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.

Le potentiel des procédés d'impression dans les applications électroniques sur des supports en céramique a été démontré dans ce travail. Plusieurs techniques d'impression ont été étudiées : sérigraphie, flexographie, héliogravure et jet d'encre. Les propriétés de surface de plusieurs types de céramique ont été caractérisées avant et après frittage : taille des pores, rugosité et énergie de surface. Ces analyses ont permis de sélectionner les matières premières des encres les mieux adaptées à ces supports, ainsi qu'aux procédés d'impression considérés. Des formulations aqueuses à base de particules d'argent ont été privilégiées. Les propriétés de ces encres, rhéologie et tension de surface, ont été analysées et leurs effets sur la qualité des lignes imprimées (largeur, épaisseur et rugosité) ont été évalués. Après impression, les motifs ont été frittés. Des résistivités proches de celle de l'argent ont été obtenues (2 à 12x10-8 Ohm.m). L'originalité de ce travail réside notamment dans l'utilisation d'encres sérigraphiques à base d'eau et l'impression d'encres flexographiques sur des supports en céramique. Cette étude ouvre donc des perspectives pour l'industrialisation et la production de masse de composants électroniques sur supports céramiques souples.

Le potentiel des procédés d'impression dans les applications électroniques sur des supports en céramique a été démontré dans ce travail. Plusieurs techniques d'impression ont été étudiées : sérigraphie, flexographie, héliogravure et jet d'encre. Les propriétés de surface de plusieurs types de céramique ont été caractérisées avant et après frittage : taille des pores, rugosité et énergie de surface. Ces analyses ont permis de sélectionner les matières premières des encres les mieux adaptées à ces supports, ainsi qu'aux procédés d'impression considérés. Des formulations aqueuses à base de particules d'argent ont été privilégiées. Les propriétés de ces encres, rhéologie et tension de surface, ont été analysées et leurs effets sur la qualité des lignes imprimées (largeur, épaisseur et rugosité) ont été évalués. Après impression, les motifs ont été frittés. Des résistivités proches de celle de l'argent ont été obtenues (2 à 12x10-8 Ohm.m). L'originalité de ce travail réside notamment dans l'utilisation d'encres sérigraphiques à base d'eau et l'impression d'encres flexographiques sur des supports en céramique. Cette étude ouvre donc des perspectives pour l'industrialisation et la production de masse de composants électroniques sur supports céramiques souples.

Le potentiel des procédés d’impression dans les applications électroniques sur des supports en céramique a été démontré dans ce travail. Plusieurs techniques d’impression ont été étudiées : sérigraphie, flexographie, héliogravure et jet d’encre. Les propriétés de surface de plusieurs types de céramique ont été caractérisées avant et après frittage : taille des pores, rugosité et énergie de surface. Ces analyses ont permis de sélectionner les matières premières des encres les mieux adaptées à ces supports, ainsi qu’aux procédés d’impression considérés. Des formulations aqueuses à base de particules d’argent ont été privilégiées. Les propriétés de ces encres, rhéologie et tension de surface, ont été analysées et leurs effets sur la qualité des lignes imprimées (largeur, épaisseur et rugosité) ont été évalués. Après impression, les motifs ont été frittés. Des résistivités proches de celle de l’argent ont été obtenues (2 à 12x10-8 Ohm.m). L’originalité de ce travail réside notamment dans l’utilisation d’encres sérigraphiques à base d’eau et l’impression d’encres flexographiques sur des supports en céramique. Cette étude ouvre donc des perspectives pour l’industrialisation et la production de masse de composants électroniques sur supports céramiques souples. / This work demonstrates the printing processes potential for manufacturing ceramic based electronic devices. Several printing techniques were studied: screen printing, flexography, rotogravure and inkjet. Ceramic tapes surface properties were characterised: surface pore size, roughness and surface energy. These analyses allowed the selection of the inks raw materials adapted to the substrates and the printing processes. Water-based silver inks were formulated. Inks properties, rheology and surface tension, were analysed and their effect on line properties was investigated. Printed substrates were afterwards sintered. Resistivity values close to that of bulk silver were reached (2 to 12x10-8 Ohm.m). These work novelties are mainly the formulation of water-based environmentally friendly screen printing pastes and the flexography printing of silver inks onto ceramic substrates. This study offers new perspectives for the industrialisation and the mass production of electronic components on flexible ceramic substrates.

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.