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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Encres transparentes conductrices et applications Révision : 20 août 2013  
Encres transparentes conductrices et applications
 
             Basile BONADEO et Fanny ROUMET

Élèves ingénieurs 2e année
Avril 2013
Mise en ligne - Août 2013

Avertissement
Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité.
À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations
et tous les acteurs concernés.

       
  Plan  
I - Introduction
II - Encre transparente conductrice,
alternative à l'oxyde d'indium-étain
III - Analyse économique
IV - Perspectives
V - Conclusion
VI - Bibliographie - Webographie
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I - Introduction

Plan

   
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            Écran photovoltaïque      
  Figure 1 - Écran photovoltaïque  

L’électronique imprimée est un domaine multidisciplinaire en pleine expansion qui fait appel à des compétences en chimie, physique et électronique. Elle requiert aussi des connaissances pointues sur les machines et les équipements.

La combinaison de nouveaux matériaux et de techniques de production sur grande surface à bas coût ouvre de nouveaux champs d'application et prend de plus en plus d’importance sur le marché.

En effet, l’électronique imprimée touche toujours plus de secteurs devenant ainsi un investissement intéressant [Figures 1 & 2].

                Évolution du marché de l'électronique imprimée par filière (en % du CA total)      
  Figure 2 - Évolution du marché de l'électronique imprimée par filière (en % du CA total)
[IDTechEx]
 
     
                Répartition des investissements dans le secteur de l'électronique imprimée à l'horizon 2018      
  Figure 3 - Répartition des investissements dans le secteur
de l'électronique imprimée à l'horizon 2018
[IDTechEx]
 
     

Des applications ciblées par l’électronique imprimée nécessitent, lors de leur fonctionnement, que la lumière passe à travers certaines couches actives des composants. C’est le cas par exemple du photovoltaïque, des diodes électroluminescentes organiques (OLED) ou encore des écrans. La réalisation de couches alliant des propriétés fonctionnelles à un haut niveau de transmission de la lumière est donc primordiale pour assurer le fonctionnement de ces composants. De plus, de nombreux produits électroniques actuels ont des capacités de détection tactile : téléphones intelligents, tablettes numériques, ordinateurs portables, appareils de navigation… L’électronique transparente touche de plus en plus de secteurs [Figure 4].

                Perspectives de développement des applications de matériaux transparents dans le domaine de l’électronique      
  Figure 4 - Perspectives de développement des applications
de matériaux transparents dans le domaine de l’électronique
[Nikkei Electronics Asia]
 
     

Les diverses applications citées sur la Figure 4 ont en commun le fait qu’elles nécessitent de multiples couches interconnectées et un matériau conducteur et transparent. Les capteurs tactiles résistifs sont constitués de deux couches opposées de transmission séparées par une couche isolante (le verre par exemple) [Figure 5].

                Schéma des couches composant un écran tactile      
  Figure 5 - Schéma des couches composant un écran tactile
[IDTechEx]
 
     

En réponse à cette problématique de couches transparentes réactives, les transparent conductive oxides (TCO) sont apparus sur le marché il y a environ 40 ans. Actuellement, les TCO dominants sont SnO2, InO3, ZnO et l'oxyde d'indium-étain ou indium tin oxide (ITO). Ce dernier est le plus performant en termes de conductivité et de transparence.

Ces dix dernières années, la recherche a stagné : l’ITO remplissant les performances désirées, la recherche d’un substitut n'était pas une priorité. Aujourd’hui, la situation évolue car de nouvelles encres à base de nanoparticules pourraient concurrencer les TCO. Cependant, dans le monde entier, les chercheurs sont confrontés au même problème majeur : la conductivité et la transparence sont des propriétés antagonistes. En effet, tandis que la transparence est optimale pour un maillage large de particules et des vides importants dans la matière, la conductivité nécessite un maillage fin. Par conséquent, chaque application doit trouver un compromis entre ces deux propriétés antagonistes. Ainsi, les encres utilisées peuvent être différentes pour chaque application.

Notre étude porte sur des encres présentant un compromis entre conductivité et transparence et pouvant ainsi servir de substitut à L’ITO. Elle s'intéresse particulièrement à l’imprimabilité et à la stabilité de ces encres ainsi qu’aux principales applications actuelles : le photovoltaïque et les diodes électroluminescentes organiques (OLED).

