L'électronique imprimée prend place à l'interface entre les secteurs des industries graphiques et celui de la microélectronique. Les techniques d'impression industrielles classiques que sont l'héliogravure, la flexographie et l'offset présentent le grand avantage d'une productivité élevée en terme de surface imprimée. Une étape de recherche sur la formulation d'encres spécifiques pigmentaires ou à base de polymères fonctionnels se place au cœur de cette problématique. Ce travail de thèse s'inscrit dans le contexte de l'électronique imprimée avec l'optimisation des différents paramètres de transfert intervenant dans l'impression. De même, l'étude de la rhéologie et la physico-chimie des encres est une étape capitale et indissociable de la caractérisation des états de surface des supports. En effet si chaque procédé d'impression possède ses spécificités en termes de propriétés des encres utilisées, une bonne adéquation encre/support est nécessaire afin d'obtenir une impression ayant les caractéristiques recherchées. <br />Nous avons donc formulé différentes encres polymères conductrices en particulier à base de poly thiophène. Une étude des propriétés de surface et des caractéristiques physiques des différents papiers et plastiques a permis de choisir deux supports tests pour nos impressions. Enfin, une optimisation des paramètres d'impression a démontré l'influence des conditions d'impression sur les caractéristiques des dépôts effectués en particulier en terme de conduction électrique. Un état de l'art et une bibliographie font le point sur les avancées de l'électronique imprimée, ses applications et ses enjeux.

Ce projet vise à développer de nouvelles encres à base de nanofils d’argent et de nanocellulose pour des applications conductrices et transparentes. Les nanocelluloses, nanoparticules issues de la cellulose, sont de deux types : les nanocristaux de cellulose (NCC) et les nanofibrilles de cellulose (NFC) et possèdent des propriétés bien spécifiques. Ce travail a consisté d’une part (i) à utiliser la forme tubulaire et rigide des NCC pour produire des nanotubes d’argents par synthèse chimique, avant leur formulation en encre et d’autre part (ii) à utiliser les propriétés d’enchevêtrement des NFC flexibles pour stabiliser des nanofils d’argent commerciaux, habituellement instables en suspension. Les divers résultats de ce projet ont permis d’aboutir à la formulation brevetée et à la commercialisation d’une encre conductrice à base d’une faible quantité d’argent et de NCC et de deux encres conductrices et transparentes à base de NFC et de nanofils d’argent. Les interactions physico-chimiques et la stabilité colloïdale de ces suspensions hybrides ont été étudiée de manière fondamentale, tout en développant des formulations adaptées à divers procédés d’impression, que ce soit à échelle laboratoire mais aussi industrielle. / This project aims at developing new conductive inks based on nanocellulose and silver nanowires for transparent and conductive applications. Nanocellulose are nanoparticles extracted from the cellulose and two kinds currently exist: the cellulose nanocrystals (CNC) and the cellulose nanofibrils (CNF). This project have evaluated on one hand the ability of using tubular rigid CNC as template for producing silver nanorods, prior their formulation into conductive inks. On the other hand, the ability of using flexible and entangled CNF to stabilize commercial silver nanowires, usually unstable in suspension, was investigated. The results of this project lead to the patented formulation and commercialization of one low silver content conductive ink based on silver and CNC and two conductive transparent ink based on CNF and silver nanowires. Physico-chemical interactions and colloidal stability of such hybrid suspension have been scientifically studied meanwhile printing process adapted formulation have been successfully designed and tested at laboratory scale but also industrial scale.

