EP3692208A1 - Procede de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel, installation pour la mise en oeuvre de ce procede - Google Patents

Procede de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel, installation pour la mise en oeuvre de ce procede

Info

Publication number
EP3692208A1
EP3692208A1 EP18793252.0A EP18793252A EP3692208A1 EP 3692208 A1 EP3692208 A1 EP 3692208A1 EP 18793252 A EP18793252 A EP 18793252A EP 3692208 A1 EP3692208 A1 EP 3692208A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inks
printing
functional
fibrous mat
optionally
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18793252.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Denis Curtil
Didier Chaussy
Davide Beneventi
Lara GAULIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut Polytechnique de Grenoble filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3692208A1 publication Critical patent/EP3692208A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H21/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties
    • D21H21/14—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its function, form or properties; Paper-impregnating or coating material, characterised by its function, form or properties characterised by function or properties in or on the paper
    • D21H21/40—Agents facilitating proof of genuineness or preventing fraudulent alteration, e.g. for security paper
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0393—Flexible materials
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H11/00—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only
    • D21H11/16—Pulp or paper, comprising cellulose or lignocellulose fibres of natural origin only modified by a particular after-treatment
    • D21H11/20—Chemically or biochemically modified fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H15/00—Pulp or paper, comprising fibres or web-forming material characterised by features other than their chemical constitution
    • D21H15/02—Pulp or paper, comprising fibres or web-forming material characterised by features other than their chemical constitution characterised by configuration
    • D21H15/10—Composite fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H25/00—After-treatment of paper not provided for in groups D21H17/00 - D21H23/00
    • D21H25/04—Physical treatment, e.g. heating, irradiating
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H27/00—Special paper not otherwise provided for, e.g. made by multi-step processes
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21J—FIBREBOARD; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM CELLULOSIC FIBROUS SUSPENSIONS OR FROM PAPIER-MACHE
    • D21J3/00—Manufacture of articles by pressing wet fibre pulp, or papier-mâché, between moulds
    • D21J3/12—Manufacture of articles by pressing wet fibre pulp, or papier-mâché, between moulds of sheets; of diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0386—Paper sheets
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/12—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns
    • H05K3/1208—Pretreatment of the circuit board, e.g. modifying wetting properties; Patterning by using affinity patterns
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/12—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns
    • H05K3/1275—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns by other printing techniques, e.g. letterpress printing, intaglio printing, lithographic printing, offset printing
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/16—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistors, capacitors or inductors
    • H05K1/162—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistors, capacitors or inductors incorporating printed capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/01—Dielectrics
    • H05K2201/0137—Materials

Definitions

  • the field of the invention is that of the manufacture of functional circuits or cards whose support is based on paper and which are capable of carrying, circulating and / or processing a signal, in particular an electrical signal. in the case of printed electrical circuits or electronic cards.
  • the invention relates to the manufacture on an industrial scale of printed circuits / electronic cards on flexible and cellulosic supports.
  • the invention also relates to objects resulting from such manufacture, including electronic cards comprising electroconductive tracks and electronic components, printed on a paper-based support.
  • these supports consist of rigid composites, produced by impregnation of a fibrous substrate, for example paper, an epoxy resin or a phenolic resin.
  • a fibrous substrate for example paper, an epoxy resin or a phenolic resin.
  • These composites have the disadvantage of being relatively expensive in terms of production and recycling, and moreover, of being thermally unstable.
  • the dielectric constant of these composites is not optimal, especially in view of the difficulties of their production.
  • US6042936A thus describes a substrate formed by a nonwoven fibrous mat comprising wood pulp, a flocculation agent formed by a cationic polyacrylamide and a low-dielectric charge constituted by hollow glass microspheres.
  • This flexible fibrous substrate is converted into a flat rigid support by impregnation to saturation, with a phenolic or epoxy resin, which crosslinks.
  • a whole electronic technology printed on paper has been developed, which aims to be simpler and more economical and which can be implemented on very large surfaces.
  • paper and more precisely cellulose is a dielectric, i.e. an insulator, not electrically inert, which has on the atomic scale electrostatic dipoles that interact with external electromagnetic fields.
  • the magnitude that characterizes dielectrics is the electrical permittivity, which describes the polarization of the material.
  • the paper can be coated or uncoated.
  • Uncoated paper has been found to be poorly suited to performing electroconductive printing because the roughness and porosity of uncoated paper is very important. This induces a discontinuity of the electroconductive tracks which thus have a relatively low conductivity. Such a finding is made on page 6, 5th paragraph of the patent FR3012153 Bl.
  • coated papers have pigment layers bound with a synthetic latex, which decreases their porosity and surface roughness.
  • the printing of such coated papers with electroconductive inks is not satisfactory because the coated papers can not withstand thermal treatments, which are nevertheless essential for the annealing of inks. electroconductive implementation.
  • these coated papers have this annoying they turn yellow from 140 ° C.
  • FR3012153 B1 proposes a paper comprising a fibrous substrate comprising at least one face covered with at least one layer, said layer comprising or consisting of:
  • thickening agent such as polyvinyl alcohol.
  • Such a paper intended for printed electronics remains defective, in particular because of its cost, its thermal resistance (yellowing) perfectible and their insufficient dimensional stability (dimensional deformations or shrinkage during annealing at high temperature).
  • the present invention aims to satisfy at least one of the objectives set out below.
  • One of the essential objectives of the present invention is to provide an improved method of manufacturing a flexible cellulosic support comprising at least one functional circuit and / or comparable to at least one functional card, this circuit and / or this card being likely to be carrier (s), to circulate and / or process a signal.
  • One of the essential objectives of the present invention is to provide an improved and simple process for the production of a flexible cellulosic support comprising at least one electrical / electronic circuit printed and / or comparable to at least one card. electronic.
  • One of the essential objectives of the present invention is to provide an improved method of manufacturing a functional cellulosic flexible support (printed electronics) which can easily produce industrially, multilayers incorporating one or more levels of electrical circuits or electronic cards
  • One of the essential objectives of the present invention is to provide electronic objects such as electronic cards, reliable, efficient, economical and robust, by implementing the method as referred to in one of the above objectives.
  • One of the essential objectives of the present invention is to provide a simple and economical installation for the implementation of the method as referred to in one of the above objectives.
  • a method of manufacturing a flexible cellulosic support comprising at least one functional circuit and / or comparable to at least one functional card, this circuit and or this card being capable of being carrier (s), to circulate and / or to process a signal, in particular an electrical signal in the case of printed electrical circuits or electronic cards, characterized in that it consists essentially of: a) preparing or implementing an aqueous fibrous suspension comprising pulp and / or pulp (micro / macro) cellulose fibrils;
  • step f) optionally at least partially remove the water contained in the fibrous mat optionally coated according to step e);
  • g) optionally, coating the printed face of the fibrous batt with at least one layer of inorganic pigments and binders; h) optionally, printing one of the faces of the support that can be obtained at the end of at least one of the steps e) to g), by means of at least one functional ink capable of transmitting, emitting and / or at least one signal processing, to achieve at least one topography comprising at least one signal flow path optionally at least one component capable of acting on the signal.
  • the process according to the invention is particularly efficient and advantageous in that it consists in printing functional inks, for example conducting (silver or carbon base solvents or water), on a sheet of paper or film of wet cellulose microfibrils. course of manufacture followed by encapsulation of the printed circuit by superposition of a second sheet of paper or film of wet cellulose microfibrils. The bilayer or complex paper is then consolidated by compression and drying under stress.
  • functional inks for example conducting (silver or carbon base solvents or water
  • the print sequence [step d)] / lamination [step e)] in the wet state can be repeated several times, to obtain multilayer structures with 3D circuits embedded in a sheet of paper.
  • the method makes it possible not to resort to lamination processes requiring the use of adhesives (gluing).
  • the deposited functional inks can not be discharged into liquid effluents, which is a substantial environmental benefit.
  • the final product is in the form of a flexible paper sheet, having a thickness of a few hundred microns, with a network of functional tracks, for example conducting, embedded in the mass.
  • the subject of the present invention is:
  • a flexible cellulosic support comprising at least one functional circuit and / or comparable to at least one functional map, mono or multilayer, obtainable by the process according to the invention characterized by a thickness of between 100 and 500 ⁇ , preferably between 200 and 400 ⁇ .
  • An electronic card manufactured by the process according to the invention characterized in that it consists of a sandwich capacitor grid each formed at the intersection of electroconductive tracks P1, P2 forming the gate.
  • This electronic card is also characterized in that the gate comprises N PI tracks and N tracks P2, in that the N PI tracks are each capable of being connected to one of the terminals of an electrical generator (voltage of entry), in that the N tracks P2 may each be connected to a device for measuring the output voltage, so as to evaluate the variation of the capacitance of each capacitor, in response to the supply of moisture to said capacitor, this contribution of moisture is preferably effected by touching a human finger or by blowing air exhaled by a human mouth.
  • this electronic card is also characterized in that it constitutes a keyboard of an electronic device, preferably a computer, a digital tablet or a smartphone.
  • At least one papermaking system preferably of the type specified in IS05269 (Rapid Kôten method), or
  • At least one paper machine comprising a headbox, a drip-cloth - preferably a flat-table -, a section of presses, a dryer and a winder;
  • non-contact deposit / printing system in particular by extrusion, spray or inkjet or "jetting”; and / or a contact deposition / printing system, in particular by screen printing, preferably rotary screen printing, flexography, pad printing, gravure printing, or offset printing;
  • At least one functional ink selected from inks composed of at least one low-polarity solvent and slightly miscible in water, preferably in the group comprising - ideally consisting of: - colored inks, electrically conductive inks, inks thermally conductive, semiconductor inks, insulating inks, magnetic inks, dielectric inks, ... and mixtures thereof.
  • kit for implementing the method according to the invention characterized in that it comprises all or part of the installation according to the invention.
  • any singular denotes indifferently a singular or a plural.
  • Cellulosic comprising cellulose fibers and / or fibrils
  • Paper pulp aqueous suspension of cellulosic fibers or a mixture of cellulosic fibers and / or mineral particles such as talc, kaolin, calcium carbonate and / or synthetic fibers such as glass fibers, made of polymeric material and regenerated cellulose (viscose type or more generally obtained via a process of dissolution and spinning of cellulose pulp).
  • Cellulose fibril paste aqueous suspension of macro and / or micro fibrils of cellulose.
  • Weight fibrous mattress a layer of cellulosic fibers whose dryness is at least 3%.
  • solvent with low polarity aprotic solvent or aprotic solvent of dipole moment ⁇ ⁇ 2 D (debye).
  • the method according to the invention is part of a discontinuous manufacture of paper involving at least one disperser, at least one filtration / drainage column equipped with at least one filtering fabric, at least one calibrated cylinder (for example 3kg) compression (pressing) and a device for drying the sheet under stress.
  • the method according to the invention is part of an industrial continuous manufacture of paper involving a paper machine comprising at least one head box, at least one drip sheet - preferably flat table - At least one section of presses, at least one dryer and at least one coiler.
  • the fibrous mat can be prepared according to the methods of preparation described in ISO-5269. In particular, it may be the so-called “German” method or "Rapid Kôthen".
  • this fibrous mat could be obtained by all types of techniques using a filtration dewatering system.
  • the suspension implemented in step a) has a solids concentration of between 0.1 and 1% by weight, preferably between 0.2 and 0.5% by weight. .
  • the cellulosic fibers used are characterized by a degree of refining of between 20 and 80 ° SR, preferably between 30 and 70 ° SR, and still more preferably 40 to 60 ° SR.
  • This fibrous suspension may be, for example, a bleached softwood kraft pulp, or else an unbleached softwood kraft pulp, a bleached kraft hardwood pulp, an unbleached hardwood kraft pulp.
  • the production of the wet fibrous mat according to step b), is performed in the front filtration column which distributes the suspension of step a) over the width of the filter cloth.
  • the production of the wet fibrous mat according to step b) is performed by the headbox which distributes the suspension of step a) over the width of the drip sheet.
  • Step c) of dewatering, preferably by filtration, of the cellulosic fiber suspension of step b) takes place on the filter cloth.
  • the dryness of the fibrous mat at the end of the dewatering (c), preferably by filtration, in% by weight and in a preferably increasing order, is between 1 and 60; 1 and 40; 10 and 20; 5 to 20; 10 to 15.
  • This dripping of step (c) is preferably carried out on a fabric of the type used in the manufacture of paper.
  • this dewatering could be a filtration carried out using any type of fabric, membrane or filter having a cut-off point of between 1 and 200 ⁇ . It is also appropriate, in accordance with the invention, for this wet fibrous mat to have a dry matter surface density of between 30 and 100 g / m 2 , preferably between 40 and 80 g / m 2 , and more preferably still between 50 and 70 g / m 2 .
  • the dewatering c) is carried out in practice, by means of vacuum pumps which will suck through the fabric a certain proportion of the water supplied by the preparation.
  • This type of formation on a canvas causes an asymmetry in the thickness of the sheet.
  • the two faces, called the canvas side and the felt side respectively, can be distinguished on a sheet of paper, the canvas side being the one that has been in contact with the latter during the distribution of the dough.
  • This dissymmetry can be reduced if the formation of the sheet is between two canvases or by hybrid industrial formation systems on very short flat table and between two canvases.
  • the pressing c ' can be carried out by means of pressing rolls (calenders).