II - Encre transparente conductrice, alternative à l'oxyde d'indium-étain

Plan

II-1 - Oxyde d'indium-étain ou indium tin oxide (ITO)

L’oxyde d'indium-étain ou Indium tin oxide (ITO) est un matériau solide [Figure 6]. Sa température de fusion se situe entre 1537°C et 1926°C, sa densité est approximativement égale à 7150 kg/m² à température ambiante. C’est un mélange de 90% d'oxyde d'indium(III) (In2O3) et de 10% d'oxyde d'étain (IV) (SnO2) en poids. Ses caractéristiques intéressantes en font un matériau très utilisé notamment pour la fabrication d’écrans plats qui représente 55% de l'ensemble des applications. Le leader mondial dans la production d’ITO est Indium Corporation.

               Vue au microscope de l'oxyde d'indium-étain   Vue au microscope de l'oxyde d'indium-étain      
  Figure 6 - Vues au microscope de l'oxyde d'indium-étain
[ Indium Corporation]
 
         

II-1-1 - Propriétés

Incolore et transparent en couches minces, l'ITO est le matériau le plus utilisé actuellement en tant que couche conductrice dans les domaines du photovoltaïque et des OLED.

Ses avantages

Ces propriétés expliquent l'augmentation significative de son utilisation [Figure 7].

                Évolution de la demande d'indium      
  Figure 7 - Évolution de la demande d'indium
[Indium Corporation]
 
     

II-1-2 - Méthodes de dépôt

L’ITO doit être déposé en fine couche. En effet, la couleur dépend de l’épaisseur de la couche : plus la couche déposée est épaisse, moins l’opacité est bonne. Ainsi, lorsque l’épaisseur dépasse 3000 Angströms, le matériau devient jaunâtre voire gris. Il est donc nécessaire de maîtriser l’épaisseur déposée.

Différents procédés permettent de déposer l’ITO en fines couches [Tableau 1].

  Avantages Inconvénients
Évaporation par faisceau d'électrons
  • Taux élevé de déposition
  • Contrôle structurel et morphologique du film
  • Taux d’évaporation non uniforme par dégradation du canon
Dépôt par vaporisation  
  • Vapeurs parasites
  • Vide limité
  • Réaction parasites altérant le dépôt
Pulvérisation cathodique
  • Faible incorporation d’impuretés
  • Méthode de dépôt rapide
  • Instabilité électrique
  • Instabilité des régimes de pulvérisation
Sérigraphie
  • Dépôt épais (bonne conductivité)
  • Dépôt épais (mauvaise transparence)
  • Faible précision

Tableau 1 - Avantages et inconvénients des différents procédés de dépôt de l'ITO

Quel que soit le procédé utilisé, lors du dépôt des différentes couches, il est nécessaire de faire le vide pour améliorer l’adhésion entre les couches. Or, cette étape augmente considérablement le prix de fabrication du produit fini.

II-1-3 - Limites de l'ITO

L’utilisation de l’ITO pose des problèmes sur plusieurs plans : environnemental, technique, commercial et économique.

L’indium est un matériau rare – les ressources sont d'environ 65 000 MT – présent principalement en Chine, en Corée et aux États-Unis. D’après l’US Geological Survey, les réserves d’indium pourraient être épuisées d’ici 2020.

Par conséquent, le prix de ce matériau est élevé – 800 €/kg entre 2001 et 2004 et 1830 €/kg en 2008 – et très fluctuant [Figure 8]. De plus, en tenant compte du rendement de la pulvérisation et du coût du procédé de dépôt (sous vide), le prix augmente à raison de 800 $/kg (par exemple, pour la fabrication d’un écran LCD, la dépense est de 4,80 $/m²). Le caractère imprévisible du coût de l'ITO est une réelle limite pour les industriels.

                Évolution du prix de l'oxyde indium-étain (ITO)      
  Figure 8 - Évolution du prix de l'oxyde indium-étain (ITO)
[Printed Electronics World]
 
     

Par ailleurs, la fragilité et la flexibilité de l'ITO sont aussi des limites au développement de nouvelles technologies.

Enfin, son recyclage est problématique. La majorité des écrans LCD sont incinérés et l’indium présent dans les panneaux solaires n’est pas recyclé. Un programme de recherche travaille sur un pilote industriel visant à extraire l'ITO des dalles LCD. Après démantèlement et dépollution des écrans, des procédés chimiques et électrochimiques permettent de récupérer l'indium avec une efficacité de plus de 90 %. Cependant, cette technique génère une grande quantité de résidus liquides polluants.
Autre technique de recyclage : le broyage par puissance pulsée, mais cette technique est en cours de développement et les informations encore peu disponibles.

Face à ces limites de l'ITO, des recherches sont menées afin de trouver un autre matériau transparent conducteur susceptible de le remplacer.