Les machines de fabrication personnelle, comme les imprimantes 3D, permettent aux créateurs occasionnels de fabriquer leurs propres objets. Il est possible de créer des pièces rigides, mais aussi des pièces souples, flexibles ou malléables. Ces propriétés mécaniques ouvrent des perspectives inédites dans la recherche en Interaction Homme-Machine (IHM) puisqu’elles permettent de réaliser de nouvelles formes d’interaction. Le défi reste toutefois d'intégrer des capteurs et du retour visuel dans ces matières. Les sciences des matériaux ont introduit plusieurs techniques pour produire des éléments interactifs, mais leur application requiert une expertise spécialisée ou la disposition d’équipements très couteux. Ma thèse se concentre sur les professions créatives, comme les professionnels du design, les architectes, ou les chercheurs en IHM. Elle vise à accompagner leur processus de conception et de prototypage avec des matériaux souples et interactifs, produisant des objets élastiques, des modèles avec des formes reconfigurables, ou même des maquettes qui peuvent être découpées. De tels matériaux pourraient enrichir notre interaction avec le monde numérique de trois manières différentes : 1) les dispositifs prosthétiques et l’informatique ubiquiste 2) le design de produits personnels 3) la fabrication interactive. J’introduis d’abord une nouvelle méthode pour intégrer des capteurs tactiles, des capteurs de proximité et des écrans électroluminescents dans des matériaux de silicone étirables. Basée sur des techniques d’impression en sérigraphie, la méthode permet de fabriquer rapidement des interfaces étirables et peu coûteuses, qui peuvent être intégrées dans les vêtements et dans d’autres objets ordinaires. Deuxièmement, je présente une approche pour créer des modules de constructions interactives, qu’on appelle “Tangramis Interactifs”. Les Tangramis interactifs sont des matériaux souples, par exemple du papier, pliés et combinés ensemble pour créer des structures modulaires en 3D. Ils peuvent réagir au toucher, être actionnés, et intégrer des composants électroniques comme des LEDs. Nous utilisons une technique rapide d’impression par jet d’encre pour intégrer des capteurs et des circuits dans le papier. Nous avons également développé une interface graphique qui permet aux créateurs de concevoir la forme et le comportement interactif de leurs propres interfaces physiques avant de les imprimer sur papier. Troisièmement, j’introduis une méthode de fabrication de matériau capable à identifier sa forme (“shape-aware material”). Ce matériau peut détecter et communiquer sa géométrie en temps réel durant son découpage par un créateur. La méthode s’appuie sur une nouvelle technologie de capteurs de forme, imprimés par jet d’encre et intégrés dans du matériel de maquettage, comme le carton mousse. Notre logiciel aide les créateurs à générer du matériel de prototypage en 2D ou en 3D qui peut capter sa forme, en configurant la topologie des capteurs pour optimiser la précision du modèle. Il permet également d’établir le lien entre un modèle physique et sa représentation numérique dans un environnement CAO (Conception Assisté par l’Ordinateur), par exemple Blender et Unity. Notre approche soutient un processus de fabrication bi-directionnelle en intégrant des outils de modélisation à la fois physiques et numériques. / Personal fabrication machines, such as 3D printers, allow casual makers to create custom objects, which may also contain soft, flexible, or shape-changeable parts. Making use of these mechanical properties and developing novel forms of interaction opens up new possibilities for research in Human-Computer-Interaction (HCI). However, embedding sensing and output capabilities into material is still challenging. Although research in materials science has introduced a range of methods for producing interaction-aware materials, these methods require significant domain expertise and often rely on specialized and expensive equipment. My dissertation focuses on casual makers, designers, and HCI researchers, and investigates how to support their design and physical modeling tasks with interactive, non-rigid materials that are stretchable, shape configurable, or cuttable. I explore three directions on how such materials can enhance user interaction, with applications to wearables and ubiquitous computing, DIY product design, and interactive fabrication. First, I introduce a new fabrication method for embedding touch sensing, proximity sensing, and electroluminescent displays into stretchable silicone materials. Based on screen printing, the method allows for rapidly fabricating inexpensive and highly stretchable user interfaces than can be embedded in wearables and other everyday objects. Second, I present an approach for creating interactive paper-folded building blocks that we call Interactive Tangrami. Interactive Tangrami are made of flexible materials such as paper, folded and combined together to form modular 3D structures. They support touch sensing and actuation and can also integrate rigid electrical components, such as LEDs. We use a rapid ink-jet printing technique to apply sensors and circuits on paper. We also offer a software tool that helps makers to design the geometry and interactive behavior of their physical user interfaces and then print them on paper. Third, I introduce a method for fabricating shape-aware material, which is modeling material that captures and streams its own shape while being cut by an artist. The method is based on a novel inkjet-printable sensing technology that can be embedded into a variety of cuttable material such as foam-core. Our software toolkit helps makers produce 2D or 3D shape-aware material and customize its sensing topology for higher sensing accuracy. It also allows them to link the physical model with its digital copy in a 3D CAD environment, such as Blender and Unity. Overall, our approach supports a bi-directional fabrication workflow that combines both physical and digital modeling tools.