  • the printing according to step d) is carried out by depositing the functional ink on one of the faces of the fibrous mat, after disappearance of the surface water film, during the dewatering of step (c), this phenomenon being at an overall dryness of the fibrous mattress greater than 1% by weight and less than or equal to 30% by weight, preferably 15% by weight.
  • the surface fibers are no longer covered with a film of water and the appearance of the surface of the fibrous mat becomes dull.
  • This modification of the optical reflection of the surface can in particular be apprehended by an objective measurement of the gloss which is carried out by illuminating the surface with a point source, and by measuring the intensity of the ray reflected at angles fixed by convention. In this case, a drastic drop in gloss is observed after the passage of the water line.
  • the ink deposit (s) functional (s) / printing is performed:
  • non-contact deposition / printing process in particular by an extrusion process, a spray process or an inkjet or jetting process;
  • a contact deposition / printing process in particular by a screen printing process, preferably rotary screen printing, a printing method, a pad printing method, a gravure printing process, or an offset process.
  • the functional ink is preferably an ink composed of at least one solvent of low polarity and poorly miscible with water, this ink being suitably selected from the group comprising - ideally consisting of -: colored inks, inks electrically conductive, thermally conductive inks, semi-conductive inks, insulating inks, magnetic inks, ... and mixtures thereof.
  • the electrically conductive inks are advantageously either inks based on organic polymers (organic inks), or inks based on metal particles (inorganic inks), or inks based on carbon.
  • the organic ink may for example be composed of small molecules or polymers:
  • PEDOT-PSS mixture of two polymers, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and poly (sodium styrene sulfonate (PS S)
  • Inorganic inks are for example inks based on conductive metal particles: silver, gold, nickel, platinum or palladium ...
  • the metals are present in the ink in the form of microparticles or nanoparticles spherical, tubular, planar ...
  • Inks based on carbon are, for example, inks based on carbon nanotubes, possibly doped with carbon black.
  • All these functional inks are preferably composed of at least one solvent of low polarity and poorly miscible in water.
  • inks whose solvent is non-aqueous, for example organic.
  • they may be glycol ethersters (especially acetates) such as 1-methoxy-2-propyl acetate. This solvent avoids the spreading of the ink on the wet fibrous mat after printing, a consequence of physicochemical affinities.
  • inks advantageously contain a water-miscible co-solvent, for example a compound of the family of glycol ethers such as (2-butoxyethoxy) ethanol for:
  • a water-miscible co-solvent for example a compound of the family of glycol ethers such as (2-butoxyethoxy) ethanol for:
  • - Adapt the viscosity of the ink to the printing process.
  • fluidifying the ink for processes such as spray, inkjet, jetting or flexography.
  • All these inks are characterized by a viscosity after significant printing, for example greater than or equal to 10, 15 or 20 Pa.s, minimizing the penetration by capillary effect of the ink in the fibrous mat during the pressing step.
  • the viscosity of these inks is adapted to the printing process used.
  • they may be Newtonian inks with a viscosity of between 5 and 100 mPa.s or rheo-fluidizing inks with a viscosity at 1 s (-1) of between 20 and 500 Pa.s and a viscosity at 1000 s (-l) of between 0.5 and 10 Pa.s.
  • the viscosity and the rheological behavior are measured with a cone-plane or plane-plane rheometer (depending on the type of inks characterized) of the Anton Paar MCR-302 rheometer type.
  • This step e) which occurs when one wants to achieve a flexible support structure in "sandwich", consists of superimposing at least one wet layer on the printed face of the fibrous mat.
  • this fibrous layer can be carried out by superposition of at least one mattress wet fiber, preferably prepared in accordance with the preparation methods described in ISO-5269. In particular, it may be the so-called “German” method or "Rapid Kôthen".
  • this fibrous layer can be carried out on multilayer type paper machines consisting of several forming systems (headbox and filtering fabric) in parallel.
  • step f) involves the elimination of water, which is preferably decomposed as follows:
  • a thermal post-treatment preferably at a temperature greater than or equal to 180 ° C, and more preferably still between
  • the pressing is preferably carried out in accordance with what may occur in the section of the presses of a paper machine, to pressurize the water contained in the wet fibrous mat printed or uncoated with at least one fibrous wet layer, printed or not. This operation is intended to give the sheet some resistance and to reduce the maximum water before arriving in drying.
  • the press can be of different types, either simply covered with absorbent material, the felt, or be more perforated to be able to suck some of the water, or be grooved or have an intermediate plastic cloth. f.2.
  • the drying may advantageously be of the type found in the dry part of a paper machine.
  • This step is controlled so as to give the printed flexible support, desirable mechanical properties: rigidity, tensile strength, tear or burst, or dimensional stability. f.3.
  • the thermal post-treatment can be for example a high temperature and low pressure calendering.
  • This step consists in coating the printed face of the fibrous mat with at least one layer consisting of inorganic pigments and binders.
  • this step is carried out by means of a spray nozzle, or more generally by coating techniques without contact type curtain coating, coating by air knife,
  • the inorganic pigments are chosen from the group comprising: talc, calcium and / or magnesium carbonate, kaolin and more generally any type of pigment belonging to the family of metal oxides, sulphates and silicates.
  • binders they are preferably selected from synthetic latices (styrene-butadiene or polyvinyl alcohol type), binders of natural origin such as starches, celluloses such as carboxymethylcellulose, polylactic acid, animal or vegetable origin (eg casein, soy, ).
  • This optional step (h) may complete the printing step (d). It is therefore necessary to print one of the faces of the support resulting from at least one of the steps e), f), g), by means of at least one functional ink capable of transmitting, transmitting and / or to process at least one signal, to achieve at least one topography comprising at least one signal flow path optionally at least one component capable of acting on the signal.
  • step (d) described above apply mutatis mutandis at this step (h).
  • This "stripping" step is carried out in the case where a coating / encapsulation of the printed face of the basic wet fibrous mat obtained in step c) or of the face has been performed. printed with a coating / encapsulation layer of step (e).
  • the method of manufacturing flexible paper media functional-for example electronic-perhaps a continuous industrial process, online.
  • the flexible functional supports obtained can also be packaged on reels, as is done in paper manufacturing.
  • These coils can be mother rolls which can then be unwound and split into daughter rolls, with the characteristics required by the end user (length, diameter, regular tension, dust free slice, conforming chuck, traceability, visible splices).
  • the daughter reels are likely to be transformed into sheets or format with a specific and determined width and length, corresponding to the specifications of functional printed circuits / functional cards, for example electronic, targeted.
  • the manufactured object is an electronic card comprising at least one printed circuit and at least one electronic component, the latter being preferably an interdigital capacitor or a sandwich capacitor.
  • N electroconductive parallel PI tracks are printed on a wet fibrous mat during step d)
  • step d) is reproduced by printing on the free face of the wet fibrous layer, N parallel electroconductive parallel tracks P2, perpendicular to the tracks P1,
  • step e) / step d)] is repeated an integer number of times, step f) occurring at the end of at least part of the sequences and / or at the end of the last sequence.
  • the average basis weight of these flexible supports is for example between 10 and 200 g / m 2 , preferably 30 and 100 g / m 2 , and more preferably 50 and 70 g / m 2 .
  • the relative electrical permittivity of these flexible supports is for example between 1 and 10, preferably 2 and 8, and more preferably 3 and 5. This relative electrical permittivity is measured according to standard ASTM D150-11, Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity (Dielectric).
  • the process according to the invention which is a process for printing or even encapsulating functional inks on a flexible multilayer single-layer paper medium, opens doors in many technical fields, and in particular that of printed electronics.
  • the electroconductive functional inks of the supports obtained by the process form an integral part of said supports.
  • Patterns or printed topographies may include not only conductive tracks (printed circuit boards), but also electronic components such as resistors, capacitors, diodes, transistors, LEDs, chips, microcontroller sensors, and other processors.
  • These electronic components can be exogenous and then integrated into the electronic boards constituted by the flexible supports according to the invention, but it is also possible, by printing topographies and patterns, with conductive inks, within the support, to use the electrical characteristics. paper to produce endogenous electronic components.
  • the functional flexible media thus obtained become completed electronic devices capable of interacting with end users.
  • another of these objects resulting from the process may be an electronic card manufactured by the method of the invention, characterized in that it consists of a sandwich capacitor grid each formed at the intersection of the tracks PI and P2.
  • this electronic card is characterized in that the N tracks PI are each connectable to one of the terminals of an electrical generator (input voltage), in that the N tracks P2 are each capable of being connected to an output voltage measuring apparatus, so as to evaluate the variation of the capacitance of each capacitor, in response to the supply of moisture to said capacitor, this supply of moisture being effected preferably by touching a human finger or by blowing air exhaled by a human mouth.
  • This electronic card is therefore usable for touch detection applications. More precisely, the intended application and the use of the dielectric characteristics of the paper support to create humidity variation sensors, in order to activate areas of the paper support. The goal is to get a responsive keyboard to the breath or touch of the user.
  • Such an electronic card can thus constitute according to the invention, a keyboard of an electronic device, preferably a computer, a digital tablet or a smartphone.
  • the objects resulting from the process according to the invention or capable of being can also be intelligent packaging, safety packaging, medical packaging, in which encapsulated encapsulated antennas can be encapsulated. RFID, magnetic tapes, or humidity sensors.
  • the functional inks deposited in the paper base of the support according to the invention are tracers (colored, magnetic, resistive) which remain hidden in the structure of the paper support, this opens the way to papers with specific signatures for "secure papers” applications.
  • A2 For the application described in A1 above as for others, a high conductivity is not necessary.
  • the invention thus makes it possible to develop inexpensive aqueous inks that can be sprayed.
  • Functional flexible support for the measurement of charge distribution in particular via: (i) printing and encapsulation of flat capacitors for the production of sensitive floor coverings, (ii) printing and encapsulation in cartons for packaging, interdigitated capacitors that can be used as strain gauges.
  • Conductive functional flexible support obtained by depositing a structured pattern or a continuous layer (flat) on the wet fibrous mat, which may be used in the manufacture potentially anti-static means or electromagnetic screens.
  • the present invention relates to two installations for the implementation of the characterized method.
  • non-contact deposit / printing system in particular by extrusion, spray or inkjet or "jetting”; and / or a contact deposition / printing system, in particular by screen printing, preferably rotary screen printing, flexography, pad printing, gravure printing, or offset printing;
  • At least one functional ink composed of at least one solvent of low polarity and poorly miscible in water, this ink preferably being chosen from the group comprising - ideally consisting of -: colored inks, electrically conductive inks, inks thermally conductive, semiconductor inks, insulating inks, magnetic inks, ... and their mixtures.
  • At least one paper machine comprising a headbox, a drip-cloth - preferably a flat-table -, a press section, a dryer and a winder;
  • a non-contact deposit / printing system in particular by extrusion, spray or inkjet or "jetting"; and / or a contact deposition / printing system, in particular by screen printing, preferably rotary screen printing, flexography, pad printing, gravure printing, or offset printing;
  • At least one functional ink composed of at least one solvent of low polarity and poorly miscible in water, this ink preferably being chosen from the group comprising - ideally consisting of -: colored inks, electrically conductive inks, inks thermally conductive, semiconductor inks, insulating inks, magnetic inks, ... and their mixtures.
  • Figures 2 and 3 attached show an embodiment of these facilities.
  • Figure 2 shows the fabrication of encapsulated circuits according to a batch laboratory method using a protocol for manufacturing the Rapid Kôten type fiber mat.
  • c2 pressing the wet fibrous mat,
  • (e) superimposing a second wet fibrous mat on the printed fibrous mat (f) stress drying the two-layer paper and annealing the ink.
  • Figure 3 illustrates a flat-table paper machine 30 comprising a head box 31, a flat-bed drip wire 32 (Fourdrinier), a printing system 33 (eg extrusion, jetting, screen printing, preferably rotary screen printing). , flexography ..), a press section 34, a dryer 35, a grill 36 and a coiler 37.
  • a flat-table paper machine 30 comprising a head box 31, a flat-bed drip wire 32 (Fourdrinier), a printing system 33 (eg extrusion, jetting, screen printing, preferably rotary screen printing). , flexography ..), a press section 34, a dryer 35, a grill 36 and a coiler 37.
  • the fibrous mat 38 travels on the drip cloth 32. The latter allows the disappearance of the film of water from the water line 39, out of the canvas 32
  • the present invention also relates to a kit for implementing the method.
  • This kit is characterized in that it comprises all or part of the installation according to the invention and all or part of the inks and / or components used in the manufacture according to the invention.
  • This kit which forms a packaging unit for sale, may also include an explanatory note for the implementation of the method using the installation and the inks and / or components contained in this kit.
  • Example 1 circuit printed with a carbon-based ink by means of a 3D printer and encapsulated: Figures la; lb; the; ld; the & lf.
