WO2022008831A1 - Procédé de fabrication d'un dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique - Google Patents

Procédé de fabrication d'un dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique Download PDF

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manufacturing process
electrically conductive
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conductive
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Sébastien PATOUR
Timothée BOITOUZET
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Sas Woodoo
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Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing an electrically conductive device made of lignocellulosic material.
  • It also relates to an electrically conductive device made of lignocellulosic material obtained by such a process.
  • Payment cards, with or without contact, access control badges, cards with certificate of authenticity are also used more and more often in everyday life.
  • touch interfaces to control the operation of a device are used today in a wide variety of fields: transport (automotive, nautical, aeronautical), building, packaging, access security or even furniture.
  • touch interfaces are often made from a glass or silica substrate on which a plastic film is deposited and glued, generally a thin layer of PET (PolyEthylene Terephthalate), bearing a printed circuit, for example made of ITO (Indium Tin Oxide). Capacitive touch interfaces are thus offered.
  • PET PolyEthylene Terephthalate
  • ITO Indium Tin Oxide
  • WO 2019/055680 is a tactile interface developed using a non-polymeric substrate, such as paper, textile, ceramic, wood or foam. Electrical conductive tracks are deposited directly on the substrate, by printing a conductive ink or via a hydrography transfer technique, well suited to three-dimensional substrates.
  • the quality of the deposition of an electrically conductive coating is highly dependent on the nature of the substrate and the surface that receives it.
  • the electrical operation of the conductive circuit thus produced is also influenced by the nature of the substrate and its dielectric qualities.
  • the purpose of the present invention is to propose an alternative to existing solutions, by simplifying the manufacture of an electrically conductive device whatever its final form, and while ensuring a good quality of electrical conduction of the device thus obtained.
  • the present invention relates to a method of manufacturing an electrically conductive device made of lignocellulosic material.
  • the manufacturing process comprises the following steps:
  • Such a process thus makes it possible to deposit an electrically conductive coating directly on a lignocellulosic substrate, in contact with the surface of the cellulosic substrate, in order to add an electrical and/or electronic function to the device thus manufactured.
  • the use of an intermediate plastic film, glued to the substrate, is thus unnecessary.
  • the functionalization of ligno-cellulosic substrate without having to bond with an adhesive a plastic film incorporating printed electronics allows iso-functionality to reduce the number of parts to be implemented, to simplify assembly and to reduce manufacturing costs.
  • the impregnation of the lignocellulosic substrate with a filling compound makes it possible to dimensionally stabilize the lignocellulosic substrate, improving the final structure of the electrically conductive device.
  • the impregnation makes it possible to homogenize the surface state of the composite substrate brought to receive the deposition of at least one conductive layer.
  • the surface of the composite substrate can be controlled and has less asperities or hollows thanks to the impregnation with a filling compound.
  • the substrate of lignocellulosic material such as raw wood, thus has a lower roughness after impregnation, improving the quality of the deposition of the conductive layer, and thus the conductive properties of the latter during use of the device. electrically conductive thus obtained.
  • the low roughness of the composite substrate improves the adhesion of the conductive layer and its conductivity.
  • the electrically conductive device can in particular form a two-dimensional or three-dimensional control interface.
  • the composite substrate comprises a fraction of a filling compound of between 30% and 80% by mass relative to the total mass of said substrate.
  • the filling compound makes it possible to improve the dielectric qualities of the lignocellulosic substrate. By replacing hearts in the lignocellulosic substrate pores and air pockets, the filling compound increases the electrical insulation properties of the composite substrate.
  • the filling compound is an impregnating polymer, and for example a thermoplastic polymer, of the acrylic type.
  • a polymer is well suited to modifying and controlling the dielectric properties of the composite substrate thus produced.
  • thermoplastic polymer is well suited to the subsequent shaping of the composite substrate, in particular by hot forming, such as by thermoforming or thermocompression.
  • the ligno-cellulose material is wood comprising lignin and a network of cellulose and hemicellulose, the wood being at least partially delignified.
  • the at least partial removal of the lignin makes it possible to optimize the optical properties of the composite substrate. Since lignin is degraded under the effect of ultraviolet radiation, once at least part of the lignin is removed, the composite substrate is more resistant to natural degradation and ultraviolet aging.
  • the removal of the lignin coupled with the impregnation of the filling compound makes the composite substrate less sensitive to variations in humidity and changes in temperature.
  • the electrically conductive device thus obtained can thus be used in different environments, both indoors and outdoors, while guaranteeing proper electrical operation.
  • the composite substrate comprises at least one flat face, a conductive track being deposited on the surface of said at least one flat face.
  • the deposition of a conductive layer can be carried out by screen printing a conductive track on the surface of the composite substrate, screen printing being well suited to mass production. Screen printing is well suited to the deposition of a conductive ink in particular. A technique for depositing an ink conductive inkjet can also be used for small series production.
  • a screen printing technique can be implemented satisfactorily, with good adhesion of the conductive layer thus deposited and good electrical continuity.
  • Deposition by screen printing or by conductive ink jet makes it possible to implement a step of depositing a conductive layer at room temperature. It makes it possible to obtain an electronic circuit printed on the composite substrate.
  • the deposition of the conductive layer at room temperature makes it possible to avoid the use of high temperature necessary for the deposition of ITO.
  • the manufacturing method further comprises a step of baking the conductive track, optionally followed by a step of shaping the composite substrate so as to produce an electrically conductive device in three dimensions.
  • Baking the conductive track removes solvents and volatile compounds from the conductive track deposited on the composite substrate.
  • the shaping step makes it possible, when it implements a hot forming of the composite substrate, to improve the electrical conductivity properties of the conductive ink thanks to a second curing of the conductive ink.
  • the filling compound is a resin loaded with metal particles, the manufacturing process further comprising a step of activating the metal particles by laser or ultraviolet beam before the deposition step.
  • a metallization of the tracks activated locally on the composite substrate is thus obtained, the metal in suspension adhering to the activated metal particles.
  • Such a manufacturing method is well suited to the production of an electrically conductive device in three dimensions.
  • the manufacturing process may include a step of shaping the composite substrate after the impregnation step and before the deposition step.
  • the conductive layer is thus directly applied to one or more three-dimensional surfaces of the composite substrate, after thermoforming or thermocompression for example.
  • the composite substrate is a plate comprising two opposite faces, the manufacturing method comprising a step of depositing at least one conductive layer on at least one surface of one of the two faces of the plate.
  • the method thus makes it possible to functionalize a plate by providing a conductive element on one of the two faces, such as an electrode or a mesh of conductive wires for example, thus transforming the plate into a tactile control interface, from the detection of a touch on the opposite side. It is thus possible to obtain a tactile control interface, with capacitive or resistive detection technology.
  • the thickness of the plate is less than 10 mm.
  • the electrically conductive device By limiting the thickness of the composite substrate, it is possible to use the electrically conductive device as a coating or as a control interface placed on an electronic object.
  • the composite substrate is translucent or transparent, the light transmission coefficient of the translucent substrate being at least equal to 3%.
  • the translucency of the composite substrate makes it possible to use it in association with a light device, such as a display screen or an indicator.
  • a light device such as a display screen or an indicator.
  • LED type light Light Emitting Diode
  • the transmission of the light beam and therefore of information is made possible.
  • the conductive layer comprises a transparent conductive ink.
  • a transparent conductive ink in combination with the translucency or transparency of the composite substrate, makes it possible to use the composite substrate as an interface above a display screen for example.
  • the refractive index of the filling compound is between 1.35 and 1.70.
  • optical index of the filling compound is thus close to that of the cellulose of the ligno-cellulosic material.
  • the refractive index of the filling compound be close to that of the lignocellulosic substrate after at least partial delignification.
  • the filler compound has substantially the same optical density as that of the cellulose present in the substrate.
  • the refractive index of cellulose being close to 1.47, the choice of a filling compound having a refractive index included in a range of 1.35 to 1.70, makes it possible to have refractive indices close to one of the other. The light can thus pass through the composite substrate substantially without being deflected.
  • the present invention relates to an electrically conductive device made of lignocellulosic material obtained by the manufacturing process according to the invention.
