FR3071855A1 - Procede de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel, installation pour la mise en œuvre de ce procede - Google Patents

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

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un support flexible cellulosique qui comprend au moins un circuit fonctionnel (circuit imprimé) et/ou qui est assimilable à au moins une carte fonctionnelle (carte électronique). Les buts recherchés sont : performance (vitesse du signal/propriétés diélectriques du support), économie, stabilité thermique et dimensionnelle, et production à cadence industrielle de manière simple et reproductible. Pour ce faire, le procédé consiste à préparer une suspension fibreuse aqueuse comprenant de la pâte à papier et/ou de fibrilles de cellulose; produire un matelas fibreux humide à partir de cette suspension; imprimer l'une des faces du matelas fibreux humide au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal; éventuellement, revêtir/encapsuler la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche humide, de préférence fibreuse; éliminer au moins partiellement l'eau contenue dans le matelas fibreux éventuellement revêtu conformément à l'étape e). L'invention vise également des circuits imprimés des cartes fonctionnelles électroniques, et des claviers d'ordinateur tactiles ou activables par le souffle, obtenus par le procédé selon l'invention. Les installations et les kits pour la mise en œuvre du procédé, constituent d'autres objets de l'invention.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN SUPPORT FLEXIBLE CELLULOSIQUE FONCTIONNEL, INSTALLATION POUR LA MISE EN ŒUVRE DE CE PROCEDE
Domaine technique
Le domaine de l'invention est celui de la fabrication de circuits ou de cartes fonctionnels dont le support est à base de papier et qui sont susceptibles d'être porteurs, de faire circuler et/ou de traiter un signal, en particulier un signal électrique s'agissant de circuits électriques imprimés ou de cartes électroniques.
En particulier, l'invention concerne la fabrication à l'échelle industrielle de circuits imprimés/cartes électroniques sur des supports flexibles et cellulosiques.
L'invention vise également les objets issus d'une telle fabrication, dont notamment les cartes électroniques comportant des pistes électroconductrices et des composants électroniques, imprimé sur un support à base de papier.
Les installations et les kits pour la réalisation d'une telle fabrication constituent d'autres aspects de l'invention.
Etat de l’art - Problème technique
L'explosion du marché des dispositifs électroniques de toutes sortes qui incluent des circuits imprimés et des cartes électroniques, suscite un besoin constant d'amélioration de la production de supports comportant des pistes électroconductrices et les composants électroniques. Il faut produire à moindre coût et de manière très performante ces supports d'électronique.
Par ailleurs, ces circuits imprimés et ces cartes électroniques doivent être d'une efficacité sans cesse augmentée. Cela dépend notamment de la vitesse de circulation des signaux, en l'occurrence des signaux électriques dans ces circuits et ces cartes. Or, cette vitesse est directement liée à la constante diélectrique du matériau constitutif des supports de ces circuits et cartes.
Classiquement, ces supports sont constitués de composites rigides, produits par imprégnation d'un substrat fibreux, par exemple en papier, par une résine époxy ou une résine phénolique.
Ces composites ont pour inconvénient d'être relativement onéreux en termes de production et de recyclage, et de surcroît, d'être thermiquement instable. En outre, la constante diélectrique de ces composites n'est pas optimale, au regard notamment des difficultés que pose leur production.
Le brevet US6042936A décrit ainsi un substrat formé par un matelas fibreux non-tissé comprenant de la pulpe de bois, un agent de floculation formé par un polyacrylamide cationique et une charge à faible constante diélectrique constituée par des microsphères de verre creuses. Ce substrat fibreux souple est transformé en support rigide plan par imprégnation jusqu'à saturation, avec une résine phénolique ou époxy, qui réticule. Au-delà de ces supports composites, s'est développée toute une technologie d'électronique imprimée sur papier, qui vise à être plus simple et plus économique et qui puisse être mise en œuvre sur de très grandes surfaces.
En effet, le papier, et plus précisément la cellulose est un diélectrique, i.e. un isolant, non inerte électriquement, qui dispose à l’échelle atomique de dipôles électrostatiques qui interagissent avec les champs électromagnétiques externes. La grandeur qui caractérise les diélectriques est la permittivité électrique, qui décrit la polarisation du matériau.
Cela fait du papier un candidat de choix pour la réalisation de supports d'électronique.
En outre, l'impression de circuits électriques et de composants électroniques sur support papier souple, peut directement être effectuée, de manière continue, à très haute cadence, au sortir de la machine à papier.
Dans cette technologie, le papier peut être couché ou non couché.
Le papier non couché est apparu comme étant mal adapté à la réalisation d'une impression de pistes électroconductrices, en raison du fait que la rugosité et la porosité d'un papier non couché sont très importantes. Cela induit une discontinuité des pistes électroconductrices qui ont ainsi une conductivité relativement faible. Un tel constat est fait à la page 6, 5e paragraphe du brevet FR3012153 Bl.
Ce même document explique ensuite que les papiers couchés ont des couches pigmentaires liées avec un latex synthétique, qui diminue leur porosité et leur rugosité de surface. Mais pour autant l'impression de tels papiers couchés avec des encres électroconductrices n'est pas satisfaisante car les papiers couchés ne peuvent supporter des traitements thermiques pourtant indispensables au recuit des encres électroconductrices mise en œuvre. De plus, ces papiers couchés ont ceci de gênant qu'ils jaunissent à partir de 140°C.
A titre d'alternative, FR3012153 B1 propose un papier comportant un substrat fibreux comprenant au moins une face recouverte d'au moins une couche, ladite couche comprenant ou consistant en :
- 100 parts en poids sec de pigments (kaolin, CaCCF..),
- 5 à 50 parts en poids sec d'un ou plusieurs liants résistants à une exposition à des températures comprises dans un intervalle de 140 °C à 200 °C et ayant une température de transition vitreuse inférieure à 20°C, en particulier d'un ou plusieurs liants acryliques (Acronal® FN579S dont la température de transition vitreuse est inférieure ou égale à 20°C, de préférence inférieure ou égale à 10°C,
- 0 à 15 parts en poids sec, par exemple 8 parts, d'agent épaississant, tel que l'alcool polyvinylique.
Un tel papier destiné à l'électronique imprimée, reste défaillant, en particulier en raison de son coût, de sa résistance thermique (jaunissement) perfectible et leur insuffisante stabilité dimensionnelle (déformations ou retraits dimensionnels lors d'un recuit à haute température).
En fait, le dépôt d’encres conductrices sur de tels papiers spéciaux couchés, par des techniques d’impression conventionnelles (sérigraphie, flexographie, jet d’encre,...) pose les problèmes suivants :
1) ces papiers spéciaux couchés sont sujets à des phénomènes de délamination, de fissuration lors de pliages, qui bien évidemment nuisent à la qualité de l'impression;
2) ces papiers spéciaux couchés développés pour l’impression électronique, sont par nature coûteux;
3) les encres électroconductrices utilisées pour l'impression ces papiers spéciaux couchés, sont elles-mêmes onéreuses et compliquent l'impression, en raison du fait qu'elle nécessite des étapes supplémentaires telles que le recuit;
4) la lamination de feuilles de ces papiers pour fabriquer des multicouches, se fait par collage au moyen d'adhésifs, ce qui constitue une opération industrielle complexe et dispendieuse.
Objectifs de l'invention
Dans ces circonstances, la présente invention vise à satisfaire à au moins l'un des objectifs énoncés ci-après.
-L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, ce circuit et/ou cette carte étant susceptible(s) d'être porteur(s), de faire circuler et/ou de traiter un signal.
-L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné et simple à mettre en œuvre, de fabrication d'un support flexible cellulosique comprenant au moins un circuit électrique/électronique imprimé et/ou assimilable à au moins une carte électronique.
- L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné et économique, de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel (électronique imprimé).
