LES CAHIERS DE L'INDUSTRIE ÉLECTRONIQUE & NUMÉRIQUE
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N° 107 MARS 2021
LES CAHIERS DE L’INDUSTRIE
ÉLECTRONIQUE & NUMÉRIQUE
DOSSIERS
Composants
électroniques :
G4 Sourcing double
sa croissance dans un
contexte de pénurie
mondiale.
Graphène :
cette fois la révolution
est en marche.
Des stratifiés
sans halogènes
pour les circuits
imprimés :
un choix stratégique
pour les concepteurs
et les fabricants
d’électronique.
Dossier Matériau
Graphène : cette fois la révolution est
en marche.
Par Dominique LEMIERE, reporter.
Au centre de très nombreuses recherches et études scientifiques ces dernières années, le graphène est
un élément chimique fascinant. Le graphène est un cristal bidimensionnel de carbone, composé d’une
couche unique sans défaut, dont les atomes sont organisés sous la forme d’un maillage hyper régulier.
Le carbone pur peut se retrouver sous plusieurs formes, dont l’une d’elle est le graphite, qui n’est autre
que l’assemblage de plusieurs feuilles de carbone empilées les unes sur les autres. Des chercheurs
ont tenté d’isoler une feuille unique de carbone avec le graphite pour point de départ, sans succès. Il a
fallu attendre le 21e siècle pour isoler cette feuille appelée le graphène. C’est l’équipe d’André Geim de
l’Université de Manchester qui y parviendra en 2004, reléguant aux oubliettes la croyance « que dans
le calcul de structures des bandes électroniques, une telle structure ne pouvait réellement exister ».
L
dans les environnements
e graphène s’avère un • Composé d’une seule couche
humides.
matériau révolution- d’atome, sa légèreté offre donc
naire. Après 15 ans de des perspectives intéressantes • Déformable et transparent,
recherche, des tendances dans le domaine de l’aéronau- il pourrait donner lieu à une
concrètes se dessinent et tique où le poids des éléments nouvelle génération d’écrans
laissent aujourd’hui entrevoir embarqués à une incidence souples.
son extraordinaire potentiel. directe sur la consommation
Une industrialisation coûteuse
d’énergie.
Les propriétés connues du et lente
graphène, qui ne sont donc pas • C’est aussi un excellent Le principal défi à relever reste
exhaustives, sont les suivantes : conducteur thermique, avec la production industrielle,
• Doté du même principe de une vitesse de transmission encore coûteuse et lente. Il
construction que le carbone, 30 fois supérieure à celle du n’empêche qu’à travers le
dont l’une des formes les plus silicium, soit jusqu’à 5 300 W monde, les laboratoires sont Il y a des acteurs sur
naturelles est le diamant, il est m−1 K−1). lancés dans une course effré- le marché qui vendent
extrêmement solide. 300 fois née dont les enjeux sont très du graphite pour du
• Totalement imperméable, le
plus solide que l’acier mais 200 élevés. graphène, aussi il peut y
graphène permet d’envisager
fois plus léger, le graphène est avoir des déceptions »...
de nouveaux usages combinés
aussi 6 fois plus léger que le En termes de consom-
à ses propriétés conductrices
plastique. mation, il en faut très
peu, on peut consom-
mer beaucoup moins
d’un matériau donné
grâce au graphène,
alors que les industriels
pensent au contraire
qu’il faut beaucoup de
graphène pour obte-
nir l’effet voulu. C’est
l’inverse qui est vrai.
6 - Les Cahiers de l’Industrie Électronique et Numérique - mars 2021 - n° 107
Dossier Matériau
Aujourd’hui, des géants comme Samsung, est vraiment aussi perturbateur que le
Google, Sony ont chacun déposé plusieurs silicium ou l’acier», anticipe Döscher.
brevets concernant des lentilles connec- « À présent, nous devons nous assu-
tées, capables de prendre des photos et rer que l’Europe reste un chef de file
vidéos. Dans le domaine des batteries, le dans le domaine, pour nous assurer de
graphène peut réduire les durées de char- bénéficier de l’impact économique et
gement des appareils. Zap&Go propose sociétal du développement d’une telle
par exemple des batteries sans lithium et innovation.»
