Presse. Électronique organique et imprimée. Les circuits organiques et imprimés révolutionnent la microélectronique

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1 Presse Électronique organique et imprimée Les circuits organiques et imprimés révolutionnent la microélectronique Les matières plastiques sous leurs multiples variantes avec des propriétés universelles réglables, de forme stable en tant que thermoplaste ou duroplaste ou encore élastomère, sous forme granulée ou moussées, sont indissociables de notre cadre de vie, que ce soit comme objets utilitaires simples de notre quotidien ou comme éléments structurels de construction sophistiquée destinés aux véhicules et aménagements. Dans leurs qualités physiques et chimiques optimisées sur le plan fonctionnel et leur présentation visuelle attrayante, elles définissent un paradigme sans cesse nouveau en matière de forme et de fonctionnalité, que des matériaux traditionnels comme le bois ou le métal ne sont pratiquement plus en mesure de réaliser, surtout du point de vue coûts de la production de masse. Nouvelles fonctionnalités Une autre dimension vient désormais s'ajouter à cette diversité structurelle des matières plastiques : dotées d'une configuration moléculaire adaptée, elles servent également (comme le PEDOT:PSS polymérique par exemple) de conducteurs et semi-conducteurs électriques (même si la mobilité des supports de charge est encore restreinte). Ces matières plastiques jouent ainsi le rôle d'éléments et de composants de système d'un nouveau genre de micro-électronique, la dite «électronique organique et imprimée». Ici, le terme organique s'explique par le fait que les minuscules structures de circuits avec des myriades de transistors, capteurs et diodes lumineuses ainsi que leur voies de connexion ne sont plus à base de silicium ou d'arséniure de gallium mais de dérivés de carbone. L'adjectif imprimé veut dire que l'électronique peut être imprimée en tant que layout plat du modèle de circuit dans les finesses structurelles actuelles de quelque dix micromètres en faisant appel à des procédés d'impression courants (flexographie, sérigraphie, jet d'encre) «du rouleau» sur des substrats légers, flexibles, voire même transparents. Il existe actuellement une autre /2

2 variante de leur fabrication, par ex. dans le cas des cellules photoélectriques organiques, qui consiste en une évaporation séquentielle sous vide des couches fonctionnelles. Intégration dans des objets L'impression ou l'évaporation permet d'obtenir des surfaces variées et à fonctions électroniques ou photoniques en tant que films ou revêtements qui, avec les courbures voulues, peuvent être appliquées sur tous les objets possibles, et même sur des textiles. Elles forment alors des capteurs tactiles capacitifs ou des champs lumineux de grande surface se présentant sous la forme d'oled (diodes électroluminescentes organiques), des sondes de mesure complètes et des détecteurs pour les données relevant de l'environnement ou de la médecine comme la température ou l'humidité. Ou bien elles fonctionnent en tant que cellules solaires organiques légères et flexibles. Ou encore comme batteries plates imprimées pour l'alimentation d'appareils miniaturisés. Ainsi, l'électronique et l'informatique ne sont plus limitées à des appareils spécifiquement étudiés comme les PC, les tablettes, les téléphones portables ou les consoles de jeu. Elles peuvent être intégrées sans soudure à tous les objets appropriés. Cela permet des applications inconnues jusque là, voire même exotiques dans des objets dits «smart» (intelligents) et cela apporte une extension substantielle de leur connectivité avec le réseau de systèmes de données autoguidés ou opérant en autarcie dans «l'internet des choses». Un champ intensif de recherche Dans les centres de recherche et les entreprises de l'industrie chimique, pharmaceutique, technico-médicale, électronique, automobile, dans le secteur de la consommation et dans l'industrie de l'emballage, on travaille à l'échelle mondiale, au développement de matériaux et produits appropriés ainsi qu'à leurs procédés de fabrication. L'électronique organique et imprimée est toujours un champ extrêmement intensif en recherche recélant une longue perspective de développement, qui fait la soudure typique entre la phase initiale et l'aboutissement dans la réalité industrielle. La plus récente (cinquième) édition de la feuille de route de l'oe-a (Organic and Printed Electronics Association), un groupe de travail au VDMA, sur les applications et les technologies de l'électronique organique, rend compte de l'état et des tendances sur la période des dix /3

