Des tissus dont des fils contiennent des diodes

Les diodes semi-conductrices sont des composants de base des circuits électroniques utilisés dans les ordinateurs, les systèmes de communications et les détecteurs de toute sorte.
Si on peut les incorporer dans des tissus, on dote ceux-ci de nouvelles fonctionnalités comme la communication par émission et réception de signaux lumineux  ou encore la surveillance de paramètres médicaux. Des chercheurs du Massachusets Institute of Technology(MIT), Cambridge, USA et de l’EPFL, Lausanne, Suisse ont réussi à fabriquer des centaines de diodes connectées en parallèle et contenues dans une seule fibre de textile. Ces diodes sont de 2 types, des  émettrices de lumière (DELs) et des photo-détectrices.

 

La fabrication de fibres contenant des diodes

 Elle repose sur l’incorporation de dispositifs semi-conducteurs de performances élevées et de fils de haute conductivité (cuivre ou tungstène) dans une préforme en polymère (polycarbonate) que l’on tréfilera à chaud (Fig.1.). Lors du tirage à chaud de la préforme, les diodes s’écartent axialement tandis que leur position latérale est maintenue par le polymère visqueux qui les entoure. Les conducteurs électriques trouvent leur place dans les canaux creux de part et d’autre des diodes. La distance latérale entre ces fils se réduit graduellement durant le tirage jusqu’à ce que des contacts électriques s’établissent avec les diodes.

Fig.1. Structure de la préforme et résultats du tréfilage a) Schéma de la préforme. Elle comprend 2 plaques principales (1 et 4) munies d’un rainure tout du long de la plaque pour recevoir les fils métalliques. De nombreuses poches de la taille des diodes (de l’ordre de 100 µm) sont fraisées dans la plaque 3 pour recevoir ces dernières. Une plaque 2 est placée sur celle contenant les diodes. la préforme est rigidifiée par chauffage dans une presse hydraulique. b) Schéma du processus suivant, le tréfilage à chaud. Les fils métalliques (orange) avancent tout au long du tréfilage dans la préforme. L’anneau rouge représente le chauffage. - L’insert I montre la section transverse de la préforme, montrant les semi-conducteurs (rectangles verts avec des plots rouges de contact) et les fils (cercles orange) placés dans les rainures rectangles blancs. Les rainures sont plus larges que les fils dans la préforme. - L’insert II montre la section transverse de la fibre obtenue par le tréfilage ; les diodes et les fils sont bien incorporés dans le polymère. Les fils touchent les plots de contact des semi-conducteurs. - L’insert III est une micrographie optique de la section transverse de la fibre, à un endroit sans diode, montrant deux fils de tungstène incorporés à la fibre sans contact électrique entre eux. c) Micrographie optique de côté de la fibre montrant une DEL (indiquée par le carré rouge) et les fils en contact avec celle-ci. reproduit de Diode fibres for fabric-based optical communications Michael Rein, Valentine Dominique Favrod, Chong Hou, Tural Khudiyev, Alexander Stolyarov, Jason Cox, Chia-Chun Chung, Chhea Chhav, Marty Ellis, John Joannopoulos & Yoel Fink N ature | vol 560 | 9 august 2 0 1 8

Fig.1. Structure de la préforme et résultats du tréfilage
a) Schéma de la préforme. Elle comprend 2 plaques principales (1 et 4) munies d’une rainure tout du long de la plaque pour recevoir les fils métalliques. De nombreuses poches de la taille des diodes (de l’ordre de 100 µm) sont fraisées dans la plaque 3 pour recevoir ces dernières. Une plaque 2 est placée sur celle contenant les diodes. la préforme est rigidifiée par chauffage dans une presse hydraulique.
b) Schéma du processus suivant, le tréfilage à chaud. Les fils métalliques (orange) avancent tout au long du tréfilage dans la préforme. L’anneau rouge représente le chauffage.
– L’insert I montre la section transverse de la préforme, montrant les semi-conducteurs (rectangles verts avec des plots rouges de contact) et les fils (cercles orange) placés dans les rainures blanches rectangulaires. Les rainures sont plus larges que les fils dans la préforme.
– L’insert II montre la section transverse de la fibre obtenue par le tréfilage ; les diodes et les fils sont bien incorporés dans le polymère. Les fils touchent les plots de contact des semi-conducteurs.
– L’insert III est une micrographie optique de la section transverse de la fibre, à un endroit sans diode, montrant deux fils de tungstène incorporés à la fibre sans contact électrique entre eux.
c) Micrographie optique de côté de la fibre montrant une DEL (indiquée par le carré rouge) et les fils en contact avec celle-ci.
Reproduit avec autorisation de Diode fibres for fabric-based optical communications
Michael Rein, Valentine Dominique Favrod, Chong Hou, Tural Khudiyev, Alexander Stolyarov, Jason Cox, Chia-Chun Chung, Chhea Chhav, Marty Ellis, John Joannopoulos & Yoel Fink  Nature | vol 560 | 9 august 2 0 1 8

 

Propriétés des fibres obtenues

Avec cette technique, on obtient le long du fil une répartition régulière de diodes connectées en parallèles. La section de la fibre est de 350 µm x 350 µm. On peut tréfiler une fibre de plusieurs kilomètres à partir d’une préforme munie de plus d’une centaine de dispositifs semi-conducteurs discrets.
Cette technique ne se limite pas à l’incorporation de DELs dans une fibre. L’équipe de Yoël Fink l’a aussi fait avec des diodes photo-détectrices  du type p-i-n qui ont une bande passante très élevée. Et d’autres dispositifs électroniques pourraient ainsi être incorporés dans des fibres obtenues par tréfilage à chaud.