des chargeurs capables de les recharger L’un des plus grands défis de l’indus-
complètement en 5 minutes. Une start-up trie du graphène sera donc d’atteindre
chinoise a créé une batterie portable de la production en volume dans les 2 à 5
5000mAh se rechargeant en seulement un additif. l’oxyde de graphène est un prochaines années. L’accent devra être
10 minutes (permettant en moyenne 3 dérivé oxygèné du graphène. Il est mis sur la cohérence des matériaux et
fois la recharge d’un Smartphone). obtenu par un traitement chimique du les coûts de production. Le prix du gra-
graphite (utilisation d’oxydant fort et phène a déjà diminué, notamment pour le
Huawei a également montré que l’ajout de d’acide). Bien qu’il soit plus simple à graphène en poudre ou liquide. Pourtant
graphène dans une batterie au lithium la utiliser dans les solvants organiques le coût du matériau reste élevé. Il favo-
rendait beaucoup plus résistante à la cha- ou des solutions à base d’eau, il est de risera en conséquence des applications
leur et dans le temps. Enfin, le graphène moins bonne qualité que le graphène qui exploitent les multiples propriétés du
offre la possibilité de fabriquer des super «vierge». Les propriétés électriques, graphène : par définition, les applications
condensateurs très performants qui pour- thermiques et mécaniques de l’oxyde à marge élevée.
raient à terme remplacer les batteries. de graphène sont inférieures à celle Les applications les plus immédiates du
Les différentes formes du graphène du graphène. Néanmoins, il est pos- graphène, comme les composites, les
Aujourd’hui, quelques rares entreprises sible de se rapprocher des propriétés encres, les revêtements, sont déjà dispo-
en France utilisent le graphène. Ainsi du graphène en réalisant une réduction nibles dans le commerce. Selon Graphene
Graphene Production, dédiée principale- des atomes d’oxygène par un traitement Flagship, l’industrie sera bientôt prête
ment au graphène en poudre. Cette jeune chimique (hydrazine, hydroxylamine) ou à fabriquer des batteries, des panneaux
entreprise de l’Isère vise principalement thermique (entre 300°C et 2000°C). On solaires, des appareils électroniques des-
trois marchés : les lubrifiants, les revê- obtient alors de l’oxyde de graphène tinés aux secteurs de pointe.
tements, notamment anticorrosion, et la réduit ».
L’industrie se lance timidement
plasturgie.
L’Europe dans la course de la recherche Alors, verra-t-on bientôt l’émergence
Honoré Tsotetzo, directeur du pôle L’Europe entend ne pas être en reste dans du graphène dans l’industrie, comme
Recherche et Développement, indique la course. La commission européenne ne annoncé presque chaque année ? La
qu’il existe certaines formes ou qualités s’y est pas trompée, en finançant à hau- réponse d’Honoré Tsotetzo est plus
de graphène utilisables en fonction des teur d’un milliard d’euros sur 10 ans des nuancée : « Beaucoup d’entreprises
applications. «Le prix du graphène est recherches sur le graphène au travers s’intéressent au graphène, mais elles ne
variable et dépend de plusieurs fac- du projet Graphene Flagship, initiative savent ni comment l’utiliser, ni quelles
teurs. Le graphène dit « mono », est très de recherche qui coordonne environ 170 sociétés en fournissent. Et il ne faut pas
cher à produire, avec des techniques groupes de recherche universitaires et oublier les utilisateurs qui sont encore
gourmandes en énergie. Ensuite, il y a industriels dans 22 pays ; et compte plus en phase de test ».