  • Example 2 electronic card comprising, on the one hand, a printed circuit with a carbon-based ink by means of a screw pump with deposition nozzle, so as to form an interdigitated plane capacitor and 2 feed tracks an LED, and on the other hand, the encapsulated exogenous LED: Figures 4, 5 &6;
  • Example 3 electronic card comprising, on the one hand, a printed circuit with a carbon-based ink by means of a 3D printer, so as to form a matrix of encapsulated planar capacitors: grid of 4 x 4 tracks of feeding: Figures 7,8 &9;
  • FIG. 1a is a photograph showing carbon-based conductive ink deposition, using a modified Prusa 3D printer 13, on a wet fibrous mat according to step b) of the method implemented in FIG. Example 1;
  • FIG. 1b is a photograph of a part of the printed circuit and encapsulated in wet paper after pressing and drying, according to steps (f1) and (f2), respectively, of the method implemented in example 1 ;
  • FIG. 1a is a photograph of the printed circuit and encapsulated in wet paper after winding, produced according to the method implemented in Example 1;
  • Figure 1d is an optical microscope photograph Magnification 400 of a cross-section along the section line DD of Figure 1b;
  • FIG. 1a is a magnification 400 optical microscope photograph of a top view of the paper of FIG. 1b, encapsulating a printed circuit, showing abrasion stripping [step (i)] of a portion of the encapsulation, to release an electrical contact;
  • FIG. 1f is a photograph of a printed circuit and encapsulated, in accordance with the method according to the invention implemented in example 1, in which the printed circuit is a rectilinear electrically conductive track of width 3 mm in length 44 mm and in thickness 0.209 mm;
  • Figure 2 is a diagram showing an example of installation for the preferred mode of discontinuous implementation of the method according to the invention.
  • Figure 3 is a diagram showing an example of installation for a continuous mode of implementation of the method according to the invention.
  • FIG. 4 is a diagram of an element of the electronic card comprising, on the one hand, a printed planar sensor formed by an interdigital capacitor and conductive tracks for powering an LED, and on the other hand an LED component implanted in this printed circuit according to Example 3;
  • FIG. 5 is a curve giving the capacitance (pF) of the interdigitated capacitor of FIG. 4, as a function of time (s), before and after the contact between a human finger and the part of the paper encapsulation layer situated just at the plumb of the capacitor;
  • FIG. 6 is a photograph showing the touch of a human finger above the capacitor mentioned in the legend of FIG. 5, said capacitor forming part of an electronic card comprising several elements identical to that referred to in FIG. 4;
  • FIG. 6 is a diagram of an element of the electronic card comprising a matrix of flat capacitors formed at the intersection of 4x4 parallel tracks, conductive, printed and encapsulated, according to example 4 to form a tactile keyboard;
  • FIG. 8 is a curve giving the capacitance (pF) of a plane capacitor of the matrix of FIG. 7, as a function of time (s), before and after a point blast emitted by a human on the part of the layer of encapsulation in paper located just above said capacitor;
  • FIG. 9 is a general photograph from above of the electronic card forming a tactile keyboard, manufactured according to example 4 of implementation of the method according to the invention.
  • step (c ') Printing the wet fibrous mattress of step (c ') by conductive tracks using a volumetric dosing system (syringe type or micro-volumetric pump Moineau).
  • step (b) Superposition of a wet sheet previously prepared according to step (b).
  • step (b) Drying of the bilayer following the end of the ISO-5269 procedure.
  • i) Exposing the contacts by point abrasion of the superficial cellulosic layer.
  • a conical grinding wheel on a silicon carbide rod ie grinding wheel D 4.8 mm Dremel was used.
  • FIGURE 1 is a diagrammatic representation of FIG. 1 :
  • EXAMPLE 2 ELECTRONIC BOARD COMPRISING CAPACITORS IMPROVED PRINTED PLANS USEFUL AS A TOUCH SENSOR
  • Paper and more precisely cellulose is a dielectric, i.e. an insulator, not electrically inert: which has on the atomic scale electrostatic dipoles that interact with external electromagnetic fields.
  • the magnitude that characterizes dielectrics is the electrical permittivity, which describes the polarization of the material.
  • This example illustrates the operation, according to the invention, of paper as dielectric in interdigitated printed planar capacitors. More specifically, the porosity and the variation of the humidity of the paper have the effect of varying the capacitance of these capacitors.
  • a 314 cm 2 (20 cm diameter) circular wet fibrous mat was made by filtration / dewatering (Rapid Kôthen method), to obtain a dryness of about 10-15% and a solids content of approx. . 60 g / m 2 .
  • the fibrous mat is then pressed using a flexible roll of 3 kg (corresponding to a linear pressure of 15 kg / m).
  • a commercially available conductive ink carbon base non-aqueous solvent is deposited using a direct metering system by screw pump with a deposition nozzle of 400 ⁇ of internal diameter (distance nozzle-fibrous mattress about 300 to 500 ⁇ , speed of deposit about 200 mm / min)
  • each printed capacitor 1 comprises a positive comb 2 and a negative comb 3.
  • Each comb is formed by a rod 4.2 & 4.3, at the end of which perpendicular, interdigital teeth 5.1 and 5.2 extend. that is, nested within each other.
  • the circuit comprises parallel printed connectors 6 and 7 connected to an LED 8.
  • the tracks 4.2, 4.3, 5.1, 5.2 constituting the interdigital capacitor 1 and the connectors 6.7 of the LED have a width of 1 mm and a thickness of 400 ⁇ (before drying).
  • C ⁇ x S / d (1), where C is the capacity of the capacitor, ⁇ the relative dielectric constant of the separator (paper), S the section of the electrode and the distance between the electrodes;
  • Capacitor 1 is sized to reach a capacity of approx. 1 pF, which determines a spacing between the teeth 5.1 & 5.2 of the capacitor 1 of 500 ⁇ and a cumulative length of interdigital electrodes of 9 cm ( Figure 4).
  • the LED is positioned and a layer of wet fibrous mat (prepared according to steps a, b, c and c ') is superimposed in order to encapsulate the printed circuit boards Step (fl)
  • the mattress / circuit / encapsulation layer is pressed using a flexible roll of 3 kg (corresponding to a linear pressure of 15 kg / m)
  • the pressed mattress / circuit / encapsulation layer assembly is dried under stress (about 0.5 to 2 bar) at 95 ° C. for 20 minutes (Rapid Kôthen method, Franck type dryer, TAPPI T 205 reference standard).
  • the interdigitated capacitor thus produced shows a variation of more than 75% of the value of its initial capacitance (ie from 15 to 35 pF, FIG. 4), at the approach of a human finger (relative permittivity of the order of 60 ). This variation in capacitance value then makes it possible to very clearly detect the approach and touch of the sensor by a human finger.
  • Figure 5 shows that after touching the sensor, a time (about two seconds) is required for the evaporation / dispersion of the moisture in the fibrous structure of the paper to return to the initial state of the capacitor.
  • Example 2.1 is reproduced by integrating in each set of interdigital capacitor 1 / LED 8, an external controller (Arduino MEGA 2560) allowing the supply of LED 8 when the capacity of the capacitor varies significantly (a detection threshold is fixed at about 25 pF, so as not to detect the small variations generated by external parasites).
  • an external controller Arduino MEGA 2560
  • the use of the LED 8 simply illustrates the activation of the sensor (see Figure 6). It is important to note that this circuit is completely integrated with the paper.
  • EXAMPLE 3 ELECTRONIC CARD INCLUDING CAPACITORS PLANS PRINTED IN SANDWICH USEFUL AS SENSORS OF BREATH - KEYBOARD SENSITIVE TO THE BREATH OBTAINED FROM THIS CARD 3.1 CAPACITORS PLANS PRINTED IN SANDWICH USEFUL AS BREATH SENSORS
  • this card comprising sensors sensitive to the breath, in order to create buttons so the activation is made by localized blow by means of a straw.
  • This application is more particularly applicable to quadriplegic users.
  • the printed capacitors in this example are matrix sandwich sensors.
  • the electronic card 10 shown in FIGS. 7 and 9 comprises a printed circuit formed by 4 parallel conductive tracks 1 1, each connected at one end to an chicken MEGA 2650 12 controller for detecting variations in capacitance and by 4 parallel conductive tracks 13, perpendicular to the tracks 1 1 and may each be connected by one of their ends to one of the poles of a generator not shown in Figure 7 and Figure 8.
  • a 314 cm 2 (20 cm diameter) circular wet fibrous mat was made by filtration (Rapid Kôthen method), to obtain a dryness of about 10-15% and a solids content of approx. 60 g / m
  • the fibrous mat is then pressed using a flexible roll of 3 kg (corresponding to a linear pressure of 15 kg / m).
  • the parallel tracks 11 are printed on the wet fibrous mat using a solvent-based carbon base conductive ink (non-aqueous) and a metering system.
  • direct screw pump with a nozzle of 400 ⁇ internal diameter (nozzle-fibrous mattress distance about 300 to 500 ⁇ , deposition rate about 200 mm / min), The printing conditions are summarized in the following table:
  • the printed tracks are covered with a layer of fibrous encapsulation overlay (prepared according to steps a, b, and c '), on the free face of which are then printed the parallel tracks 13.
  • a layer of fibrous encapsulation overlay prepared according to steps a, b, c and c ', is then deposited and compacted on the parallel tracks 13.
  • the tracks 11 and 13 have a width of 4 mm and a length of 100 mm.
  • This matrix topography makes it possible to increase the density of the sensors while reducing the number of connections required by the controller 12 (i.e.
  • the interdigital sensors require 2 connections per capacitor, ie 32 for a grid of 16 capacitors 14.
  • the multilayered structure was compacted by applying a linear pressure of 15 kg / m 2 and dried under compression at 95 ° C (Rapid Kôthen method).
  • the PC MEGA 2560 controller measures capacitor capacitance variations and transfers the data to a spreadsheet for viewing in Figure 8.
  • the latter shows a sharp increase in capacity (from 3.8 to 6.2pF) corresponding to the moment where the user blows with the help of a straw on the key of the keyboard.
  • it takes about four seconds to return to the value of the initial capacity.
  • sandwich capacitors is therefore very interesting in that it allows the detection of the breath.
  • a sensitive keyboard has been realized.
  • the sandwich capacitors are also subject to a variation in their ability to approach a finger, which allows them to be used for producing sheets sensitive to touching. and the breath.
  • the blast sensitive keyboard 10 shown in Fig. 9 is almost identical to the electronic board 10, including the paper-embedded sandwich capacitor grid (encapsulation) of Example 3.1. Numeric keys (pads), as located to the right on standard computer keyboards, have been marked on the top of the electronic board. Thus, the 16 keys correspond to the 16 capacitors 14.
  • the four tracks 13 are successively powered and the output voltage of the four tracks 11 (vertical electrodes) is measured in order to evaluate the variation of the capacitance of each capacitor 14, and thus to detect the variations of humidity of the paper, generated. by the breath of the user (or the presence of a finger in contact with the paper).
  • the capacitance variations in the capacitors 14 are detected by the controller 12 not shown in FIG. 9 but present in FIG. 8, showing the card of the example 4. Thresholding, making it possible to define a limit speed of variation of the the capacity of which an event is detected, of is implemented and integrated into a controller 12 which, by communicating with a computer via a USB connection will register the symbol corresponding to the key activated by the breath, as would a standard keyboard .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Paper (AREA)
  • Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
  • Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un support flexible cellulosique qui comprend au moins un circuit fonctionnel (circuit imprimé) et/ou qui est assimilable à au moins une carte fonctionnelle (carte électronique). Ce procédé a pour but de fournir des supports flexibles cellulosiques fonctionnalisés par impression à l'aide d'une encre fonctionnelle, par exemple électroconductrice, qui soit performant (vitesse du signal/propriétés diélectriques du support), économique, stable thermiquement et dimensionnellement, et qui puissent être produit à cadence industrielle de manière simple et reproductible. Pour ce faire, le procédé consiste essentiellement à préparer ou mettre en œuvre une suspension fibreuse aqueuse comprenant de la pâte à papier et/ou de pâte de (micro/macro) fibrilles de cellulose; produire un matelas fibreux humide à partir de cette suspension; éventuellement, égoutter ce matelas fibreux humide, éventuellement presser ce matelas fibreux humide; imprimer l'une des faces du matelas fibreux humide au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal; éventuellement, revêtir/encapsuler la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche humide, de préférence fibreuse; éliminer au moins partiellement l'eau contenue dans le matelas fibreux éventuellement revêtu conformément à l'étape e). L'invention vise également des circuits imprimés et des cartes fonctionnelles en particulier électroniques, obtenues par le procédé selon l'invention.Ce dernier donne accès à de nouveaux objets, tels que des claviers d'ordinateur tactiles ou activables par le souffle. Les installations et les kits pour la mise en œuvre du procédé, constituent d'autres objets de l'invention.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN SUPPORT FLEXIBLE CELLULOSIQUE FONCTIONNEL, INSTALLATION POUR LA MISE EN ŒUVRE DE CE
PROCEDE Domaine technique
Le domaine de l'invention est celui de la fabrication de circuits ou de cartes fonctionnels dont le support est à base de papier et qui sont susceptibles d'être porteurs, de faire circuler et/ou de traiter un signal, en particulier un signal électrique s'agissant de circuits électriques imprimés ou de cartes électroniques.
En particulier, l'invention concerne la fabrication à l'échelle industrielle de circuits imprimés/cartes électroniques sur des supports flexibles et cellulosiques.
L'invention vise également les objets issus d'une telle fabrication, dont notamment les cartes électroniques comportant des pistes électroconductrices et des composants électroniques, imprimé sur un support à base de papier.
Les installations et les kits pour la réalisation d'une telle fabrication constituent d'autres aspects de l'invention.