II-2 - Encres transparentes conductrices

L’électronique imprimée est un secteur en plein développement. Combinant des nouveaux matériaux avec des techniques de production à bas coût, elle ouvre de nouveaux champs d'application. Grâce notamment aux encres à base de nanoparticules métalliques ou autres substituts, les acteurs de l’électronique peuvent diversifier leurs techniques de production tout en réduisant le coût unitaire de fabrication.

Le marché des matériaux transparents conducteurs est appelé à une forte croissance et les prévisions font état d'une valeur de 10 000 millions de $ atteinte en 2018 [Figure 9].

                Prévision d'évolution du prix du marché des matériaux transparents conducteurs      
  Figure 9 - Prévision d'évolution du prix du marché des matériaux transparents conducteurs
[Indium Corporation]
 
     

Différentes encres sont présentes sur ce marché des matériaux transparents conducteurs.

II-2-1 - Encre composée d'oxydes transparents conducteurs

Les oxydes transparents conducteurs qui composent cette encre sont généralement des oxydes métalliques.

Ils sont fabriqués avec des microstructures polycristallines ou amorphes et déposés sous forme de film. Transparent et conducteur, ce dernier agit comme une fenêtre et laisse passer la lumière à travers le matériau. Il peut également servir de support transparent pour un montage en couche, c’est-à-dire être interposé entre des matériaux composites légers transmissifs.

Ce film possède les propriétés de transparence et de conductivité détenues par les oxydes. En moyenne, pour une application de type photovoltaïque, il permet plus de 80% de transmission de la lumière incidente et une conductivité supérieure à 103 S/cm.

II-2-2 - Encre métallique

Il s’agit d’une fine dispersion de copeaux métalliques dans une résine (polymère, céramique...). Les particules mises en jeu ont un diamètre de plusieurs dizaines de microns.

L'encre métallique a une conductivité 4 à 5 fois moins grande que celle du métal pur à cause de la résine et des additifs.

Elle peut être imprimée par sérigraphie ou par flexographie mais pas par jet d’encre car les copeaux de taille assez importante boucheraient les têtes d'impression.

II-2-3 - Encre à base de nanoparticules ou de nanofils

Elle a la particularité d’allier conductivité, transparence, flexibilité et imprimabilité. Apparue il y a une dizaine d’années, elle est en pleine expansion : sa présence sur le marché et sa valeur devraient augmenter considérablement dans les dix prochaines années pour atteindre quasiment 700 millions de $ en 2018 [Figures 10 & 11].

                Prévision d'évolution du marché des encres à base de nanoparticules d'argent (en millions de $)      
  Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 10 - Prévision d'évolution du marché des encres
à base de nanoparticules d'argent (en millions de $)
[IDTechEx]
 
     
                Parts de marché occupées par les nanoparticules (en %)      
  Figure 11 - Parts de marché occupées par les nanoparticules (en %)
[IDTechEx]
 
     

Les encres transparentes conductrices sont imprimées principalement par le procédé jet d’encre adapté aux petites productions. Il permet une qualité satisfaisante et de déposer les fines couches d’encre nécessaires à la transparence.

Il y a plusieurs types d'encre à base de nanoparticules ou de nanofils.

Encre à nanoparticules d’argent

Les nanoparticules d'argent permettent d’imprimer un film très fin, ayant peu de vides ou d’aires non connectés. Leur diamètre mesure entre 1 et 5 nm. En cours de développement, cette encre est chère mais son prix tend à diminuer rapidement [Figure 12].

                Évolution du prix des nanoparticules d'argent (en $/g)      
  Figure 12 - Évolution du prix des nanoparticules d'argent (en $/g)
[IDTechEx]
 
     

Encre à nanotubes d’argent

Cette encre est composée de nanotubes d’une longueur maximale de quelques centaines de microns et mesurant moins d’une dizaine de microns. Ces nanotubes, même pliés plusieurs fois, conservent leur conductivité. Les tubes fins permettent d’avoir à la fois une bonne transparence (fils fins espacés) tout en maintenant une conductivité élevée (de nombreux fils conducteurs entrecroisés).

Encre à nanoparticules de cuivre

Actuellement, cette encre n'est pas utilisée à des fins industrielles : très sensible à l’oxydation, son utilisation est complexe. Les nanoparticules produites ont une durée de vie maximale de 6 mois. En revanche, cette encre paraît intéressante puisqu’elle pourrait être produite à des coûts inférieurs à ceux des encres à base d’argent. Elle n'est pas encore sur le marché mais son lancement est prévu en 2016/2017, sur un marché valant plus de 50 millions de $ [Figure 13].