  • This electrically conductive device has characteristics and advantages similar to those previously described in relation to the method.
  • the device electrically constitutes a control interface for an electronic object, a payment card, an access control badge, a sensor, a transistor, a resistor, an energy-generating device or an electrical conductor.
  • an electrically conductive device forms, for example, an automobile, nautical or aeronautical part, or an element or accessory in the field of building, packaging or furniture.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an embodiment of the method of manufacturing an electrically conductive device according to the invention
  • FIG. 2a is a front view of an antenna made according to one embodiment of the method of manufacturing an electrically conductive device of the invention
  • FIG. 2b is an exploded perspective view of the antenna of Figure 2a;
  • FIG. 3a illustrates a first step in the production of a touch interface in lignocellulosic material according to an embodiment of the method for manufacturing an electrically conductive device of the invention
  • Figure 3b illustrates a second stage of production of a touch interface in lignocellulosic material of Figure 3a.
  • the ligno-cellulose material is for example wood comprising lignin and a network of cellulose and hemicellulose.
  • wood such as beech, oak, walnut, poplar, maple, ash, or a softwood can be used.
  • the manufacturing process can use a raw lignocellulosic material, or a partially or totally delignified one.
  • the fraction of lignin removed from the raw ligno-cellulosic material can be between 40% and 90% by weight of the lignin initially present in the raw ligno-cellulosic material.
  • the at least partial delignification of the lignocellulosic material makes it possible to obtain a piece of wood that is at least translucent, or even transparent.
  • the at least partial delignification of the ligno-cellulosic material makes it possible to obtain a part that is more resistant to degradation under the effect light or ultraviolet.
  • the manufacturing process is implemented from a plate of lignocellulosic material.
  • the manufacturing process can be implemented on any type of shape, in two or three dimensions.
  • the manufacturing process firstly comprises a step S10 of impregnation of the lignocellulosic material with at least one filler compound so as to produce a composite substrate.
  • the impregnation step S10 implements a filling compound suitable for impregnating to the heart, in the thickness, the lignocellulosic material.
  • the filling compound is thus suitable for filling the interstices and voids present naturally in the raw ligno-cellulosic material and/or created by the at least partial delignification of the ligno-cellulosic material.
  • the filling compound can be an impregnating polymer, an elastomer, a silica derivative or any type of impregnating compound.
  • the impregnating polymer can be a thermoplastic polymer of the acrylic type.
  • the impregnating polymer can be a thermosetting resin.
  • the filler compound can be petro-based or bio-based.
  • a process for impregnating a lignocellulosic material is known to those skilled in the art and is described in particular in documents WO 2017/098149 and WO 2019/155159.
  • the impregnation process makes it possible to obtain a full impregnation of the filling compound in the structure of the ligno-cellulosic material, in order to mechanically reinforce and sheath the cellulose fibers of the wood.
  • the impregnation step S10 comprises a step of filling with a compound for filling the plate of lignocellulosic material and a finishing step by polymerization and/or crosslinking of the filling compound.
  • the extraction of the lignin can be implemented by soaking and washing, optionally coupled in the same step, of the plate of lignocellulosic material in a solution allowing at least partial dissolution of the lignin.
  • the filling compound can be a resin doped with conductive particles in order to modify and control the conductivity of the composite substrate thus produced.
  • the composite substrate thus obtained has a stable electrical conductivity value, well suited to its use both indoors and outdoors.
  • the finishing step has the effect of completely polymerizing or cross-linking the filling compound and thus ensuring good physico-chemical stability of the composite substrate for its subsequent use.
  • the fraction of the filler compound in the composite substrate thus obtained is between 30% and 80% by mass relative to the total mass of the composite substrate.
  • the composite substrate thus obtained can then optionally be shaped during an initial shaping step S11, for example by hot forming.
  • the initial shaping step S11 can be implemented by various hot forming techniques, and in particular by thermocompression or vacuum thermoforming.
  • hot forming can implement industrial processes used to produce composite parts, after resin transfer molding (RTM or Resin Transfer Molding) or high pressure resin transfer molding (HP-RTM or High Pressure Resin Transfer Moulding).
  • RTM resin transfer molding
  • HP-RTM High Pressure Resin Transfer Moulding
  • the hot forming processes can implement thermo molding (RIM or Reaction Injection Molding), compression molding, or even a sheet molding technique (SMC or Sheet Molding Compound).
  • RIM thermo molding
  • SMC Sheet Molding Compound
  • thermoforming implements a step of heating the composite substrate obtained at the end of the impregnation step S10, then a step of heating the thermocompression mould.
  • the temperatures used for heating the composite substrate and the mold depend on the glass transition temperature of the impregnating polymer.
  • the heating temperatures of the composite substrate and of the thermoforming mold must be sufficient to fluidify the impregnation polymer, and allow the shaping of the composite substrate, while maintaining a viscosity to this impregnation polymer in order to maintain the structure and maintenance of the composite substrate.
  • the initial shaping step S11 makes it possible, for example, to curve this plate along one or more directions in space so as to to obtain a piece of cylindrical, frustoconical, hemispherical shape or any type of shape with double curvature or left surface.
  • the manufacturing method comprises a step S12 of depositing at least one conductive layer on at least one surface of the composite substrate of so as to produce an electrically conductive device.
  • the deposition step S12 is implemented after the composite substrate has cooled after the impregnation step S10 or optionally after cooling after the initial shaping step S11.
  • the deposition step S12 can implement different techniques for depositing a conductive layer on a support.
  • the deposition step S12 can be carried out using a screen printing technique.
  • Screen printing is well suited to depositing a conductive track on the surface of a flat face of the composite substrate.
  • the conductive track can be produced for example by means of a conductive ink.
  • stencils or masks are used and interposed between a conductive ink and the composite substrate.
  • a liquid ink is deposited on the mask and spread over the surface using a scraper.
  • a layer of conductive ink thus deposited by screen printing is particularly well suited to large production volumes.
  • conductive ink can be deposited on the surface of the composite substrate, by interposing between the conductive layers an insulating layer such as an insulating plastic film or a layer of electrically insulating ink.
  • a conductive ink jet deposition technique can be implemented, in particular for production in smaller series.
  • the composite substrate has a three-dimensional shape, and in particular the conductive layer is not deposited on a flat surface, various graphic printing methods on a non-flat surface can be implemented during the deposition step.
  • hydrographic printing can be used.
  • a hydrographic film is printed with a graphic before being deposited on the surface of water from a pond. Since this hydrographic film is water soluble, it dissolves by applying an activating solution in water.
  • the composite substrate being soaked in the water of the basin, the surface tension of the water makes it possible to deposit the graphic of the hydrographic film on one or more faces of the composite substrate.
  • the filling compound used in the impregnation step S10 can be a resin loaded with metal particles.
  • the manufacturing process then includes a step S13 for activating the metal particles, for example by laser or ultraviolet beam, before the deposition step S12.
  • the laser or ultraviolet beam thus makes it possible to etch tracks or different lines on the composite substrate impregnated with a resin loaded with metal particles or an organometallic additive.
  • the material is thus activated locally, the laser or ultraviolet beam tearing off the metallic elements present in the filled resin.
  • the composite substrate is then immersed during the deposition step S12 in a bath and a deposition of a metallized conductive layer is obtained by electrolysis on the zones thus activated.
  • This deposition technique is conventionally used in plastronics, to produce plastic parts incorporating electronic functions.
  • the manufacturing method then optionally includes a step S14 of baking the conductive layer thus deposited.
  • the baking step S14 makes it possible to remove the solvents and the volatile compounds from a conductive ink, and thus to improve the electrical conductivity of the conductive ink deposited.
  • the temperatures implemented during the firing step S14 are typically below 180° C. in order to avoid any risk of burning the composite substrate made of ligno-cellulosic material.
  • the temperatures are typically between 100°C and 150°C.
  • the cooking step S14 can be implemented at a temperature of 130°C.
  • the composite substrate on which the conductive layer is deposited is placed in an oven at a regulated temperature for a predetermined duration.
  • the cooking step S14 can use the combined implementation of pressure and heat.