L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel (électronique imprimé) qui ne se délamine/fissure peu ou pas.
- L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel (électronique imprimé), thermiquement stable.
- L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel (électronique imprimé) dimensionnellement stable.
- L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel (électronique imprimé) qui permet d'utiliser des encres ne nécessitant pas de recuit.
- L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de fabrication d'un support flexible cellulosique fonctionnel (électronique imprimé) qui permet de produire aisément de manière industrielle, des multicouches intégrant un ou plusieurs niveaux de circuits électriques ou de cartes électroniques
-L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir des objets électroniques tels que des cartes électroniques, fiables, performantes, économiques et robustes, par mise en œuvre du procédé tel que visé dans l'un des objectifs ci-dessus.
-L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir une installation simple et économique pour la mise en œuvre du procédé tel que visé dans l'un des objectifs ci-dessus.
- L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un kit pour la mise en œuvre du procédé tel que visé dans l'un des objectifs ci-dessus.
Brève description de l'invention
Ces objectifs, parmi d'autres, sont atteints par la présente invention qui concerne en premier lieu, un procédé de fabrication d'un support flexible cellulosique comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, ce circuit et/ou cette carte étant susceptible(s) d'être porteur(s), de faire circuler et/ou de traiter un signal, en particulier un signal électrique s'agissant de circuits électriques imprimés ou de cartes électroniques, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à :
a) préparer ou mettre en œuvre une suspension fibreuse aqueuse comprenant de la pâte à papier et/ou de pâte de (micro/macro) fibrilles de cellulose;
b) produire un matelas fibreux humide à partir de cette suspension ;
c) égoutter ce matelas fibreux humide;
c') éventuellement presser ce matelas fibreux humide ;
d) imprimer l'une des faces du matelas fibreux humide au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal;
e) éventuellement, revêtir/encapsuler la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche humide, de préférence fibreuse;
f) éventuellement éliminer au moins partiellement l'eau contenue dans le matelas fibreux éventuellement revêtu conformément à l'étape e);
g) éventuellement, revêtir la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche constituée de pigments minéraux et de liants;
h) éventuellement, imprimer l'une des faces du support susceptible d'être obtenu à l'issue d'au moins l'une des étapes e) à g), au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal.
Le procédé selon invention est particulièrement performant et avantageux en ce qu'il consiste en l’impression d’encres fonctionnelles, par exemple conductrices (argent ou carbone base solvants ou eau), sur une feuille de papier ou film de microfibrilles de cellulose humide en cours de fabrication suivie de l’encapsulation du circuit imprimé par superposition d’une deuxième feuille de papier ou film de microfibrilles de cellulose humide. Le papier bicouche ou complexe est ensuite consolidé par compression et séchage sous contrainte.
La séquence d’impression [étape d)] / lamination [étape e)] à l’état humide peut être réitérée plusieurs fois, pour obtenir des structures multicouches avec des circuits 3D intégrés dans une feuille de papier. Le procédé permet de ne pas recourir à des procédés de lamination nécessitant l’utilisation d’adhésifs (collage).
En outre, les encres fonctionnelles déposées ne peuvent pas s'évacuer dans des effluents liquides, ce qui constitue un avantage substantiel en termes écologiques.
Le produit final se présente sous la forme d’une feuille de papier flexible, ayant une épaisseur de quelques centaines de microns, avec un réseau de pistes fonctionnelles, par exemple conductrices, noyées dans la masse.
Dans d'autres de ses aspects, la présente invention a pour objet :
• un support flexible cellulosique comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, mono ou multicouche, susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention caractérisé par une épaisseur comprise entre 100 et 500 pm, de préférence entre 200 et 400 pm.
• une carte électronique fabriquée par le procédé selon l'invention caractérisée en ce qu'elle est constituée par une grille de condensateurs en sandwich formé chacun à l'intersection de pistes électroconductrices P1,P2 formant la grille.
• cette carte électronique est également caractérisée en ce que la grille comprend N pistes PI et N pistes P2, en ce que les N pistes PI sont susceptibles d'être reliées chacune à l'une des bornes d'un générateur électrique (tension d'entrée), en ce que les
N pistes P2 sont susceptibles d'être reliées chacune à un appareil de mesure de la tension de sortie, de façon à évaluer la variation de la capacité de chaque condensateur, en réaction à l'apport d'humidité audit condensateur, cet apport d'humidité s'effectuant de préférence par touché d'un doigt humain ou par soufflage d'air expiré par une bouche humaine.
• cette carte électronique est également caractérisée en ce qu'elle constitue un clavier d'un dispositif électronique, de préférence un ordinateur, une tablette numérique ou un smartphone.
• une installation pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention caractérisé en ce qu'elle comprend :
I. éventuellement au moins un dispositif de préparation et de raffinage de pâte à papier et/ou de pâte des (micro/macro) fibrilles de cellulose;
II. dans un mode de production discontinu : au moins un système de fabrication de feuilles de papier de préférence du type de celui spécifié dans la norme ISO5269 (méthode rapid Kôten), ou dans un mode de production continu : au moins une machine à papier comprenant une caisse de tête, une toile d'égouttage - de préférence à table plate -, une section de presses, une sécherie et une bobineuse;
III. un système de dépôt/impression sans contact, en particulier par d’extrusion, spray ou jet d’encre; et/ou un système de dépôt/impression avec contact, en particulier par sérigraphie, flexographie, tampographie, héliogravure, ou offset;
IV. au moins une encre fonctionnelle est choisie dans le groupe comprenant idéalement constitué par - : les encres colorées, les encres électriquement conductrices, les encres thermiquement conductrices, les encres semiconductrices, les encres isolantes, les encres magnétiques, les encres diélectriques,... et leurs mélanges.
• Un kit pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention caractérisé en ce qu'il comprend tout ou partie de l'installation selon l'invention.
Définitions
Dans tout le présent exposé, tout singulier désigne indifféremment un singulier ou un pluriel.
Les définitions données ci-après à titre d'exemples, peuvent servir à l'interprétation du présent exposé :
• cellulosique : comprenant des fibres et/ou des fibrilles de cellulose;
• fonctionnelle : qualifie le motif/la topographie imprimé/e sur le support flexible cellulosique; ce motif/cette topographie pouvant être porteur, pouvant faire circuler et/ou pouvant traiter un signal peut-être une couleur, un signal électrique, un signal thermique, un signal électromagnétique, un signal magnétique, un signal diélectrique, un signal semi-conducteur;
• pâte à papier : suspension aqueuse de fibres cellulosiques ou mélange de fibres cellulosiques et/ou particules minérales telles que le talc, le kaolin, le carbonate de calcium et/ou fibres synthétiques telles que les fibres de verre, en matériau polymère et en cellulose régénérée (type viscose ou plus généralement obtenues via un procédé de dissolution et filature de pâte de cellulose).
• pâte de fibrilles de cellulose : suspension aqueuse de macro et/ou micro fibrilles de cellulose.
• matelas fibreux humide : couche de fibres cellulosiques dont la siccité est au moins égal à 3%.
• siccité Fraction massique de matière sèche dans la suspension fibreuse (déterminée selon la norme ISO 638 :2008).
• environ ou sensiblement signifie à plus ou moins 10 % près, voire plus ou moins 5% près, rapporté à l'unité de mesure utilisée;
• compris entre Bl et B2 signifie que l'une et/ou l'autre des bornes Bl, B2 est incluse ou non dans l'intervalle [Bl, B2],
Description détaillée de l'invention
PROCEDE
Dans un mode préféré de mise en œuvre, le procédé selon invention s'intégre dans une fabrication discontinue de papier faisant intervenir au moins un disperseur, au moins une colonne de filtration/égouttage équipée d’au moins une toile de filtration, au moins un cylindre calibré (par exemple de 3kg) de compression (pressage) et un dispositif de séchage de la feuille sous contrainte.