Ces travaux examinent le potentiel d’un papier à fort lissé pour la production de masse de tags RFID-HF imprimés. Les caractérisations menées sur le papier Powercoat HD mettent en évidence une haute tolérance à la température et une faible rugosité. De fait, il se présente ainsi comme une sérieuse alternative à l’utilisation des films polymères (PET, PEN, PI, etc.), permettant de développer pleinement les performances électriques d’encres conductrices métalliques.Deux procédés d’impression industriels ont été considérés, la flexographie et la sérigraphie ayant tout deux fait leurs preuves depuis plusieurs décennies pour l’impression graphique à hautes cadences. Le potentiel de leur utilisation pour l’impression à grande échelle de dispositifs électroniques à bas-coût est discuté dans ces travaux. De plus, les performances électriques d’encres commerciales à base d’argent sont étudiées en fonction de la taille des particules qui les composent. En effet, l’utilisation de particules métalliques à l’échelle nanométrique pourra faciliter l’activation des mécanismes de diffusion atomique, améliorant ainsi le contact physique entre les particules et favorisant la conduction électrique. En parallèle, les encres à microparticules sont moins coûteuses et leurs conditions d’utilisation moins contraignantes. Toutefois, la coalescence des particules métalliques après l’impression ne pourra être initiée sans un traitement thermique de recuit.Le recuit est usuellement réalisé dans une étuve ou un tunnel à air chaud, la température doit alors rester inférieure à la tolérance du substrat. Cela permet d’atteindre des performances électriques qui restent limitées pour des durées de procédé de l’ordre de plusieurs minutes. Afin de tenir compte des contraintes industrielles d’une production à grande échelle et de permettre d’obtenir les meilleures performances électriques en un temps réduit, l’un des principaux axes de recherche exploré consiste au déploiement des technologies émergentes de recuit photonique proche infrarouge (NIR) et lumière intense pulsée (IPL). Ces dernières sont basées sur l’absorption de l’énergie lumineuse par le film d’encre provoquant ainsi sont échauffement rapide. L’important différentiel d’absorption entre les encres et le substrat contribue, en outre, à une sélectivité de ces procédés permettant de limiter la dégradation du support tout en atteignant au niveau de l’encre, des températures pouvant être supérieures à 300°C. Pour chaque procédé de recuit, l’influence des différents paramètres sur les performances électriques finales a pu être étudiée par la mise en place d’un suivi in-situ de la résistance, permettant un échantillonnage allant jusqu’à 250 kHz.Finalement, des boucles RFID-HF ont été imprimées, recuites dans les conditions précédemment optimisées puis caractérisées. Une estimation des coûts de production a été menée afin de distinguer les contributions liées à l’encre, au support et à la puce électronique en silicium. Les résultats obtenus mettent en évidence le potentiel du papier Powercoat HD, couplé à une impression en flexographie et à un recuit proche infrarouge, permettant alors la production à grande échelle de tags RFID-HF pour un coût matière de l’ordre de 5 centimes d’euros. / This work examines the potential of a very smooth paper for the mass production of printed RFID-RF tags. Characterizations on Powercoat HD paper demonstrate high temperature tolerance and very low roughness. It thus represents a serious alternative to the use of polymeric films (PET, PEN, PI, etc.), enabling the electrical performance of metallic conductive inks to be fully developed.Two industrial printing processes have been considered, flexography and screen printing, and their use were discussed for the printing of low-cost electronic devices. Moreover, the electrical performances of commercial silver based inks are studied according to the size of their particles. Indeed, the use of metal particles at the nanometric scale can facilitate the activation of the atomic diffusion mechanisms, thus improving the physical contact between the particles and promoting electrical conduction. In parallel, microparticles inks are cheaper and their conditions of use less restrictive. In any case, the coalescence of the metal particles after printing cannot be initiated without a thermal sintering treatment.Sintering is usually carried out in an oven or hot air tunnel, the temperature must therefore remain below the tolerance of the substrate. This leads to limited electrical performances for long process duration of several minutes. In order to take into account the industrial constraints of large-scale production and to achieve the best electrical performance in a short time, one of the main explored research areas is the deployment of emerging near-infrared (NIR) and intense pulsed light (IPL) photonic technologies. These latter are based on the absorption of light energy by the ink film thus causing rapid heating. The important absorption differential between the inks and the substrate allows high heating selectivity which makes it possible to limit the degradation of the substrate while the ink temperatures may be greater than 300 ° C. For each sintering process, the influence of the various parameters on the final electrical performance has been studied by setting up an in-situ resistance monitoring, allowing sampling frequency up to 250 kHz.Finally, RFID-HF loops were printed, sintered under previously optimized conditions and then characterized. An estimate of the production costs was carried out in order to distinguish the contributions related to the ink, the substrate and the silicon chip. The obtained results demonstrate the potential of Powercoat HD paper, coupled with flexographic roll-to-roll printing and near-infrared technology, enabling the large-scale production of RFID-HF tags at a material cost of the order of 5 euros cents.