  • two heating plates can be pressed against surfaces of the composite substrate.
  • rotating cylinders rolling machine
  • rotating machine can be used to apply a pressure force on the composite substrate on which the conductive layer is deposited.
  • the composite substrate when the composite substrate is in the form of a plate, it can advantageously pass through a rolling mill heated during the baking step S14.
  • the baking step S14 makes it possible to bake the conductive ink by implementing heating, optionally combined with pressurizing the surface on which the conductive ink has been deposited.
  • the cooking step S14 can be implemented in two parts: first of all, a pre-cooking or a drying of the ink can be implemented, at a temperature of the order of 50 °C.
  • the ink thus deposited changes from the liquid state to the solid state, facilitating the manipulation or transport of the composite substrate during the manufacturing process of the non-conductive electrical device.
  • An effective baking step at a higher temperature between 100°C and 150°C, can then be implemented in order to remove the solvents and volatile compounds from the conductive ink and thus obtain the conductivity properties. electricity of this ink.
  • the manufacturing process may optionally include, after the deposition step S12 or the firing step S14, a final shaping step S15 of the composite substrate.
  • This final shaping step S15 may be similar to the initial shaping step S11.
  • the final shaping step S15 can thus be implemented, as described previously, by thermoforming or thermocompression techniques.
  • This new rise in temperature of the composite substrate during the final shaping step S15 makes it possible to heat the composite substrate on which the conductive layer has been deposited once again, and thus to optionally carry out a second firing of the conductive layer after cooking step S14.
  • thermoformable ink with the composite substrate itself thermoformable, makes it possible to model electrically functional surfaces in three dimensions.
  • the hot forming of the composite substrate implemented during the final shaping step S15 will act as a second curing of the conductive ink, which will further improve these electrical conductivity properties.
  • the manufacturing process described above thus makes it possible to obtain an electrically conductive device from a composite substrate made of lignocellulosic material.
  • the functionalization of the composite substrate is obtained by depositing at least one conductive layer, in direct contact with the surface of the composite substrate, without requiring the use of an adhesive and of a plastic film incorporating printed electronics.
  • the manufacturing process thus implemented is simple and inexpensive, limiting the number of parts required and the assembly steps for the production of an electrically conductive device.
  • the manufacturing method may include a step S12 of depositing one or more conductive layers on at least one surface of the opposite faces of the plate.
  • FIGS. 2a and 2b an example of implementation of the manufacturing method, making it possible to produce an antenna on a composite substrate in the form of a plate.
  • the composite substrate is a plate 20 comprising two opposite faces 20a and 20b.
  • the manufacturing process includes a step of depositing a conductive layer on the flat surface of a face 20a of the plate 20.
  • the manufacturing process comprises two successive deposition steps S12: a first deposition step S12 makes it possible to deposit, for example by screen printing a conductive ink, a first conductive track 21 .
  • the insulator 22 makes it possible to separate the different conductive layers made on the same face 20a of the plate 20.
  • a second deposition step S12 is then implemented to produce a second conductive track 23.
  • the second conductive track 23 is made in a spiral shape so as to form an antenna.
  • the second conductive track 23 is electrically connected to the first conductive track 21 .
  • An electronic component 24 can also be mounted on the surface, such as a CMS (surface mounted device) component.
  • the electronic component 24 can thus be welded for example to two pads 23a, 23b of the second conductive track 23.
  • the electronic component 24 can be a memory.
  • the electrically conductive device thus takes the form of a card of the identity card, access control badge or payment card type.
  • the thickness of the plate 20 can be less than 10 mm, and for example between 0.1 and 3 mm, or between 1 and 3 mm.
  • the manufacturing process thus makes it possible to functionalize one of the two faces 20a of the plate 20.
  • the radiofrequency antenna thus produced can operate according to different types of well-known communication protocols such as RFID, Bluetooth, Wifi, NFC (Near Field Communication).
  • One of the faces 20a of the plate 20 could also be functionalized by the deposition, by screen printing for example, of a trace of electrodes forming for example a resistive or capacitive sensor.
  • the composite substrate 20 can then preferably be translucent, the light transmission coefficient of the composite substrate 20 being equal to at least 3%. It is thus possible, through the composite substrate 20, to display a light signal emitted by an electronic object controlled by the control interface.
  • the deposition of a conductive layer makes it possible to produce a circuit or conductive tracks on which one or more SMD or through-hole components can be soldered.
  • a heating element is obtained, which can be thermoregulated.
  • a network of conductive tracks 31 in a matrix is produced on one face 32a of a composite substrate 32 made of ligno-cellulosic material impregnated with an impregnating polymer.
  • the touch sensor thus produced may be resistive or capacitive in nature.
  • the composite substrate 32 after deposition of a conductive layer, can be shaped, for example by thermoforming, to form an electrically conductive device in three dimensions.
  • the electrically conductive device is thus hot-formed to form a surface, with two radii of curvature, such as a portion of a sphere.
  • any type of left surfaces with two radii of curvature could be hot formed.
  • the lignocellulosic material is preferably at least partially delignified and the refractive index of the filling compound is between 1.35 and 1.70.
  • a refractive index of the filling compound close to that of cellulose, of the order of 1.47, is chosen.
  • the light coming from an electronic object or from a screen placed under the touch interface 30 is little or not deviated, improving the light rendering for the user.
  • the delignification of the composite substrate 32 allows light to pass without diffraction of the light ray.
  • the touch interface 30 is intended to be used to control an electronic object or a display screen, it is advantageous to use a transparent conductive ink in combination with the translucent or transparent composite substrate.
  • a touch interface can be obtained by coupling several plates of ligno-cellulosic material in such a way that the overall touch interface can have a thickness greater than 10 mm.
  • This type of touch interface is well suited to protect fragile or sensitive electronic objects, and can for example be used in applications where traditionally armored glass is required.
  • FIGS. 2a, 2b, 3a and 3b only one of the faces 20a, 32a of the composite substrate 20, 32 is functionalized using the deposition of a conductive layer.
  • the other face 20b, 32b of the electrically conductive device thus forms an appearance face, and in particular has a rendering and the appearance of a ligno-cellulosic material, with the characteristics and the grain of the wood used to manufacture the composite substrate. .
  • the casing of a mobile telephone can be made from an electrically conductive device as described previously making it possible to functionalize the rear face of the mobile telephone, opposite the screen on the front.
  • the manufacturing process also makes it possible to produce an electrically conductive device that can be used as a communicating watch strap or as a watch case.
  • An electrically conductive device made of lignocellulosic material can also be used for sports equipment such as skis, or consumer products (glasses, telephone covers).
  • the electrically conductive device made of lignocellulosic material can also be an element of furniture, and for example an office table with an integrated touch screen, or a door with a touch detection device.
  • Such an electrically conductive device can also be used in a passenger compartment (dashboard, door element) in the automotive, nautical or aeronautical field.
  • the electrically conductive device made of lignocellulosic material more generally makes it possible to replace all the types of interfaces today made from plastic or glass but which have the disadvantage of being fragile or thick and heavy and of have a harmful ecological impact on the environment because it is petro-sourced.
  • the composite substrate can have a highly variable 2D or 3D shape, making it possible to produce objects with complex geometries, of the skew surface or hyperbolic paraboloid type.
  • the deposition of a conductive layer can be carried out on several faces of the composite substrate.

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Abstract

Un procédé de fabrication d'un dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique comprend les étapes suivantes : - imprégnation (S10) du matériau ligno-cellulosique par au moins un composé de remplissage de sorte à produire un substrat composite; et - dépôt (S12) d'au moins une couche conductrice sur au moins une surface du substrat composite de sorte à produire un dispositif électriquement conducteur. Utilisation d'un dispositif électriquement conducteur ainsi réalisé notamment comme interface tactile.

Description

Procédé de fabrication d'un dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique.
Elle concerne également un dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique obtenu par un tel procédé.
Le domaine des objets connectés, de l’internet des objets (loT ou Internet of Things en terminologie anglo-saxonne), de la domotique et des surfaces intelligentes (smart surface) et la prolifération des écrans d’affichage et de contrôle démultiplient aujourd’hui le besoin d’interactivité grâce à des fonctions électroniques directement intégrées aux objets.