Etat de l'art - Problème technique
L'explosion du marché des dispositifs électroniques de toutes sortes qui incluent des circuits imprimés et des cartes électroniques, suscite un besoin constant d'amélioration de la production de supports comportant des pistes électroconductrices et les composants électroniques. Il faut produire à moindre coût et de manière très performante ces supports d'électronique.
Par ailleurs, ces circuits imprimés et ces cartes électroniques doivent être d'une efficacité sans cesse augmentée. Cela dépend notamment de la vitesse de circulation des signaux, en l'occurrence des signaux électriques dans ces circuits et ces cartes. Or, cette vitesse est directement liée à la constante diélectrique du matériau constitutif des supports de ces circuits et cartes.
Classiquement, ces supports sont constitués de composites rigides, produits par imprégnation d'un substrat fibreux, par exemple en papier, par une résine époxy ou une résine phénolique. Ces composites ont pour inconvénient d'être relativement onéreux en termes de production et de recyclage, et de surcroît, d'être thermiquement instable. En outre, la constante diélectrique de ces composites n'est pas optimale, au regard notamment des difficultés que pose leur production.
Le brevet US6042936A décrit ainsi un substrat formé par un matelas fibreux non-tissé comprenant de la pulpe de bois, un agent de floculation formé par un polyacrylamide cationique et une charge à faible constante diélectrique constituée par des microsphères de verre creuses. Ce substrat fibreux souple est transformé en support rigide plan par imprégnation jusqu'à saturation, avec une résine phénolique ou époxy, qui réticule. Au-delà de ces supports composites, s'est développée toute une technologie d'électronique imprimée sur papier, qui vise à être plus simple et plus économique et qui puisse être mise en œuvre sur de très grandes surfaces.
En effet, le papier, et plus précisément la cellulose est un diélectrique, i.e. un isolant, non inerte électriquement, qui dispose à l'échelle atomique de dipôles électrostatiques qui interagissent avec les champs électromagnétiques externes. La grandeur qui caractérise les diélectriques est la permittivité électrique, qui décrit la polarisation du matériau.
Cela fait du papier un candidat de choix pour la réalisation de supports d'électronique. En outre, l'impression de circuits électriques et de composants électroniques sur support papier souple, peut directement être effectuée, de manière continue, à très haute cadence, au sortir de la machine à papier.
Dans cette technologie, le papier peut être couché ou non couché.
Le papier non couché est apparu comme étant mal adapté à la réalisation d'une impression de pistes électroconductrices, en raison du fait que la rugosité et la porosité d'un papier non couché sont très importantes. Cela induit une discontinuité des pistes électroconductrices qui ont ainsi une conductivité relativement faible. Un tel constat est fait à la page 6, 5e paragraphe du brevet FR3012153 Bl .
Ce même document explique ensuite que les papiers couchés ont des couches pigmentaires liées avec un latex synthétique, qui diminue leur porosité et leur rugosité de surface. Mais pour autant l'impression de tels papiers couchés avec des encres électroconductrices n'est pas satisfaisante car les papiers couchés ne peuvent supporter des traitements thermiques pourtant indispensables au recuit des encres électroconductrices mise en œuvre. De plus, ces papiers couchés ont ceci de gênant qu'ils jaunissent à partir de 140°C.
A titre d'alternative, FR3012153 Bl propose un papier comportant un substrat fibreux comprenant au moins une face recouverte d'au moins une couche, ladite couche comprenant ou consistant en :
- 100 parts en poids sec de pigments (kaolin, CaC03..),
- 5 à 50 parts en poids sec d'un ou plusieurs liants résistants à une exposition à des températures comprises dans un intervalle de 140 °C à 200 °C et ayant une température de transition vitreuse inférieure à 20°C, en particulier d'un ou plusieurs liants acryliques (Acronal® LN579S dont la température de transition vitreuse est inférieure ou égale à 20°C, de préférence inférieure ou égale à 10°C,
- 0 à 15 parts en poids sec, par exemple 8 parts, d'agent épaississant, tel que l'alcool polyvinylique.
Un tel papier destiné à l'électronique imprimée, reste défaillant, en particulier en raison de son coût, de sa résistance thermique (jaunissement) perfectible et leur insuffisante stabilité dimensionnelle (déformations ou retraits dimensionnels lors d'un recuit à haute température).
En fait, le dépôt d'encres conductrices sur de tels papiers spéciaux couchés, par des techniques d'impression conventionnelles (sérigraphie, de préférence sérigraphie rotative, flexographie, jet d'encre ou "jetting",...) pose les problèmes suivants :
1) ces papiers spéciaux couchés sont sujets à des phénomènes de délamination, de fissuration lors de pliages, qui bien évidemment nuisent à la qualité de l'impression;
2) ces papiers spéciaux couchés développés pour l'impression électronique, sont par nature coûteux;
3) les encres électroconductrices utilisées pour l'impression ces papiers spéciaux couchés, sont elles-mêmes onéreuses et compliquent l'impression, en raison du fait qu'elle nécessite des étapes supplémentaires telles que le recuit;
4) la lamination de feuilles de ces papiers pour fabriquer des multicouches, se fait par collage au moyen d'adhésifs, ce qui constitue une opération industrielle complexe et dispendieuse. Objectifs de l'invention
Dans ces circonstances, la présente invention vise à satisfaire à au moins l'un des objectifs énoncés ci-après.
^L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, ce circuit et/ou cette carte étant susceptible(s) d'être porteur(s), de faire circuler et/ou de traiter un signal.
^L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné et simple à mettre en œuvre, de fabrication d'un support flexible cellulosique comprenant au moins un circuit électrique/électronique imprimé et/ou assimilable à au moins une carte électronique.
^L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné et économique, de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel (électronique imprimé).
^ L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel
(électronique imprimé) qui ne se délamine/fïssure peu ou pas.
^L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel
(électronique imprimé), thermiquement stable.
^L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel
(électronique imprimé) dimensionnellement stable.
^L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel
(électronique imprimé) qui permet d'utiliser des encres ne nécessitant pas de recuit. ^L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel (électronique imprimé) qui permet de produire aisément de manière industrielle, des multicouches intégrant un ou plusieurs niveaux de circuits électriques ou de cartes électroniques ^L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir des objets électroniques tels que des cartes électroniques, fiables, performantes, économiques et robustes, par mise en œuvre du procédé tel que visé dans l'un des objectifs ci-dessus.
^L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir une installation simple et économique pour la mise en œuvre du procédé tel que visé dans l'un des objectifs ci-dessus.
^L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un kit pour la mise en œuvre du procédé tel que visé dans l'un des objectifs ci-dessus. Brève description de l'invention
Ces objectifs, parmi d'autres, sont atteints par la présente invention qui concerne en premier lieu, un procédé de fabrication d'un support flexible cellulosique comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, ce circuit et/ou cette carte étant susceptible(s) d'être porteur(s), de faire circuler et/ou de traiter un signal, en particulier un signal électrique s'agissant de circuits électriques imprimés ou de cartes électroniques, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à : a) préparer ou mettre en œuvre une suspension fibreuse aqueuse comprenant de la pâte à papier et/ou de pâte de (micro/macro) fibrilles de cellulose;
b) produire un matelas fibreux humide à partir de cette suspension ;
c) égoutter ce matelas fibreux humide;
c') éventuellement presser ce matelas fibreux humide ;
d) imprimer l'une des faces du matelas fibreux humide au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal;
e) éventuellement, revêtir/encapsuler la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche humide, de préférence fibreuse;
f) éventuellement éliminer au moins partiellement l'eau contenue dans le matelas fibreux éventuellement revêtu conformément à l'étape e);
g) éventuellement, revêtir la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche constituée de pigments minéraux et de liants; h) éventuellement, imprimer l'une des faces du support susceptible d'être obtenu à l'issue d'au moins l'une des étapes e) à g), au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal.
Le procédé selon invention est particulièrement performant et avantageux en ce qu'il consiste en l'impression d'encres fonctionnelles, par exemple conductrices (argent ou carbone base solvants ou eau), sur une feuille de papier ou film de microfibrilles de cellulose humide en cours de fabrication suivie de Pencapsulation du circuit imprimé par superposition d'une deuxième feuille de papier ou film de microfibrilles de cellulose humide. Le papier bicouche ou complexe est ensuite consolidé par compression et séchage sous contrainte.
La séquence d'impression [étape d)] / lamination [étape e)] à l'état humide peut être réitérée plusieurs fois, pour obtenir des structures multicouches avec des circuits 3D intégrés dans une feuille de papier. Le procédé permet de ne pas recourir à des procédés de lamination nécessitant l'utilisation d'adhésifs (collage).
En outre, les encres fonctionnelles déposées ne peuvent pas s'évacuer dans des effluents liquides, ce qui constitue un avantage substantiel en termes écologiques.
Le produit final se présente sous la forme d'une feuille de papier flexible, ayant une épaisseur de quelques centaines de microns, avec un réseau de pistes fonctionnelles, par exemple conductrices, noyées dans la masse.
Dans d'autres de ses aspects, la présente invention a pour objet :
• un support flexible cellulosique comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, mono ou multicouche, susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention caractérisé par une épaisseur comprise entre 100 et 500 μιη, de préférence entre 200 et 400 μιη.
• une carte électronique fabriquée par le procédé selon l'invention caractérisée en ce qu'elle est constituée par une grille de condensateurs en sandwich formé chacun à l'intersection de pistes électroconductrices P1,P2 formant la grille.
· cette carte électronique est également caractérisée en ce que la grille comprend N pistes PI et N pistes P2, en ce que les N pistes PI sont susceptibles d'être reliées chacune à l'une des bornes d'un générateur électrique (tension d'entrée), en ce que les N pistes P2 sont susceptibles d'être reliées chacune à un appareil de mesure de la tension de sortie, de façon à évaluer la variation de la capacité de chaque condensateur, en réaction à l'apport d'humidité audit condensateur, cet apport d'humidité s'effectuant de préférence par touché d'un doigt humain ou par soufflage d'air expiré par une bouche humaine.
cette carte électronique est également caractérisée en ce qu'elle constitue un clavier d'un dispositif électronique, de préférence un ordinateur, une tablette numérique ou un smartphone.
une installation pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention caractérisé en ce qu'elle comprend :
I. éventuellement au moins un dispositif de préparation et de raffinage de pâte à papier et/ou de pâte des (micro/macro) fibrilles de cellulose;
II. dans un mode de production discontinu : au moins un système de fabrication de feuilles de papier de préférence du type de celui spécifié dans la norme IS05269 (méthode rapid Kôten), ou
dans un mode de production continu : au moins une machine à papier comprenant une caisse de tête, une toile d'égouttage - de préférence à table plate -, une section de presses, une sécherie et une bobineuse;
III. un système de dépôt/impression sans contact, en particulier par d'extrusion, spray ou jet d'encre ou "jetting"; et/ou un système de dépôt/impression avec contact, en particulier par sérigraphie, de préférence sérigraphie rotative, flexographie, tampographie, héliogravure, ou offset;
IV. au moins une encre fonctionnelle choisie parmi les encres composées d'au moins un solvant à faible polarité et faiblement miscible dans l'eau, de préférence dans le groupe comprenant - idéalement constitué par - : les encres colorées, les encres électriquement conductrices, les encres thermiquement conductrices, les encres semi-conductrices, les encres isolantes, les encres magnétiques, les encres diélectriques,... et leurs mélanges.
Un kit pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention caractérisé en ce qu'il comprend tout ou partie de l'installation selon l'invention. Définitions
Dans tout le présent exposé, tout singulier désigne indifféremment un singulier ou un pluriel.
Les définitions données ci-après à titre d'exemples, peuvent servir à l'interprétation du présent exposé :
• "cellulosique" : comprenant des fibres et/ou des fibrilles de cellulose;
• "fonctionnelle" : qualifie le motif/la topographie imprimé/e sur le support flexible cellulosique; ce motif/cette topographie pouvant être porteur, pouvant faire circuler et/ou pouvant traiter un signal peut-être une couleur, un signal électrique, un signal thermique, un signal électromagnétique, un signal magnétique, un signal diélectrique, un signal semi-conducteur;
• "pâte à papier" : suspension aqueuse de fibres cellulosiques ou mélange de fibres cellulosiques et/ou particules minérales telles que le talc, le kaolin, le carbonate de calcium et/ou fibres synthétiques telles que les fibres de verre, en matériau polymère et en cellulose régénérée (type viscose ou plus généralement obtenues via un procédé de dissolution et filature de pate de cellulose).
• "pâte de fibrilles de cellulose" : suspension aqueuse de macro et/ou micro fibrilles de cellulose.
· " matelas fibreux humide " : couche de fibres cellulosiques dont la siccité est au moins égal à 3%.
• "siccité" Fraction massique de matière sèche dans la suspension fibreuse (déterminée selon la norme ISO 638 :2008).
• "Solvant à faible polarité": solvant aprotique ou solvant aprotique de moment dipolaire μ < 2 D (debye).
• "Solvant faiblement miscible dans l'eau" : solubilité du solvant dans l'eau < 25% massique [test de solubilité utilisé :
• "Solvant polaire": solvant protique ou solvant aprotique de moment dipolaire μ > 2 D (debye).
• " Solvant miscible dans l'eau" : solubilité du solvant dans l'eau > 25 % massique [test de solubilité utilisé : • "environ" ou "sensiblement" signifie à plus ou moins 10 % près, voire plus ou moins 5% près, rapporté à l'unité de mesure utilisée;
• "compris entre Bl et B2" signifie que l'une et/ou l'autre des bornes Bl, B2 est incluse ou non dans l'intervalle [Bl, B2].
