Image
Un partenariat entre l'IM2NP et la société NAWAH, experte en nanotubes de carbone
Des nanomatériaux au service de l'innovation
Des nanotubes de carbone aux propriétés innovantes
Les matériaux nanostructurés à base de carbone sont extrêmement intéressants pour l’industrie car ils possèdent des propriétés propres à cette échelle permettant d’améliorer les performances des dispositifs dans lesquels ils sont intégrés. En maîtrisant la forme, la structure et la taille de ces nanomatériaux carbonés, il est possible d’atteindre des caractéristiques inégalées dans de nombreux domaines de la physique (mécanique, électronique, thermique…). On peut par exemple les intégrer dans des pièces composites de façon à les rendre plus résistantes mécaniquement ou plus légères, mais aussi dans des électrodes pour réduire avantageusement (pour des raisons de coût, d’empreinte environnementale, de disponibilité ou d’approvisionnement, de nocivité…) la quantité de matière nécessaire à leur fabrication et augmenter leur performance.
La société NAWAH a développé un procédé qui permet d’obtenir des Nanotubes de Carbone Verticalement Alignés (VACNT) : cette méthode permet d’organiser des molécules de graphène en une structure tubulaire verticale perpendiculaire à la surface. Le nanocarbone 3D ainsi obtenu est constitué de près de 100 milliards de nanotubes de carbone par centimètre carré, tous verticalement alignés.
Les avantages de l'approche additive
La société NAWAH est capable de faire croître les nanotubes de carbone orientés verticalement par rapport au support (substrat) et ce, en masse, créant de véritables « tapis » de nanotubes de grandes surfaces avec des cadences élevées en mode rouleau-à-rouleau. Cette fabrication à grande échelle offre donc des débouchés industriels à cette technologie.
Le nouvel enjeu pour NAWAH est de pouvoir déposer les nanotubes de carbone à certains endroits spécifiques sur le support pour constituer des motifs au lieu d’avoir des surfaces entièrement recouvertes de nanotubes. Un procédé potentiel avait été identifié par la société qui a sollicité la plate-forme SPRINT de l’IM2NP pour pouvoir le mettre en œuvre et le tester.
L’expertise de cette plate-forme concerne l’impression jet d’encre qui est un procédé additif et numérique. Pour mettre en lumière les avantages d’un tel procédé, revenons sur ce qui se fait habituellement en microélectronique. Sur des galettes (wafers) de silicium on dépose sur toute la surface un matériau fonctionnel (conducteur, semi-conducteur…) grâce notamment à des techniques de pulvérisation et d’évaporation sous vide. Puis, par un procédé dit soustractif, on va enlever de la matière à des endroits précis via des masques et ainsi définir des motifs. La répétition de ces étapes permet finalement de construire les composants et les systèmes intégrés souhaités. Cependant, ces procédés sont gourmands en énergie, en produits chimiques et les éléments retirés (métaux précieux, terres rares, etc.) sont perdus.
Une alternative technologique consiste à utiliser des imprimantes, à l’identique de celles employées en imprimerie conventionnelle, mais en utilisant des encres spécialement développées pour réaliser des fonctions électroniques. Il existe différentes méthodes d’impression comme la sérigraphie, la flexographie, l’héliogravure. Mais la plateforme SPRINT s’est focalisée sur le procédé jet d’encre pour faciliter la réalisation de preuves de concept et le prototypage rapide. Il est en effet mieux adapté aux processus itératifs de Recherche et Développement avec des boucles de conception, de fabrication, et de tests plus rapides et moins onéreuses qu’en électronique standard. Ce procédé permet de déposer de la matière uniquement où elle est nécessaire, en atmosphère ambiante, et sans gaspillage de matière. De plus, son caractère additif donne la possibilité de s’affranchir de masques qui présentent des contraintes en termes de fabrication, de coût, de délais, et de risques d’erreurs de conception. Le procédé jet d’encre est enfin plus ‘’vertueux’’, car il a un impact environnemental réduit par rapport à la méthode conventionnelle ou d’autres techniques d’impression.
L’expertise de la plateforme SPRINT consiste à maîtriser le triptyque constitué par l’encre, l’imprimante (ou tête d’impression) et le substrat. Il est en effet nécessaire de s’assurer de la compatibilité de l’encre avec l’imprimante, puis d’étudier son interaction avec le substrat, et enfin de définir une stratégie d’impression pour réaliser les motifs voulus et atteindre les meilleures résolutions possibles.
Des résultats concluants qui ouvrent des perspectives
Au final, l’étape technologique développée par la plateforme SPRINT répond aux critères de reproductibilité et de résolution des motifs attendus par la société NAWAH.
Par la suite, il pourrait être envisagé d’atteindre des résolutions supérieures sur des surfaces plus importantes avec de meilleures cadences, grâce à une imprimante et des têtes d’impression plus performantes. Mais aussi, leur proposer un accompagnement dans le transfert de compétences en impression en vue de l’industrialisation en rouleau-à-rouleau. Une nouvelle collaboration gagnant-gagnant pour les deux partenaires est en cours de discussion.