Les cartes de paiement, avec ou sans contact, les badges de contrôle d’accès, les cartes avec certificat d’authenticité sont aussi utilisés de plus en plus souvent dans la vie courante.
En particulier, les interfaces tactiles pour contrôler le fonctionnement d’un dispositif sont aujourd’hui utilisées, dans des domaines très variés : transports (automobile, nautique, aéronautique), bâtiment, emballage, sécurité d’accès ou encore mobilier.
A ce jour, les interfaces tactiles sont souvent réalisées à partir d’un substrat en verre ou silice sur lequel est déposé et collé un film plastique, généralement une couche mince de PET (PolyEthylèneTéréphtalate), portant un circuit imprimé par exemple en ITO (Indium Tin Oxide). Des interfaces tactiles à détection capacitive sont ainsi proposées.
Ces interfaces tactiles sont toutefois épaisses, lourdes et fragiles, et limitées dimensionnellement à des applications planes, en deux dimensions.
Leur fabrication nécessite en outre un dépôt d’ITO à haute température, en environnement contrôlé, générant une dépense énergétique élevée, ce qui renchérit leur procédé de fabrication et le rend complexe. Ces procédés de fabrication ont également une empreinte carbone élevée. Des alternatives aux substrats en verre ont été proposées, tels que des substrats plastiques permettant le développement d’écrans souples. Toutefois, la température de dépôt d’ITO est limitée sur de tels substrats en plastique, ce qui diminue la performance électrique et optique de ces structures.
On connaît également dans le document WO 2019/055680 une interface tactile développée en utilisant un substrat non-polymérique, tel que du papier, un textile, de la céramique, du bois ou une mousse. Des pistes conductrices électriques sont déposées directement sur le substrat, par impression d’une encre conductrice ou via une technique de transfert par hydrographie, bien adaptée à des substrats en trois dimensions.
Cependant, la qualité du dépôt d’un revêtement électriquement conducteur est fortement dépendante de la nature du substrat et de la surface qui le reçoit. Le fonctionnement électrique du circuit conducteur ainsi réalisé est aussi influencé par la nature du substrat et ses qualités diélectriques.
La présente invention a pour but de proposer une alternative aux solutions existantes, en simplifiant la fabrication d’un dispositif électriquement conducteur quelle qu’en soit sa forme finale, et tout en assurant une bonne qualité de conduction électrique du dispositif ainsi obtenu.
Selon un premier aspect, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif électriquement conducteur en matériau ligno- cellulosique.
Selon l’invention, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :
- imprégnation du matériau ligno-cellulosique par au moins un composé de remplissage de sorte à produire un substrat composite ; et
- dépôt d’au moins une couche conductrice sur au moins une surface du substrat composite de sorte à produire le dispositif électriquement conducteur.
Un tel procédé permet ainsi de déposer un revêtement électriquement conducteur directement sur un substrat ligno-cellulosique, en contact avec la surface du substrat cellulosique, afin d’ajouter une fonction électrique et/ou électronique au dispositif ainsi fabriqué. L’utilisation d’un film plastique intermédiaire, collé sur le substrat, est ainsi inutile. La fonctionnalisation du substrat ligno-cellulosique sans avoir à coller avec un adhésif un film plastique intégrant de l’électronique imprimée, permet à iso-fonctionnalité de réduire le nombre de pièces à mettre en oeuvre, de simplifier l’assemblage et de réduire les coûts de fabrication.
En outre, un tel procédé permet d’utiliser un matériau ligno- cellulosique, issu de la biomasse au bilan carbone favorable afin de réaliser des pièces et surfaces intelligentes, interactives et tridimensionnelles.
L’imprégnation du substrat ligno-cellulosique par un composé de remplissage permet de stabiliser dimensionnellement le substrat ligno- cellulosique, améliorant la structure finale du dispositif électriquement conducteur.
En outre, l’imprégnation permet d’homogénéiser l’état de surface du substrat composite amené à recevoir le dépôt d’au moins une couche conductrice. La surface du substrat composite peut être maîtrisée et présente moins d’aspérités ou de creux grâce à l’imprégnation par un composé de remplissage.
Le substrat en matériau ligno-cellulosique, tel qu’un bois brut, présente ainsi une plus faible rugosité après imprégnation, améliorant la qualité du dépôt de la couche conductrice, et ainsi les propriétés conductrices de celle- ci lors de l’utilisation du dispositif électriquement conducteur ainsi obtenu. La faible rugosité du substrat composite permet d’améliorer l’adhérence de la couche conductrice et sa conductivité.
Il est ainsi possible de déposer un réseau de composants électroniques ou de transformer le substrat ligno-cellulosique imprégné en un élément semi-conducteur. Le dispositif électriquement conducteur peut en particulier former une interface de contrôle en deux dimensions ou en trois dimensions.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, le substrat composite comprend une fraction d’un composé de remplissage comprise entre 30% et 80% en masse par rapport à la masse totale dudit substrat.
Le composé de remplissage permet d’améliorer les qualités diélectriques du substrat ligno-cellulosique. En remplaçant à cœur dans le substrat ligno-cellulosique les pores et poches d’air, le composé de remplissage augmente les propriétés d’isolant électrique du substrat composite.
En pratique, le composé de remplissage est un polymère d’imprégnation, et par exemple un polymère thermoplastique, de type acrylique.
Un polymère est bien adapté à modifier et contrôler les propriétés diélectriques du substrat composite ainsi réalisé.
En outre, un polymère thermoplastique est bien adapté à la mise en forme ultérieure du substrat composite, notamment par formage à chaud, tel que par thermoformage ou thermocompression.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, le matériau ligno-cellulosique est du bois comprenant de la lignine et un réseau de cellulose et d’hémicellulose, le bois étant au moins partiellement délignifié.
Le retrait au moins partiel de la lignine permet d’optimiser les propriétés optiques du substrat composite. La lignine étant dégradée sous l’effet des rayonnements ultraviolets, dès lors qu’au moins une partie de la lignine est retirée, le substrat composite est plus résistant aux dégradations naturelles et au vieillissement ultraviolet.
Le retrait de la lignine couplé à l’imprégnation du composé de remplissage permet de rendre le substrat composite moins sensible aux variations d’humidité et aux changements de température.
Ces propriétés sont importantes pour un fonctionnement optimal du dispositif électriquement conducteur, et notamment pour la stabilité des propriétés diélectriques du substrat composite. Le dispositif électriquement conducteur ainsi obtenu peut ainsi être utilisé dans différents milieux, tant en intérieur qu’en extérieur, tout en garantissant un bon fonctionnement électrique.
Dans un mode de réalisation pratique, le substrat composite comprend au moins une face plane, une piste conductrice étant déposée sur la surface de ladite au moins une face plane.
Le dépôt d’une couche conductrice peut être réalisé par sérigraphie d’une piste conductrice sur la surface du substrat composite, la sérigraphie étant bien adaptée à une production de masse. La sérigraphie est bien adaptée au dépôt d’une encre conductrice en particulier. Une technique de dépôt d’une encre conductrice par jet d’encre peut également être mise en œuvre pour des productions de petites séries.
Grâce à l’état de surface amélioré par l’imprégnation du substrat ligno- cellulosique, une technique de dépôt par sérigraphie peut être mise en œuvre de manière satisfaisante, avec une bonne adhérence de la couche conductrice ainsi déposée et une bonne continuité électrique. Le dépôt par sérigraphie ou par jet d’encre conductrice permet de mettre en œuvre une étape de dépôt d’une couche conductrice à température ambiante. Elle permet d’obtenir un circuit électronique imprimé sur le substrat composite.
Le dépôt de la couche conductrice à température ambiante permet d’éviter l’utilisation de haute température nécessaire pour le dépôt d’ITO.
Dans un mode de réalisation amélioré, le procédé de fabrication comprend en outre une étape de cuisson de la piste conductrice, suivie éventuellement d’une étape de mise en forme du substrat composite de sorte à produire un dispositif électriquement conducteur en trois dimensions.