3 années à venir. Avec plus de 220 membres dans le monde, l'oe-a coordonne les projets de recherche et de développement ainsi que la standardisation dans le cadre de la CEI (International Electrotechnical Commission) TC119 et d'autres organisations. La nouvelle microélectronique basée sur les matières plastiques n'a pas encore complètement atteint tous les marchés de masse. Néanmoins, les premiers produits, que souvent les utilisateurs ne voient pas, sont déjà disponibles. La technologie est considérée comme une plateforme pour une future industrie qui réunit les champs d'activité relevant de la technique d'impression, de l'électronique et de la recherche des matériaux. Au K 2013, le plus grand salon mondial de l'industrie des matières plastiques et du caoutchouc, qui se tiendra du 16 au 23 octobre à Düsseldorf, on pourra voir des innovations sur le thème «Électronique organique et imprimée». Les présentations se feront au Pavillon Printed Electronics Products and Solutions (produits et solutions électroniques imprimés). C'est également là que seront exposées tant les technologies d'impression que les surfaces fonctionnalisées comme les solutions RFID, les écrans flexibles et les OLED. Il s'agira d'une plateforme qui présentera tous ces produits aux professionnels des industries de transformation et d'utilisation. Écrans OLED le premier marché de masse Les petits écrans OLED des portables et smartphones sont devenus un premier marché de masse au succès franc. Ces écrans ont déjà procuré l'année dernière à l'électronique organique un volume de ventes de 9 milliards de dollars américains, constate le chercheur britannique Smithers Pira qui pronostique à l'horizon 2025 un marché mondial annuel de l'ensemble de ce secteur se montant à 300 milliards de dollars américains. C'est l'ordre de grandeur aujourd'hui atteint par les puces conventionnelles au silicium. Des écrans OLED plus grands, aux couleurs intenses et à très riches contrastes pour téléviseurs de 55" en diagonale sont annoncés ou déjà disponibles (par exemple chez Samsung et LG). À des prix de vente de l'ordre de dollars américains, ils sont actuellement plutôt l'affaire des passionnés de technique avancée. /4

4 Les tablettes de lecture d'amazon ou Sony, qui font l'effet de livres électroniques sur «papier électronique», sont largement populaires en raison du principe d'affichage bistable avantageux sur le plan énergétique des écrans électrophorétiques. Ils se prêtent principalement à la présentation de contenus statiques comme les pages de livres, sur la base du pionnier du papier électronique E-Ink. Toutefois, la continuation de leur diffusion est commercialement soumise à une forte pression due aux écrans «Retina» à haute résolution et adaptés à la vidéo des tablettes Apple avec des LCD moins lumineux - qu'ils auraient dû remplacer depuis longtemps dans la logique innovante de l'évolution technologique. Écrans flexibles La prochaine étape de l'évolution, qui devrait faire avancer d'un pas significatif l'écran du papier électronique, réside dans la mise au point de E-Readers ainsi que de tablettes plus légers, flexibles et peut-être même enroulables - sans les verres de recouvrement lourds et cassables. La plus avancée dans ce domaine est la firme britannique Plastic Logic (avec une base de fabrication entièrement automatisée à Dresde en Allemagne) qui maîtrise déjà l'art des «Backplane» équipées de transistors organiques en film fin (OTFT), c'est-à-dire la matrice active pour la commande individuelle de la clarté des différents pixels d'un écran. La dernière conquête faite dans ce sens est un écran E-Paper mince, légèrement pliable et flexible de 10,7 pouces de diagonale qui, pour une résolution de 150 dpi (dots per inch, points par pouce), comporte une matrice avec écran TFT 1280 x 960, soit au total 1,2 million de pixels. De même, pour les capteurs organiques, Plastic Logic, de concert avec la société française Isorg, une externalisation du grand complexe de recherche CEA-LITEN installé à Grenoble, se situe en tête dans la concurrence. Les deux sociétés ont présenté récemment un capteur d'images de 4 x 4 cm avec pixels sur un support plastique de faible épaisseur. Scellage contre la vapeur d'eau Ce qui freine actuellement le développement de la photovoltaïque organique et de la technique d'affichage est leur scellement hermétique indispensable envers la vapeur d'eau atmosphérique, qui provoque la /5

5 corrosion des électrodes et raccourcit ainsi la durée de vie des équipements. Jusqu'à présent, ce scellage ne pouvait se faire qu'avec l'aide de verre rigide. La solution appropriée pour des cellules solaires à contour quelconque et pour des écrans souples consiste en des films stratifiés agissant comme des barrières. Les couches transparentes en dioxyde de silicium amorphe semblent parfaitement appropriées. Les recherches et le développement se font en collaboration sur divers sites, par exemple à la société Fraunhofer Polymer Surface Alliance (Polo) ou bien à l'aist, l'institut national japonais des sciences avancées. Les moteurs de l'application Selon la feuille de route de l'oe-a, les moteurs du développement de l'application se trouvent dans quatre grandes branches : l'industrie automobile, l'industrie pharmaceutique, l'électronique de consommation et chez les fabricants d'emballages «smarts» destinés aux produits alimentaires, médicaments et autres articles de consommation. Munis d'étiquettes imprimées et activées par radio (appelées également tags RFID), les emballages smarts contribuent à concevoir la gestion des marchandises et leur logistique à large échelle de façon plus efficace. Avec des zones d'affichage imprimées et mises à jour par voie dynamique, ils peuvent d'autre part indiquer la date de péremption au consommateur, attirer l'attention sur des chaînes de froid interrompues dans le cas de marchandises délicates ou bien garantir l'authenticité d'articles de valeur par leur rattachement à des chaînes de livraison offrant un rétrosuivi. Avec le développement des tags RFID et de leurs antennes imprimées ainsi qu'avec les films organiques transparents conductibles, la société allemande PolyIC joue dans ce domaine un rôle de premier plan. La feuille de route de l'oe-a fait apparaître un autre développement actuel : les voitures haut de gamme sont déjà équipées d'antennes imprimées, mais aussi de capteurs imprimés pour l'occupation du siège qui sont intégrés aux housses et pour le déclenchement éventuel des airbags. Ils détectent aussi le poids, pour différencier les enfants des adultes. Les écrans OLED pour les caméras de recul à la place des rétroviseurs traditionnels font également partie de cet équipement, au même titre que l'éclairage du tableau de bord et le dégivrage des vitres imprimé de façon pratiquement invisible. /6