                Prévision de répartition des parts de marché pour les nanoparticules de cuivre      
  Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 13 - Prévision de répartition des parts de marché
pour les nanoparticules de cuivre
[IDTechEx]
 
     

Aujourd'hui, le prix de l’encre à nanoparticules de cuivre est trop élevé pour être concurrentiel. Pour se faire une place sur le marché des matériaux transparents conducteurs, il faudrait que ce prix baisse au-dessous de 1,2 $/kg, ce qui devrait arriver en 2020 [Figure 14].

                Évolution du prix des nanoparticules de cuivre (en $/g)      
  Figure 14 - Évolution du prix des nanoparticules de cuivre (en $/g)
[IDTechEx]
 
     

Encre à nanotubes de cuivre

Elle a des propriétés identiques à celles de l'encre à nanotubes d’argent, à cette différence près : sa conductivité est plus faible.

Encre à base de d’ions argent

Elle permettrait d’imprimer un liquide transparent qui se solidifierait une fois imprimé.

II-2-4 - Encre à base de composés organiques

PEDOT:PSS

Il s'agit d'un mélange de deux polymères, le poly(3,4- éthylènedioxythiophène) (PEDOT) et le poly(styrène sulfonate) de sodium (PSS). Il est généralement employé avec des gels en émulsion dans l'eau [Figure 15].

                PEDOT:PSS      
  Figure 15 - PEDOT:PSS
[Wikipedia]
 
     

Il est possible de lyophiliser cette encre, qui peut être ensuite re-dispersée dans un solvant déterminé en fonction de l'usage que l'on veut en faire. Par exemple de l'éthanol pour obtenir une encre à séchage rapide pendant l'impression.

La conductivité du PDOT:PSS (de ~4×10−4 à 3×10−3 S/cm) ne cesse d’être améliorée mais elle n’atteint toujours pas celle de l’ITO notamment dans le cas de gros film. Le PEDOT:PSS est un complexe moléculaire fragile, qui se dégrade sous l'effet d’un rayonnement ultraviolet mais aussi sous une température ou une humidité trop importante. Cependant, il a des propriétés de flexibilité que l’ITO ne possède pas. Enfin, il est relativement visqueux : 5 à 12 mPa.s. Il est aussi beaucoup moins cher que l’ITO : 170 € les 100 mL (mars 2013).

Graphène

C’est la forme bidimensionnelle du carbone : c’est un maillage de cycles de 6 carbones [Figure 16]. L’ITO est transparent aux rayonnements UV alors que le graphène les absorbe.

                Graphène      
  Figure 16 - Graphène
[Quick Science]
 
     

Nanotube de carbone

Il possède les mêmes propriétés que le graphène mais sous forme tubulaire [Figure 17].

                Nanotube de carbone      
  Figure 17 - Nanotube de carbone
[My Little Blog Fonderie]
 
     

II-2-5 - Tableau récapitulatif

  Résistance électrique Transparence (% transmittance)
TCOs En (S/cm)
103
 
80
Copeaux métalliques En (mOhm/square/mill)
5-20 (Dupont)
12-25 (SunChemical)
 
Nanoparticules d'argent En (mOhm/square/mill)
1 (nanomas)
<17 (nanogap)
<3.5 (PChem Associates)
1-5 (Advanced Nanoproducts)
 
Nanotubes d'argent En Ohm/square
110
38
21
12

90
80
75
60
Nanotubes de cuivre En Ohm/square
188
106
59
30

92
90
85
82
PEDOT:PSS En S/cm
1
 
Entre 80 et 65 %
(pour λ allant de 300 à 800 nm)
Graphène En S/cm
6000
 
83
Nanotubes de carbone En S/cm
>6000
80-85

Tableau 2 - Bilan (conductivité et transparence)

Ces encres ont chacune des caractéristiques propres en termes de conductivité, de transparence et de flexibilité. Elles permettent ainsi de toucher un vaste panel d’applications. Elles pourraient remplacer l’ITO dans les applications industrielles.

Par ailleurs, des avancées sont encore à venir dans le développement de certaines encres : encre à base d’ions argent, mélange de nanoparticules argent-cuivre.

II-3 - Applications des encres transparentes conductrices

II-3-1 - Panneaux photovoltaïques

L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique renouvelable produite à partir du rayonnement solaire. La cellule photovoltaïque est un composant électronique qui est la base des installations produisant cette énergie. C’est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), produit de l’électricité. La tension obtenue est fonction de la lumière incidente. Le photovoltaïque à couche mince est un marché qui offre des avantages certains par rapport au photovoltaïque conventionnel à base de silicium cristallin : coût et poids moins élevés, flexibilité et intégration plus simple sur les bâtiments. Par conséquent, la production de panneaux photovoltaïques composés de couches imprimées devrait augmenter significativement ces prochaines années [Figure 18].