L’électronique souple utilisée dans les technologies RFID et NFC est aujourd’hui en plein essor et la demande croît exponentiellement chaque année. De nombreuses applications sont possibles comme les antennes RFID et les conducteurs transparents. Pour répondre à cette demande, il est nécessaire de proposer une technologie de fabrication à bas coût. Aujourd’hui les antennes sont fabriquées en R2R (Roll to Roll) par des méthodes soustractives à des coûts trop élevé et générant des déchets. Les méthodes d’impressions, qui sont additives, permettent aujourd’hui de réaliser des objets à la demande. L’objectif de cette thèse est de développer une technologie de rupture par rapport à l'existant. Les développements actuels se faisant majoritairement sur des nanoparticules d’argent, la stratégie de la thèse a été de développer un primaire métallisable (encre catalytique) pour la métallisation par voie chimique (electroless Cuivre). Dans cette étude nous avons abordés les différentes étapes qui ont permis de sélectionner le polymère adéquat pour la métallisation par voie chimique, à basse température, d'optimiser son greffage ainsi que son incorporation dans une formulation complète d’encre catalytique. Différentes preuves de concepts ont été obtenues grâce à la technologie développée par voie jet d’encre. La métallisation electroless permet d’obtenir une résistivité de 1.8 µΩ.cm et une excellente adhésion sur des substrats souples peu onéreux de faible point de transition vitreuse comme le PET et le PVC. La température du procédé de métallisation n’excède pas 50 °C. / The flexible electronics used in RFID and RFID and NFC technologies is now a booming market and demand is growing exponentially each year. Many applications are possible, such as RFID antennas and transparent conductors. To meet this demand, it is necessary to offer a low-cost manufacturing technology. Today antennas are manufactured in R2R (Roll to Roll) by subtractive methods and at high cost and generating waste. The methods of printing, which are additive, allow today to realize objects on demand. The aim of this thesis is to develop a breakthrough technology compared to the existing one. The current developments are predominantly done thanks to silver nanoparticles, the strategy of thethesis was to develop a metallizable primer (catalytic ink) for metallization by chemical means (electroless copper). In this study we will see the different steps that allowed us to select the appropriate polymer for chemical metallization, at low temperature and optimize its grafting as well as its incorporation in a complete formulation of catalytic ink. Different proofs of concepts have been obtained thanks to the technology developed by inkjet. The metallization electroless makes it possible to obtain a resistivity of 1.8 μΩ.cm and a very good adhesion on the inexpensive flexible substrates and weak point of glass transition polymer such as PET and PVC. The temperature of the metallization process does not exceed 50 °C.

Le recuit photonique est une technologie émergente basée sur la conversion instantanée del’énergie lumineuse absorbée par les nanoparticules (NPs) en chaleur. Dans ces travaux, il estdéployé sur des pistes d’interconnexions imprimées sur support souple par jet de matière, àpartir d’une encre de NPs d’argent (Ø=25nm).Une étude des paramètres du procédé a permis d’établir le lien entre ces derniers (énergie,fréquence) et la résistance carrée (120m!/ ) induite. Celui-ci a été confirmé grâce à unemodélisation thermique multicouches et au développement d’une instrumentation inéditemesurant, toutes les 4μs, les variations de la résistance pendant le recuit photonique (quelquesms). La stabilisation de la résistance corrélée avec les propriétés optiques du film est optimalepour une exposition de 2-3J/cm² induisant un échauffement à environ 200°C.L’analyse de la microstructure des films par diffraction des rayons X met en évidence le lienentre la croissance des cristallites et la résorption des défauts. La minimisation de la résistanceélectrique est corrélée à la croissance du collet entre les nanoparticules par diffusion atomiquede surface. De plus, une meilleure cohésion des NPs améliore la dureté par rapport au recuit àl’étuve.La résistance électrique de contact (200m!) entre les plots d’interconnexion d’une puce ensilicium et les pistes imprimées a été mesurée grâce à un montage dédié de mesure électriqueau nano-indendeur. Les forces à appliquer (300mN par bump) / Photonic sintering is an emerging technology based on the instantaneous conversion ofabsorbed light energy by nanoparticles (NPs) into heat. In this work, it is used oninterconnections printed on flexible substrates by inkjet printing of a metal silver nanoinkwith particle mean diameter of Ø=25nm.A process parameters study has allowed us to link them (energy, frequency) with theinduced sheet resistance (120m!/ ). This has been confirmed through thermal modeling ofthe multilayer system, and also by monitoring the resistance variations in-situ duringphotonic sintering (a few ms) using an innovative characterization tool, allowingmeasurements every 4 μs. The electrical resistance stabilization correlated with the opticalproperties of the film was found to be optimal for an exposition of 2-3J/cm², whichcorresponds to heating up to approximately 200°C.Films microstructure analysis with X-ray diffraction enlightens the link between crystallitescoarsening and defaults density reduction. The minimization of electrical resistivity iscorrelated with neck growth between nanoparticles trigged by surface atomic diffusion.Moreover, a stronger cohesion between NPs improves the mechanical hardness compared toclassical oven curing.The electrical contact resistance (200m!) between a silicon chip interconnection bumpand printed tracks is measured thanks to an in-house setting for electrical measurement withthe nanoindenter. The level of forces to apply (300mN per bump) is optimized and transferredto a thermocompression by industrial equipment. A set of prototypes are fabricated andconfirm the compatibility of these technologies with a future industrial integration.