La cuisson de la piste conductrice élimine les solvants et les composés volatiles de la piste conductrice déposée sur le substrat composite.
On peut ainsi employer une encre conductrice qui doit être cuite après dépôt. Elle peut être utilisée dans des applications dans lesquelles le substrat composite doit être modelé pour obtenir un dispositif électriquement conducteur en trois dimensions. La cuisson de l’encre conductrice améliore en outre ses propriétés de conductivité électrique.
L’étape de mise en forme permet, lorsqu'elle met en œuvre un formage à chaud du substrat composite, d’améliorer les propriétés de conductivité électrique de l’encre conductrice grâce à une deuxième cuisson de l'encre conductrice.
Dans un mode de réalisation, le composé de remplissage est une résine chargée de particules métalliques, le procédé de fabrication comprenant en outre une étape d'activation des particules métalliques par faisceau laser ou ultraviolet avant l’étape de dépôt.
Il est ainsi possible de graver des pistes en activant localement la résine chargée de particules métalliques, ce qui permet ensuite de réaliser le dépôt d’une couche conductrice en plongeant le substrat composite dans un ou plusieurs bains de métaux en suspension.
On obtient ainsi une métallisation des pistes activées localement sur le substrat composite, le métal en suspension venant adhérer aux particules métalliques activées.
Un tel procédé de fabrication est bien adapté à la réalisation d’un dispositif électriquement conducteur en trois dimensions.
En pratique, le procédé de fabrication peut comprendre une étape de mise en forme du substrat composite après l’étape d'imprégnation et avant l’étape de dépôt.
La couche conductrice est ainsi directement appliquée sur une ou plusieurs surfaces en trois dimensions du substrat composite, après thermoformage ou thermocompression par exemple.
Dans un mode de réalisation pratique, le substrat composite est une plaque comportant deux faces opposées, le procédé de fabrication comportant une étape de dépôt d'au moins une couche conductrice sur au moins une surface d'une des deux faces de la plaque.
Le procédé permet ainsi de fonctionnaliser une plaque en apportant un élément conducteur sur une des deux faces, tel qu’une électrode ou un maillage de fils conducteurs par exemple, transformant ainsi la plaque en interface de contrôle tactile, à partir de la détection d’un toucher sur la face opposée. On peut ainsi obtenir une interface de contrôle tactile, à technologie de détection capacitive ou résistive.
En pratique, l'épaisseur de la plaque est inférieure à 10 mm.
En limitant l’épaisseur du substrat composite, il est possible d’utiliser le dispositif électriquement conducteur comme revêtement ou comme interface de contrôle disposé sur un objet électronique.
Avantageusement, le substrat composite est translucide ou transparent, le coefficient de transmission lumineuse du substrat translucide étant au moins égal à 3%.
La translucidité du substrat composite permet d’utiliser celui-ci en association avec un dispositif lumineux, tel qu’un écran d’affichage ou un témoin lumineux du type LED (Diode Electroluminescente). La transmission du rayon lumineux et donc de l’information est rendue possible.
De préférence, la couche conductrice comprend une encre conductrice transparente.
L’utilisation d’une encre conductrice transparente, en association à la translucidité ou transparence du substrat composite, permet d’utiliser le substrat composite comme interface au-dessus d’un écran d’affichage par exemple.
En pratique, l’indice de réfraction du composé de remplissage est compris entre 1 ,35 et 1 ,70.
L’indice optique du composé de remplissage est ainsi proche de celui de la cellulose du matériau ligno-cellulosique.
En effet, afin d’obtenir un substrat composite au moins translucide, il est important que l’indice de réfraction du composé de remplissage soit proche de celui du substrat ligno-cellulosique après délignification au moins partielle.
Ainsi, une fois le composé de remplissage polymérisé, il possède sensiblement la même densité optique que celle de la cellulose présente dans le substrat.
L’indice de réfraction de la cellulose étant proche de 1 ,47, le choix d’un composé de remplissage ayant un indice de réfraction compris dans un intervalle de 1 ,35 à 1 ,70, permet d’avoir des indices de réfraction proches l’un de l’autre. La lumière peut ainsi traverser le substrat composite sensiblement sans être déviée.
Selon un second aspect, la présente invention concerne un dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique obtenu par le procédé de fabrication selon l’invention.
Ce dispositif électriquement conducteur présente des caractéristiques et avantages analogues à ceux décrits précédemment en relation avec le procédé.
En pratique, le dispositif électriquement constitue une interface de contrôle d'un objet électronique, une carte de paiement, un badge de contrôle d'accès, un capteur, un transistor, une résistance, un dispositif générateur d’énergie ou un conducteur électrique. Un tel dispositif électriquement conducteur forme par exemple une pièce automobile, nautique ou aéronautique, ou un élément ou accessoire dans le domaine du bâtiment, de l’emballage ou du mobilier.
D’autres particularités et avantages de l’invention apparaîtront encore dans la description ci-après.
Aux dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs :
- la figure 1 est un schéma bloc illustrant un exemple de réalisation du procédé de fabrication d’un dispositif électriquement conducteur selon l’invention ;
- la figure 2a est une vue de face d’une antenne réalisée selon un mode de réalisation du procédé de fabrication d’un dispositif électriquement conducteur de l’invention ;
- la figure 2b est une vue en perspective éclatée de l’antenne de la figure 2a ;
- la figure 3a illustre une première étape de réalisation d’une interface tactile en matériau ligno-cellulosique selon un exemple de réalisation du procédé de fabrication d’un dispositif électriquement conducteur de l’invention ; et
- la figure 3b illustre une deuxième étape de réalisation d’une interface tactile en matériau ligno-cellulosique de la figure 3a.
On va décrire tout d’abord en référence à la Figure 1 un exemple de procédé de fabrication d'un dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique.
Le matériau ligno-cellulosique est par exemple du bois comprenant de la lignine et un réseau de cellulose et d’hémicellulose.
A titre d'exemple, différentes essences de bois telles que du hêtre, du chêne, du noyer, du peuplier, de l'érable, du frêne, ou un résineux peuvent être utilisées.
Le procédé de fabrication peut mettre en oeuvre un matériau ligno- cellulosique brut, ou partiellement ou totalement délignifié.
A titre d’exemple non limitatif, la fraction de lignine retirée du matériau ligno-cellulosique brut peut être comprise entre 40 % et 90 % en poids de la lignine présente initialement dans le matériau ligno-cellulosique brut. La délignification au moins partielle du matériau ligno-cellulosique permet d’obtenir une pièce de bois au moins translucide, voire transparente.
Par ailleurs, la lignine étant dégradée par les ultraviolets lors de l’utilisation d’une pièce en matériau ligno-cellulosique, la délignification au moins partielle du matériau ligno-cellulosique permet d’obtenir une pièce plus résistante à la dégradation sous l’effet de la lumière ou des ultraviolets.
Dans l’exemple de réalisation décrit ci-après, le procédé de fabrication est mis en œuvre à partir d'une plaque de matériau ligno-cellulosique. Bien entendu, le procédé de fabrication peut être mis en œuvre sur tout type de forme, en deux ou trois dimensions.
Le procédé de fabrication comporte tout d’abord une étape d’imprégnation S10 du matériau ligno-cellulosique par au moins un composé de remplissage de sorte à produire un substrat composite.
L'étape d’imprégnation S10 met en œuvre un composé de remplissage adapté à imprégner à cœur, dans l’épaisseur, le matériau ligno- cellulosique.
Le composé de remplissage est ainsi adapté à combler les interstices et vides présents naturellement dans le matériau ligno-cellulosique brut et/ou créés par la délignification au moins partielle du matériau ligno-cellulosique.
Le composé de remplissage peut être un polymère d’imprégnation, un élastomère, un dérivé de la silice ou tout type de composé d’imprégnation.
A titre d’exemple, le polymère d’imprégnation peut être un polymère thermoplastique de type acrylique.
Alternativement, le polymère d’imprégnation peut être une résine thermodurcissable.
Le composé de remplissage peut être pétro-sourcé ou bio-sourcé.
Un procédé d’imprégnation d’un matériau ligno-cellulosique est connu de l’homme du métier et est décrit notamment dans les documents WO 2017/098149 et WO 2019/155159.