                Prévision de la répartition des parts de marché pour la fabrication de panneaux photovoltaïques      
  Figure 18 - Prévision de la répartition des parts de marché pour la fabrication de panneaux photovoltaïques
[IDTechEx]
 
     

La fabrication de panneaux photovoltaïques, à l’aide de procédés d’impression, est en pleine expansion. En effet, il est prévu que le marché du photovoltaïque gagne 15%. Il faut donc que les prix deviennent plus compétitifs. Trouver une alternative à l’ITO dans le procédé de fabrication permettrait de réduire les prix de manière significative.

La fabrication de panneaux photovoltaïques requiert l’utilisation de matériaux fins transparents et conducteurs. Il existe ainsi plusieurs types de cellules solaires.

Silicium amorphe et cristallin

Le silicium étant l'un des matériaux les plus abondants sur la planète, les coûts sont donc largement réduits. Le silicium amorphe (a-Si) est employé pour fabriquer des panneaux solaires flexibles.

Pour le rendre semi-conducteur, il est produit à partir de gaz Silane (SiH4) ce qui en fait un alliage de Silicium amorphe et d’Hydrogène (a-Si :H). Ce matériau permet au panneau d’absorber le rayonnement solaire grâce à une couche de moins de 1 μm d’épaisseur (souvent 0,2 à 0,3 μm).

Les matériaux utilisés pour la couche transparente de ce type de panneau peuvent être le ZnO, l’ITO et le SnO [Figure 19].

                Schéma d'une cellule photovoltaïque de type silicium      
  Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 19 - Schéma d'une cellule photovoltaïque de type silicium
[Panneaux solaires souples]
 
     

Cuivre, Indium, Gallium et Selenium (CIGS)

Cet alliage est déposé en couche mince polycristalline sur un film souple (acier inoxydable par exemple) et est couplé à une couche de sulfure de cadmium (CdS).

Les matériaux utilisés pour la couche transparente de ce type de panneau peuvent être le ZnO (dopé avec de l’aluminium ou de l’indium), l’InSnO, FnSnO.

L’humidité et la chaleur sont des paramètres à surveiller car ils peuvent affecter la transparence. Ces panneaux solaires sont recyclables [Figure 20].

                Schéma d'une cellule photovoltaïque de type CIGS      
  Figure 20 - Schéma d'une cellule photovoltaïque
de type CIGS
[Panneaux solaires souples]
 
     

Tellure de cedmium (CdTe)

C'est est un semi-conducteur qui peut être utilisé comme matériau photovoltaïque sur les panneaux solaires souples. Il peut être déposé en couche mince polycristalline sur film souple. Il est couplé à une couche de sulfure de cadmium (CdS) [Figure 21].

                Schéma d'une cellule photovoltaïque de type CdTe      
  Figure 21 - Schéma d'une cellule photovoltaïque
de type CdTe
[Panneaux solaires souples]
 
     

Ce matériau est très intéressant car il absorbe avec une couche de moins de 2 μm d’épaisseur une bonne partie du spectre visible et permet d’obtenir un bon rendement quelle que soit la qualité de l’ensoleillement. Pour fabriquer la couche transparente de ce type de panneau, de nombreux matériaux peuvent être utilisés : Cd2SnO4, le Zn2SnO4, le CdO, l’InSnO ou le SnO.

Photovoltaïque organique (OPV)

Le matériau photovoltaïque utilisé n’est plus du silicium, du CIGS ou du CdTe, mais un ou des polymères fabriqués à partir de composés chimiques organiques de type carbone, oxygène, hydrogène ou azote. Les cellules de ce matériau sont en fait composées d’un polymère donneur et d’un polymère accepteur. Ces derniers sont encapsulés entre deux couches minces qui font office d’électrode. L’une d’elles est transparente (PEDOT:PSS ou ITO) pour laisser passer le rayonnement solaire [Figure 22].

                Schéma d'une cellule photovoltaïque de type OPV      
  Figure 22 - Schéma d'une cellule photovoltaïque
de type OPV
[Panneaux solaires souples]
 
     

Cellule à pigments photosensibles (DSSC)

Une cellule DSSC est faite d’un mélange de colorant et de solvant liquide, emprisonné entre deux électrodes transparentes. Le pigment est contenu dans un matériau semi-conducteur en contact avec la face transparente exposée à la lumière. Sous l’effet du pigment qui réagit au rayonnement solaire, le solvant joue un rôle d’électrolyte donneur d’électrons. Les électrons s’accumulent alors dans le matériau semi-conducteur en contact avec l’électrode, ce qui crée une différence de potentiel avec l’autre face de la cellule. Ce phénomène est similaire à la photosynthèse naturelle qui utilise l’eau et la chlorophylle dans le milieu végétal [Figure 23].