Dans un autre mode de mise en œuvre, le procédé selon invention s'intégre dans une fabrication continue industrielle de papier faisant intervenir une machine à papier comprenant au moins une caisse de tête, au moins une toile d'égouttage - de préférence à table plate -, au moins une section de presses, au moins une sécherie et au moins une bobineuse.
Etape a)
A partir d’une suspension aqueuse de fibres cellulosiques, le matelas fibreux peut-être préparé selon les méthodes de préparation décrite dans la norme ISO-5269. En particulier, il peut s'agir de la méthode dite allemande ou Rapid Kôthen.
Selon une alternative, ce matelas fibreux pourrait être obtenu par tous types de techniques utilisant un système d’égouttage par filtration.
Suivant une caractéristique avantageuse de l'invention, la suspension mise en œuvre à l'étape a) a une concentration en matière sèche comprise entre 0,1 et 1 % en poids, de préférence entre 0,2 et 0,5 % en poids.
Avantageusement, les fibres cellulosiques utilisées sont caractérisées par un degré de raffinage compris entre 20 et 80 °SR, de préférence entre 30 et 70°SR, et, plus préférentiellement encore, 40 à 60 °SR.
Cette suspension fibreuse peut être par exemple une pâte kraft blanchie de résineux, ou bien encore une pâte kraft non blanchie de résineux, une pâte kraft blanchie de feuillus, une pâte kraft non blanchie de feuillus.
Etape_b)_ - Etapes ç)_&_E)_
Conformément au mode préféré discontinu de mise en œuvre, la production du matelas fibreux humide selon l'étape b), est effectuée dans la colonne de filtration frontale qui répartit la suspension de l'étape a) sur la largeur de la toile de filtration.
Conformément au mode continu de mise en œuvre, la production du matelas fibreux humide selon l'étape b), est effectuée par la caisse de tête qui répartit la suspension de l'étape a) sur la largeur de la toile d'égouttage.
L'étape c) d'égouttage, de préférence par filtration, de la suspension de fibres cellulosique de l'étape b), s'opère sur la toile de filtration.
Conformément une modalité intéressante de l'invention, la siccité du matelas fibreux au terme de l'égouttage (c), de préférence par filtration, - en % en poids et selon un ordre croissant de préférence - est comprise entre 1 et 60 ; 1 et 40 ; 10 et 20; 5 à 20; 10 à 15. Cet égouttage de l'étape(c) est de préférence réalisé sur une toile du type de celle utilisée dans la fabrication de papier.
Selon une variante, cet égouttage pourrait être une filtration effectuée au moyen de tous types de toiles, membranes, filtres ayant un seuil de coupure compris entre 1 et 200 pm. Il est également opportun, conformément à l'invention, que ce matelas fibreux humide ait une densité surfacique en matière sèche comprise entre 30 et 100 g/m2, de préférence entre 40 et 80 g/m2, et, plus préférentiellement encore entre 50 et 70 g/m2.
Avantageusement, l'égouttage c) est réalisé en pratique, au moyen de pompes à vide qui vont aspirer au travers de la toile une certaine proportion de l'eau apportée par la préparation.
Ce type de formation sur une toile entraîne une dissymétrie dans l'épaisseur de la feuille. On distinguera sur une feuille de papier les deux faces, appelées respectivement côté toile et côté feutre, le côté toile étant celui qui a été au contact de cette dernière lors de la distribution de la pâte. Cette dissymétrie peut être réduite si la formation de la feuille se fait entre deux toiles ou encore par des systèmes industriels hybrides de formation sur table plate très courte puis entre deux toiles. Il existe également un autre type de formation appelé forme ronde, où la feuille se forme sur un gros cylindre qui aspire en même temps une partie de l'eau.
En pratique, le pressage c') peut être réalisé au moyen de cylindres presseurs (calandres).
Etaped)
Suivant une disposition préférée de l'invention, l'impression selon l'étape d) est réalisée par dépôt de l'encre fonctionnelle sur l'une des faces du matelas fibreux, après disparition du film d’eau de surface, lors de l'égouttage de l'étape (c), ce phénomène se situant à une siccité globale du matelas fibreux supérieure à 1% en poids et inférieure ou égale à 30% en poids, de préférence à 15 % en poids.
La disparition du film d'eau se matérialise non seulement par la siccité du matelas fibreux compris entre 1 et 30 %, mais également, par un changement de l'aspect de surface du matelas fibreux. Les fibres de surface ne sont plus recouvertes d’un film d’eau et l’aspect de la surface du matelas fibreux devient alors mat. Cela conduit en particulier à une modification de la réflexion optique de la surface. Cette modification des propriétés optiques superficielles peut-notamment être appréhendée par une mesure objective du brillant qui s'effectue en éclairant la surface avec une source ponctuelle, et en mesurant l’intensité du rayon réfléchi à des angles fixés par convention. Dans ce cas précis, une chute drastique du brillant est observée après le passage de la ligne d’eau.
De préférence, le dépôt d'encre(s) fonctionnelle(s)/impression est effectué :
- par un procédé de dépôt/impression sans contact, en particulier par un procédé d’extrusion, un procédé spray ou un procédé jet d’encre; ou
- par un procédé de dépôt/impression avec contact, en particulier par un procédé de sérigraphie, un procédé de flexographie, un procédé de tampographie, un procédé d'héliogravure, ou un procédé offset.
L'encre fonctionnelle est opportunément choisie dans le groupe comprenant idéalement constitué par - : les encres colorées, les encres électriquement conductrices, les encres thermiquement conductrices, les encres semi-conductrices, les encres isolantes, les encres magnétiques,... et leurs mélanges.
Les encres électriquement conductrices sont avantageusement soit des encres à base de polymères organiques (encres organiques), soit des encres à base de particules métalliques (encres inorganiques), soit des encres à base de carbone.
L'encre organique peut être par
polymères :
Polymères
Pely-acétylène
-O; Poly-phenyler»
Poly-fliiophÉW
Mol Écoles
M. M .N
Phtataeyanine (M=H. métal)
Wy-ptwnylène-vÎnyîfere
QligiMfiiophêine (rts3 à B)
Rj|>raeère(ns2i5)
PEDOT-PSS : mélange de deux polymères, le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) et le poly(styrène sulfonate) de sodium (PSS)
Les encres inorganiques sont par exemple des encres à base de particules de métaux 5 conducteurs : argent, or, nickel, platine ou palladium...
Les métaux sont présents dans l'encre sous forme de microparticules ou de nanoparticules sphériques, tubulaires, planes...
Les encres à base de carbone sont par exemple des encres à base de nanotubes de carbone, éventuellement dopés au noir de carbone.
Toutes ces encres fonctionnelles sont de préférence des encres dont le solvant est non aqueux, par exemple organique.
Etape_ef facultative
Cette étape e) qui intervient dès lors que l'on veut réaliser une structure de support 15 flexible en sandwich, consiste à superposer au moins une couche humide sur la face imprimée du matelas fibreux.
Cette couche humide est avantageusement :
• constituée d’un matelas de fibres cellulosiques;
• obtenue par égouttage par filtration, spray, ou plus généralement par des techniques 20 d’enduction sans contact.
Selon un mode discontinu de mise en œuvre du procédé selon invention, l’application de cette couche fibreuse peut être effectuée par superposition d'au moins un matelas fibreux humide, élaboré de préférence conformément aux méthodes de préparation décrites dans la norme ISO-5269. En particulier, il peut s'agir de la méthode dite allemande ou Rapid Kôthen.
Selon un mode continu de mise en œuvre du procédé selon invention, l'application de cette couche fibreuse peut être effectuée sur des machines à papier de types multicouches constituées de plusieurs systèmes de formation (caisse de tête et toile de filtration) en parallèle.
