Une nouvelle génération d’encres conductrices pour l’électronique imprimée
Des écrans souples aux panneaux photovoltaïques en passant par les capteurs ou certains dispositifs médicaux, l’électronique imprimée repose sur des matériaux capables de conduire l’électricité tout en pouvant être déposés sous forme d’encre. Des scientifiques ont développé une nouvelle méthode pour fabriquer plus simplement ces encres conductrices. Conduit dans l’eau et sans étape de purification intermédiaire, leur procédé permet d’obtenir des matériaux conducteurs aux propriétés adaptées à l’impression. Ces résultats sont publiés dans la revue Angewandte Chemie International Edition.
Dans l’électronique imprimée, les encres conductrices jouent le rôle d’électrodes et permettent les connexions électriques entre dispositifs électroniques. Parmi elles, le PEDOT¹ est l’un des polymères conducteurs les plus utilisés. Il est généralement associé au PSS² qui l’empêche de s’agglomérer et permet de le maintenir uniformément dispersé dans l’eau. Cette propriété est essentielle pour en faire une encre : la formulation peut alors être déposée ou imprimée sur un support, puis l’eau s’évapore pour laisser une fine couche conductrice.
Mais ces encres très acides, avec un pH proche de 2, peuvent endommager certains composants sensibles des dispositifs électroniques. Leur comportement lors de l’écoulement est également difficile à adapter à certaines techniques d’impression sans ajouter d’autres composés susceptibles de diminuer leur conductivité.
Dans ce contexte, des scientifiques du Laboratoire de chimie des polymères organiques (CNRS/ Université de Bordeaux, Bordeaux INP) et du Laboratoire de l'intégration du matériau au système (CNRS/ Université de Bordeaux, Bordeaux INP) s’intéressent depuis plusieurs années au PSTFSI³, un polymère qui, associé au PEDOT, pourrait jouer le même rôle que le PSS, avec une acidité nettement plus faible (pH d’environ 4). Autre avantage : ce polymère conduit à la fois les charges électroniques mais aussi les ions, une propriété recherchée pour les batteries lithium-ion et les dispositifs bioélectroniques.
Jusqu’’à maintenant, sa synthèse nécessitait plusieurs heures de réaction, des solvants organiques toxiques et des étapes de purification intermédiaires. Les scientifiques proposent une nouvelle méthode « one-pot », c’est-à-dire réalisée dans un même récipient, qui combine plusieurs étapes de polymérisation successives. Ainsi, en moins de trois heures, ils obtiennent en milieu aqueux des chaînes de PSTFSI de taille contrôlée, en s’affranchissant des étapes de purification intermédiaires.
Associé au PEDOT, le PSTFSI forme dans l’eau un réseau de fibres polymères qui confère à l’encre un comportement particulièrement adapté à l’impression : au repos, ce réseau forme une structure suffisamment cohésive pour limiter l’écoulement et maintenir l’encre en place. Cette propriété est essentielle lors de l’impression, car elle permet notamment à l’encre de conserver la géométrie du motif déposé et d’éviter qu’elle ne s’étale ou ne se déforme après son dépôt. Lorsque l’encre est soumise à une contrainte, par exemple lors de son passage à travers la buse d’impression, ce réseau se réorganise et sa résistance à l’écoulement diminue, permettant ainsi à l’encre de s’écouler. Une fois la contrainte supprimée, la structure se reforme progressivement, ce qui contribue à stabiliser le motif imprimé.
Les scientifiques ont ainsi pu déposer ces encres par « doctor blade », une technique qui consiste à les étaler sur une surface à l’aide d’une lame. Les films obtenus sont homogènes et présentent une conductivité électrique comprise entre 93 et 122 S/cm selon les formulations étudiées, contre 49 S/cm pour une formulation à base de PSS préparée suivant le même procédé.
Cette nouvelle méthode décrite dans la revue Angew. Chem. Int. Ed., alliant conductivité électrique et ionique dans un milieu moins acide, pourrait faciliter, à terme, la fabrication à plus grande échelle d’encres conductrices pour l’électronique imprimée. Elle pourrait notamment être adaptée à des procédés continus de type rouleau-à-rouleau dans lesquels un substrat souple est déroulé, imprimé et traité en continu avant d’être ré-enroulé, permettant ainsi une production rapide et à grande échelle de dispositifs électroniques. Les scientifiques envisagent également des applications dans les batteries lithium-ion et les dispositifs bioélectroniques.
Notes
- PEDOT : poly(3,4-éthylènedioxythiophène), un polymère conducteur utilisé notamment dans l’électronique organique.
- PSS : poly(styrènesulfonate), polymère utilisé pour stabiliser les dispersions aqueuses de PEDOT.
- PSTFSI : poly[4-styrènesulfonyl(trifluorométhylsulfonyl)imide], polymère développé comme alternative au PSS.
Rédacteur : CCdM
Référence
Negny, F.; Bousquet, M.; Cabannes-Boué, B.; Dugas, P-Y.; Hirsch, L.; Guimaraes, T.R. & Cloutet, E.
One-Pot Synthesis of Aqueous PEDOT-Based Conductive Inks via Sequential RAFT/Oxidative Polymerization
Angew. Chem. Int. Ed.2026