Impression fonctionnelle : de l'étude de couches imprimées au prototypage de composants flexibles

Functional printing : from the study of printed layers to the prototyping of flexible devices

• Auteur / Autrice : Daniele Sette
• Direction : Anne Blayo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 11/12/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble, Isère, France ; 1985-....) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Panagiota Morfouli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Blayo, Mohamed Saadaoui, Christophe Poulain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yvan Bonnassieux, Reinhard R. Baumann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Nanoparticules

Mots clés libres

Impression jet d’encre

Encre argent

Nanoparticules

Substrats flexibles

Frittage

Caractérisation

Prototypage

Inkjet printing

Silver inks

Nanoparticles

Flexible substrates

Sintering

Characterization

Prototyping

Résumé

Depuis les années 2000, l'impression fonctionnelle connait un grand succès pour la fabrication de composants électroniques. Elle se positionne de manière complémentaire par rapport aux technologies du silicium et vise principalement les marchés de l'électronique grande surface (écrans, panneaux photovoltaïques) et de l'électronique flexible (RFID, capteurs, textiles intelligents). Dans ce travail, des couches d'argent imprimées par jet d'encre ont été caractérisées en fonction des conditions d'impression et de recuit. L'évolution de leur microstructure, de leurs propriétés électriques et mécaniques a été étudiée. Dans ce cadre, des méthodes expérimentales ont été développées et validées par la bonne corrélation entre les mesures et les modèles. La maîtrise des propriétés de ces couches et l'optimisation de leur procédé de fabrication nous ont conduits à concevoir, fabriquer et caractériser plusieurs composants flexibles: un filtre passe bande centré à 17 GHz sur un substrat polyimide, un micro-capteur de vide fonctionnant sur le principe de Pirani et un bouton-poussoir d'épaisseur inférieure à 250 µm pour des claviers souples. Enfin, des condensateurs RF ont été réalisés par la superposition de couches imprimées diélectriques (BaSrTi) et conductrices (Ag). Les performances des prototypes réalisés sont proches de l'état de l'art et ouvrent la voie à de nouvelles applications pour les technologies d'impression. Cette étude démontre le potentiel des couches d'argent imprimées par jet d'encre pour la fabrication de dispositifs flexibles.

In the last decade, functional printing has gained a large interest for the manufacturing of electronic components. It stands aside to silicon technologies and specifically targets markets of large area devices (screens, photovoltaics) and flexible electronics (RFID antennas, sensors, smart textiles). In this work, inkjet printed silver layers are characterized depending on the printing conditions and the required post-printing annealing. The evolution of their microstructure, electrical and mechanical properties is investigated as a function of the annealing temperature. The correlation of the measurements with theoretical models supports the experimental methods that were developed. The knowledge of the printed silver layers assets and the optimization of the printing process lead to the design, fabrication and characterization of flexible electronics devices: a 17 GHz band-pass filter printed on polyimide, a flexible vacuum micro-sensor working on the Pirani principle, and a 250 µm thick membrane switch for keyboards. Finally, all printed RF capacitors were realized by stacking Barium Strontium Titanate (dielectric) and silver printed layers. These prototypes exhibit performances near the state-of-the-art and suggest new opportunities for printing technologies. This thesis offers a thorough study of inkjet printed silver layers and assess their potential for the manufacturing of flexible devices.