Le procédé d’imprégnation permet d’obtenir une imprégnation à cœur du composé de remplissage dans la structure du matériau ligno-cellulosique, afin de renforcer mécaniquement et gainer les fibres de cellulose du bois. L’étape d’imprégnation S10 comprend une étape de remplissage par un composé de remplissage de la plaque en matériau ligno-cellulosique et une étape de finition par polymérisation et/ou réticulation du composé de remplissage. De multiples exemples du procédé de délignification et d’imprégnation sont décrits en détail dans le document WO 2017/098149, dont le contenu est incorporé par référence à la présente description.
En particulier, l’extraction de la lignine peut être mise en œuvre par trempage et lavage, éventuellement couplée dans une même étape, de la plaque en matériau ligno-cellulosique dans une solution permettant une dissolution au moins partielle de la lignine.
Le document WO 2019/155159 donne de multiples exemples de composés de remplissage, et des proportions mises en œuvre selon la nature du bois utilisé.
En particulier, le composé de remplissage peut être une résine dopée par des particules conductrices afin de modifier et contrôler la conductivité du substrat composite ainsi réalisé.
On peut ainsi, en modifiant le pourcentage de particules conductrices dans le composé de remplissage, maîtriser les qualités diélectriques d’un substrat composite obtenu à partir d’un matériau ligno-cellulosique. En particulier, contrairement à un matériau ligno-cellulosique brut, le substrat composite ainsi obtenu présente une valeur stable de conductivité électrique, bien adaptée à son utilisation tant en intérieur qu’en extérieur.
Lorsque le composé de remplissage est un polymère, l’étape de finition a pour effet de polymériser ou réticuler complètement le composé de remplissage et ainsi d’assurer une bonne stabilité physico-chimique du substrat composite pour son utilisation ultérieure.
De manière générale, la fraction du composé de remplissage dans le substrat composite ainsi obtenu est comprise entre 30% et 80% en masse par rapport à la masse totale du substrat composite.
Le substrat composite ainsi obtenu peut ensuite de manière optionnelle être mis en forme lors d’une étape de mise en forme initiale S11 , par exemple par formage à chaud. L’étape de mise en forme initiale S11 peut être mise en œuvre par différentes techniques de formage à chaud, et notamment par thermocompression ou thermoformage sous vide.
De manière non limitative, le formage à chaud peut mettre en œuvre des procédés industriels utilisés pour produire des pièces composites, après moulage par transfert de résine (RTM ou Resin Transfer Molding) ou moulage par transfert de résine haute pression (HP-RTM ou High Pression Resin Transfer Molding).
Les procédés de formage à chaud peuvent mettre en œuvre un thermo moulage (RIM ou Reaction Injection Molding), un moulage par compression, ou encore une technique de moulage en feuille (SMC ou Sheet Moulding Compound).
Dans son principe, le thermoformage met en œuvre une étape de chauffage du substrat composite obtenu à l’issue de l’étape d’imprégnation S10, puis une étape de chauffage du moule de thermocompression.
Les températures mises en œuvre pour le chauffage du substrat composite et du moule dépendent de la température de transition vitreuse du polymère d’imprégnation.
Ainsi, les températures de chauffage du substrat composite et du moule de thermoformage doivent être suffisantes pour fluidifier le polymère d’imprégnation, et permettre la mise en forme du substrat composite, tout en conservant une viscosité à ce polymère d’imprégnation afin de conserver la structure et le maintien du substrat composite.
Ainsi, lorsque le substrat composite obtenu à l’issue de l’étape d’imprégnation S10 est une plaque, l’étape de mise en forme initiale S11 permet par exemple de courber cette plaque selon une ou plusieurs directions de l’espace de manière à obtenir une pièce de forme cylindrique, tronconique, hémisphérique ou tout type de forme à double courbure ou surface gauche.
A l’issue de l’étape d’imprégnation S10 ou de l’étape de mise en forme initiale S11 , le procédé de fabrication comprend une étape de dépôt S12 d’au moins une couche conductrice sur au moins une surface du substrat composite de sorte à produire un dispositif électriquement conducteur. L’étape de dépôt S12 est mise en œuvre après refroidissement du substrat composite à l’issue de l’étape d’imprégnation S10 ou de manière optionnelle après refroidissement à l'issue de l’étape de mise en forme initiale S11.
L’étape de dépôt S12 peut mettre en œuvre différentes techniques de dépôt d’une couche conductrice sur un support.
A titre d’exemples non limitatifs, l’étape de dépôt S12 peut être réalisée en utilisant une technique de sérigraphie. La sérigraphie est bien adaptée au dépôt d’une piste conductrice sur la surface d’une face plane du substrat composite. La piste conductrice peut être réalisée par exemple au moyen d’une encre conductrice.
Traditionnellement, des pochoirs ou masques sont utilisés et interposés entre une encre conductrice et le substrat composite.
Une fois le masque déposé sur le substrat composite, une encre liquide est déposée sur le masque et répartie sur la surface à l’aide d’un racloir.
L'utilisation d'un masque ou pochoir permet d’obtenir une grande variété de dessins, tracés ou pistes conducteurs sur le substrat composite.
Une couche d’encre conductrice ainsi déposée par sérigraphie est notamment bien adaptée aux gros volumes de production.
Bien entendu, plusieurs couches d’encre conductrice peuvent être déposées sur la surface du substrat composite, en intercalant entre les couches conductrices une couche isolante telle qu’un film plastique isolant ou une couche d'encre isolante électriquement.
Alternativement, une technique de dépôt par jet d’encre conductrice peut être mise en œuvre, notamment pour des fabrications en plus petite série.
Si le substrat composite présente une forme tridimensionnelle, et qu’en particulier la couche conductrice n’est pas déposée sur une surface plane, différentes méthodes d’impression graphique sur une surface non plane peuvent être mises en œuvre lors de l'étape de dépôt S12.
En particulier, l’impression hydrographique peut être utilisée. Un film hydrographique est imprimé d’un graphique avant d’être déposé à la surface de l’eau d’un bassin. Ce film hydrographique étant soluble dans l’eau, il se dissout grâce à l’application d’une solution d’activation dans l’eau.
Le substrat composite étant trempé dans l’eau du bassin, la tension de surface de l’eau permet de déposer le graphique du film hydrographique sur une ou plusieurs faces du substrat composite.
Selon un autre mode de réalisation, le composé de remplissage mis en oeuvre à l’étape d’imprégnation S10 peut être une résine chargée de particules métalliques.
Le procédé de fabrication comporte alors une étape d’activation S13 des particules métalliques, par exemple par faisceau laser ou ultraviolet, avant l’étape de dépôt S12.
Le faisceau laser ou ultraviolet permet ainsi de graver des pistes ou différents tracés sur le substrat composite imprégné d’une résine chargée de particules métalliques ou d'un additif organométallique.
La matière est ainsi activée localement, le faisceau laser ou ultraviolet arrachant des éléments métalliques présents dans la résine chargée.
Le substrat composite est alors plongé lors de l'étape de dépôt S12 dans un bain et un dépôt d'une couche conductrice métallisée est obtenu par électrolyse sur les zones ainsi activées.
Cette technique de dépôt est utilisée classiquement en plastronique, pour réaliser des pièces plastiques embarquant des fonctions électroniques.
Elle est particulièrement bien adaptée à la mise en oeuvre du procédé de fabrication sur un substrat composite en matériau ligno-cellulosique en trois dimensions.
Ces différentes techniques de dépôt d’une couche conductrice sont bien connues de l’art antérieur et n’ont pas besoin d’être décrites plus en détail ici.
Par ailleurs, les exemples ci-dessus ne sont pas limitatifs et d’autres techniques telles que des techniques de transfert par pression, sous l'action de la chaleur ou d'humidification du substrat composite pourraient également être mises en oeuvre. Un procédé de photolithographie pourrait également être mis en oeuvre lors de l’étape de dépôt S12, permettant de transférer une image vers le substrat composite, quelle que soit sa forme en deux ou trois dimensions.
Le procédé de fabrication comporte ensuite de manière optionnelle une étape de cuisson S14 de la couche conductrice ainsi déposée.
