Aperçu du développement de l’industrie de l’électronique imprimée flexible (Partie 1) — Revue

La technologie d’électronique imprimée flexible est une technologie de fabrication électronique basée sur des principes d’impression. La technologie de microélectronique semi-conductrice à base de silicium a longtemps occupé une position dominante absolue dans la technologie électronique. Cependant, en raison de la complexité croissante de la technologie de fabrication de circuits intégrés au silicium et des énormes investissements nécessaires, sa fabrication est entièrement monopolisée par une poignée de grandes entreprises dans le monde. Ainsi, au cours de la dernière décennie, la recherche et le développement de matériaux semi-conducteurs organiques et inorganiques à base de solutions ont stimulé l’exploration de la fabrication de divers dispositifs électroniques utilisant des techniques d’impression traditionnelles.

Selon les données d’enquête, la technologie de l’électronique imprimée et l’industrie couvrent un large spectre, incluant des matériaux organiques, inorganiques ou synthétiques capables d’imprimer des circuits ou composants électroniques, ainsi que des transistors, écrans, capteurs, phototubes, batteries, dispositifs d’éclairage, conducteurs, semi-conducteurs et autres dispositifs, ainsi que des procédés et produits d’interconnexion de circuits. Bien que le traitement d’impression lui-même ne bénéficie pas de la haute résolution et de l’intégration élevée du micro-nano traitement traditionnel, ses avantages d’égale surface, de flexibilité et de faible coût suffisent à permettre à l’électronique imprimée de jouer un rôle dans de nombreux nouveaux domaines d’application.

Une décennie de revue

Concernant le marché de l’électronique imprimée, la société britannique d’études de marché IDTechEx a commencé à le suivre il y a déjà dix ans. L’entreprise publie des rapports annuels sur le développement de l’industrie de l’électronique imprimée, incluant des évaluations et des prévisions de marché. La figure 157 montre l’évaluation par IDTechEX des perspectives de développement de l’électronique imprimée en 2008. À cette époque, il était très optimiste quant aux perspectives de l’électronique imprimée, comparant les 20 années suivantes de développement de l’électronique imprimée au développement des semi-conducteurs en silicium et de la microélectronique de l’époque.

Cela fait 10 ans que cette prédiction a été faite à l’époque. En regardant le développement de l’électronique imprimée en 2018, le marché n’a pas atteint le niveau prévu à l’époque. En 2015, le président de Samsung Electronics a présenté lors de la conférence coréenne sur l’électronique imprimée flexible une comparaison du niveau réel de développement du marché de l’électronique imprimée avec les premières prévisions de différentes sociétés d’études de marché (Graphique 158). Il est clair que la performance réelle du marché est loin de celles des prévisions antérieures. Une analyse plus détaillée des données de marché publiées révèle que, bien que le marché semble important en surface, la majeure partie de sa part provient en réalité de produits et marchés matures traditionnels.

Graphique 158 : Comparaison des performances et prévisions du marché de l’électronique imprimée (2015)

Le graphique 159 montre la répartition des parts de marché des appareils imprimés publiés par IDTechEx en 2016. Le marché total de 24,2 milliards de dollars ne se limite pas à l’électronique imprimée, mais inclut aussi l’électronique organique et flexible. Ces deux derniers types de produits ne sont pas nécessairement fabriqués par impression.

Par exemple, le marché des écrans OLED, qui s’élève à 16 milliards de dollars, ne relève pas de la catégorie de l’électronique imprimée et utilise encore des procédés de fabrication par dépôt de vapeur sous vide. Le marché des capteurs, qui coûte 6,5 milliards de dollars, est principalement composé de produits de bandes testables pour la glycémie, qui étaient déjà des produits matures avant 2008. Le marché de 1,3 milliard de dollars pour les encres conductrices est principalement axé sur les pâtes conductrices pour les électrodes solaires en silicium cristallin imprimées et les électrodes de bord imprimées pour écrans tactiles, plutôt que sur le marché émergent de l’encre nanoconductrice frittée à basse température.