                Schéma d'une cellule photovoltaïque de type DSSC      
  Figure 23 - Schéma d'une cellule photovoltaïque
de type DSSC
[Panneaux solaires souples]
 
     

Les principaux matériaux composant la couche transparente de ce type de panneau solaire sont SnO et InSnO. L’intérêt de remplacer l’ITO est ici très important car ces panneaux sont enroulables [Figure 24].

                Schéma récapitulatif des technologies photovoltaïques      
  Figure 24 - Schéma récapitulatif des technologies photovoltaïques  
     

II-3-2 - Électronique imprimée et photovoltaïque

Les composants photovoltaïques utilisent des éléments conducteurs qui peuvent être produits grâce à l’électronique imprimée.

Silicium cristallin

L’encre utilisée n’est pas transparente. L’impression de différentes couches est faite en plusieurs étapes.

Pour assurer une bonne conductivité, des lignes fines sont imprimées dans le sens marche et le sens travers. Plus les lignes sont homogènes, plus la conductivité est élevée. Les procédés les plus utilisés sont l’héliogravure et la flexographie. Cependant, avec ces deux procédés, il est impossible de faire des lignes parfaites. Ils présentent chacun des avantages et des inconvénients [Tableau 3].

  Avantages Inconvénients
Héliogravure
  • Grandes surfaces encrées
  • Précision d’impression
  • Impression en dents de scie
  • Pression importante sur le support
Flexographie
  • Double report
  • Paramètres à contrôler lors de la formation du cliché (insolation, gravure, …)

Tableau 3 - Avantages et inconvénients des différents procédés de dépôt de l'ITO

Des disparités existent dans chaque procédé. Il y a des différences entre le sens marche et le sens travers et c’est pour les étudier que des lignes fines (sur le motif) sont imprimées horizontalement et verticalement. La reproduction des lignes est moins bonne dans le sens travers. La qualité d’impression des lignes fines sens travers est meilleure par la flexographie que par l'héliogravure. En flexographie, il y a une variation importante de largeur des lignes imprimées et un élargissement (plus prononcé en sens travers).

CIGS

Pour cette méthode, l’électronique imprimée n'est guère utilisée, mais plutôt un dépôt de fines couches de cuivre car il y a de nombreuses étapes de fabrication qui nécessitent une température élevée ainsi que des étapes de pulvérisation ou d’évaporation. Toutefois, certaines entreprises comme Nanosolar utilisent tout de même un procédé d’impression. Le substrat utilisé est l’aluminium.

CdTe

Pour les mêmes raisons évoquées précédemment, c’est le cuivre qui est le plus souvent utilisé.

II-3-3 - Diodes électroluminescentes organiques (OLED)

                Prototype d'OLED sur support souple      
  Figure 25 - Prototype d'OLED
sur support souple
[Wikipédia]
 
     

Composition

La structure de base d’une OLED comporte quatre couches [Figure 26].

                Structure d'une OLED      
  Figure 26 - Structure d'une OLED
[Freudenrich C. : How OLEDs work
]
 
     

Principe
Le fonctionnement des OLED repose sur le principe de l’électroluminescence. C’est un phénomène à la fois optique et électrique durant lequel un matériau émet de la lumière en réponse à un courant électrique qui le traverse ou à un fort champ électrique. Il résulte de la recombinaison des électrons émis par la cathode métallique et des trous électroniques présents dans l’anode transparente (ITO) émis par les deux électrodes suite à l’application d’une différence de potentiel. Cette recombinaison est à l’origine d’une émission d’énergie sous forme de photons, c'est-à-dire de lumière.

II-3-4 - Électronique imprimée et OLED

Le fonctionnement des OLED repose sur une technologie multicouche. Ces couches peuvent être imprimées par héliogravure ou par jet d’encre. Les avantages de l'héliogravure – grande répétabilité, absence de forme imprimante, épaisseur importante du film d’encre – sont intéressants pour l’impression de composants électroniques.

Pour sa part, le procédé jet d’encre permet d’imprimer sans contact sur toutes sortes de supports, ce qui évite de les dégrader. Cette technique est de loin la plus avancée pour produire des composants électroniques comme les OLED. La présence d’ITO dans la composition de l’anode est l'une des raisons expliquant que le marché des OLED soit ciblé par les nouvelles encres transparentes conductrices.