Description détaillée de l'invention
PROCEDE
Dans un mode préféré de mise en œuvre, le procédé selon invention s'intègre dans une fabrication discontinue de papier faisant intervenir au moins un disperseur, au moins une colonne de fïltration/égouttage équipée d'au moins une toile de fïltration, au moins un cylindre calibré (par exemple de 3kg) de compression (pressage) et un dispositif de séchage de la feuille sous contrainte.
Dans un autre mode de mise en œuvre, le procédé selon invention s'intègre dans une fabrication continue industrielle de papier faisant intervenir une machine à papier comprenant au moins une caisse de tête, au moins une toile d'égouttage - de préférence à table plate -, au moins une section de presses, au moins une sécherie et au moins une bobineuse. Etape_q)_
A partir d'une suspension aqueuse de fibres cellulosiques, le matelas fibreux peut-être préparé selon les méthodes de préparation décrite dans la norme ISO-5269. En particulier, il peut s'agir de la méthode dite "allemande" ou "Rapid Kôthen".
Selon une alternative, ce matelas fibreux pourrait être obtenu par tous types de techniques utilisant un système d'égouttage par fïltration.
Suivant une caractéristique avantageuse de l'invention, la suspension mise en œuvre à l'étape a) a une concentration en matière sèche comprise entre 0,1 et 1 % en poids, de préférence entre 0,2 et 0,5 % en poids.
Avantageusement, les fibres cellulosiques utilisées sont caractérisées par un degré de raffinage compris entre 20 et 80 °SR, de préférence entre 30 et 70°SR, et, plus préférentiellement encore, 40 à 60 °SR. Cette suspension fibreuse peut être par exemple une pâte kraft blanchie de résineux, ou bien encore une pâte kraft non blanchie de résineux, une pâte kraft blanchie de feuillus, une pâte kraft non blanchie de feuillus. Rt pe_b)_ Etapes c)_&_cj_
Conformément au mode préféré discontinu de mise en œuvre, la production du matelas fibreux humide selon l'étape b), est effectuée dans la colonne de filtration frontale qui répartit la suspension de l'étape a) sur la largeur de la toile de filtration.
Conformément au mode continu de mise en œuvre, la production du matelas fibreux humide selon l'étape b), est effectuée par la caisse de tête qui répartit la suspension de l'étape a) sur la largeur de la toile d'égouttage.
L'étape c) d'égouttage, de préférence par filtration, de la suspension de fibres cellulosique de l'étape b), s'opère sur la toile de filtration.
Conformément une modalité intéressante de l'invention, la siccité du matelas fibreux au terme de l'égouttage (c), de préférence par filtration, - en % en poids et selon un ordre croissant de préférence - est comprise entre 1 et 60 ; 1 et 40 ; 10 et 20; 5 à 20; 10 à 15. Cet égouttage de l'étape(c) est de préférence réalisé sur une toile du type de celle utilisée dans la fabrication de papier.
Selon une variante, cet égouttage pourrait être une filtration effectuée au moyen de tous types de toiles, membranes, filtres ayant un seuil de coupure compris entre 1 et 200 μιη. Il est également opportun, conformément à l'invention, que ce matelas fibreux humide ait une densité surfacique en matière sèche comprise entre 30 et 100 g/m2, de préférence entre 40 et 80 g/m2, et, plus préférentiellement encore entre 50 et 70 g/m2.
Avantageusement, l'égouttage c) est réalisé en pratique, au moyen de pompes à vide qui vont aspirer au travers de la toile une certaine proportion de l'eau apportée par la préparation.
Ce type de formation sur une toile entraine une dissymétrie dans l'épaisseur de la feuille. On distinguera sur une feuille de papier les deux faces, appelées respectivement côté toile et côté feutre, le côté toile étant celui qui a été au contact de cette dernière lors de la distribution de la pâte. Cette dissymétrie peut être réduite si la formation de la feuille se fait entre deux toiles ou encore par des systèmes industriels hybrides de formation sur table plate très courte puis entre deux toiles. Il existe également un autre type de formation appelé forme ronde, où la feuille se forme sur un gros cylindre qui aspire en même temps une partie de l'eau.
En pratique, le pressage c') peut être réalisé au moyen de cylindres presseurs (calandres).
Etape_d)_
Suivant une disposition préférée de l'invention, l'impression selon l'étape d) est réalisée par dépôt de l'encre fonctionnelle sur l'une des faces du matelas fibreux, après disparition du film d'eau de surface, lors de l'égouttage de l'étape (c), ce phénomène se situant à une siccité globale du matelas fibreux supérieure à 1% en poids et inférieure ou égale à 30% en poids, de préférence à 15 % en poids.
La disparition du film d'eau se matérialise non seulement par la siccité du matelas fibreux compris entre 1 et 30 %, mais également, par un changement de l'aspect de surface du matelas fibreux. Les fibres de surface ne sont plus recouvertes d'un film d'eau et l'aspect de la surface du matelas fibreux devient alors mat. Cela conduit en particulier à une modification de la réflexion optique de la surface. Cette modification des propriétés optiques superficielles peut-notamment être appréhendée par une mesure objective du brillant qui s'effectue en éclairant la surface avec une source ponctuelle, et en mesurant l'intensité du rayon réfléchi à des angles fixés par convention. Dans ce cas précis, une chute drastique du brillant est observée après le passage de la ligne d'eau. De préférence, le dépôt d'encre(s) fonctionnelle(s)/impression est effectué :
- par un procédé de dépôt/impression sans contact, en particulier par un procédé d'extrusion, un procédé spray ou un procédé jet d'encre ou "jetting"; ou
- par un procédé de dépôt/impression avec contact, en particulier par un procédé de sérigraphie, de préférence sérigraphie rotative, un procédé de fiexographie, un procédé de tampographie, un procédé d'héliogravure, ou un procédé offset.
L'encre fonctionnelle est, de préférence, une encre composée d'au moins un solvant à faible polarité et faiblement miscible à l'eau, cette encre étant opportunément choisie dans le groupe comprenant - idéalement constitué par - : les encres colorées, les encres électriquement conductrices, les encres thermiquement conductrices, les encres semi- conductrices, les encres isolantes, les encres magnétiques,... et leurs mélanges. Les encres électriquement conductrices sont avantageusement soit des encres à base de polymères organiques (encres organiques), soit des encres à base de particules métalliques (encres inorganiques), soit des encres à base de carbone.
L'encre organique peut être par exemple composée de petites molécules ou de polymères :
PEDOT-PSS : mélange de deux polymères, le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) et le poly(styrène sulfonate de sodium (PS S)
Les encres inorganiques sont par exemple des encres à base de particules de métaux conducteurs : argent, or, nickel, platine ou palladium...
Les métaux sont présents dans l'encre sous forme de microparticules ou de nanoparticules sphériques, tubulaires, planes...
Les encres à base de carbone sont par exemple des encres à base de nanotubes de carbone, éventuellement dopés au noir de carbone.
Toutes ces encres fonctionnelles sont, de préférence, composées d'au moins un solvant à faible polarité et faiblement miscible dans l'eau.
Ce sont avantageusement des encres dont le solvant est non aqueux, par exemple organique. Par exemple, il peut s'agir d'éthers-esters de glycol (en particulier des acétates) comme l'acétate de l-méthoxy-2-propyle. Ce solvant évite l'étalement de l'encre sur le matelas fibreux humide après impression, conséquence d'affinités physico-chimiques.
Toutes ces encres contiennent avantageusement un co-solvant miscible dans l'eau, par exemple un composé de la famille des éthers de glycol tel le(2-Butoxyéthoxy)éthanol pour :
- Adapter la viscosité de l'encre au procédé d'impression. En particulier, fluidifier l'encre pour les procédés tels que le spray, le jet d'encre, le "jetting" ou la flexographie.
- Favoriser la concentration et l'isolation de la matière fonctionnelle à la surface du matelas fibreux par la migration sélective du co-solvant dans le substrat après impression.
Toutes ces encres sont caractérisées par une viscosité après impression importante, par exemple supérieure ou égale à 10, 15, voire 20 Pa.s, minimisant la pénétration par effet capillaire de l'encre dans le matelas fibreux lors de l'étape de pressage.
Avantageusement la viscosité de ces encres est adaptée au procédé d'impression utilisé. Ainsi, il peut s'agir d'encres newtoniennes de viscosité comprise entre 5 et 100 mPa.s ou d'encres rhéo fluidifiantes de viscosité à 1 s(-l) comprise entre 20 et 500 Pa.s et de viscosité à 1000 s(-l) comprise entre 0,5 et 10 Pa.s.
La viscosité et le comportement rhéologique sont mesurés avec un rhéomètre cône-plan ou plan-plan (en fonction du type d'encres caractérisées) du type rhéomètre Anton Paar MCR-302.
Rtape_e)JacuJtqtive
Cette étape e) qui intervient dès lors que l'on veut réaliser une structure de support flexible en "sandwich", consiste à superposer au moins une couche humide sur la face imprimée du matelas fibreux.
Cette couche humide est avantageusement :
• constituée d'un matelas de fibres cellulosiques;
• obtenue par égouttage par fîltration, spray, ou plus généralement par des techniques d'enduction sans contact.
Selon un mode discontinu de mise en œuvre du procédé selon invention, l'application de cette couche fibreuse peut être effectuée par superposition d'au moins un matelas fibreux humide, élaboré de préférence conformément aux méthodes de préparation décrites dans la norme ISO-5269. En particulier, il peut s'agir de la méthode dite "allemande" ou "Rapid Kôthen".
Selon un mode continu de mise en œuvre du procédé selon invention, l'application de cette couche fibreuse peut être effectuée sur des machines à papier de types multicouches constituées de plusieurs systèmes de formation (caisse de tête et toile de fïltration) en parallèle.
Etape J)
Après l'étape d) d'impression et/ou l'éventuelle étape e) de revêtement/encapsulation, intervient cette étape f) d'élimination de l'eau qui se décompose de préférence comme suit :
f.1. un pressage du matelas fibreux humide pour amener sa siccité entre 5 et 40 % en poids, de préférence entre 8 et 35 % en poids;
f.2. un séchage du matelas fibreux pressé pour amener sa siccité à une valeur supérieure ou égale à, en % en poids et dans un ordre croissant de préférence : 35 ; 45; 60 ; 80 ; 95 ; 98; ce séchage étant de préférence effectuée à une température comprise entre 50 et 180°C, de préférence entre 60 et 150°C;
f.3. éventuellement un post-traitement thermique, de préférence à une température supérieure ou égale à 180°C, et, plus préférentiellement encore, comprise entre
190 et 250°C. f.1. Le pressage est préférablement réalisé conformément à ce qui peut se produire dans la section des presses d'une machine à papier, pour éliminer par pression l'eau contenue dans le matelas fibreux humide imprimé ou non revêtu d'au moins une couche fibreuse humide, imprimée ou non. Cette opération a pour but de donner à la feuille une certaine résistance et de diminuer le maximum d'eau avant d'arriver en sécherie. La presse peut être de différents types, soit recouverte simplement d'un matériau absorbant, le feutre, ou être en plus perforée pour pouvoir aspirer une partie de l'eau, ou encore être rainurée ou posséder une toile en plastique intermédiaire. f.2. Le séchage peut être avantageusement du type de celui que l'on trouve dans la partie sèche d'une machine à papier.
On élimine ainsi le reste de l'eau par évaporation grâce à la chaleur et l'air. Plusieurs techniques sont utilisables, certaines avec contact (séchage par conduction) et les autres sans contact (convection, rayonnement). Dans le premier cas, les sécheurs sont par exemple d'énormes cylindres de fonte chauffés intérieurement par la vapeur. D'autres techniques utilisent les procédés de convection, c'est-à-dire une circulation d'air chaud dirigé vers la feuille. Il existe aussi des sécheurs utilisant les rayonnements IR, électriques ou gazeux.
Cette étape est maîtrisée de manière à conférer au support flexible imprimé, des propriétés mécaniques souhaitables : la rigidité, la résistance à la traction, à la déchirure ou à l'éclatement, ou encore la stabilité dimensionnelle. f.3. Le post-traitement thermique peut être par exemple un calandrage à haute température et à faible pression.
Etape_g)_
Cette étape consiste à revêtir la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche constituée de pigments minéraux et de liants.
Dans le mode préféré discontinu de mise en œuvre du procédé selon invention, cette étape est réalisée au moyen d'une buse spray, ou plus généralement par des techniques d'enduction sans contact type couchage rideau, enduction par lame d'air,
Avantageusement, les pigments minéraux sont choisis dans le groupe comprenant : le talc, le carbonate de calcium et/ou magnésium, le kaolin et plus généralement tout type de pigments appartenant à la famille des oxydes métallique, des sulfates et des silicates. S'agissant des liants, ils sont de préférence sélectionnés parmi les latex synthétiques (type styrène butadiène ou alcool polyvinylique), les liants d'origine naturelle tels que les amidons, les celluloses telles que la carboxyméthylcellulose, l'acide polylactique, les protéines d'origine animale ou végétale (ex. caséine, soja,...).
Cette étape (h) optionnelle peut compléter l'étape (d) d'impression. Il s'agit donc d'imprimer l'une des faces du support issu de l'une au moins des étapes e), f), g), au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal.