L’étape de cuisson S14 permet d’éliminer les solvants et les composés volatiles d'une encre conductrice, et ainsi d’améliorer la conductivité électrique de l’encre conductrice déposée.
Les températures mises en oeuvre lors de l’étape de cuisson S14 sont typiquement inférieures à 180°C afin d’éviter tout risque de brûlure du substrat composite en matériau ligno-cellulosique.
En fonction du type d’encres ou pistes conductrices réalisées, les températures sont typiquement comprises entre 100°C et 150°C.
A titre d’exemple non limitatif, l’étape de cuisson S14 peut être mise en oeuvre à une température de 130°C.
Lors de l’étape de cuisson S14, le substrat composite sur lequel est déposée la couche conductrice est placé dans une étuve à une température régulée pendant une durée prédéterminée.
Alternativement, l’étape de cuisson S14 peut utiliser la mise en oeuvre combinée de la pression et de la chaleur. Ainsi, deux plaques chauffantes peuvent être pressées contre des surfaces du substrat composite. Alternativement, des cylindres en rotation (rolling machine) peuvent être utilisés pour appliquer une force de pression sur le substrat composite sur lequel est déposée la couche conductrice.
Dans un procédé de fabrication industrielle en continu, lorsque le substrat composite est sous forme d’une plaque, il peut avantageusement passer dans un laminoir chauffé lors de l’étape de cuisson S14.
De manière plus générale, l’étape de cuisson S14 permet de cuire l’encre conductrice par la mise en oeuvre d’un chauffage, combiné éventuellement à une mise en pression de la surface sur laquelle a été déposée l'encre conductrice. De manière optionnelle, l’étape de cuisson S14 peut être mise en œuvre en deux parties : tout d’abord, une pré-cuisson ou un séchage de l’encre peut être mis en œuvre, à une température de l’ordre de 50°C. L’encre ainsi déposée passe de l’état liquide à l’état solide, facilitant la manipulation ou le transport du substrat composite pendant le procédé de fabrication du dispositif électrique non conducteur.
Une étape de cuisson effective, à une température supérieure comprise entre 100°C et 150°C, peut ensuite être mise en œuvre afin d’éliminer les solvants et les composés volatiles de l’encre conductrice et d’obtenir ainsi les propriétés de conductivité électrique de cette encre.
Finalement, le procédé de fabrication peut comporter de manière optionnelle après l’étape de dépôt S12 ou de cuisson S14 une étape de mise en forme finale S15 du substrat composite.
Cette étape de mise en forme finale S15 peut être semblable à l'étape de mise en forme initiale S11 .
L’étape de mise en forme finale S15 peut ainsi être mise en œuvre, comme décrit précédemment, par des techniques de thermoformage ou de thermocompression.
Cette nouvelle montée en température du substrat composite lors de l’étape de mise en forme finale S15 permet de chauffer une nouvelle fois le substrat composite sur lequel a été déposée la couche conductrice, et ainsi de réaliser éventuellement une deuxième cuisson de la couche conductrice après l’étape de cuisson S14.
L’utilisation d’une encre thermo-formable, avec le substrat composite lui-même thermo-formable permet de modeler des surfaces fonctionnelles électriquement en trois dimensions. Le formage à chaud du substrat composite mis en œuvre lors de l’étape de mise en forme finale S15 agira comme une deuxième cuisson de l’encre conductrice, ce qui améliorera encore ces propriétés de conductivité électrique.
Le procédé de fabrication décrit précédemment permet ainsi d’obtenir un dispositif électriquement conducteur à partir d’un substrat composite en matériau ligno-cellulosique. La fonctionnalisation du substrat composite est obtenue grâce au dépôt d’au moins une couche conductrice, en contact direct avec la surface du substrat composite, sans requérir l’utilisation d’un adhésif et d’un film plastique intégrant une électronique imprimée.
Le procédé de fabrication ainsi mis en œuvre est simple et peu onéreux, limitant le nombre de pièces requis et les étapes d’assemblage pour la réalisation d’un dispositif électriquement conducteur.
La technique de dépôt d’une ou de plusieurs couches d’encre conductrice à température ambiante sur un matériau ligno-cellulosique imprégné d’un composé de remplissage permet de réaliser des dispositifs électriquement conducteurs très variés.
En particulier, lorsque le substrat composite est une plaque comportant deux faces opposées, le procédé de fabrication peut comporter une étape de dépôt S12 d’une ou plusieurs couches conductrices sur au moins une surface des faces opposées de la plaque.
Il est ainsi possible de réaliser différents éléments électriquement conducteurs sur une des faces de la plaque.
On va décrire ainsi, en relation avec les figures 2a et 2b, un exemple de mise en œuvre du procédé de fabrication, permettant de réaliser une antenne sur un substrat composite en forme de plaque.
Dans cet exemple de réalisation, le substrat composite est une plaque 20 comportant deux faces opposées 20a et 20b. Le procédé de fabrication comporte une étape de dépôt d’une couche conductrice sur la surface plane d’une face 20a de la plaque 20.
Dans cet exemple de réalisation, le procédé de fabrication comprend deux étapes de dépôt S12 successives : une première étape de dépôt S12 permet de déposer, par exemple par sérigraphie d’une encre conductrice, une première piste conductrice 21 .
Un isolant 22, réalisé par exemple par sérigraphie d’une encre isolante électriquement, est disposé sur la première piste conductrice 21. L’isolant 22 permet de séparer les différentes couches conductrices réalisées sur la même face 20a de la plaque 20. Une seconde étape de dépôt S12 est alors mise en oeuvre pour la réalisation d’une deuxième piste conductrice 23.
La deuxième piste conductrice 23 est réalisée en forme spiralée de manière à former une antenne. La deuxième piste conductrice 23 est connectée électriquement à la première piste conductrice 21 .
Un composant électronique 24 peut également être monté en surface, tel qu'un composant CMS (surface mounted device). Le composant électronique 24 peut ainsi être soudé par exemple à deux plots 23a, 23b de la deuxième piste conductrice 23. Le composant électronique 24 peut être une mémoire.
Le dispositif électriquement conducteur se présente ainsi sous la forme d’une carte du type carte d’identité, badge de contrôle d'accès ou carte de paiement. L’épaisseur de la plaque 20 peut être inférieure à 10 mm, et par exemple comprise entre 0,1 et 3mm, ou entre 1 et 3 mm.
Le procédé de fabrication permet ainsi de fonctionnaliser une des deux faces 20a de la plaque 20.
L’antenne radiofréquence ainsi réalisée peut fonctionner selon différents types de protocole de communication bien connus du type RFID, Bluetooth, Wifi, NFC (Near Field Communication).
Bien entendu, l’exemple de réalisation des figures 2a et 2b n’est pas limitatif.
Une des faces 20a de la plaque 20 pourrait également être fonctionnalisée par le dépôt, par sérigraphie par exemple, d’un tracé d’électrodes formant par exemple un capteur résistif ou capacitif.
Le substrat composite en matériau ligno-cellulosique imprégné étant diélectrique, la seconde face 20b de la plaque 20 a ainsi une fonction tactile, permettant d’agir au travers de la plaque 20 sur le capteur réalisé sur la première face 20a de la plaque 20.
Il est ainsi possible de réaliser une interface de contrôle d’un objet électronique. Le substrat composite 20 peut préférentiellement être alors translucide, le coefficient de transmission lumineuse du substrat composite 20 étant égal à au moins 3%. Il est ainsi possible, à travers le substrat composite 20, de visualiser un signal lumineux émis par un objet électronique commandé par l’interface de contrôle.
Plus généralement, le dépôt d’une couche conductrice permet de réaliser un circuit ou des pistes conductrices sur lesquelles peuvent être soudés un ou plusieurs composants CMS ou traversants.
Il est également possible de déposer une encre conductrice chargée en carbone, conférant à l’encre conductrice un caractère résistif.
Lors de la circulation d’un courant dans une piste réalisée avec une telle encre conductrice, on obtient un élément chauffant, qui peut être thermo- régulé.
