Des chercheurs de l'Université de Grenoble Alpes ont développé une méthode d'impression de l'électronique dans une étiquette RFID 13,56 MHz Near Field Communication (NFC), utilisant des encres métalliques sur du papier PowerCoat. Le système a été testé avec deux méthodes d'impression et trois procédés de frittage pour l'encre conductrice afin de créer l'antenne en boucle de l'étiquette. Le travail a été mené avec le chercheur Mohamed Saadaoui, de l'Ecole des Mines de Saint-Etienne, Centre de Microélectronique de Provence, à Gardanne.
La recherche a été menée comme une thèse de doctorat pour Victor Thénot, parrainé par la société de papier Arjowiggins, en utilisant PowerCoat, une marque de produits de papier Arjowiggins conçu pour l'impression de circuits électroniques.
Le projet, intitulé «Impression et frittage sélectif des encres métalliques sur papier, optimisation des propriétés électriques des boucles RFID-HF pour la production industrielle», utilise un substrat de papier lisse conçu spécifiquement pour les élections imprimées. La thèse de doctorat de Thénot s'est déroulée en juillet 2017 et est maintenant publiée sous forme de papier.
La plupart des étiquettes NFC et autres étiquettes RFID passives sont construites à partir d'antennes gravées en cuivre ou en aluminium et d'une puce appliquée sur des substrats en polyimide ou en PET, PEN ou PVC. En variante, si l'électronique est imprimée, cela est typiquement accompli en utilisant des encres conductrices sur un substrat en plastique. Cependant, les chercheurs de Grenoble Alpes notent que les versions imprimées et non imprimées des étiquettes, avec le substrat en plastique, ont une empreinte carbone significative.
Le groupe a cherché un moyen de fournir une solution renouvelable, explique Denis Curtil, ingénieur de recherche à l'Université de Grenoble Alpes, avec des étiquettes RFID imprimées sur papier, qui offraient un bon rendement. Ils ont conçu le système d'étiquettes imprimables pour offrir aux fabricants d'étiquettes une alternative papier aux matériaux plastiques, non recyclables, généralement utilisés dans les étiquettes RFID, dit-il.
Selon les chercheurs, les fibres de cellulose présentes dans le papier constituent le polymère le plus abondant sur Terre et constituent une source renouvelable pouvant servir de substrat pour l'électronique imprimée. «Le substrat étant du papier, cette ressource est biosourcée, renouvelable et recyclable», explique Nadège Reverdy-Bruas, professeur associé à l'Université de Grenoble Alpes et responsable du projet. "Un autre avantage est son faible coût par rapport à d'autres substrats dédiés à l'électronique imprimée."
Les chercheurs de Grenoble Alpes ont eu besoin que le papier supporte un échauffement allant jusqu'à 180 degrés Celsius pendant le traitement. L'équipe a utilisé un procédé de frittage après l'application d'encre pour rendre l'encre sur le papier conductrice, sans nécessiter de chaleur supérieure à 180 degrés. Les chercheurs ont utilisé deux procédés pour imprimer les étiquettes - sérigraphie et flexographie - créant dans chaque cas une boucle d'antenne NFC avec un motif à quatre tours. Ils ont ensuite mesuré les propriétés géométriques de l'étiquette, telles que l'épaisseur, et testé les performances électriques.
Dans le cas de la sérigraphie, l'antenne a été imprimée sur du papier PowerCoat à l'aide d'une imprimante ASM SMT Solutions DEK Horizon 03i avec un tamis en polyester. Les étiquettes qui en résultent, dit Reverdy-Bruas, se sont avérées être la meilleure qualité pour les encres de microparticules, en termes de performance électrique.
Le processus de rouleau à rouleau flexographique se composait d'un cylindre gravé anilox avec une encre fluide. Dans ce procédé, l'encre a été transférée sur une plaque d'impression (photopolymère en relief), puis sur le substrat en papier. «L'un des avantages de ce procédé, explique M. Curtil, est qu'il est largement utilisé pour l'emballage et l'étiquetage sur papier et plastique.
La version flexographique se composait d'une machine à bobines avec une bobine de 30 centimètres de large et de deux séchoirs à air chaud, ainsi que de transducteurs infrarouges et Adphos-NIR à une vitesse de 8 mètres par minute. Cependant, la qualité de cette méthode était la plus faible des trois. Le résultat final, les performances électriques obtenues, était légèrement inférieur à celui de la sérigraphie utilisant des microparticules.
Le frittage a bien fonctionné sur le papier, les chercheurs ont déterminé. Les étiquettes NFC n'ont pas répondu à l'interrogation à la sensibilité d'une étiquette gravée chimiquement; Cependant, selon M. Curtil, il fonctionnait encore assez bien pour permettre la plupart des applications NFC dans lesquelles une étiquette serait lue via le lecteur NFC intégré d'un smartphone.
Avec cette méthode d'impression NFC sur papier, dit Reverdy-Bruas, les étiquettes qui en résultent seraient non seulement moins chères et plus renouvelables que les versions en plastique, mais pourraient également être plus facilement intégrées dans les produits en papier. "Il devient désormais possible d'intégrer l'intelligence dans tous les médias imprimés", déclare-t-elle.