Etape J)
Après l'étape d) d'impression et/ou l'éventuelle étape e) de revêtement/encapsulation, intervient cette étape f) d'élimination de l'eau qui se décompose de préférence comme suit :
f. 1. un pressage du matelas fibreux humide pour amener sa siccité entre 5 et 40 % en poids, de préférence entre 8 et 35 % en poids;
f.2. un séchage du matelas fibreux pressé pour amener sa siccité à une valeur supérieure ou égale à, en % en poids et dans un ordre croissant de préférence : 35 ; 45; 60 ; 80 ; 95 ; 98; ce séchage étant de préférence effectuée à une température comprise entre 50 et 180°C, de préférence entre 60 et 150°C;
f.3. éventuellement un post-traitement thermique, de préférence à une température supérieure ou égale à 180°C, et, plus préférentiellement encore, comprise entre 190 et250°C.
f.l. Le pressage est préférablement réalisé conformément à ce qui peut se produire dans la section des presses d'une machine à papier, pour éliminer par pression l'eau contenue dans le matelas fibreux humide imprimé ou non revêtu d'au moins une couche fibreuse humide, imprimée ou non. Cette opération a pour but de donner à la feuille une certaine résistance et de diminuer le maximum d'eau avant d'arriver en sécherie. La presse peut être de différents types, soit recouverte simplement d'un matériau absorbant, le feutre, ou être en plus perforée pour pouvoir aspirer une partie de l'eau, ou encore être rainurée ou posséder une toile en plastique intermédiaire.
f.2. Le séchage peut être avantageusement du type de celui que l'on trouve dans la partie sèche d'une machine à papier.
On élimine ainsi le reste de l'eau par évaporation grâce à la chaleur et l'air. Plusieurs techniques sont utilisables, certaines avec contact (séchage par conduction) et les autres sans contact (convection, rayonnement). Dans le premier cas, les sécheurs sont par exemple d'énormes cylindres de fonte chauffés intérieurement par la vapeur. D'autres techniques utilisent les procédés de convection, c'est-à-dire une circulation d'air chaud dirigé vers la feuille. Il existe aussi des sécheurs utilisant les rayonnements IR, électriques ou gazeux.
Cette étape est maîtrisée de manière à conférer au support flexible imprimé, des propriétés mécaniques souhaitables : la rigidité, la résistance à la traction, à la déchirure ou à l'éclatement, ou encore la stabilité dimensionnelle.
f.3. Le post-traitement thermique peut être par exemple un calandrage à haute température et à faible pression.
Etapejr).
Cette étape consiste à revêtir la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche constituée de pigments minéraux et de liants.
Dans le mode préféré discontinu de mise en œuvre du procédé selon invention, cette étape est réalisée au moyen d’une buse spray, ou plus généralement par des techniques d’enduction sans contact type couchage rideau, enduction par lame d’air,.....
Avantageusement, les pigments minéraux sont choisis dans le groupe comprenant : le talc, le carbonate de calcium et/ou magnésium, le kaolin et plus généralement tout type de pigments appartenant à la famille des oxydes métallique, des sulfates et des silicates. S'agissant des liants, ils sont de préférence sélectionnés parmi les latex synthétiques (type styrène butadiène ou alcool poly vinylique), les liants d’origine naturelle tels que les amidons, les celluloses telles que la carboxyméthylcellulose, l’acide polylactique, les protéines d’origine animale ou végétale (ex. caséine, soja,...).
EtapeJdJdcultatiye
Cette étape (h) optionnelle peut compléter l'étape (d) d'impression.
Il s'agit donc d'imprimer l'une des faces du support issu de l'une au moins des étapes e), f), g), au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal.
Les caractéristiques de l'étape (d) décrites ci-avant, s'applique mutatis mutandis à cette étape (h).
***
Pour fabriquer des supports papier flexibles fonctionnels -par exemple électroniques- de structure sandwich ou multicouche, il est possible, selon une variante de mise en œuvre de l'invention, de répéter plusieurs fois la séquence comprenant les étapes (d) d'impression, (e) de revêtement/encapsulation et/ou (g) de couchage avec des pigments minéraux et des liants, voire (f) d'élimination de l'eau et/ou (h) d'impression complémentaire.
***
EtapeQf facultative
Il s'agit d'une étape d'élimination d'au moins une parcelle de la (ou des) couche(s) de revêtement/encapsulation, pour mettre à nu au moins une portion de l'impression.
Cette étape de dénudage est mise en œuvre dans le cas où l'on où l'on a procédé à un revêtement/encapsulation de la face imprimée du matelas fibreux humide de base obtenu à l'étape c), ou de la face imprimée d'une couche de revêtement/encapsulation de l'étape (e).
***
Selon une caractéristique remarquable de l'invention, le procédé de fabrication de supports papier flexibles fonctionnels -par exemple électroniques-, peut-être un procédé continu industriel, en ligne.
Dans ce cas de figure, les supports flexibles fonctionnels obtenus, peuvent être également conditionnés sur des bobines, à l'instar de ce qui est fait dans la fabrication papier.
Ces bobines peuvent être des bobines mères qui peuvent être ensuite déroulées et refendues en bobines filles, avec les caractéristiques demandées par l'utilisateur final (longueur, diamètre, tension régulière, tranche sans poussière, mandrin conforme, traçabilité, collures visibles).
Les bobines filles sont susceptibles d'être transformées en feuilles ou format avec une largeur et une longueur déterminées et précises, correspondant au cahier des charges des circuits imprimés fonctionnels /cartes fonctionnelles, par exemple électroniques, visés. Dans un mode particulier de mise en œuvre du procédé selon l'invention, l'objet fabriqué est une carte électronique comportant au moins un circuit imprimé et au moins un composant électronique, ce dernier étant de préférence un condensateur interdigité ou un condensateur sandwich.
Avantageusement, dans ce mode particulier de mise en œuvre :
• N pistes parallèles PI électroconductrices sont imprimées sur un matelas fibreux humide lors de l'étape d), • puis on met en œuvre l'étape e) de revêtement/encapsulation des pistes imprimées par une couche fibreuse humide, • on reproduit l'étape d) en imprimant sur la face libre de la couche fibreuse humide, N pistes parallèles P2 électroconductrices, perpendiculaires aux pistes PI, • on élimine l'eau selon l'étape f), • et, éventuellement, on renouvelle un nombre entier de fois la séquence [étape e)/étape d)], l'étape f) intervenant à la fin d'au moins une partie des séquences et/ou à la fin de la dernière séquence.
Objets issus du procédé ou susceptible de l ’etre
Ces objets sont des supports flexibles cellulosiques comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, mono ou multicouche, caractérisés par une épaisseur comprise entre 50 et 500 pm, de préférence entre 200 et 400 pm.
Le grammage moyen de ces supports flexibles est par exemple compris entre 10 et 200 g/m2, de préférence 30 et 100g/m2, et, plus préférentiellement encore 50 et 70g/m2. Suivant une caractéristique remarquable de l'invention, la permittivité électrique relative de ces supports flexibles est par exemple comprise entre 1 et 10, de préférence 2 et 8, et, plus préférentiellement encore 3 et 5.
Cette permittivité électrique relative est mesurée selon la norme ASTM DI50 - 11, Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity (Dielectric Constant) of Solid Electrical Insulation.
Le procédé selon invention qui est un procédé d'impression, voire d'encapsulation d'encres fonctionnelles sur un support flexible papier mono multicouche, ouvre des portes dans de nombreux domaines techniques et notamment celui de l'électronique imprimée. Les encres fonctionnelles électroconductrices des supports obtenus par le procédé, font partie intégrante desdits supports.
