Vers l'industrialisation d'afficheurs électrochromes imprimés comme solution anti-contrefaçon

Abstract

L’électrochromisme est la capacité de certains matériaux à pouvoir moduler leurs propriétés optiques grâce à l’application d’une différence de potentiel électrique. Un afficheur électrochrome est constitué de plusieurs couches successives de matériaux avec des fonctionnalités propres : électrode, électrolyte, électrochrome, encapsulation…L’objectif principal de la thèse consiste à fabriquer à l’échelle industrielle des dispositifs électrochromes sur support papier comme solution anti-contrefaçon. Ces dispositifs sont constitués d’un afficheur électrochrome, d’une puce et d’une antenne NFC (communication en champ proche). Le but est d’activer le changement de couleur de l’afficheur en utilisant un téléphone muni de la fonctionnalité NFC.La réflexion de recherche et développement est construite de manière linéaire et empirique : les différents aspects sont intimement liés entre eux. Les essais en laboratoire permettent d’élaborer de nouveaux matériaux et d’en comprendre les mécanismes. S’ensuit l’intégration de ces matériaux en utilisant des techniques de l’électronique imprimée. Ainsi en fonction des résultats, des ajustements de développement sont envisagés en laboratoire. Enfin l’analyse du cycle de vie permet de quantifier l’impact de la construction des dispositifs électrochromes et de réfléchir à des solutions viables environnementalement pour de futurs essais.Le chapitre 1 évoque la bibliographie sur le sujet, les matériaux, les techniques de fabrication et de caractérisation.Au cours du chapitre 2, des matériaux hybrides ont été élaborés en laboratoire en mélangeant d’une part des oxydes sans propriétés électrochromes (α-Fe2O3, α-FeO(OH)…) et d’autre part des oxydes aux propriétés électrochromes (V2O5), à une encre commerciale de PEDOT:PSS. Pour les oxydes sans propriétés électrochromes, différentes couleurs ont pu être obtenues avec des contrastes optiques supérieurs à 18,5 et un changement de couleur en moins de 5 secondes pour des afficheurs électrochromes. Pour l’hybride PEDOT:PSS - V2O5, il a été démontré que 10 %m de V2O5 dans la formulation de PEDOT:PSS donne les meilleures propriétés électrochromes avec un contraste optique de 57 pour un film de 3 μm et un effet mémoire sur plusieurs mois. Le mécanisme de changement de couleur pour ces deux types d’hybride a également été étudié.Dans le chapitre 3, les afficheurs électrochromes ont été élaborés via des techniques d’impression comme la sérigraphie et le jet d’encre pour une fabrication en feuille à feuille. Une nouvelle architecture a été montrée avec des valeurs de contrastes supérieures à 15 et un changement de couleur en moins de 5 secondes pour des systèmes entièrement imprimés. Le matériau hybride PEDOT:PSS + α-Fe2O3 a également été utilisé pour l’impression d’un afficheur avec des résultats prometteurs grâce au passage du rouge à l’état oxydé au bleu foncé à l’état réduit alors qu’initialement seul du bleu clair au bleu foncé avait été obtenu.Au cours du chapitre 4, la fabrication des afficheurs électrochromes avec deux types de production, en feuille à feuille et en rouleau à rouleau, est présentée avec également l’impression de l’antenne en sérigraphie et la pose de la puce NFC en pick-and-place pour former les dispositifs électrochromes. Les caractéristiques et les rendements des deux cadences de production ont été étudiés. L’afficheur électrochrome peut changer de couleur en 5 secondes pour une surface de 1 cm² grâce à un téléphone portable. Une étude des coûts de fabrication a été menée.Enfin dans le chapitre 5, l’analyse du cycle de vie montre que ce sont deux étapes qui ont le plus d’influence sur l’environnement au moment de l’élaboration des dispositifs électrochromes : l’utilisation d’argent et la fabrication des puces NFC. Ces deux étapes représentent plus de 90 % de l’impact environnemental dans les 18 catégories sélectionnées. Des alternatives ont été identifiées et pourront à l’avenir être expérimentées.