Au cours de la dernière décennie, certaines entreprises d’électronique imprimée bien connues ont connu des hauts et des bas spectaculaires. Par exemple, en 2008, l’entreprise américaine Kovio a lancé un produit pour la préparation de transistors à couches minces et de RFID utilisant de l’encre nanosilicium imprimée, pionnière des nanomatériaux inorganiques imprimés et devenant un pionnier du produit. À cette époque, l’industrie pensait généralement que la RFID entièrement imprimée de Kovio allait probablement remplacer la RFID à puce intégrée en silicium grand public.

La société Konarka aux États-Unis a été fondée en 2001 et a annoncé en 2008 la construction d’une chaîne de production de cellules solaires organiques imprimées de 1GW, devenant une entreprise phare dans l’industrialisation de l’électronique imprimée à cette époque. Cependant, les deux entreprises ont ensuite disparu l’une après l’autre en raison de l’échec de leurs produits à percer sur le marché. Un autre exemple est PolyIC en Allemagne, qui fut parmi les premières internationales à lancer des étiquettes électroniques organiques imprimées et des films conducteurs transparents à maille métallique, mais comme ses produits n’ont pas réussi à ouvrir les ventes, ils se sont tournés vers le développement d’autres technologies.

Dans le domaine des films conducteurs transparents, en plus du PolyIC, de nombreuses entreprises adoptent également des fils de nano-argent recouverts ou des nanotubes de carbone qui prônent la technologie électronique imprimée. Certaines de ces entreprises ont survécu plus de 10 ans, mais en raison de la concurrence féroce sur le marché — notamment les fortes baisses de prix des matériaux traditionnels ITO et leur lutte pour conserver leurs marchés d’origine — la plupart ont connu des performances tièdes sur le marché, et certaines se sont complètement retirées, comme Carestream, une des premières entreprises qui promeut-elle fortement les films conducteurs transparents en fil d’argent nano, et Cima, une entreprise d’encre en encre en argent nano-assemblée Les entreprises de nanotechnologie, entre autres.

Défi

Le concept d’électronique imprimée est très séduisant. Quand on parle d’impression, on pense naturellement aux journaux et magazines imprimés, et aux avantages de la production de masse de produits électroniques à faible coût. Cependant, pour vraiment atteindre l’électronique imprimée comme les journaux, il existe encore de nombreux défis techniques, industriels et orientés vers le marché. Premièrement, la technologie électronique imprimée elle-même présente des limites :

(1) La résolution graphique du traitement imprimé est bien inférieure à celle du micro-nanotraitement traditionnel. Actuellement, les lignes les plus fines réalisables par impression font environ 1 micron, tandis que les tailles de motifs traitées par les circuits intégrés ont atteint la plage des 10 nanomètres.

(2) La condition préalable pour l’électronique imprimée est la disponibilité de matériaux d’encre électroniques imprimables, mais actuellement les types de ces matériaux sont limités et présentent généralement des performances inférieures à celles de leurs homologues solides. Les dispositifs électroniques imprimés performent également moins bien que ceux produits par le micro-nano traitement traditionnel.

(3) Les dispositifs électroniques nécessitent généralement des structures multicouches. Les structures d’impression multicouches sont limitées par la précision de l’enregistrement. La précision de l’enregistrement d’impression est généralement bien inférieure à la précision d’alignement multicouches du micro-nanotraitement.

(4) Pour restaurer les propriétés originales des matériaux de l’encre électronique imprimée, des procédés de durcissement et de frittage sont nécessaires. Pour certains matériaux, la température de frittage peut être très élevée, limitant la plage de sélection des matériaux substrats. De plus, les propriétés du matériau fritté et durci sont généralement difficiles à restaurer pour retrouver les propriétés originales du matériau solide, telles que la conductivité.