Les motifs ou les topographies imprimés peuvent comprendre non seulement des pistes conductrices (circuits imprimés), mais aussi des composants électroniques comme des résistances, des condensateurs, des diodes, des transistors, des LEDs, des puces, des capteurs des microcontrôleurs et autres processeurs.
Ces composants électroniques peuvent être exogènes et intégrés ensuite aux cartes électroniques constituées par les supports flexibles selon invention, mais il est également possible, en imprimant des topographies et des motifs, avec des encres conductrices, au sein du support, d'utiliser les caractéristiques électriques du papier, afin de produire les composants électroniques endogènes.
Les supports flexibles fonctionnels ainsi obtenus deviennent des dispositifs électroniques achevés, susceptibles d'interagir avec des utilisateurs finaux.
Ainsi, un autre de ces objets issus du procédé, peut-être une carte électronique fabriquée par le procédé de l'invention, caractérisée en ce qu'elle est constituée par une grille de condensateurs en sandwich formé chacun à l'intersection des pistes PI et P2.
Dans un mode particulier de réalisation, cette carte électronique est caractérisée en ce que les N pistes PI sont susceptibles d'être reliées chacune à l'une des bornes d'un générateur électrique (tension d'entrée), en ce que les N pistes P2 sont susceptibles d'être reliées chacune à un appareil de mesure tension de sortie, de façon à évaluer la variation de la capacité de chaque condensateur, en réaction à l'apport d'humidité audit condensateur, cet apport d'humidité s'effectuant de préférence par touché d'un doigt humain ou par soufflage d'air expiré par une bouche humaine.
Cette carte électronique est donc utilisable pour des applications de détection de toucher (le tactile). Plus précisément, l'application visée et l'utilisation des caractéristiques diélectriques du support papier pour créer des capteurs de variations d'humidité, afin d'activer des zones du support papier. Le but est alors d'obtenir un clavier réactif au souffle ou au toucher de l'utilisateur.
Une telle carte électronique peut donc constituer conformément à l'invention, un clavier d'un dispositif électronique, de préférence un ordinateur, une tablette numérique ou un smartphone.
Outre ces dispositifs électroniques sur supports papier imprimés flexibles, les objets issus du procédé selon invention ou susceptibles de l'être peuvent également être des emballages intelligents, des emballages de sécurité, des emballages médicaux..., dans lesquels peuvent être encapsulé encapsulés des antennes RFID, des bandes magnétiques, ou des capteurs d’humidité.
Dans le cas où les encres fonctionnelles déposées dans la base du papier du support selon invention sont des traceurs (colorés, magnétiques, résistifs) qui restent cachés dans la structure du support papier, cela ouvre la voie à des papiers avec des signatures spécifiques pour des applications « papiers sécuritaires ».
D'autres avantages et applications potentielles de l'invention de cette technique sont notamment les suivants :
Al. Réalisation d’une feuille en bi-couche de forte cohésion qui rendrait invisible le motif imprimé initialement sur la première feuille sans avoir recours à l’étape de contre-collage qui complique le recyclage.
A2. Pour l’application décrite en Al ci-dessus comme pour d’autres, une forte conductivité n’est pas nécessaire. L'invention permet donc de mettre au point des encres aqueuses économiques qui soient pulvérisables.
A3. L’optimisation de la composition fibreuse, le raffinage, les divers additifs permettent d’atteindre un niveau de performance à la fois en termes de conductivité, de définition des motifs imprimés, de pénétration dans la couche fibreuse, ce dernier point permettant potentiellement d’atteindre de bonnes performances en termes de tenue à la flexion.
A4. Support flexible fonctionnel pour la mesure de répartition de charges notamment via : (i) l’impression et l’encapsulation de condensateurs plans pour la fabrication de revêtements de sol sensitifs, (ii) l’impression et l’encapsulation dans des cartons pour emballage, de condensateurs interdigités pouvant être utilisé comme jauges de contrainte.
A5. Support flexible fonctionnel conducteur obtenu par dépôt d'un motif structuré ou d’une couche continue (aplat) sur le matelas fibreux humide, susceptible d'être utilisé dans la fabrication potentiellement de moyens anti-statiques ou d'écrans électromagnétiques.
Installation
Dans un autre de ces aspects, la présente invention concerne deux installations pour la mise en œuvre du procédé caractérisé.
- Une installation permettant la production discontinue de feuilles individuelles et adaptée à des faibles cadences de production comprenant (Figure 2) :
I. éventuellement au moins un dispositif de préparation et de raffinage de pâte à papier et/ou de pâte de fibrilles de cellulose;
II. au moins une machine conforme aux méthodes de préparation de feuilles de papier décrite dans la norme ISO-5269. En particulier, il peut s'agir de la méthode dite allemande ou Rapid Kôthen.
III. un système de dépôt/impression sans contact, en particulier par extrusion, spray ou jet d’encre; et/ou un système de dépôt/impression avec contact, en particulier par sérigraphie, flexographie, tampographie, héliogravure, ou offset;
IV. au moins une encre fonctionnelle est choisie dans le groupe comprenant idéalement constitué par - : les encres colorées, les encres électriquement conductrices, les encres thermiquement conductrices, les encres semiconductrices, les encres isolantes, les encres magnétiques,... et leurs mélanges.
- Une installation sur machine à papier continue permettant la production continue de feuilles comprenant (Figure 3) :
I. éventuellement au moins un dispositif de préparation et de raffinage de pâte à papier et/ou de pâte de fibrilles de cellulose;
II. au moins une machine à papier comprenant une caisse de tête, une toile d'égouttage - de préférence à table plate -, une section de presses, une sécherie et une bobineuse;
III. un système de dépôt/impression sans contact, en particulier par extrusion, spray ou jet d’encre; et/ou un système de dépôt/impression avec contact, en particulier par sérigraphie, flexographie, tampographie, héliogravure, ou offset;
IV. au moins une encre fonctionnelle est choisie dans le groupe comprenant idéalement constitué par - : les encres colorées, les encres électriquement conductrices, les encres thermiquement conductrices, les encres semiconductrices, les encres isolantes, les encres magnétiques,... et leurs mélanges.
Les figures 2 et 3 annexées montrent un exemple de réalisation de ces installations.
La Figure 2 montre la fabrication de circuits encapsulés selon un procédé de laboratoire discontinu utilisant un protocole de fabrication du matelas fibreux type Rapid Kôten. (a) Mise en suspension des fibres cellulosiques dans un disperseur de laboratoire (type Lhomargy ou assimilable), (b) Introduction de la suspension dans le bol de filtration Rapid Kôthen (cl) formation du matelas fibreux et égouttage du matelas fibreux humide. (c2) pressage du matelas fibreux humide, (d) Dépôt de l’encre conductrice par extrusion, (e) Superposition d’un deuxième matelas fibreux humide sur le matelas fibreux imprimé, (f) Séchage sous contrainte du papier bi-couche et recuit de l’encre.
La Figure 3 illustre une machine à papier 30 à table plate comprenant une caisse de tête 31, une toile 32 d'égouttage table plate (Fourdrinier), un système d'impression 33 (par exemple extrusion, jetting, sérigraphie, flexographie..), une section de presses 34, une sécherie 35, une calandre 36 et une bobineuse 37.
Le matelas fibreux 38 circule sur la toile 32 d'égouttage. Cette dernière permet la disparition du film d'eau à partir de la ligne d'eau 39, en sortie de toile 32
KIT
La présente invention a également pour objet un kit pour la mise en œuvre du procédé. Ce kit est caractérisé en ce qu'il comprend tout ou partie de l'installation selon invention et tout ou partie des encres et/ou des composants mis en œuvre dans la fabrication selon l'invention.
Ce kit qui forme une unité de conditionnement pour la vente, peut également comprendre une notice explicative pour la mise en œuvre du procédé à l'aide de l'installation et des encres et/ou des composants contenus dans ce kit.
