Vers l'industrialisation d'afficheurs électrochromes imprimés comme solution anti-contrefaçon

Towards industrial development of printed electrochromic displays as anticounterfeiting solutions

• Auteur / Autrice : Romain Futsch
• Direction : Aline Rougier, Max Braha-Lonchant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 15/11/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aline Rougier, Max Braha-Lonchant, Anne Blayo, Pierre-Henri Aubert, Fabrice Domingues Dos Santos, Gael Depres
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Blayo, Pierre-Henri Aubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes de vanadium

Vanadium -- Composés

Dispositifs électrochromiques

Mots clés libres

Afficheur

Electronique Imprimée

Electrochromisme

Display

Printed Electronics

Electrochromism

Résumé

L’électrochromisme est la capacité de certains matériaux à pouvoir moduler leurs propriétés optiques grâce à l’application d’une différence de potentiel électrique. Un afficheur électrochrome est constitué de plusieurs couches successives de matériaux avec des fonctionnalités propres : électrode, électrolyte, électrochrome, encapsulation…L’objectif principal de la thèse consiste à fabriquer à l’échelle industrielle des dispositifs électrochromes sur support papier comme solution anti-contrefaçon. Ces dispositifs sont constitués d’un afficheur électrochrome, d’une puce et d’une antenne NFC (communication en champ proche). Le but est d’activer le changement de couleur de l’afficheur en utilisant un téléphone muni de la fonctionnalité NFC.La réflexion de recherche et développement est construite de manière linéaire et empirique : les différents aspects sont intimement liés entre eux. Les essais en laboratoire permettent d’élaborer de nouveaux matériaux et d’en comprendre les mécanismes. S’ensuit l’intégration de ces matériaux en utilisant des techniques de l’électronique imprimée. Ainsi en fonction des résultats, des ajustements de développement sont envisagés en laboratoire. Enfin l’analyse du cycle de vie permet de quantifier l’impact de la construction des dispositifs électrochromes et de réfléchir à des solutions viables environnementalement pour de futurs essais.Le chapitre 1 évoque la bibliographie sur le sujet, les matériaux, les techniques de fabrication et de caractérisation.Au cours du chapitre 2, des matériaux hybrides ont été élaborés en laboratoire en mélangeant d’une part des oxydes sans propriétés électrochromes (α-Fe2O3, α-FeO(OH)…) et d’autre part des oxydes aux propriétés électrochromes (V2O5), à une encre commerciale de PEDOT:PSS. Pour les oxydes sans propriétés électrochromes, différentes couleurs ont pu être obtenues avec des contrastes optiques supérieurs à 18,5 et un changement de couleur en moins de 5 secondes pour des afficheurs électrochromes. Pour l’hybride PEDOT:PSS - V2O5, il a été démontré que 10 %m de V2O5 dans la formulation de PEDOT:PSS donne les meilleures propriétés électrochromes avec un contraste optique de 57 pour un film de 3 μm et un effet mémoire sur plusieurs mois. Le mécanisme de changement de couleur pour ces deux types d’hybride a également été étudié.Dans le chapitre 3, les afficheurs électrochromes ont été élaborés via des techniques d’impression comme la sérigraphie et le jet d’encre pour une fabrication en feuille à feuille. Une nouvelle architecture a été montrée avec des valeurs de contrastes supérieures à 15 et un changement de couleur en moins de 5 secondes pour des systèmes entièrement imprimés. Le matériau hybride PEDOT:PSS + α-Fe2O3 a également été utilisé pour l’impression d’un afficheur avec des résultats prometteurs grâce au passage du rouge à l’état oxydé au bleu foncé à l’état réduit alors qu’initialement seul du bleu clair au bleu foncé avait été obtenu.Au cours du chapitre 4, la fabrication des afficheurs électrochromes avec deux types de production, en feuille à feuille et en rouleau à rouleau, est présentée avec également l’impression de l’antenne en sérigraphie et la pose de la puce NFC en pick-and-place pour former les dispositifs électrochromes. Les caractéristiques et les rendements des deux cadences de production ont été étudiés. L’afficheur électrochrome peut changer de couleur en 5 secondes pour une surface de 1 cm² grâce à un téléphone portable. Une étude des coûts de fabrication a été menée.Enfin dans le chapitre 5, l’analyse du cycle de vie montre que ce sont deux étapes qui ont le plus d’influence sur l’environnement au moment de l’élaboration des dispositifs électrochromes : l’utilisation d’argent et la fabrication des puces NFC. Ces deux étapes représentent plus de 90 % de l’impact environnemental dans les 18 catégories sélectionnées. Des alternatives ont été identifiées et pourront à l’avenir être expérimentées.

Electrochromism is the capacity of some materials to change their optical properties based on an electrical potential difference. An electrochromic display is built thanks to several materials deposited as films and with various functionalities: electrode, electrolyte, electrochromic layer, encapsulation…This Ph.D work aims to fabricate at the industrial level, paper-based electrochromic devices which can be used as an anticounterfeiting solution. An electrochromic device is composed of an electrochromic display, a chip and a NFC antenna (Near-Field Communication). Using this device, it is possible to activate the display color change directly using a smartphone with the NFC functionality.Researches and developments thoughts are built in a linear and empirical way: all parts are linked together. Tests at the lab-scale enable to develop new materials and to understand the electrochromic mechanisms. This step is followed by the deposition of these materials using printed electronic techniques and large-scale manufacture. In accordance to the results, new developments could be considered at lab-scale. Finally, the life cycle assessment aims to understand the impact of the device fabrication and to choose new solutions for the future trials.Chapter 1 focuses on the bibliography: materials, fabrications techniques, methods and characterizations are mentioned.In the chapter 2, hybrids materials were developed in laboratory by mixing on one side oxides without any electrochromic properties (α-Fe2O3, α-FeO(OH)…) and on another side, oxide with electrochromic properties (V2O5) to a commercial ink of PEDOT:PSS. For oxides showing no electrochromic properties, several colors could be obtained showing optical contrast above 18.5 and a change of color observable in less than 5 seconds for electrochromic display. For PEDOT:PSS – V2O5 hybrid, it was proven that the hybrid 10 wt% V2O5 has led to the best electrochromic properties with an optical contrast of 57 for a 3 μm thick film and a memory-effect over several months. The change of color mechanisms for the two hybrids has been studied.In the chapter 3, electrochromic displays were manufactured thanks to printing techniques such as screen-printing and inkjet for a discontinuous fabrication in sheet-to-sheet. A new architecture for the electrochromic display has been optimzed with optical contrasts above 15 for entirely printed systems with a color change observable in less than 5 seconds. The hybrid PEDOT:PSS + α-Fe2O3 was employed for printing a display with promising results thanks to the change from a red color to dark blue whereas, initially only a change from light blue to dark blue has been observed.In the chapter 4, the electrochromic devices construction following two productions procedures, sheet-to-sheet and roll-to-roll, is described with the printing of the antenna using screen-printing and the pick-and-place of the NFC chip. Electrochromic performances and the two productions yield were studied. The color switch of the printed electrochromic display is visible in less than 5 seconds for 1 cm² surface when using a smartphone with the NFC function. A cost analysis was also carried out.Eventually, in optimchapter 5, the life cycle analysis proves that two steps are detrimental for the environment when fabricating electrochromic devices the way it is done in this work: the use of silver (antenna and display) and manufacture of the NFC chips. These two steps represent more than 90% of the impact in the 18 selected categories. Alternative materials have been identified and could be experimented in the future.