III - Analyse économique

Plan

III-1 - Acteurs

Fabricants d'encres
& polymères
  • Mapelec
  • Orgacon : polymères conducteurs
  • Nanograde : couches électroniques imprimables
Équipementiers
Applications
  • Heraeus : revêtements conducteurs transparents pour écrans tactiles sans ITO (ex : Clevios)
  • Ossila : photovoltaïque, OLED
  • Nanosolar : photovoltaïque
  • Heliatek : photovoltaïque
  • Kent Displays : films flexibles transparents conducteurs
  • ISORG : photo-détecteurs, transistors
Centres de recherche

Tableau 4 - Acteurs du secteur des encres transparentes conductrices

III-2 - Analyse concurrentielle (diagramme de Porter)

                Analyse concurrentielle du marché des encres transparentes conductrices via le diagramme de Porter      
  Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 27 - Analyse concurrentielle du marché
des encres transparentes conductrices
 
     

L’utilisation des encres transparentes conductrices est récente. La recherche est encore très active dans ce domaine et les perspectives d’amélioration sont nombreuses.

Cette année, le marché des encres conductrices représente déjà 2 850 millions de dollars toutes applications confondues. Selon les experts d'IDTechEx, en 2018, la valeur de ce marché des encres conductrices sera de plus de 3 300 millions de dollars. Deux facteurs expliquent cette prédiction de croissance : le remplacement de l’ITO et l’ouverture de nouveaux marchés jusque-là inaccessibles (capteurs, automobile...). Certes, ces tendances concernent les encres conductrices en général mais on peut imaginer qu'elles seront les mêmes pour les encres transparentes conductrices. En effet, il est vraisemblable que l’ITO sera remplacé par des encres transparentes conductrices et que les capteurs ou les emballages intelligents utiliseront ces dernières. Lorsqu'elles seront plus développées et que les fabricants seront mieux informés, leur place sur le marché sera plus importante.

IV - Perspectives

Plan

Le remplacement de l’ITO par des encres transparentes conductrices s’inscrit dans une logique de développement durable. À la différence de l’ITO, les encres transparentes conductrices ne sont pas fabriquées à partir de ressources limitées. Leur implantation sur le marché répondrait à une demande réelle tout en prenant en compte les enjeux sociétaux actuels.

Visant une utilisation dans des produits high-tech, les encres transparentes conductrices ne devront présenter aucune faille technique. Or, il reste des améliorations à apporter notamment sur l’impression des lignes fines – choix du procédé, vitesse de la machine... – ou encore sur la durée de vie des encres. Les laboratoires de recherche jouent un rôle primordial dans l’évolution de ces encres sur le marché.

Actuellement, les encres transparentes conductrices sont imprimées principalement par jet d’encre. Un facteur clé de développement important serait de pouvoir recourir à d’autres procédés d'impression. Toutefois, s’équiper d’une imprimante jet d’encre ou d'une autre presse est un investissement lourd. Pour un client potentiel, par exemple un fabriquant par de panneaux solaires, il pourrait paraître inutile sachant que l’ITO fournit déjà de bons résultats sans exiger de tels équipements.

Enfin, certaines encres transparentes conductrices contiennent des nanoparticules, ce qui pourrait être un véritable frein, en raison de réglementations contraignantes.

IV-1 - Diagnostic stratégique

Forces Faiblesses
  • Fabrication à base de ressources non épuisables
  • Flexibilité de la couche déposée
  • Imprimabilité sur grande surface
  • Coût des matériaux et du procédé
  • Problèmes liés à l’alliance de la conductivité et de la transparence (compromis)
  • Taille des particules (problème pour jet d’encre)
  • Durée de vie (vieillissement)
  • Toxicité des nanoparticules
Opportunités Menaces
  • Encre générique
  • Amélioration de l’homogénéité des lignes fines
  • Utilisation d’autres procédés que le jet d’encre (pour les grands tirages)
  • Développement du photovoltaïque (énergie verte)
  • Des utilisateurs d'ITO installent des infrastructures pour pouvoir imprimer
  • Législation contraignante concernant les nanoparticules
  • Disponibilités des matières premières (nanoparticules) face à une demande importante

Tableau 6 - Analyse stratégique du marché des encres transparentes conductrices

IV-2 - Scénarios

IV-3-1 - Scénario 1 - 2016 : l’arrivée des encres transparentes conductrices sur le marché est retardée par la baisse du prix de l’ITO (Probabilité : 40%)

Les recherches scientifiques du CEA sur les encres transparentes conductrices ont abouties. Une encre conductrice transparente spécifique est créée pour chaque application.