Exemples
Les exemples qui suivent illustrent la mise en œuvre du procédé selon l'invention pour réaliser 4 supports flexibles cellulosiques imprimés avec une encre fonctionnelle :
- Exemple 1 : circuit imprimé avec une encre à base de carbone au moyen d'une imprimante 3D et encapsulé : Figures annexées la; lb; le; ld; le & lf.
- Exemple 2 : carte électronique comprenant, d'une part, un circuit imprimé avec une encre à base de carbone au moyen d'une pompe à vis avec buse de dépôt, de façon à former un condensateur plan interdigité et 2 pistes d'alimentation d'une LED, et, d'autre part, de la LED exogène encapsulé : Figures annexées 4, 5 & 6;
- Exemple 3 : carte électronique comprenant, d'une part, un circuit imprimé avec une encre à base de carbone au moyen d'une imprimante 3D, de façon à former une matrice de condensateurs plans encapsulés : grille de 4 χ 4 pistes d'alimentation : Figures annexées 7,8 & 9;
La description de ces exemples se fait en référence aux figures annexées dans lesquelles :
• La figure la est une photographie montrant le dépôt d'encre conductrice à base de carbone, à l'aide d'une imprimante 3D Prusa 13 modifiée, sur un matelas fibreux humide conformément à l'étape b) du procédé mis en œuvre dans l'exemple 1;
• la figure lb est une photographie d'une partie du circuit imprimé et encapsulé dans du papier humide après pressage et séchage, conformément aux étapes (f.l) et (f.2), respectivement, du procédé mis en œuvre à l'exemple 1;
• la figure le est une photographie du circuit imprimé et encapsulé dans du papier humide après enroulement, produit conformément au procédé mis en œuvre à l'exemple 1;
• la figure ld est une photographie au microscope optique Grossissement 400 d'une section transversale selon la ligne de coupe D-D de la figure lb;
• la figure le est une photographie au microscope optique Grossissement 400 d'une une vue de dessus du papier de la figure lb, encapsulant un circuit imprimé, montrant le dénudage par abrasion [étape (i)] d'une portion de la couche d'encapsulation, pour dégager un contact électrique;
• la figure lf est une photographie d'un circuit imprimé et encapsulé, conformément au procédé selon invention mis en œuvre à l'exemple 1, dans lequel circuit imprimé est une piste rectiligne piste électroconductrice de largeur 3 mm de longueur 44 mm et d'épaisseur 0,209 mm;
• la figure 2 est un schéma montrant un exemple d'installation pour le mode préféré discontinu de mise en œuvre du procédé selon invention;
• la figure 3 est un schéma montrant un exemple d'installation pour un mode continu de mise en œuvre du procédé selon invention ;
• la figure 4 est un schéma d'un élément de la carte électronique comprenant, d'une part, un capteur plan imprimé et formé par un condensateur interdigité et des pistes conductrices pour l'alimentation d'une LED, et, d'autre part, un composant LED implanté dans ce circuit imprimé, conformément à l'exemple 3 ;
• la figure 5 est une courbe donnant la capacité (pF) du condensateurinterdigité de la figure 4, en fonction du temps(s), avant et après le contact entre un doigt humain et la partie de la couche d'encapsulation en papier situé juste à l'aplomb du condensateur;
• la figure 6 est une photographie montrant le touché d'un doigt humain au-dessus du condensateur évoqué dans la légende de la figure 5, ledit condensateur faisant parti d'une carte électronique comprenant plusieurs éléments identiques à celui visé à la figure 4;
• la figure 6 est un schéma d'un élément de la carte électronique comprenant une matrice de condensateurs plans formés à l'intersection de 4x4 pistes parallèles, conductrices, imprimées et encapsulées, conformément à l'exemple 4 pour former un clavier tactile;
• la figure 8 est une courbe donnant la capacité (pF) d'un condensateur plan de la matrice de la figure 7, en fonction du temps(s), avant et après un souffle ponctuel émis par un humain sur la partie de la couche d'encapsulation en papier situé juste à l'aplomb dudit condensateur;
• la figure 9 est une photographie générale de dessus de la carte électronique formant clavier tactile, fabriquée conformément à l'exemple 4 de mise en œuvre du procédé selon l'invention.
EXEMPLE 1 :
F_qbriçqtion_ (Tun_ supportJfiexible_ cellulosique _constitué_ par_ un circuit_fqrmé_ par une/des_ Pistefs)_çqnduçtriçe(s)_ imprimée_(sf,_ sur_ _un_ matelas_fibreux_ _humide_ et çnçqpsulées_paruneçpuche_fibreusehunùde_supetppséeL l’cnsemble_ étqntséché sous contrainte pour consolider la_cqhésion_ dubi:çquçhe._ Ifjglb)
Installai ion...discontinue présentée sur la figure 2 et complétée par le système de préparation de la suspension aqueuse cellulosique et par un système d’impression
Matières premières : pâte cellulosique (fibres de feuillus blanchies raffinées à 50°SR) et encre conductrice du commerce base carbone en solvant non aqueux.
Méthodologie : Dans le mode de réalisation utilisée pour cet exemple, les opérations suivantes ont été réalisées :
a) Mise en suspension des fibres cellulosiques dans un appareil standard (type Lhomargy) (selon la norme ISO-5263-1 : 2004)
b) & c) Elaboration d’un matelas fibreux consolidés à partir de machine conformes aux méthodes de préparation décrite dans la norme ISO-5269. Il s'agit de la méthode dite allemande ou Rapid Kôthen qui au terme de la phase d’égouttage permet d’obtenir une siccité d’environ 10-15% et un contenu en matière sèche d’env. 60 g/m2, c') éventuellement pressage du matelas fibreux en utilisant un rouleau souple de 3 kg (correspondant à une pression linéique de 15 kg/m).
d) La feuille humide est ensuite imprimée selon l’étape (d) suivante.
Impression du matelas fibreux humide de l’étape (c') par des pistes conductrices à l’aide d’un système de dosage volumétrique (type pousse-seringue ou micro pompe volumétrique Moineau).
e) Superposition d’une feuille humide préalablement élaborée selon l’étape (b).
f) Séchage du bicouche en suivant la fin de la procédure ISO-5269.
i) Mise à nu des contacts par abrasion ponctuelle de la couche cellulosique superficielle. Dans le cas de cet exemple, une meule abrasive conique sur tige en carbure de silicium (i.e. meule D 4,8 mm Dremel) a été utilisé.
Méthode et appareil .utilises.pour la caractéri sation du.produit obtenu .par.microscopie. L’échantillon élaboré est analysé par microscopie optique (appareil de type Dino-lite), la résistance électrique de la piste ou des pistes conductrices sont mesurées à l’aide d’un multimètre de type Fluke 116.
Figure 1 :
a) Dépôt d’encre conductrice du commerce base carbone en solvant non aqueux, avec imprimante 3D Prusa 13 modifiée, b) circuit imprimé et encapsule dans du papier humide après séchage, c) circuit encapsulé enroulé, d) section latérale d’une piste encapsulée, e) image de la piste dénuée par abrasion de la couche en papier, f) mesure de conductivité d’une piste (largeur de la piste 3 mm, épaisseur moyen 0.209 mm, longueur 44 mm, résistance 170 Ohm, conductivité -410 S/m..
EXEMPLE 2 : CARTE ELECTRONIQUE COMPRENANT DES CONDENSATEURS PLANS IMPRIMES INTERDIGITES UTILES COMME CAPTEUR DE TOUCHER
2.1 SANS CONTROLEUR DE LED
Le papier, et plus précisément la cellulose est un diélectrique, i.e. un isolant, non inerte électriquement : qui dispose à l’échelle atomique de dipôles électrostatiques qui interagissent avec les champs électromagnétiques externes. La grandeur qui caractérise les diélectriques est la permittivité électrique, qui décrit la polarisation du matériau.
