L’équipe a également réussi à assurer une bonne injection de charge dans le canal du transistor, tout en maintenant la compatibilité avec les méthodes de fabrication à haut débit.
Une technologie habilitante de grande envergure
HEROIC pourrait révolutionner de nombreuses applications et processus. Il peut, par exemple, être utilisé pour des capteurs portables biomédicaux. En évitant l’intégration de puces en silicium, cela simplifierait les conceptions et les flux de travail. Un accès bon marché et généralisé à ces outils pourrait offrir des opportunités de transformation aux pays moins développés. L’équipe exploite déjà les résultats d’HEROIC pour développer un outil pré-industriel de rouleau à rouleau, combinant la flexographie et l’ablation au laser femtoseconde, pour la structuration haute résolution de conducteurs sur des substrats plastiques bon marché. Cela fait partie du projet italien iLabel (site Web en italien) pour produire des étiquettes intelligentes haute performance pour les produits du commerce. En outre, certains des résultats du projet ont alimenté un nouveau projet du CER, ELFO, qui vise à réaliser des circuits imprimés comestibles en utilisant des aliments et dérivés aux propriétés électroniques. Plus immédiatement, l’équipe travaille sur des substrats flexibles adaptés pour les appareils haute fréquence qui évitent le problème de dissipation thermique sur les plastiques isolants. Les tensions de fonctionnement devront être diminuées pour réduire la consommation électrique des appareils les plus rapides envisagés.
Mots‑clés
HEROIC, tension, fréquence, substrat, circuit, composant électronique, polymère, appareils portables, silicium, communication sans fil, impression