Les caractéristiques de l'étape (d) décrites ci-avant, s'applique mutatis mutandis à cette étape (h).
Pour fabriquer des supports papier flexibles fonctionnels -par exemple électroniques- de structure "sandwich" ou "multicouche", il est possible, selon une variante de mise en œuvre de l'invention, de répéter plusieurs fois la séquence comprenant les étapes (d) d'impression, (e) de revêtement/encapsulation et/ou (g) de couchage avec des pigments minéraux et des liants, voire (f) d'élimination de l'eau et/ou (h) d'impression complémentaire.
***
Etape_(i)_ facultative
Il s'agit d'une étape d'élimination d'au moins une parcelle de la (ou des) couche(s) de revêtement/encapsulation, pour mettre à nu au moins une portion de l'impression.
Cette étape de "dénudage" est mise en œuvre dans le cas où l'on où l'on a procédé à un revêtement/encapsulation de la face imprimée du matelas fibreux humide de base obtenu à l'étape c), ou de la face imprimée d'une couche de revêtement/encapsulation de l'étape (e).
Selon une caractéristique remarquable de l'invention, le procédé de fabrication de supports papier flexibles fonctionnels -par exemple électroniques-, peut-être un procédé continu industriel, en ligne.
Dans ce cas de figure, les supports flexibles fonctionnels obtenus, peuvent être également conditionnés sur des bobines, à l'instar de ce qui est fait dans la fabrication papier.
Ces bobines peuvent être des bobines mères qui peuvent être ensuite déroulées et refendues en bobines filles, avec les caractéristiques demandées par l'utilisateur final (longueur, diamètre, tension régulière, tranche sans poussière, mandrin conforme, traçabilité, collures visibles).
Les bobines filles sont susceptibles d'être transformées en feuilles ou format avec une largeur et une longueur déterminées et précises, correspondant au cahier des charges des circuits imprimés fonctionnels /cartes fonctionnelles, par exemple électroniques, visés. Dans un mode particulier de mise en œuvre du procédé selon l'invention, l'objet fabriqué est une carte électronique comportant au moins un circuit imprimé et au moins un composant électronique, ce dernier étant de préférence un condensateur interdigité ou un condensateur sandwich.
Avantageusement, dans ce mode particulier de mise en œuvre :
• N pistes parallèles PI électroconductrices sont imprimées sur un matelas fibreux humide lors de l'étape d),
• puis on met en œuvre l'étape e) de revêtement/encapsulation des pistes imprimées par une couche fibreuse humide,
- on reproduit l'étape d) en imprimant sur la face libre de la couche fibreuse humide, N pistes parallèles P2 électroconductrices, perpendiculaires aux pistes PI,
• on élimine l'eau selon l'étape f),
• et, éventuellement, on renouvelle un nombre entier de fois la séquence [étape e)/étape d)], l'étape f) intervenant à la fin d'au moins une partie des séquences et/ou à la fin de la dernière séquence.
OBJETS ISSUS DU PROCÈDE OU SUSCEPTIBLE DE L 'ÊTRE
Ces objets sont des supports flexibles cellulosiques comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, mono ou multicouche, caractérisés par une épaisseur comprise entre 50 et 500 μιη, de préférence entre 200 et 400 μιη.
Le grammage moyen de ces supports flexibles est par exemple compris entre 10 et 200 g/m2, de préférence 30 et 100g/m2, et, plus préférentiellement encore 50 et 70g/m2. Suivant une caractéristique remarquable de l'invention, la permittivité électrique relative de ces supports flexibles est par exemple comprise entre 1 et 10, de préférence 2 et 8, et, plus préférentiellement encore 3 et 5. Cette permittivité électrique relative est mesurée selon la norme ASTM D150 - 11, Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity (Dielectric
Constant) of Solid Electrical Insulation.
Le procédé selon invention qui est un procédé d'impression, voire d'encapsulation d'encres fonctionnelles sur un support flexible papier mono multicouche, ouvre des portes dans de nombreux domaines techniques et notamment celui de l'électronique imprimée. Les encres fonctionnelles électroconductrices des supports obtenus par le procédé, font partie intégrante desdits supports.
Les motifs ou les topographies imprimés peuvent comprendre non seulement des pistes conductrices (circuits imprimés), mais aussi des composants électroniques comme des résistances, des condensateurs, des diodes, des transistors, des LEDs, des puces, des capteurs des microcontrôleurs et autres processeurs.
Ces composants électroniques peuvent être exogènes et intégrés ensuite aux cartes électroniques constituées par les supports flexibles selon invention, mais il est également possible, en imprimant des topographies et des motifs, avec des encres conductrices, au sein du support, d'utiliser les caractéristiques électriques du papier, afin de produire les composants électroniques endogènes.
Les supports flexibles fonctionnels ainsi obtenus deviennent des dispositifs électroniques achevés, susceptibles d'interagir avec des utilisateurs finaux.
Ainsi, un autre de ces objets issus du procédé, peut-être une carte électronique fabriquée par le procédé de l'invention, caractérisée en ce qu'elle est constituée par une grille de condensateurs en sandwich formé chacun à l'intersection des pistes PI et P2.
Dans un mode particulier de réalisation, cette carte électronique est caractérisée en ce que les N pistes PI sont susceptibles d'être reliées chacune à l'une des bornes d'un générateur électrique (tension d'entrée), en ce que les N pistes P2 sont susceptibles d'être reliées chacune à un appareil de mesure tension de sortie, de façon à évaluer la variation de la capacité de chaque condensateur, en réaction à l'apport d'humidité audit condensateur, cet apport d'humidité s'effectuant de préférence par touché d'un doigt humain ou par soufflage d'air expiré par une bouche humaine.
Cette carte électronique est donc utilisable pour des applications de détection de toucher (le tactile). Plus précisément, l'application visée et l'utilisation des caractéristiques diélectriques du support papier pour créer des capteurs de variations d'humidité, afin d'activer des zones du support papier. Le but est alors d'obtenir un clavier réactif au souffle ou au toucher de l'utilisateur.
Une telle carte électronique peut donc constituer conformément à l'invention, un clavier d'un dispositif électronique, de préférence un ordinateur, une tablette numérique ou un smartphone.
Outre ces dispositifs électroniques sur supports papier imprimés flexibles, les objets issus du procédé selon invention ou susceptibles de l'être peuvent également être des emballages intelligents, des emballages de sécurité, des emballages médicaux..., dans lesquels peuvent être encapsulé encapsulés des antennes RFID, des bandes magnétiques, ou des capteurs d'humidité.
Dans le cas où les encres fonctionnelles déposées dans la base du papier du support selon invention sont des traceurs (colorés, magnétiques, résistifs) qui restent cachés dans la structure du support papier, cela ouvre la voie à des papiers avec des signatures spécifiques pour des applications « papiers sécuritaires ».
D'autres avantages et applications potentielles de l'invention de cette technique sont notamment les suivants :
Al. Réalisation d'une feuille en bi-couche de forte cohésion qui rendrait invisible le motif imprimé initialement sur la première feuille sans avoir recours à l'étape de contre-collage qui complique le recyclage.
A2. Pour l'application décrite en Al ci-dessus comme pour d'autres, une forte conductivité n'est pas nécessaire. L'invention permet donc de mettre au point des encres aqueuses économiques qui soient pulvérisables.
A3. L'optimisation de la composition fibreuse, le raffinage, les divers additifs permettent d'atteindre un niveau de performance à la fois en termes de conductivité, de définition des motifs imprimés, de pénétration dans la couche fibreuse, ce dernier point permettant potentiellement d'atteindre de bonnes performances en termes de tenue à la flexion.
A4. Support flexible fonctionnel pour la mesure de répartition de charges notamment via : (i) l'impression et Pencapsulation de condensateurs plans pour la fabrication de revêtements de sol sensitifs, (ii) l'impression et l'encapsulation dans des cartons pour emballage, de condensateurs interdigités pouvant être utilisé comme jauges de contrainte. A5. Support flexible fonctionnel conducteur obtenu par dépôt d'un motif structuré ou d'une couche continue (aplat) sur le matelas fibreux humide, susceptible d'être utilisé dans la fabrication potentiellement de moyens anti-statiques ou d'écrans électromagnétiques.
INSTALLATION
Dans un autre de ces aspects, la présente invention concerne deux installations pour la mise en œuvre du procédé caractérisé.
- Une installation permettant la production discontinue de feuilles individuelles et adaptée à des faibles cadences de production comprenant (Figure 2) :
I. éventuellement au moins un dispositif de préparation et de raffinage de pâte à papier et/ou de pâte de fibrilles de cellulose;
II. au moins une machine conforme aux méthodes de préparation de feuilles de papier décrite dans la norme ISO-5269. En particulier, il peut s'agir de la méthode dite "allemande" ou "Rapid Kôthen".
III. un système de dépôt/impression sans contact, en particulier par extrusion, spray ou jet d'encre ou "jetting"; et/ou un système de dépôt/impression avec contact, en particulier par sérigraphie, de préférence sérigraphie rotative, flexographie, tampographie, héliogravure, ou offset;
IV. au moins une encre fonctionnelle composée d'au moins un solvant à faible polarité et faiblement miscible dans l'eau, cette encre étant de préférence choisie dans le groupe comprenant - idéalement constitué par - : les encres colorées, les encres électriquement conductrices, les encres thermiquement conductrices, les encres semi-conductrices, les encres isolantes, les encres magnétiques,... et leurs mélanges.
- Une installation sur machine à papier continue permettant la production continue de feuilles comprenant (Figure 3) :
I. éventuellement au moins un dispositif de préparation et de raffinage de pâte à papier et/ou de pâte de fibrilles de cellulose;
II. au moins une machine à papier comprenant une caisse de tête, une toile d'égouttage - de préférence à table plate -, une section de presses, une sécherie et une bobineuse; III. un système de dépôt/impression sans contact, en particulier par extrusion, spray ou jet d'encre ou "jetting"; et/ou un système de dépôt/impression avec contact, en particulier par sérigraphie, de préférence sérigraphie rotative, flexographie, tampographie, héliogravure, ou offset;
IV. au moins une encre fonctionnelle composée d'au moins un solvant à faible polarité et faiblement miscible dans l'eau, cette encre étant de préférence choisie dans le groupe comprenant - idéalement constitué par - : les encres colorées, les encres électriquement conductrices, les encres thermiquement conductrices, les encres semi-conductrices, les encres isolantes, les encres magnétiques, ... et leurs mélanges.
Les figures 2 et 3 annexées montrent un exemple de réalisation de ces installations. La Figure 2 montre la fabrication de circuits encapsulés selon un procédé de laboratoire discontinu utilisant un protocole de fabrication du matelas fibreux type Rapid Kôten. (a) Mise en suspension des fibres cellulosiques dans un disperseur de laboratoire (type Lhomargy ou assimilable), (b) Introduction de la suspension dans le bol de fïltration Rapid Kôthen (cl) formation du matelas fibreux et égouttage du matelas fibreux humide. (c2) pressage du matelas fibreux humide, (d) Dépôt de l'encre conductrice par extrusion. (e) Superposition d'un deuxième matelas fibreux humide sur le matelas fibreux imprimé, (f) Séchage sous contrainte du papier bi-couche et recuit de l'encre. La Figure 3 illustre une machine à papier 30 à table plate comprenant une caisse de tête 31, une toile 32 d'égouttage table plate (Fourdrinier), un système d'impression 33 (par exemple extrusion, jetting, sérigraphie, de préférence sérigraphie rotative, flexographie..), une section de presses 34, une sécherie 35, une calandre 36 et une bobineuse 37.
Le matelas fibreux 38 circule sur la toile 32 d'égouttage. Cette dernière permet la disparition du film d'eau à partir de la ligne d'eau 39, en sortie de toile 32
KIT
La présente invention a également pour objet un kit pour la mise en œuvre du procédé. Ce kit est caractérisé en ce qu'il comprend tout ou partie de l'installation selon invention et tout ou partie des encres et/ou des composants mis en œuvre dans la fabrication selon l'invention. Ce kit qui forme une unité de conditionnement pour la vente, peut également comprendre une notice explicative pour la mise en œuvre du procédé à l'aide de l'installation et des encres et/ou des composants contenus dans ce kit. EXEMPLES
Les exemples qui suivent illustrent la mise en œuvre du procédé selon l'invention pour réaliser 4 supports flexibles cellulosiques imprimés avec une encre fonctionnelle :
- Exemple 1 : circuit imprimé avec une encre à base de carbone au moyen d'une imprimante 3D et encapsulé : Figures annexées la; lb; le; ld; le & lf.