le « few layer graphene », ou FLG : il de 90 membres associés. Le nouveau
est constitué de 3 à 5 feuillets superpo- projet 2D-Experimental Pilot Line (2D- Pour le directeur R&D de Graphene
sés ; et le « graphene nanoplatelets » EPL) compte 11 partenaires dans toute Production « les medias relient systéma-
avec 5 ou 10 feuillets. Ces deux derniers l’Europe, dont beaucoup font partie du tiquement le graphène à l’électronique »
matériaux sont beaucoup plus simples à projet principal. et c’est une erreur. Le graphène est beau-
produire : généralement on part du gra- «La demande du marché pour le gra- coup plus que cela : c’est un matériau dont
phite pour les synthétiser et on utilise phène a presque quadruplé au cours l’addition améliore de façon étonnante les
une méthode d’exfoliation en solution, des deux dernières années», assure propriétés des polymères, des lubrifiants,
ajoutée à un solvant. Le mélange est Thomas Reiss de Fraunhofer ISI, parte- des encres, des ciments … « En termes de
soumis à des ultra sons qui vont pro- naire de Graphene Flagship, et co-leader consommation, il en faut très peu » sou-
duire des « cisaillements » sur le maté- de la feuille de route. «En créant des ligne Honoré Tsotetzo, « on peut consom-
riau pour au final délaminer les feuillets. matériaux sur mesure de haute qua- mer beaucoup moins d’un matériau
C’est comme prendre du scotch pour lité, nous prévoyons d’aller au-delà des donné grâce au graphène, alors que
enlever les couches à chaque passage produits et applications de niche pour les industriels pensent au contraire qu’il
sur le graphite ! une large pénétration du marché d’ici à faut beaucoup de graphène pour obtenir
2025. Le graphène pourrait à terme être l’effet voulu. C’est l’inverse qui est vrai. »
La dernière gamme est l’oxyde de gra- incorporé dans des produits omnipré-
phène ou oxyde de graphène rédui. sents tels que les pneus, les batteries Graphène liquide
Et là ce sont les types de graphène et l’électronique» Alban Chesneau, docteur en Chimie de
les moins chers. C’est une formule qui La décennie naissante semble décisive la prestigieuse université états-unienne
présente l’avantage d’être plus facile sur la voie de la commercialisation du Harvard Medical School, a créé à Bordeaux
à utiliser dans les matériaux : le gra- graphène et des matériaux associés. la société Carbon Waters, spécialisée dans
phène étant souvent employé comme «D’ici 2030, nous verrons si le graphène les applications commerciales du premix
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Dossier Matériau
de graphène en format liquide. L’activité tant leur durée de vie. Le graphène est, Combien de temps mettra le graphène à
de Carbon Waters est double : en premier dans cette application, utilisé réellement offrir ses propriétés, parfois qualifiées de
lieu la production entièrement dédiée à la comme une nano charge. Le spatial a « miraculeuses », au plus grand nombre ?
forme de liquide, pour faciliter l’utilisation besoin de redondances et la protection « On vit une époque impatiente » sourit
et transférer directement le graphène offerte par le graphène permet de les Alban Chesneau. «Regardez le silicium,
dans des colles, des résines, des poly- limiter, grâce à la résistance des micro- il ne s’est pas répandu du jour au len-
mères ; en second lieu, un bureau d’études composants ». demain, il y a eu des étapes, tant en
pour fournir des solutions technologique terme de maturité technologique, de
Pour Alban Chesneau, le principal obs-
qui répondent à des besoins industriels son entrée chez les fondeurs, etc. C’est
tacle à la pénétration du graphène dans la
particuliers, principalement dans les avant toute une question de rentabilité.
sphère industrielle repose sur l’investis-
domaines de l’aéronautique, du bâtiment, Au-delà, il est difficile de se prononcer ».
sement process: « Il y a aujourd’hui toute
du spatial et de l’électronique.
une chaine de valeur qui a été construite
autour du silicium ; mettre en œuvre une
« Nous sommes confrontés par exemple
installation autour du graphène prendra
à des problématiques de protection de
du temps ».
microcomposants destinés au spatial. Il
s’agit d’augmenter leur durée de vie :
Une absence de normes
nous travaillons sur des modes de
En outre, il existe à l’heure actuelle un pro-
dépôt de protection en utilisant du gra-
blème normatif : « Il n’y a pas de normes
phène, soit en traitement de surface,
dans le domaine du graphène. Il y a des
sur le métal, soit dans une résine époxy
acteurs sur le marché qui vendent du
dans l’assemblage des microcom-
graphite pour du graphène, aussi il peut
posants. Nous nous concentrons sur
y avoir des déceptions ».
deux aspects principaux : celui de l’anti
corrosion /protection, car le graphène a La société bordelaise fait partie d’une
un effet barrière, c’est une maille car- commission Afnor et collabore avec des
bonée très fine totalement imperméable utilisateurs finaux à l’identification cor-
à l’eau, aux gaz, à tout ce qui pourrait recte des différents graphènes. S’y ajoute
impacter le fonctionnement des micro- la préoccupation environnementale. Où CARBON WATERS
composants, et celui du thermique qui va le graphène après usage ? « C’est un
Alban Chesneau - Président – CEO
impacte aussi le fonctionnement des élément bloquant ».
+33 (0)5 35 54 72 70
composants en évitant les échauffe-
alban.chesneau@carbon-waters.com
ments trop importants et en augmen-
www.carbon-waters.com
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