Bio-based benzoxazine electrically conductive adhesives for sustainable and epoxy-free hybrid printed electronics
Cette étude présente un adhésif conducteur anisotrope à base de benzoxazine biosourcé et durable qui atteint des performances électriques et une fiabilité comparables aux systèmes époxy commerciaux tout en offrant des températures de durcissement plus basses, une toxicité réduite et un potentiel de réchauffement climatique plus faible.
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L'électronique moderne repose sur de minuscules ponts invisibles pour connecter les composants qui permettent à nos appareils de fonctionner. Dans le monde des circuits imprimés, où des capteurs et des puces délicats sont montés sur des feuilles flexibles de plastique ou même de papier, ces ponts sont souvent fabriqués à partir d'une colle spéciale appelée adhésif conducteur électrique. Cette colle doit accomplir deux tâches difficiles simultanément : elle doit maintenir fermement les pièces en place et elle doit permettre à l'électricité de circuler à travers elle dans une direction spécifique pour compléter un circuit. Pendant des décennies, l'industrie s'est appuyée sur des colles à base d'époxy, une résine plastique courante. Bien qu'efficaces, ces colles traditionnelles ont un côté sombre. Elles nécessitent souvent des produits chimiques toxiques pour leur fabrication, peuvent provoquer des réactions allergiques chez les travailleurs qui les manipulent, et doivent être conservées dans des congélateurs pour éviter qu'elles ne durcissent trop tôt. De plus, elles contiennent souvent des charges métalliques nocives pour l'environnement. Alors que la poussée vers une technologie plus verte s'intensifie, les scientifiques recherchent un liant qui soit plus sûr, plus facile à utiliser et dérivé de la nature plutôt que du pétrole.
Une équipe de chercheurs de RISE Research Institutes de Suède et de Joanneum Research en Autriche a développé un nouveau type de colle conductrice qui répond à ces problèmes. Au lieu d'utiliser de l'époxy, ils se sont tournés vers une classe de matériaux appelés benzoxazines, qui peuvent être fabriqués à partir de sources biosourcées. Plus précisément, ils ont créé un mélange utilisant une molécule dérivée de l'acide diphénolique, une substance présente dans les déchets de l'industrie du bois, combinée à une amine à longue chaîne. Cette combinaison crée un liant qui durcit à une température bien plus basse que les benzoxazines traditionnelles, ce qui le rend sûr pour une utilisation sur des matériaux sensibles à la chaleur comme les fins films plastiques utilisés dans l'électronique moderne. Pour rendre la colle conductrice, les chercheurs y ont mélangé de minuscules sphères métalliques. Après avoir testé plusieurs options, notamment le zinc et le fer, ils ont constaté que les sphères de cuivre fonctionnaient le mieux. Le mélange final, contenant trente-cinq pour cent de cuivre en poids, a formé une liaison qui permettait à l'électricité de circuler verticalement entre les couches tout en l'empêchant de se propager latéralement, une caractéristique cruciale pour prévenir les courts-circuits dans les composants électroniques minuscules.
Les chercheurs ont soumis ce nouvel adhésif à une série de tests rigoureux pour voir s'il pouvait remplacer la norme actuelle de l'industrie. Ils ont monté de minuscules puces informatiques sur du papier et sur un film plastique durable connu sous le nom de Kapton, en utilisant un outil chauffant pour presser les composants en place. La colle s'est comportée remarquablement bien, créant des connexions électriques tout aussi solides et conductrices que celles réalisées avec un produit commercial leader à base d'époxy. En fait, la nouvelle colle maintenait les composants si fermement que lorsqu'ils ont tenté de retirer les puces, le substrat en papier s'est déchiré avant que la colle ne cède. Cela a démontré que la liaison était non seulement électriquement saine, mais aussi mécaniquement robuste. L'équipe a également soumis les composants collés à des conditions difficiles, notamment une chaleur et une humidité élevées, ainsi qu'à des changements de température rapides conçus pour simuler des années d'usure en quelques semaines seulement. L'adhésif est resté stable tout au long du processus, ne montrant aucun signe de dégradation ou de perte de connexion électrique.
Au-delà de la performance, l'étude a examiné le coût environnemental de la production de ce nouveau matériau. En comparant la nouvelle colle biosourcée à un adhésif commercial à base de nickel, les chercheurs ont calculé la quantité de dioxyde de carbone émise lors de sa création. La version biosourcée a produit nettement moins de dioxyde de carbone, avec une empreinte de 5,48 kilogrammes par kilogramme de colle, contre 6,27 kilogrammes pour l'alternative commerciale. L'étude suggère que cet avantage environnemental pourrait être encore plus important si le processus de fabrication était exempt de solvants et si le cuivre utilisé provenait de matériaux recyclés. Ce travail confirme qu'il est possible de créer des adhésifs électroniques de haute performance sans dépendre des époxys toxiques ou des métaux nocifs pour l'environnement. En prouvant qu'une colle biosourcée à basse température peut égaler la fiabilité des produits commerciaux actuels, cette recherche ouvre la voie à un avenir plus durable pour l'assemblage des composants électroniques qui alimentent nos vies quotidiennes.
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