(5) En raison des différences entre les dispositifs électroniques imprimés et les dispositifs microélectroniques traditionnels, les méthodes et logiciels de conception microélectronique existants ne peuvent pas être appliqués directement à la conception d’électronique imprimée.

La croyance que les imprimeurs traditionnels peuvent directement passer à l’électronique imprimée, ou que les circuits imprimés peuvent être fabriqués par des méthodes d’impression (note : les circuits imprimés traditionnels et les PCB ne sont pas fabriqués par impression), sont toutes des idées fausses sur l’électronique imprimée dans les industries traditionnelles. La technologie d’impression requise pour l’électronique imprimée est bien plus complexe que celle des journaux, incluant la compatibilité de l’encre électronique et la précision de l’enregistrement de l’impression électronique multicouche. Actuellement, la conductivité et la précision des encres conductrices imprimées n’ont pas encore atteint les exigences des PCB traditionnels.

L’application la plus attrayante de l’électronique imprimée, à savoir les transistors imprimés, est encore loin d’être pratique. Actuellement, certains produits sont développés en utilisant des encres semi-conductrices organiques ou inorganiques pour préparer des transistors, mais la plupart reposent encore sur des procédés traditionnels comme la lithographie pour obtenir des structures graphiques de transistors, et ne sont pas vraiment des transistors entièrement imprimés. De nombreux problèmes techniques restent encore à résoudre concernant la stabilité et l’emballage des produits de cellules solaires imprimées.

Deuxièmement, l’électronique imprimée doit concurrencer l’électronique traditionnelle sur le marché. Les produits électroniques imprimés ont leurs propres formes (flexibles, à base de plastique, papier), mais présentent aussi des inconvénients en termes de performance. Prenons les étiquettes RFID comme exemple : les puces RFID traditionnelles mesurent moins d’un millimètre carré et peuvent intégrer des dizaines de milliers de transistors. La RFID imprimée, à part l’antenne imprimée, ne peut imprimer qu’environ mille transistors sur une surface d’étiquette limitée, si bien que ses performances sont naturellement bien inférieures à celles des puces RFID intégrées à des dizaines de milliers de transistors. De plus, des puces RFID aussi petites que des graines de sésame peuvent également être installées sur des antennes RFID flexibles pour obtenir des étiquettes RFID flexibles. Ainsi, le défi auquel est confronté la commercialisation de l’électronique imprimée est de créer des produits différenciés qui offrent aux utilisateurs de nouvelles expériences utilisateur pouvant compléter les technologies microélectroniques existantes.

L’électronique imprimée ne gagne un avantage sur la concurrence sur le marché qu’en créant un produit révolutionnaire et sans précédent ou rentable. Un cas réussi est le film conducteur transparent à grille métallique nano-argentée mixte, produit en masse par Nanchang OFILM. Parce que ce nouveau film conducteur transparent pour écrans tactiles est plus conducteur et sensible que le film conducteur transparent ITO, et que le coût de fabrication est plus faible, il peut rapidement ouvrir le marché. Mais cela ne concerne que les grands écrans tactiles. Dans le domaine des écrans tactiles des téléphones portables, en raison de la petite taille de l’écran, les inconvénients de l’ITO à haute impédance ne sont pas évidents. De plus, les fournisseurs d’ITO font face à la concurrence de la part de matériaux non-ITO et ont adopté des stratégies de réduction de prix significatives, rendant extrêmement difficile l’entrée de films conducteurs métalliques transparents à la grille sur le marché des écrans tactiles pour téléphones mobiles. Il convient de noter que la caractéristique à faible coût de l’électronique imprimée ne peut être réalisée que par la production de masse. L’électronique imprimée produite en petits lots ne peut pas atteindre un faible coût. Par conséquent, si vous ne produisez pas en vrac, vous n’aurez peut-être pas d’avantage sur le marché.