- Exemple 2 : carte électronique comprenant, d'une part, un circuit imprimé avec une encre à base de carbone au moyen d'une pompe à vis avec buse de dépôt, de façon à former un condensateur plan interdigité et 2 pistes d'alimentation d'une LED, et, d'autre part, de la LED exogène encapsulé : Figures annexées 4, 5 & 6;
- Exemple 3 : carte électronique comprenant, d'une part, un circuit imprimé avec une encre à base de carbone au moyen d'une imprimante 3D, de façon à former une matrice de condensateurs plans encapsulés : grille de 4 x 4 pistes d'alimentation : Figures annexées 7,8 & 9;
La description de ces exemples se fait en référence aux figures annexées dans lesquelles :
• La figure la est une photographie montrant le dépôt d'encre conductrice à base de carbone, à l'aide d'une imprimante 3D Prusa 13 modifiée, sur un matelas fibreux humide conformément à l'étape b) du procédé mis en œuvre dans l'exemple 1 ;
· la figure lb est une photographie d'une partie du circuit imprimé et encapsulé dans du papier humide après pressage et séchage, conformément aux étapes (f l) et (f.2), respectivement, du procédé mis en œuvre à l'exemple 1 ;
• la figure le est une photographie du circuit imprimé et encapsulé dans du papier humide après enroulement, produit conformément au procédé mis en œuvre à l'exemple 1 ;
• la figure ld est une photographie au microscope optique Grossissement 400 d'une section transversale selon la ligne de coupe D-D de la figure lb; la figure le est une photographie au microscope optique Grossissement 400 d'une une vue de dessus du papier de la figure lb, encapsulant un circuit imprimé, montrant le dénudage par abrasion [étape (i)] d'une portion de la couche d'encapsulation, pour dégager un contact électrique;
la figure lf est une photographie d'un circuit imprimé et encapsulé, conformément au procédé selon invention mis en œuvre à l'exemple 1 , dans lequel circuit imprimé est une piste rectiligne piste électroconductrice de largeur 3 mm de longueur 44 mm et d'épaisseur 0,209 mm;
la figure 2 est un schéma montrant un exemple d'installation pour le mode préféré discontinu de mise en œuvre du procédé selon invention;
la figure 3 est un schéma montrant un exemple d'installation pour un mode continu de mise en œuvre du procédé selon invention ;
la figure 4 est un schéma d'un élément de la carte électronique comprenant, d'une part, un capteur plan imprimé et formé par un condensateur interdigité et des pistes conductrices pour l'alimentation d'une LED, et, d'autre part, un composant LED implanté dans ce circuit imprimé, conformément à l'exemple 3 ;
la figure 5 est une courbe donnant la capacité (pF) du condensateurinterdigité de la figure 4, en fonction du temps(s), avant et après le contact entre un doigt humain et la partie de la couche d'encapsulation en papier situé juste à l'aplomb du condensateur; la figure 6 est une photographie montrant le touché d'un doigt humain au-dessus du condensateur évoqué dans la légende de la figure 5, ledit condensateur faisant parti d'une carte électronique comprenant plusieurs éléments identiques à celui visé à la figure 4;
la figure 6 est un schéma d'un élément de la carte électronique comprenant une matrice de condensateurs plans formés à l'intersection de 4x4 pistes parallèles, conductrices, imprimées et encapsulées, conformément à l'exemple 4 pour former un clavier tactile;
la figure 8 est une courbe donnant la capacité (pF) d'un condensateur plan de la matrice de la figure 7, en fonction du temps(s), avant et après un souffle ponctuel émis par un humain sur la partie de la couche d'encapsulation en papier situé juste à l'aplomb dudit condensateur; • la figure 9 est une photographie générale de dessus de la carte électronique formant clavier tactile, fabriquée conformément à l'exemple 4 de mise en œuvre du procédé selon l'invention. EXEMPLE 1 :
Fabric tion^ çVun_ support _ffexible_ cellulosique constitué_ par_ un_ circuit _£ r_mé_ par une/des _ Pjste/s)__çqnduçtr_içe(sJ_ intpilMfils - JLUJ"_ _un_ matelas _ fibreux. _h mide_ et ncapsulées par une coud
contrainte jwur consolider Ja_cqhésipn_ du_bi-çquçhe._ [ J l
Installation.. discontinue présentée sur la figure 2 et complétée par le système de préparation de la suspension aqueuse cellulosique et par un système d'impression Matières premières : pâte cellulosique (fibres de feuillus blanchies raffinées à 50°SR) et encre conductrice du commerce base carbone en solvant non aqueux.
Méthodologie : Dans le mode de réalisation utilisée pour cet exemple, les opérations suivantes ont été réalisées :
a) Mise en suspension des fibres cellulosiques dans un appareil standard (type Lhomargy) (selon la norme ISO-5263-1 : 2004)
b) & c) Elaboration d'un matelas fibreux consolidés à partir de machine conformes aux méthodes de préparation décrite dans la norme ISO-5269. Il s'agit de la méthode dite "allemande" ou "Rapid Kôthen" qui au terme de la phase d'égouttage permet d'obtenir une siccité d'environ 10-15% et un contenu en matière sèche d'env. 60 g/m2,
c') éventuellement pressage du matelas fibreux en utilisant un rouleau souple de 3 kg (correspondant à une pression linéique de 15 kg/m).
d) La feuille humide est ensuite imprimée selon l'étape (d) suivante.
Impression du matelas fibreux humide de l'étape (c') par des pistes conductrices à l'aide d'un système de dosage volumétrique (type pousse-seringue ou micro pompe volumétrique Moineau).
e) Superposition d'une feuille humide préalablement élaborée selon l'étape (b). f) Séchage du bicouche en suivant la fin de la procédure ISO-5269. i) Mise à nu des contacts par abrasion ponctuelle de la couche cellulosique superficielle. Dans le cas de cet exemple, une meule abrasive conique sur tige en carbure de silicium (i.e. meule D 4,8 mm Dremel) a été utilisé.
Méthode et appareil utilisés .pour la caractérisatipn. du produit obtenu .par .miçrosçopie .. L'échantillon élaboré est analysé par microscopie optique (appareil de type Dino-lite), la résistance électrique de la piste ou des pistes conductrices sont mesurées à l'aide d'un multimètre de type Fluke 116.
FIGURE 1 :
a) Dépôt d'encre conductrice du commerce base carbone en solvant non aqueux, avec imprimante 3D Prusa 13 modifiée, b) circuit imprimé et encapsule dans du papier humide après séchage, c) circuit encapsulé enroulé, d) section latérale d'une piste encapsulée, e) image de la piste dénuée par abrasion de la couche en papier, f) mesure de conductivité d'une piste (largeur de la piste 3 mm, épaisseur moyen 0.209 mm, longueur 44 mm, résistance 170 Ohm, conductivité -410 S/m..
EXEMPLE 2 : CARTE ELECTRONIQUE COMPRENANT DES CONDENSATEURS PLANS IMPRIMES INTERDIGITES UTILES COMME CAPTEUR DE TOUCHER
2.1 SANS CONTROLEUR DE LED
Le papier, et plus précisément la cellulose est un diélectrique, i.e. un isolant, non inerte électriquement : qui dispose à l'échelle atomique de dipôles électrostatiques qui interagissent avec les champs électromagnétiques externes. La grandeur qui caractérise les diélectriques est la permittivité électrique, qui décrit la polarisation du matériau. Cet exemple illustre l'exploitation, conformément à l'invention, du papier comme diélectrique dans des condensateurs plans imprimés interdigités. Plus précisément, la porosité et la variation de l'humidité du papier ont pour effet de faire varier la capacité de ces condensateurs.
Ainsi, on fabrique dans cet exemple des feuilles de papier circulaires de 314 cm2 (dénommées formette) intégrant des capteurs de touche (interrupteurs) associés chacun un voyant LED, en utilisant le procédé d'impression/encapsulation objet de la présente invention. Étape a)
On utilise 1 litre de suspension fibreuse à 2g/l de fibres de cellulose kraft blanchies (résineux) raffinées à 57°SR
Étape b) -Etape c)
Un matelas fibreux humide circulaire de 314 cm2 (20 cm de diamètre) a été fabriqué par fïltration/égouttage (méthode Rapid Kôthen), afin d'obtenir une siccité d'environ 10-15% et un contenu en matière sèche d'env. 60 g/m2.
Etape c')
On procède ensuite à un pressage du matelas fibreux en utilisant un rouleau souple de 3 kg (correspondant à une pression linéique de 15 kg/m).
Étape d)
Une encre conductrice du commerce base carbone en solvant non aqueux, est déposée en utilisant un système de dosage direct par pompe à vis avec une buse de dépôt de 400 μιη de diamètre interne (distance buse-matelas fibreux environ 300 à 500 μιη, vitesse de dépôt environ 200 mm/min)
Comme montré sur la figure 4, chaque condensateur imprimé 1 comprend un peigne positif 2 et un peigne négatif 3. Chaque peigne est formé par une tige 4.2 & 4.3, à l'extrémité de laquelle s'étendent des dents 5.1 & 5.2 perpendiculaires, interdigitées, c'est-à-dire imbriquées les unes dans les autres.
Le circuit comprend des connecteurs parallèles imprimés 6 et 7, reliés à une LED 8.
Les pistes 4.2, 4.3, 5.1, 5.2 constituant le condensateur interdigité 1 et les connecteurs 6,7 de la LED ont une largeur de 1 mm et une épaisseur de 400 μιη (avant séchage). A l'aide de l'équation (1)
C = ε x S/d (1), ou C est la capacité du condensateur, ε la constante diélectrique relative du séparateur (papier), S la section de l'électrode et d distance entre les électrodes ;
Le condensateur 1 est dimensionné pour atteindre une capacité d'env. 1 pF, ce qui détermine un espacement entre les dents 5.1 & 5.2 du condensateur 1 de 500 μιη et une longueur cumulée des électrodes interdigités de 9 cm (figure 4).
Étape e)
Après le dépôt des pistes, la LED est positionnée et une couche de matelas fibreux humide (préparé selon les étapes a, b, c et c') est superposée afin d'encapsuler les circuits imprimés Étape (f.l)
L'ensemble matelas/circuit/couche d'encapsulation est pressé en utilisant un rouleau souple de 3 kg (correspondant à une pression linéique de 15 kg/m)
Étape (f.2)
L'ensemble matelas/circuit/couche d'encapsulation pressée est séché sous contrainte (environ 0.5 à 2 bars) à 95°C pendant 20 min (méthode Rapid Kôthen, séchoir type Franck, norme de référence TAPPI T 205).
On obtient plusieurs feuilles de support flexible cellulosique comportant chacune plusieurs ensembles condensateur 1/LED 8.
Caractérisation
Le condensateur interdigité ainsi réalisé montre une variation de plus de 75% de la valeur de sa capacité initiale (i.e. de 15 à 35 pF, figure 4), à l'approche d'un doigt humain (permittivité relative de l'ordre de 60). Cette variation de valeur de capacité permet alors de détecter très nettement l'approche et le touché du capteur par un doigt humain.
L'application d'une tension de 5 V aux bornes des connecteurs 6,7 reliées à la LED 8 encapsulée permet d'allumer la diode, ce qui prouve que le procédé d'encapsulation garantit un bon contact électrique et permet de maintenir en place la LED 8 sans besoin d'utiliser des colles conductrices ou de pâtes à souder.
La figure 5 montre qu'après toucher du capteur, un temps (environ deux secondes) est nécessaire à l'évaporation/dispersion de l'humidité dans la structure fibreuse du papier afin de revenir à l'état initial du condensateur.
2.2 AVEC CONTROLEUR DE LED
L'exemple 2.1 est reproduit en intégrant à chaque ensemble condensateur interdigité 1/LED 8, un contrôleur externe (Arduino MEGA 2560) permettant l'alimentation de la LED 8 lorsque la capacité du condensateur varie de manière significative (un seuil de détection est fixé à environ 25 pF, afin de ne pas détecter les variations faibles générées par des parasites externes). L'utilisation de la LED 8 permet simplement d'illustrer l'activation du capteur (voir figure 6). Il est important de noter que ce circuit est complètement intégré au papier. EXEMPLE 3 : CARTE ELECTRONIQUE COMPRENANT DES CONDENSATEURS PLANS IMPRIMES EN SANDWICH UTILES COMME CAPTEURS DE SOUFFLE - CLAVIER SENSIBLE AU SOUFFLE OBTENU A PARTIR DE CETTE CARTE 3.1 CONDENSATEURS PLANS IMPRIMES EN SANDWICH UTILES COMME CAPTEURS DE SOUFFLE
Il est question dans cet exemple de fabriquer une carte électronique selon l'invention, cette carte comprenant des capteurs sensibles au souffle, dans le but de créer des boutons donc l'activation est faite par soufflage localisé au moyen d'une paille. Cette application concerne plus particulièrement les utilisateurs tétraplégiques.
Les condensateurs imprimés sont dans cet exemple des capteurs en sandwich matriciel. La carte électronique 10 montrée sur les figures 7 et 9 comprend un circuit imprimé formé par 4 pistes conductrices parallèles 1 1 , reliées chacune par l'une de leur extrémité à un contrôleur Arduino MEGA 2650 12 permettant de détecter des variations de capacité et par 4 pistes conductrices parallèles 13, perpendiculaires aux pistes 1 1 et susceptibles d'être reliées chacune par l'une de leurs extrémités à l'un des pôles d'un générateur non représenté sur la figure 7 et sur la figure 8.
Méthodologie :
Étape a)
On utilise 1 litre de suspension fibreuse à 2g/l de fibres de cellulose kraft blanchies (résineux) raffinées à 57°SR
Étape b) -Etape c)
Un matelas fibreux humide circulaire de 314 cm2 (20 cm de diamètre) a été fabriqué par fïltration (méthode Rapid Kôthen), afin d'obtenir une siccité d'environ 10-15% et un contenu en matière sèche d'env. 60 g/m
Etape c'
On procède ensuite à un pressage du matelas fibreux en utilisant un rouleau souple de 3 kg (correspondant à une pression linéique de 15 kg/m).