6 Sont envisagés prochainement en automobile des écrans organiques et des capteurs tactiles qui viendront remplacer les affichages mécaniques et les commutateurs, voire interrupteurs. De même, des premiers concepts concernant les feux de recul sont prévus avec des OLED, notamment chez Audi, pour remplacer à moindre frais les feux à DEL actuels qui consomment de l'énergie. Il est aussi question de larges champs lumineux à OLED permettant de moduler l'éclairage du pavillon ou pour accentuer celui des baguettes de seuil. Éclairage OLED Parmi les quatre principaux champs d'application évoqués par la feuille de route de l'oe-a en l'occurrence éclairage OLED, photovoltaïque organique, écrans électrophorétiques (e-paper) et écrans OLED, éléments électroniques en tant que complément à la microélectronique classique à base de silicium, les sources d'éclairage OLED font en toute évidence l'objets de discussions pointues, car ce sont des éléments haut de gamme étant donné que, dans le cadre de l'économie d'énergie, ils sont en forte concurrence avec les DEL et les lampes halogènes déjà établies sur le marché. À la différence des projecteurs spots à DEL et halogènes, les OLED promettent une lumière émise sur une large surface et dont la couleur peut être commandée de façon dynamique. Les OLED peuvent être montées de façon attrayante du point de vue architectonique sur des objets courants à la maison. Ces objets deviennent ainsi des sources d'éclairage actives. Les lampes OLED existent déjà dans les études design et les produits haut de gamme, par exemple chez Osram et Philips. Photovoltaïque organique et batteries La photovoltaïque organique (OPV) se développe parallèlement avec des versions hybrides en oxyde de titane et des cellules de couleurs ainsi qu'avec des cellules purement organiques, à savoir des cellules à base polymère. Elles sont déjà disponibles dans le commerce. En raison de leur degré d'action relativement bas, elles ne sont pas prévues pour alimenter des réseaux publics mais sont destinées à une alimentation locale («energy harvesting») et au rechargement des batteries d'appareils mobiles de données et de consommation et à celui des stations de mesure. La perspective à long terme de la feuille de route de /7

7 l'oe-a prévoit également à partir de 2021 des applications dans l'enveloppe extérieure des véhicules et des bâtiments (BIPV, building integrated photovoltaics). Les composants de système de l'électronique organique qui, en raison de leurs propriétés favorables, se prêtent à une intégration hybride dans des circuits conventionnels, se trouvent dans les mémoires de données imprimées, comme sous la forme de fils mémoire ferroélectriques non transitoires du principal fabricant norvégien Thinfilm. Ce développement, tel que mené par Thinfilm, est à la fois un exemple d'intégration de composants organiques de différents fabricants à de plus grandes unités fonctionnelles sur des substrats imprimés communs. C'est ainsi que Thinfilm combine ses mémoires avec la première logique tout transistor également imprimée produite par la société californienne de recherche sous contrat PARC pour la transformer en un module de mémoire adressable par un logiciel. De plus, ce dernier peut être complété en un système de mesure compact avec un thermistor imprimé en tant que sonde de température et un champ d'affichage (de l'institut de recherche Acreo Swedish ICT) en plus d'une batterie imprimée. Les batteries imprimée, donc extrêmement plates et flexibles, sont également en point de mire du développement lorsqu'il est question de l'intégration de l'électronique organique à un système. Actuellement, ce sont les batteries au zinc-charbon à usage unique qui prédominent ; les modèles rechargeables au lithium sont encore en cours de développement. À titre d'alternative, on envisage aussi ce que l'on appelle des supercondensateurs riches en énergie pour l'alimentation en tension d'appareils sur une courte durée. Leur comportement lors du déchargement est proche de celui des batteries. De telles alimentations en courant peuvent être intégrées à des emballages, textiles et autres objets usuels avec des champs d'affichage et d'éclairage, des capteurs tactiles et des cellules solaires. Ils obtiennent ainsi une plus grande valeur et fonctionnalité. Septembre 2013 /8

8 Contact : Bureau de presse K 2013 Eva Rugenstein/Desislava Angelova Tél. : Fax : Courriel : RugensteinE@messe-duesseldorf.de Courriel : AngelovaD@messe-duesseldorf.de Autres informations sous : ou dans les réseaux sociaux Xing : Facebook : Twitter :