Des entreprises ont commencé à les utiliser et les résultats sont concluants. Cette nouvelle technologie est une réelle menace pour Indium Corporation car les entreprises utilisant l’ITO se renseignent sur la possibilité de le remplacer. Pour pallier à la baisse potentielle de la demande, le leader mondial de la vente d’ITO diminue drastiquement ses prix, une mesure qui décourage des sociétés, telles que Fraunhofer ou Heliatek, de changer de procédé. Les encres transparentes conductrices ne connaissent pas l’essor prévu par les experts comme IDTechex.

Cependant, ces derniers restent optimistes quant au développement de cette nouvelle technologie : ils ne jugent pas la position de Indium Corporation durable du fait de la rareté des matières premières. Pour eux, l’arrivée des encres transparentes conductrices sur le marché est juste retardée.

IV-3-2 - Scénario 2 - 2016 : l’arrivée des encres transparentes conductrices par le biais du photovoltaïque est une réussite (Probabilité : 80%)

Les recherches menées par le CEA, le VTT et le LGP2 reconnaissent le jet d’encre comme le procédé le plus adapté à l’impression d'une couche transparente conductrice avec de l'encre à base de nanoparticules ou nanofibres. De plus, un additif ajouté à l'encre renforce la résistance de la couche transparente et augmente significativement la durée de vie du matériau.

À l'instar d'ISORG, quelques entreprises rattachées à des laboratoires de recherche se lancent dans la fabrication de panneaux solaires avec des encres transparentes conductrices, leur prix étant réellement concurrentiel (700 €/m² en moyenne contre 1 000 €/m²).

Plusieurs fabricants remettent en question l’ITO mais restent malgré tout méfiants quant à l’efficacité des encres transparentes conductrices. De nombreuses études publiques confirment leurs performances et incitent les grands producteurs de panneaux photovoltaïques, tels que Nanosolar ou Ossila, à abandonner l’ITO. En outre, elles stimulent la recherche sur les autres applications des encres transparentes conductrices et de nombreuses entreprises adoptent cette nouvelle technologie.

Tandis que l’ITO décline progressivement, les encres transparentes conductrices ne cessent de gagner des parts de marché.

IV-3-3 - Scénario 3 - 2018 : la législation sur les nanoparticules ralentit l’arrivée des encres transparentes conductrices sur le marché (Probabilité : 20%)

Les recherches menées par le CEA et le LGP2 reconnaissent le jet d’encre comme le procédé le plus adapté à l’impression d'une couche transparente conductrice avec de l'encre à base de nanoparticules ou nanofibres. De plus, un additif ajouté à l'encre renforce la résistance de la couche transparente et augmente significativement la durée de vie du matériau.

À l'instar d'ISORG, quelques entreprises rattachées à des laboratoires de recherche se lancent dans la fabrication de panneaux solaires avec des encres transparentes conductrices, leur prix étant réellement concurrentiel (700 €/m² en moyenne contre 1 000 €/m²).

Cette réussite impliquant un développement important des nanoparticules alerte le gouvernement. En effet, des études montrent que le danger lié aux nanoparticules s’infiltrant dans les voies respiratoires et demeurant dans l'organisme n’est pas négligeable car il pourrait provoquer des cancers. Pour éviter un scandale similaire à celui de l’amiante, le gouvernement impose des restrictions quant à la quantité de nanoparticules utilisées ce qui devient un frein au développement des nouvelles technologies. Compte tenu de cette nouvelle législation, la majorité des entreprises utilisant l’ITO, comme Fraunhofer ou Heliatek, préfèrent ne pas se munir de dispositifs d’impression car ils jugent l’investissement trop risqué.

Bien qu'ayant une utilisation en baisse, l’ITO continue d’occuper une part de marché importante.

V - Conclusion

Plan

L’ITO est un matériau qui regroupe toutes les caractéristiques nécessaires à la fabrication de couches conductrices transparentes. Cependant, l’indium étant une ressource rare et épuisable, il est important de trouver des alternatives durables.

Des encres à base de nanoparticules métalliques et organiques commencent à émerger sur le marché. Leur apparition vise non seulement à remplacer l’ITO mais aussi à permettre le développement de nouvelles applications. En effet, leurs propriétés sont telles qu'à terme, les produits finaux seront moins onéreux et plus variés.

Toutefois, ces encres sont actuellement au stade de la recherche et diverses améliorations (formulation, procédé, répétabilité...) doivent encore leur être apportées .

VI - Bibliographie - Webographie

Plan

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