Etape d
Les pistes parallèles 1 1 sont imprimées sur le matelas fibreux humide en utilisant une encre conductrice base carbone à base solvant (non aqueuse) et un système de dosage direct par pompe à vis avec une buse de dépôt de 400 μιη de diamètre interne (distance buse-matelas fibreux environ 300 à 500 μιη, vitesse de dépôt environ 200 mm/min), Les conditions d'impression sont résumées dans le tableau suivant :
Les pistes imprimées sont recouvertes d'une couche de superposition fibreuse d'encapsulation (préparée selon les étapes a, b, et c'), sur la face libre de laquelle sont ensuite imprimées les pistes parallèles 13.
Étape e
Une couche de superposition fibreuse d'encapsulation, préparée selon les étapes a, b, c et c', est alors déposée et compactée sur les pistes parallèles 13.
Les pistes 11 et 13 ont une largeur de 4 mm et une longueur de 100 mm.
Les zones situées aux intersections des pistes 11 et 13 forment seize condensateurs 14.
Cette topographie matricielle permet d'augmenter la densité des capteurs, tout en diminuant le nombre de connexions nécessaire au contrôleur 12 (i.e. pour une grille de
16 condensateurs, il suffit de 4 lignes et 4 colonnes, soit 8 connexions au contrôleur).
Les capteurs interdigités nécessitent 2 connexions par condensateur, soit 32 pour une grille de 16 condensateurs 14.
Étape f
La structure multicouche a été compactée en appliquant une pression linéique de 15 kg/m et séchée sous compression à 95°C (méthode rapid Kôthen).
Caractérisation
Le contrôleur Arduino MEGA 2560 mesure les variations de capacité dans le condensateur et transfère les données dans un tableur permettant leur visualisation sur la figure 8. Cette dernière montre une brusque augmentation de la capacité (de 3,8 à 6,2pF) correspondant au moment où l'utilisateur souffle à l'aide d'une paille sur la touche du clavier. De même que dans l'exemple 3.1, un temps d'environ quatre secondes est nécessaire pour le retour à la valeur de la capacité initiale. L'utilisation des condensateurs en sandwich est donc très intéressante en ce qu'elle permet la détection du souffle. Un clavier sensible a donc été réalisé. Comme mis en évidence dans l'exemple 2.1 avec des condensateurs plans interdigités, les condensateurs sandwich sont aussi sujets à une variation de leur capacité à l'approche d'un doigt, ce qui permet de les utiliser pour la réalisation de feuilles sensibles au touché et au souffle.
3.2 CLAVIER SENSIBLE AU SOUFFLE(OU AU CONTACT)
Le clavier 10 sensible au souffle montré sur la figure 9 est quasiment identique à la carte électronique 10, comprenant la grille de condensateurs en sandwich intégrés au papier (encapsulation) de l'exemple 3.1. Des touches (pads) de type numérique, comme situé à la droite sur les claviers standards des ordinateurs, ont été matérialisé sur la face supérieure de la carte électronique. Ainsi, les 16 touches correspondent aux 16 condensateurs 14.
On alimente successivement les quatre pistes 13 (électrodes horizontales) et on mesure la tension de sortie des quatre pistes 11 (électrodes verticales) pour évaluer la variation de la capacité de chaque condensateur 14, et ainsi détecter les variations d'humidité du papier, générées par le souffle de l'utilisateur (ou la présence d'un doigt en contact avec le papier).
Les variations de capacités dans les 16 condensateurs 14, sont détectées par le contrôleur 12 non représenté sur la figure 9 mais présent sur la figure 8 montrant la carte de l'exemple 4. Un seuillage, permettant de définir une vitesse limite de variation de la capacité au de la de laquelle un événement est détecté, de est implémenté et intégré dans un contrôleur 12 qui, en communiquant avec un ordinateur via une connexion USB va inscrire le symbole correspondant à la touche activée par le souffle, comme le ferait un clavier standard.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de fabrication d'un support flexible cellulosique comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, ce circuit et/ou cette carte étant susceptible(s) d'être porteur(s), de faire circuler et/ou de traiter un signal, en particulier un signal électrique s'agissant de circuits électriques imprimés ou de cartes électroniques, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à : a) préparer ou mettre en œuvre une suspension fibreuse aqueuse comprenant de la pâte à papier et/ou de pâte de fibrilles de cellulose;
b) produire un matelas fibreux humide à partir de cette suspension ;
c) égoutter ce matelas fibreux humide;
c') éventuellement, presser ce matelas fibreux humide;
d) imprimer l'une des faces du matelas fibreux humide au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal;
e) éventuellement, revêtir la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche humide, de préférence fibreuse;
f) éventuellement éliminer au moins partiellement l'eau contenue dans le matelas fibreux éventuellement revêtu conformément à l'étape e);
g) éventuellement, revêtir la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche constituée de pigments minéraux et de liants;
h) éventuellement, imprimer l'une des faces du support susceptible d'être obtenu à l'issue d'au moins l'une des étapes e) à g), au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal.
Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la suspension mise en œuvre à l'étape a) a une concentration en matière sèche comprise entre 0,1 et 1 % en poids.
3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'impression selon l'étape d) est réalisée par dépôt de l'encre fonctionnelle sur l'une des faces du matelas fibreux, après disparition du film d'eau de surface, lors de l'égouttage de l'étape (c), ce phénomène se situant à une siccité globale du matelas fibreux supérieure à 1% en poids et inférieure ou égale à 30% en poids, de préférence à 15 % en poids.
4. Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il s'intègre dans une fabrication discontinue de papier faisant intervenir au moins un disperseur, au moins une colonne de fîltration/égouttage équipée d'au moins une toile de filtration, au moins un cylindre calibré de compression et un dispositif de séchage de la feuille sous contrainte.
5. Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que l'encre fonctionnelle est choisie parmi les encres composées d'au moins un solvant à faible polarité et faiblement miscible dans l'eau, de préférence dans le groupe comprenant - idéalement constitué par - : les encres colorées, les encres électriquement conductrices, les encres thermiquement conductrices, les encres semi-conductrices, les encres isolantes, les encres magnétiques, les encres diélectriques et leurs mélanges.
6. Procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 3 et 5, caractérisé en ce qu'il s'intègre dans une fabrication continue industrielle de papier faisant intervenir une machine à papier comprenant une caisse de tête, une toile d'égouttage - de préférence à table plate -, une section de presses, une sécherie et une bobineuse.
7. Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que l'objet fabriqué est une carte électronique comportant au moins un circuit imprimé et au moins un composant électronique, ce dernier étant de préférence un condensateur interdigité ou un condensateur sandwich.
8. Support flexible cellulosique susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 6 et comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, mono ou multicouche, caractérisé par une épaisseur comprise entre 100 et 500 μιη, de préférence entre 200 et 400 μιη. 9. Carte électronique fabriquée par le procédé selon la revendication 6 caractérisée en ce qu'elle est constituée par une grille de condensateurs en sandwich formé chacun à l'intersection de pistes électroconductrices PI, P2 formant la grille.
10. Carte électronique selon la revendication 8 caractérisée en ce qu'elle constitue un clavier d'un dispositif électronique, de préférence un ordinateur, une tablette numérique ou un smartphone.
11. Installation pour la mise en œuvre du procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'elle comprend :
I. éventuellement au moins un dispositif de préparation et de raffinage de pâte à papier et/ou de pâte des (micro/macro) fibrilles de cellulose;
dans un mode de production discontinu : au moins un système de fabrication de feuilles de papier de préférence du type de celui spécifié dans la norme IS05269 (méthode rapid Kôten), ou dans un mode de production continu : au moins une machine à papier comprenant une caisse de tête, une toile d'égouttage - de préférence à table plate -, une section de presses, une sécherie et une bobineuse;
II. un système de dépôt/impression sans contact, en particulier par d'extrusion, spray ou jet d'encre ou "jetting"; et/ou un système de dépôt/impression avec contact, en particulier par sérigraphie, de préférence sérigraphie rotative, flexographie, tampographie, héliogravure, ou offset;
III. au moins une encre fonctionnelle choisie parmi les encres composées d'au moins un solvant à faible polarité et faiblement miscible dans l'eau, de préférence dans le groupe comprenant - idéalement constitué par - : les encres colorées, les encres électriquement conductrices, les encres thermiquement conductrices, les encres semi-conductrices, les encres isolantes, les encres magnétiques, les encres diélectriques et leurs mélanges.
EP18793252.0A 2017-10-04 2018-10-04 Procede de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel, installation pour la mise en oeuvre de ce procede Withdrawn EP3692208A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1759307A FR3071855B1 (fr) 2017-10-04 2017-10-04 Procede de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel, installation pour la mise en œuvre de ce procede
PCT/FR2018/052457 WO2019069034A1 (fr) 2017-10-04 2018-10-04 Procede de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel, installation pour la mise en oeuvre de ce procede

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3692208A1 true EP3692208A1 (fr) 2020-08-12

Family

ID=61187397

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP18793252.0A Withdrawn EP3692208A1 (fr) 2017-10-04 2018-10-04 Procede de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel, installation pour la mise en oeuvre de ce procede

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20200305278A1 (fr)
EP (1) EP3692208A1 (fr)
JP (1) JP2020536390A (fr)
CN (1) CN111183257A (fr)
FR (1) FR3071855B1 (fr)
WO (1) WO2019069034A1 (fr)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021095648A (ja) * 2019-12-14 2021-06-24 鳥光　慶一 離隔動作識別素子とこれを有する荷重刺激のセンシングシステム、及びこれらに関連する学習済みモデルと推測システム
US12492512B2 (en) * 2021-11-03 2025-12-09 North Carolina State University Functional paper for electronics printing and methods of making
CN115305744B (zh) * 2022-08-31 2023-07-04 安徽清澜新材料科技有限公司 光伏台面纸用无纺布及其生产方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6042936A (en) 1997-09-23 2000-03-28 Fibermark, Inc. Microsphere containing circuit board paper
US20090214790A1 (en) * 2008-02-25 2009-08-27 Stephen Simpson Method of making an ink-printed fibrous web
JP2013504864A (ja) * 2009-09-14 2013-02-07 シェラー テクノチェル ゲー エム ベー ハー ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト 電子回路用支持体
US20140345922A1 (en) * 2010-12-15 2014-11-27 Newpage Corporation Inkjet printed electronic device
FR3007582B1 (fr) * 2013-06-24 2015-06-26 Inst Polytechnique Grenoble Procede d'impression ou de depot par atomisation pour la preparation d'une electrode flexible supportee et la fabrication d'une batterie lithium-ion
FR3012153B1 (fr) 2013-10-21 2016-03-04 Arjo Wiggins Fine Papers Ltd Papier destine en particulier a l'impression d'une couche electro-conductrice
JP6486053B2 (ja) * 2014-10-03 2019-03-20 株式会社コムラテック 電子回路基板の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20200305278A1 (en) 2020-09-24
WO2019069034A1 (fr) 2019-04-11
JP2020536390A (ja) 2020-12-10
FR3071855A1 (fr) 2019-04-05
CN111183257A (zh) 2020-05-19
FR3071855B1 (fr) 2021-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2802711B1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;une feuille
EP3692208A1 (fr) Procede de fabrication d&#39;un support flexible cellulosique fonctionnel, installation pour la mise en oeuvre de ce procede
CN105568768B (zh) 一种透明纸以及多次表面涂布法快速制备透明纸的方法
CA2925082C (fr) Papier destine en particulier a l&#39;impression d&#39;une couche electro-conductrice
BR112018005384B1 (pt) Colagem superficial de películas densas
JP2018527476A (ja) ミクロフィブリル化フレキシブルフィルムの形成
FR2492426A1 (fr) Procede de fabrication de papier fin et ce papier
CN109476856B (zh) 片材
FR2983494A1 (fr) Structures fibreuses et procedes de production de celles-ci
CN109415523A (zh) 片材
EP2516741A1 (fr) Feuille imprimable ultra lisse et recyclable et son procédé de fabrication
CN103314155B (zh) 纤维片制造装置
FI122145B (fi) Menetelmä ja järjestelmä kuitupitoisen tuotteen valmistamiseksi
JP6947358B2 (ja) 基板へのセキュリティデバイスの表面貼付の方法
CA2934631A1 (fr) Procede de traitement de surface d&#39;un document de securite et document de securite associe
EP2635741A1 (fr) Processus de fabrication d&#39;une toile de fibre multicouche
EP1702110A1 (fr) Papier de securite possedant une resistance au double-pli elevee et son procede de fabrication
EP2992141A1 (fr) Support plan hydrophobe
FR2985744A1 (fr) Procede de fabrication d&#39;une feuille electro-conductrice
EP0563245A1 (fr) Feuille imprimable marquee couchee et son procede de fabrication.
Bardet et al. Barrier properties of specialty papers coated with microfibrillated cellulose: influence of base paper and coat weight
Mun et al. Fabrication of IDT electrode onto cellulose electro-active paper by inkjet printing
WO2014097205A1 (fr) Procede de preparation d&#39;une feuille de securite et/ou de valeur par penetration d&#39;un adhesif thermoactivable au sein d&#39;un substrat fibreux
FR2992663A1 (fr) Procede de fabrication d&#39;une feuille dont une face comporte une zone de plus grand lisse que le reste de la face

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20200326

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20210604

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20220726

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20221206