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Industrial manufacturing of conductive, transparent and flexible electrodes with nanoinks fororganic electronic devices such as OPV and OLED lighting

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L’encre à base de nanoparticules d’argent promet des films conducteurs transparents plus efficaces

Les dispositifs incluant des films conducteurs transparents étant de plus en plus demandés, il convient de trouver des formulations moins chères et plus flexibles. CLEARSILVER a mis au point un procédé d’impression de nano-argent et de nano-oxyde de zinc adapté à des applications dans les domaines du photovoltaïque organique et des diodes électroluminescentes organiques.

Technologies industrielles

Les films conducteurs transparents (TCF) sont des matériaux minces utilisés dans toute une gamme d’appareils électroniques, notamment dans les écrans à cristaux liquides, à diode électroluminescente ou tactiles. Ils sont généralement constitués d’oxyde d’indium-étain (ITO), un bon conducteur transparent, mais qui s’avère également fragile et coûteux. Un réseau conducteur à base de nanoparticules d’argent recouvertes d’une nanocouche protectrice d’oxyde de zinc constitue une alternative prometteuse. Toutefois, pour que son adoption se généralise, il importe de développer un processus d’impression industrielle à grande échelle, à jet d’encre et à grande vitesse. Pour proposer une telle solution, le fabricant d’imprimantes à jet d’encre KELENN Technology (KT) et le producteur de nano-encres conductrices GenesInk (GNK) ont participé au projet CLEARSILVER, financé par l’UE. GNK a développé des nanomatériaux et des nano-encres à base d’argent (Ag), d’oxyde de zinc (ZnO) et d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium (AZO), tandis que KT élaborait une machine d’impression rouleau à rouleau (R2R) destinée à la fabrication des TCF. Grâce aux dispositifs à diodes électroluminescentes organiques (OLED) et photovoltaïques organiques (OPV) mis au point, CLEARSILVER a démontré qu’il existait une alternative économiquement et techniquement viable à l’ITO. Des solutions de type «tout imprimé» pour les TCF Bien qu’ils s’avèrent indispensables à notre monde intelligent et qu’ils soient utilisés dans bien des domaines, des capteurs aux écrans, le principal problème des TCF réside en premier lieu dans leur dépendance à l’indium, qui est rare et donc coûteux. En second lieu, l’ITO, qui est déposé sur des substrats rigides en verre ou en polymère grâce à des méthodes d’évaporation, ne permet pas de créer directement des motifs. Cela signifie qu’une surface doit être entièrement recouverte d’ITO, ce qui augmente le coût des TCF au mètre carré. La solution «tout imprimé» de CLEARSILVER pour les TCF repose sur des réseaux de nanoparticules d’argent recouvertes d’oxyde de zinc qui offrent une conductivité élevée tout en garantissant des films lisses préparés avec une grande homogénéité. De manière cruciale par rapport à l’ITO, il est possible d’utiliser les nanoparticules d’argent pour l’impression et pour la création de motifs. Cela signifie qu’il faut déposer de plus petites quantités de matériau, ce qui rend le procédé plus économique. Pour créer les nano-encres, le véhicule (solvants, liants et additifs) a d’abord été préparé et mélangé dans le réacteur de formulation, et un concentré de nanoparticules d’argent y a ensuite été ajouté. Des tests ont été effectués sur la rhéologie (flux de matières solides et liquides), la tension superficielle, l’imprimabilité, les performances électriques et la résistance de couche. L’imprimante à jet d’encre KT R2R, qui a également été développée, est parvenue à des performances élevées en matière de débit d’impression, atteignant une vitesse de 60 mètres par seconde. S’il ne fallait retenir qu’un résultat, notons que l’Ink Smart Jet I est capable de fabriquer de l’encre à une échelle industrielle de 25 litres par lot. L’équipe de CLEARSILVER a réussi à fabriquer des démonstrateurs OLED et OPV, basés sur des TCF à haute transparence (entre 70 et 85 %), en collaboration avec Fraunhofer FEP, partenaire du projet. Plus de 70 % des dispositifs OLED ont bien fonctionné, présentant de larges zones émettrices de lumière lors d’essais réalisés avec une luminance de 1 000 candelas par mètre carré. Tous les dispositifs OPV fabriqués ont fonctionné avec un rendement de conversion de puissance (PCE) équivalent à 70 % des performances des TCF à base d’ITO, même avant l’optimisation du processus. «Les performances des démonstrateurs imprimés CLEARSILVER étaient équivalentes à celles des démonstrateurs TCF à base d’ITO et préparés avec des techniques classiques», déclare Rita Faddoul, directrice de projet R&D chez GenesInk. «Comme le montre l’analyse du cycle de vie préparée par l’institut Leitat dans le cadre du projet, CLEARSILVER offre au marché européen une solution TCF à la fois respectueuse de l’environnement et rentable, qui promet de remplacer l’ITO.» À l’heure actuelle, GNK dispose de quatre encres commercialisées pour l’impression à jet d’encre, qui sont adaptées aux applications OLED et OPV disponibles sur le marché. L’équipe s’efforce actuellement de continuer à optimiser le processus (impression, dépôt, polymérisation) afin d’améliorer les performances du dispositif final.

Mots‑clés

CLEARSILVER, photovoltaïque, diode électroluminescente organique, nano-argent, nano-oxyde de zinc, film conducteur transparent, écran tactile, oxyde d’indium-étain, écran à cristaux liquides, nano-encres, impression

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