Cet exemple illustre l'exploitation, conformément à l'invention, du papier comme diélectrique dans des condensateurs plans imprimés interdigités. Plus précisément, la porosité et la variation de l'humidité du papier ont pour effet de faire varier la capacité de ces condensateurs.
Ainsi, on fabrique dans cet exemple des feuilles de papier circulaires de 314 cm2 (dénommées formette) intégrant des capteurs de touche (interrupteurs) associés chacun un voyant LED, en utilisant le procédé d’impression/encapsulation objet de la présente invention.
Etape a)
On utilise 1 litre de suspension fibreuse à 2g/l de fibres de cellulose kraft blanchies (résineux) raffinées à 5 7° SR Etape b) -Etape c)
Un matelas fibreux humide circulaire de 314 cm2 (20 cm de diamètre) a été fabriqué par filtration/égouttage (méthode Rapid Kôthen), afin d’obtenir une siccité d’environ 10-15% et un contenu en matière sèche d’env. 60 g/m2
Etape c'j
On procède ensuite à un pressage du matelas fibreux en utilisant un rouleau souple de 3 kg (correspondant à une pression linéique de 15 kg/m).
Etape d)
Une encre conductrice du commerce base carbone en solvant non aqueux, est déposée en utilisant un système de dosage direct par pompe à vis avec une buse de dépôt de 400 μιη de diamètre interne (distance buse-matelas fibreux environ 300 à 500 μιη, vitesse de dépôt environ 200 mm/min)
Comme montré sur la figure 4, chaque condensateur imprimé 1 comprend un peigne positif 2 et un peigne négatif 3. Chaque peigne est formé par une tige 4.2 & 4.3, à l'extrémité de laquelle s'étendent des dents 5.1 & 5.2 perpendiculaires, interdigitées, c'est-à-dire imbriquées les unes dans les autres.
Le circuit comprend des connecteurs parallèles imprimés 6 et 7, reliés à une LED 8.
Les pistes 4.2, 4.3, 5.1, 5.2 constituant le condensateur interdigité 1 et les connecteurs
6,7 de la LED ont une largeur de 1 mm et une épaisseur de 400 pm (avant séchage).
A l’aide de l’équation (1)
C = ε x S/d (1), ou C est la capacité du condensateur, ε la constante diélectrique relative du séparateur (papier), S la section de l’électrode et d distance entre les électrodes ;
Le condensateur 1 est dimensionné pour atteindre une capacité d’env. 1 pL, ce qui détermine un espacement entre les dents 5.1 & 5.2 du condensateur 1 de 500 pm et une longueur cumulée des électrodes interdigités de 9 cm (figure 4).
Etape e)
Après le dépôt des pistes, la LED est positionnée et une couche de matelas fibreux humide (préparé selon les étapes a, b, c et c') est superposée afin d’encapsuler les circuits imprimés
Étape (f.l)
L’ensemble matelas/circuit/couche d'encapsulation est pressé en utilisant un rouleau souple de 3 kg (correspondant à une pression linéique de 15 kg/m)
Étape (f.2)
L’ensemble matelas/circuit/couche d'encapsulation pressée est séché sous contrainte (environ 0.5 à 2 bars) à 95°C pendant 20 min (méthode Rapid Kôthen, séchoir type Lranck, norme de référence TAPPI T 205).
On obtient plusieurs feuilles de support flexible cellulosique comportant chacune plusieurs ensembles condensateur 1/LED 8.
Caractérisation
Le condensateur interdigité ainsi réalisé montre une variation de plus de 75% de la valeur de sa capacité initiale (i.e. de 15 à 35 pL, figure 4), à l’approche d’un doigt humain (permittivité relative de l’ordre de 60). Cette variation de valeur de capacité permet alors de détecter très nettement l’approche et le touché du capteur par un doigt humain.
L’application d’une tension de 5 V aux bornes des connecteurs 6,7 reliées à la LED 8 encapsulée permet d’allumer la diode, ce qui prouve que le procédé d’encapsulation garantit un bon contact électrique et permet de maintenir en place la LED 8 sans besoin d’utiliser des colles conductrices ou de pâtes à souder.
La figure 5 montre qu’après toucher du capteur, un temps (environ deux secondes) est nécessaire à l’évaporation/dispersion de l’humidité dans la structure fibreuse du papier afin de revenir à l’état initial du condensateur.
2.2 AVEC CONTROLEUR DE LED
L'exemple 2.1 est reproduit en intégrant à chaque ensemble condensateur interdigité 1/LED 8, un contrôleur externe (Arduino MEGA 2560) permettant l’alimentation de la LED 8 lorsque la capacité du condensateur varie de manière significative (un seuil de détection est fixé à environ 25 pF, afin de ne pas détecter les variations faibles générées par des parasites externes). L’utilisation de la LED 8 permet simplement d’illustrer l’activation du capteur (voir figure 6). Il est important de noter que ce circuit est complètement intégré au papier.
EXEMPLE 3 : CARTE ELECTRONIQUE COMPRENANT DES CONDENSATEURS PLANS IMPRIMES EN SANDWICH UTILES COMME CAPTEURS DE SOUFFLE - CLAVIER SENSIBLE AU
SOUFFLE OBTENU A PARTIR DE CETTE CARTE
3.1 CONDENSATEURS PLANS IMPRIMES EN SANDWICH UTILES COMME CAPTEURS DE
SOUFFLE
Il est question dans cet exemple de fabriquer une carte électronique selon l'invention, cette carte comprenant des capteurs sensibles au souffle, dans le but de créer des boutons donc l’activation est faite par soufflage localisé au moyen d'une paille. Cette application concerne plus particulièrement les utilisateurs tétraplégiques.
Les condensateurs imprimés sont dans cet exemple des capteurs en sandwich matriciel. La carte électronique 10 montrée sur les figures 7 et 9 comprend un circuit imprimé formé par 4 pistes conductrices parallèles 11, reliées chacune par l'une de leur extrémité à un contrôleur Arduino MEGA 2650 12 permettant de détecter des variations de capacité et par 4 pistes conductrices parallèles 13, perpendiculaires aux pistes 11 et susceptibles d'être reliées chacune par l'une de leurs extrémités à l'un des pôles d'un générateur non représenté sur la figure 7 et sur la figure 8.
Méthodologie :
Etape a)
On utilise 1 litre de suspension fibreuse à 2g/l de fibres de cellulose kraft blanchies (résineux) raffinées à 5 7° SR Etape b) -Etape c)
Un matelas fibreux humide circulaire de 314 cm2 (20 cm de diamètre) a été fabriqué par filtration (méthode Rapid Kôthen), afin d’obtenir une siccité d’environ 10-15% et un contenu en matière sèche d’env. 60 g/m2.
Etape c'
On procède ensuite à un pressage du matelas fibreux en utilisant un rouleau souple de 3 kg (correspondant à une pression linéique de 15 kg/m).
Etape d
Les pistes parallèles 11 sont imprimées sur le matelas fibreux humide en utilisant une encre conductrice base carbone à base solvant (non aqueuse) et un système de dosage direct par pompe à vis avec une buse de dépôt de 400 pm de diamètre interne (distance buse-matelas fibreux environ 300 à 500 pm, vitesse de dépôt environ 200 mm/min),
Les conditions d’impression sont résumées dans le tableau suivant :
• ·· .· ................................................................
Ι^^Β·ΒΗ·ΙΙΙΙΙ·ΙΙΙΒΙΙΒΙΙΙΒΐΙιΙΒβΒβίΒΐβΒΐ|ι|8ΐ||||ί| _
Les pistes imprimées sont recouvertes d'une couche de superposition fibreuse 25 d'encapsulation (préparée selon les étapes a, b, et c'), sur la face libre de laquelle sont ensuite imprimées les pistes parallèles 13.