On peut ainsi réaliser un dispositif électriquement conducteur formant une résistance, ou un dispositif générateur d’énergie ou encore un simple conducteur électrique.
On va décrire à présent en référence aux figures 3a et 3b un autre exemple de mise en œuvre du procédé de fabrication permettant de réaliser une interface tactile en matériau ligno-cellulosique 30.
Comme illustré à la figure 3a, on réalise à l’aide d’une encre conductrice, déposée par exemple par sérigraphie, un réseau de pistes conductrices 31 en matrice sur une face 32a d'un substrat composite 32 en matériau ligno-cellulosique imprégné d'un polymère d'imprégnation.
Le capteur tactile ainsi réalisé peut-être de nature résistif ou capacitif.
Comme illustré à la figure 3b, le substrat composite 32, après dépôt d’une couche conductrice, peut être mis en forme, par exemple par thermoformage, pour former un dispositif électriquement conducteur en trois dimensions.
Dans l’exemple illustré, le dispositif électriquement conducteur est ainsi formé à chaud pour constituer une surface, à deux rayons de courbure, telle qu'une portion de sphère.
Bien entendu, tout type de surfaces gauches à deux rayons de courbure pourrait être formées à chaud. Comme décrit précédemment, il est ainsi possible de réaliser une interface tactile 30, à deux ou trois dimensions, grâce au substrat composite diélectrique.
Le matériau ligno-cellulosique est de préférence au moins partiellement délignifié et l’indice de réfraction du composé de remplissage est compris entre 1 ,35 et 1 ,70.
On choisit un indice de réfraction du composé de remplissage proche de celui de la cellulose, de l’ordre de 1 ,47.
Ainsi, la lumière provenant d’un objet électronique ou d’un écran placé sous l’interface tactile 30 est peu ou pas déviée, améliorant le rendu lumineux pour l’utilisateur.
La délignification du substrat composite 32 permet de laisser passer la lumière sans diffraction du rayon lumineux.
De préférence, lorsque l’interface tactile 30 est destinée à être utilisée pour contrôler un objet électronique ou un écran d’affichage, il est avantageux d’utiliser une encre conductrice transparente en combinaison avec le substrat composite translucide ou transparent.
On peut en outre obtenir une interface tactile en couplant plusieurs plaques de matériau ligno-cellulosique de telle sorte que l’interface tactile globale peut avoir une épaisseur supérieure à 10 mm.
Ce type d’interface tactile est bien adapté pour protéger des objets électroniques fragiles ou sensibles, et peut par exemple être utilisé dans des applications où traditionnellement un verre blindé est nécessaire.
On notera que dans les exemples de réalisation illustrés aux figures 2a, 2b, 3a et 3b, seule une des faces 20a, 32a du substrat composite 20, 32 est fonctionnalisée à l’aide d’un dépôt de couche conductrice. L’autre face 20b, 32b du dispositif électriquement conducteur forme ainsi une face d’aspect, et présente notamment un rendu et l'apparence d’un matériau ligno-cellulosique, avec les caractéristiques et le veinage du bois utilisé pour fabriquer le substrat composite.
On peut ainsi former des pièces d’aspect dans différents domaines, et notamment une pièce automobile, nautique ou aéronautique, ou encore un élément ou accessoire dans le domaine du bâtiment, de l’emballage ou du mobilier.
Par ailleurs, il est possible de réaliser un objet en matériau ligno- cellulosique auquel on souhaite conférer une fonction de détection tactile directement intégrée à l’objet.
Par exemple, le boîtier d’un téléphone portable peut être réalisé à partir d’un dispositif électriquement conducteur tel que décrit précédemment permettant de fonctionnaliser la face arrière du téléphone portable, à l’opposé de l’écran en façade.
A titre d’exemple, le procédé de fabrication permet également de réaliser un dispositif électriquement conducteur pouvant être utilisé comme bracelet de montre communiquant ou comme boîtier de montre.
Un dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique peut également être utilisé pour des équipements sportifs tels que des skis, ou des produits de grande consommation (lunettes, protections de téléphone).
Le dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique peut également être un élément de mobilier, et par exemple une table de bureau avec un écran tactile intégré, ou une porte avec un dispositif de détection tactile.
Un tel dispositif électriquement conducteur peut également être utilisé dans un habitacle (tableau de bord, élément de portière) dans le domaine automobile, nautique ou aéronautique.
On notera que le dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique permet plus généralement de remplacer tous les types d’interfaces aujourd’hui réalisés à partir de plastique ou de verre mais qui présentent l’inconvénient d’être fragiles ou épais et lourds et d’avoir un impact écologique néfaste sur l’environnement car pétro-sourcé.
Bien entendu, les exemples de réalisation décrits précédemment ne sont nullement limitatifs.
En particulier, le substrat composite peut avoir une forme en 2D ou 3D très variable, permettant de réaliser des objets de géométries complexes, du type surfaces gauches ou paraboloïdes hyperboliques. En outre, le dépôt d'une couche conductrice peut être réalisé sur plusieurs faces du substrat composite.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'un dispositif électriquement conducteur en matériau ligno-cellulosique, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
- imprégnation (S10) dudit matériau ligno-cellulosique par au moins un composé de remplissage de sorte à produire un substrat composite ; et
- dépôt (S12) d’au moins une couche conductrice sur au moins une surface dudit substrat composite de sorte à produire ledit dispositif électriquement conducteur.
2. Procédé de fabrication conforme à la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit substrat composite comprend une fraction d’un composé de remplissage comprise entre 30% et 80% en masse par rapport à la masse totale dudit substrat.
3. Procédé de fabrication conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que ledit composé de remplissage est un polymère d’imprégnation, et par exemple un polymère thermoplastique de type acrylique.
4. Procédé de fabrication conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit matériau ligno-cellulosique est du bois comprenant de la lignine et un réseau de cellulose et d’hémicellulose, ledit bois étant au moins partiellement délignifié.
5. Procédé de fabrication conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit substrat composite comprend au moins une face plane, une piste conductrice étant déposée sur la surface de ladite au moins une face plane.
6. Procédé de fabrication conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de cuisson (S14) de ladite piste conductrice, suivie éventuellement d’une étape de mise en forme (S15) dudit substrat composite de sorte à produire un dispositif électriquement conducteur en trois dimensions.
7. Procédé de fabrication conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit composé de remplissage est une résine chargée de particules métalliques, ledit procédé de fabrication comprenant en outre une étape d'activation (S13) des particules métalliques par faisceau laser ou ultraviolet avant ladite étape de dépôt (S12).
8. Procédé de fabrication conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de mise en forme (S11 ) dudit substrat composite après ladite étape d'imprégnation (S10) et avant ladite étape de dépôt (S12).
9. Procédé de fabrication conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit substrat composite est une plaque comportant deux faces opposées, ledit procédé de fabrication comportant une étape de dépôt (S12) d'au moins une couche conductrice sur au moins une surface d'une desdites deux faces de ladite plaque.
10. Procédé de fabrication conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite plaque est inférieure à 10 mm.
11 . Procédé de fabrication conforme à l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit substrat composite est translucide ou transparent, le coefficient de transmission lumineuse dudit substrat translucide étant au moins égal à 3%.
12. Procédé de fabrication conforme à l’une des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce que l’indice de réfraction du composé de remplissage est compris entre 1 ,35 et 1 ,70.
13. Procédé de fabrication conforme à l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ladite au moins une couche conductrice comprend une encre conductrice transparente.
14. Dispositif électriquement conducteur en matériau ligno- cellulosique, caractérisé en ce qu’il est obtenu par ledit procédé de fabrication conforme à l'une des revendications 1 à 13.
15. Dispositif électriquement conducteur conforme à la revendication 14, caractérisé en ce que ledit dispositif constitue une interface de contrôle d'un objet électronique, une carte de paiement, un badge de contrôle d'accès, un capteur, un transistor, une résistance, un dispositif générateur d’énergie ou un conducteur électrique.
16. Dispositif électriquement conducteur conforme à l’une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce qu’il forme une pièce automobile, nautique ou aéronautique, ou un élément ou accessoire dans le domaine du bâtiment, de l’emballage ou du mobilier.
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