Ces émetteurs à DELs contenus dans une fibre sont modulables à grande vitesse. Les photo-détecteurs inclus dans une fibre ont une grande bande passante. L’ensemble permet de réaliser des communications entre textiles. Et ces propriétés résistent aux opérations de l’industrie textile comme le tissage et les lavages. Ceci provient du fait que les composants électroniques sont à l’intérieur des fibres.  En donnant aux fibres une section arrondie plutôt que carrée, on focalise la lumière émise par les DELS et celle reçue par les fibres photo-détectrices.

Les fibres, tant celles contenant des DELs que celles contenant des photo-détecteurs peuvent être tissées  avec d’autres fils sur des métiers classiques. On obtient ainsi des tissus séparés pour l’émission et la réception. Les chercheurs ont obtenu la communication entre deux vestes taillées dans ces tissus et séparées de 1 m.

En faisant varier le coefficient d’étirage (rapport de la dimension transverse de la préforme sur celle de la fibre extrudée), on peut faire varier l’écart entre les diodes dans la fibre de 17 cm à 2 m. La figure suivante présente quelques vues de fibres achevées.

 

Fig.2. Emission de lumière par des fibres et photo-détection a)Schéma d’une fibre contenant des DELs. Les fils (en orange) sont connectés aux DELs (en violets) et à une source d’électricité. b) Photographie d’une fibre contenant des DELs InGaN émettant dans le bleu. Elles sont distante de 370 mm et la fibre est posée sur une table c) Fibre contenant des DELs InGaN émettant dans le vert. d) Fibre contenant des DELs AlGaAsP émettant de la lumière rouge. e) Schéma de la structure d’une fibre photo-détectrice où une photodiode d’une fibre interagit avec un faisceau externe de lumière (flèche rouge). Reproduit avec autorisation de Diode fibres for fabric-based optical communications Michael Rein, Valentine Dominique Favrod, Chong Hou, Tural Khudiyev, Alexander Stolyarov, Jason Cox, Chia-Chun Chung, Chhea Chhav, Marty Ellis, John Joannopoulos & Yoel Fink Nature | vol 560 | 9 august 2 0 1 8

Fig.2. Emission de lumière par des fibres et photo-détection a) Schéma d’une fibre contenant des DELs. Les fils (en orange) sont connectés aux DELs (en violets) et à une source d’électricité. b) Photographie d’une fibre contenant des DELs InGaN émettant dans le bleu. Elles sont distante de 370 mm et la fibre est posée sur une table c) Fibre contenant des DELs  InGaN émettant dans le vert. d) Fibre contenant des DELs AlGaAsP émettant de la lumière rouge. e) Schéma de la structure d’une fibre photo-détectrice où une photodiode d’une fibre interagit avec un faisceau externe de lumière (flèche rouge). Reproduit avec autorisation de Diode fibres for fabric-based optical communications Michael Rein, Valentine Dominique Favrod, Chong Hou, Tural Khudiyev, Alexander Stolyarov, Jason Cox, Chia-Chun Chung, Chhea Chhav, Marty Ellis, John Joannopoulos & Yoel Fink Nature | vol 560 | 9 august 2 0 1 8

 

En incorporant à des fibres tissables des DELs  et des photo-détecteurs à excitation et réponse rapides, les chercheurs ont ouvert la voie à des systèmes de communication à bande passante très élevée entre éléments textiles. Les connexions électriques peuvent être réalisées après le tissage et les contraintes dues à celui-ci ainsi que celles dues à un lavage fréquent sont parfaitement supportées par les fibres.
Ces émetteurs et récepteurs optiques à réponse rapide intégrés dans des tissus ont nombre d’applications. Par exemple, on a obtenu une mesure du pouls en plaçant dans un tissu deux fibres séparées de 5 mm, l’une émettrice, l’autre réceptrice. Placer un doigt sur les deux fibres permet d’enregistrer la lumière réfléchie qui est sensible à la circulation du sang dans les vaisseaux sanguins proches de la peau.

 

Ces résultats montrent que l’on peut intégrer dans des tissus textiles des senseurs physiologiques  et des semi-conducteurs de haute performance. Ceci conduira à doter des fibres et des tissus de nombreuse fonctionnalités. Cette technique pourrait engendrer des avancées dans le domaine du textile et des vêtements. Des fibres multifonctionnelles pourraient permettre la réalisation de senseurs de neurones, celle de milieux sensibles  à l’interaction  textile-bactéries ou encore celle de textiles  à odeur contrôlée et enfin celle de systèmes de distribution de médicaments.

 

 

 

Pour en savoir plus :
 

Diode fibres for fabric-based optical communications

Michael Rein, Valentine Dominique Favrod, Chong Hou, Tural Khudiyev, Alexander Stolyarov, Jason Cox, Chia-Chun Chung, Chhea Chhav, Marty Ellis, John Joannopoulos & Yoel Fink
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