Étape e
Une couche de superposition fibreuse d'encapsulation, préparée selon les étapes a, b, c et c', est alors déposée et compactée sur les pistes parallèles 13.
Les pistes 11 et 13 ont une largeur de 4 mm et une longueur de 100 mm.
Les zones situées aux intersections des pistes 11 et 13 forment seize condensateurs 14. Cette topographie matricielle permet d’augmenter la densité des capteurs, tout en diminuant le nombre de connexions nécessaire au contrôleur 12 (i.e. pour une grille de 16 condensateurs, il suffit de 4 lignes et 4 colonnes, soit 8 connexions au contrôleur). Les capteurs interdigités nécessitent 2 connexions par condensateur, soit 32 pour une grille de 16 condensateurs 14.
Étape f
La structure multicouche a été compactée en appliquant une pression linéique de 15 kg/m et séchée sous compression à 95°C (méthode rapid Kôthen).
Çaractéri sation
Le contrôleur Arduino MEGA 2560 mesure les variations de capacité dans le condensateur et transfère les données dans un tableur permettant leur visualisation sur la figure 8. Cette dernière montre une brusque augmentation de la capacité (de 3,8 à 6,2pF) correspondant au moment où l’utilisateur souffle à l’aide d’une paille sur la touche du clavier. De même que dans l'exemple 3.1, un temps d’environ quatre secondes est nécessaire pour le retour à la valeur de la capacité initiale.
L’utilisation des condensateurs en sandwich est donc très intéressante en ce qu’elle permet la détection du souffle. Un clavier sensible a donc été réalisé. Comme mis en évidence dans l’exemple 2.1 avec des condensateurs plans interdigités, les condensateurs sandwich sont aussi sujets à une variation de leur capacité à l’approche d’un doigt, ce qui permet de les utiliser pour la réalisation de feuilles sensibles au touché et au souffle.
3.2 CLAVIER SENSIBLE AU SOUFFLE(OU AU CONTACT)
Le clavier 10 sensible au souffle montré sur la figure 9 est quasiment identique à la carte électronique 10, comprenant la grille de condensateurs en sandwich intégrés au papier (encapsulation) de l'exemple 3.1. Des touches (pads) de type numérique, comme situé à la droite sur les claviers standards des ordinateurs, ont été matérialisé sur la face supérieure de la carte électronique. Ainsi, les 16 touches correspondent aux 16 condensateurs 14.
On alimente successivement les quatre pistes 13 (électrodes horizontales) et on mesure la tension de sortie des quatre pistes 11 (électrodes verticales) pour évaluer la variation de la capacité de chaque condensateur 14, et ainsi détecter les variations d’humidité du papier, générées par le souffle de l’utilisateur (ou la présence d’un doigt en contact avec le papier).
Les variations de capacités dans les 16 condensateurs 14, sont détectées par le contrôleur 12 non représenté sur la figure 9 mais présent sur la figure 8 montrant la carte de l'exemple 4. Un seuillage, permettant de définir une vitesse limite de variation de la capacité au de la de laquelle un évènement est détecté, de est implémenté et intégré dans un contrôleur 12 qui, en communiquant avec un ordinateur via une connexion USB va inscrire le symbole correspondant à la touche activée par le souffle, comme le ferait un clavier standard.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication d'un support flexible cellulosique comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, ce circuit et/ou cette carte étant susceptible(s) d'être porteur(s), de faire circuler et/ou de traiter un signal, en particulier un signal électrique s'agissant de circuits électriques imprimés ou de cartes électroniques, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à :
    a) préparer ou mettre en œuvre une suspension fibreuse aqueuse comprenant de la pâte à papier et/ou de pâte de fibrilles de cellulose;
    b) produire un matelas fibreux humide à partir de cette suspension ;
    c) égoutter ce matelas fibreux humide;
    c') éventuellement, presser ce matelas fibreux humide;
    d) imprimer l'une des faces du matelas fibreux humide au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal;
    e) éventuellement, revêtir la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche humide, de préférence fibreuse;
    f) éventuellement éliminer au moins partiellement l'eau contenue dans le matelas fibreux éventuellement revêtu conformément à l'étape e);
    g) éventuellement, revêtir la face imprimée du matelas fibreux au moyen d'au moins une couche constituée de pigments minéraux et de liants;
    h) éventuellement, imprimer l'une des faces du support susceptible d'être obtenu à l'issue d'au moins l'une des étapes e) à g),au moyen d'au moins une encre fonctionnelle apte à transmettre, émettre et/ou traiter au moins un signal, pour réaliser au moins une topographie comprenant au moins une piste de circulation du signal éventuellement au moins un composant apte à agir sur le signal.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la suspension mise en œuvre à l'étape a) a une concentration en matière sèche comprise entre 0,1 et 1 % en poids.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'impression selon l'étape d) est réalisée par dépôt de l'encre fonctionnelle sur l'une des faces du matelas fibreux, après disparition du film d’eau de surface, lors de l'égouttage de l'étape (c), ce phénomène se situant à une siccité globale du matelas fibreux supérieure à 1% en poids et inférieure ou égale à 30% en poids, de préférence à 15 % en poids.
  4. 4. Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il s'intégre dans une fabrication discontinue de papier faisant intervenir au moins un disperseur, au moins une colonne de fïltration/égouttage équipée d’au moins une toile de filtration, au moins un cylindre calibré de compression et un dispositif de séchage de la feuille sous contrainte
  5. 5. Procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il s'intégre dans une fabrication continue industrielle de papier faisant intervenir une machine à papier comprenant une caisse de tête, une toile d'égouttage - de préférence à table plate -, une section de presses, une sécherie et une bobineuse.
  6. 6. Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que l'objet fabriqué est une carte électronique comportant au moins un circuit imprimé et au moins un composant électronique, ce dernier étant de préférence un condensateur interdigité ou un condensateur sandwich.
  7. 7. Support flexible cellulosique obtenu par le procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 6 et comprenant au moins un circuit fonctionnel et/ou assimilable à au moins une carte fonctionnelle, mono ou multicouche, , caractérisé par une épaisseur comprise entre 100 et 500 pm, de préférence entre 200 et 400 pm.
  8. 8. Carte électronique fabriquée par le procédé selon la revendication 6 caractérisée en ce qu'elle est constituée par une grille de condensateurs en sandwich formé chacun à l'intersection de pistes électroconductrices PI, P2 formant la grille.
  9. 9. Carte électronique selon la revendication 8 caractérisée en ce qu'elle constitue un clavier d'un dispositif électronique, de préférence un ordinateur, une tablette numérique ou un smartphone.
  10. 10. Installation pour la mise en œuvre du procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'elle comprend :
    I. éventuellement au moins un dispositif de préparation et de raffinage de pâte à papier et/ou de pâte des (micro/macro) fibrilles de cellulose;
    IL dans un mode de production discontinu : au moins un système de fabrication de feuilles de papier, de préférence du type de celui spécifié dans la norme ISO5269 (méthode rapid Koten), ou dans un mode de production continu : au moins une machine à papier comprenant une caisse de tête, une toile d'égouttage — de préférence à table plate —, une section de presses, une sécherie et une bobineuse;
    III. un système de dépôt/impression sans contact, en particulier par d’extrusion, spray ou jet d’encre; et/ou un système de dépôt/impression avec contact, en particulier par sérigraphie, flexographie, tampographie, héliogravure, ou offset;
    IV. au moins une encre fonctionnelle est choisie dans le groupe comprenant idéalement constitué par - : les encres colorées, les encres électriquement conductrices, les encres thermiquement conductrices, les encres semiconductrices, les encres isolantes, les encres magnétiques, les encres diélectriques et leurs mélanges.
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