Etude et mise en œuvre de liquides fonctionnels par procédé jet d'encre TH S

THESE


En vue de l’obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE TOULOUSE THESE

Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Conception des circuits microélectroniques et En vue de l’obtention du
microsystèmes


Présentée et Soutenue par Stéphanie POIRIER
Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse Le 30 octobre 2009
Discipline ou spécialité : Conception des circuits microélectroniques et microsystèmes


Titre : Etude et mise en œuvre de liquides fonctionnels Présentée et Soutenue par Stéphanie POIRIER
par procédé jet d'encre Le 30 octobre 2009
pour la réalisation de microdispositifs optiques

Titre : Etude et mise en œuvre de liquides fonctionnels
par procédé jet d'encre
JURY pour la réalisation de microdispositifs optiques

Martine LEJEUNE, Professeur, ENSCI-SPCTS (Limoges), Rapporteur
Didier CHAUSSY, Professeur, LGP2 (Grenoble), Rapporteur
Jean-Paul CANO, Ingénieur, ESSILOR (Toulouse) JURY
Sylvie VINSONNEAU, Ingénieur, ESSILOR (Toulouse)
Antoine MARTY, Directeur de recherche, LAAS (Toulouse) Martine LEJEUNE, Professeur, ENSCI-SPCTS (Limoges), Rapporteur
Pierre TEMPLE-BOYER, Chargé de recherche, LAAS (Toulouse) Didier CHAUSSY, Professeur, LGP2 (Grenoble), Rapporteur
Ludivine FADEL TARIS, Maître de conférences, Université P.Sabatier (Toulouse) Jean-Paul CANO, Ingénieur, ESSILOR (Toulouse)
Sylvie VINSONNEAU, Ingénieur, ESSILOR (Toulouse)
Antoine MARTY, Directeur de recherche, LAAS (Toulouse)
Ecole doctorale : GEET Pierre TE de recherche, LAAS (Toulouse)
Unité de recherche : LAAS Ludivine FADEL TARIS, Maître de conférences, Université P.Sabatier (Toulouse)
Directeur(s) de Thèse : Pierre TEMPLE-BOYER/ Ludivine FADEL TARIS
Rapporteurs : Martine LEJEUNE/ Didier CHAUS
Ecole doctorale : GEET LAAS
Directeur(s) de Thèse : Pierre TEMPLE-BOYER/ Ludivine FADEL TARIS
Rapporteurs : Martine LEJEUNE/ Didier CHAUSSY Remerciements


- Remerciements -

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au sein du groupe
Microdispositifs et microsystèmes de détection (M2D) du Laboratoire d’analyses et
d’architecture des systèmes (LAAS-CNRS), et de l’équipe du projet « Optique
digitale » de la société ESSILOR. Je souhaite ici remercier les nombreuses
personnes sans qui ces travaux n’auraient jamais vu le jour.

Je souhaite tout d’abord exprimer mes chaleureux remerciements aux
superviseurs de cette thèse pour leur disponibilité, leur expertise, et leur soutien
dans ce travail pluridisciplinaire :
Pierre Temple-Boyer (CNRS, LAAS), responsable du groupe M2D et directeur
de ma thèse, pour m’avoir accueilli dans son équipe, pour son suivi et sa
disponibilité,
Ludivine Fadel Taris (Université Paul Sabatier, LAAS), co-directrice de ma
thèse, pour ses conseils, son accompagnement et ses relectures attentives et
constructives,
Sylvie Vinsonneau (ESSILOR) pour son investissement permanent, son
expertise, son soutien, et son dynamisme à toute épreuve. Merci d’avoir accepté
d’être membre invité de mon jury,
Stéphane Perrot (ESSILOR) pour son accompagnement, sa disponibilité, son
expertise et son enthousiasme contagieux,
Jean-Paul Cano (ESSILOR), directeur technique du projet, pour m’avoir offert
cette opportunité et m’avoir accueilli au sein de son équipe, pour tous ses conseils et
son immense expertise technique. Merci d’avoir accepté d’être membre de mon jury.

Je tiens ensuite à remercier madame Martine Lejeune (Université de Limoges)
et monsieur Didier Chaussy (Université de Grenoble) pour avoir apporté leurs
expertises et avoir accepté d’examiner mon travail de doctorat en tant que
rapporteurs et membres de mon jury.
Merci aussi à monsieur Antoine Marty pour sa présence dans mon jury de
thèse et sa disponibilité.

CONFIDENTIEL Remerciements

Un grand merci à monsieur David Quéré, pour son expertise et ses conseils,
et à toute son équipe du laboratoire PMMH de l’ESPCI, pour leur accueil chaleureux
et pour leur aide avec la caméra rapide.

Merci à tous mes collègues du LAAS pour leur accompagnement et
notamment au petit groupe de roboticiens, qui m’ont souvent accueilli le midi.

Je remercie chaleureusement l’ensemble de mes collègues de ESSILOR de
Toulouse et Grenoble, qu’ils soient « permanents », « doctorants » ou « stagiaires »,
pour leur participation à mes travaux, pour l’ambiance très joviale qu’ils ont su
instaurer, pour les matchs de squash, pour les parties de foot entre « bigleux », pour
le weekend « Igloo » qui restera mémorable et pour tous ces petits moments
quotidiens qui ont rendu ces trois années inoubliables.

Enfin un très grand merci à ma famille, mes amis et l’homme de ma vie pour
leur soutien inconsidérable et leur confiance.
CONFIDENTIEL Table des matières

Introduction générale - Contexte de la thèse et positionnement du sujet - ______________ 7


Chapitre 1 - Le verre pixellisé - _______________________________________________ 13

I - Descriptif du projet _____________________ 13
1 - Rupture technologique 13
1.1 - Principe du verre correcteur traditionnel ___________ 14
1.2 - Principe du verre correcteur pixellisé _____________ 16
2 - Spécifications pour le procédé jet d’encre _____________________________________ 18
3 - Les différentes étapes de fabrication d'un verre pixellisé _________________________ 19
3.1 - Fabrication des microstructures __________________ 19
3.2 - Remplissage des microstructures ________________ 20
3.3 - Scellement des microstructures 20
3.4 - Report du micro-dispositif _____________________________________________________ 22
3.5 - Protection du micro-dispositif ___________________ 23
3.6 - Alimentation des microdispositifs actifs ___________ 23
II - Technologie d’impression jet d’encre ____ 23
1 - Historique _______________________________________________________________ 23
2 - Jet continu 25
2.1 - Déflection binaire ____________________________ 25
2.2 - Déflection multiple ___________________________ 25
3 - Goutte à la demande ______________________ 26
3.1 - Le procédé thermique _________________________________________________________ 26
3.2 - Le procédé piézo-électrique ____________________ 27
3.3 - La thermofusion _____________________________ 27
4 - Choix de la technologie à utiliser ____________ 28
4.1 - Tête d'impression piézoélectrique ________________ 28
4.2 - Multibuses ou monobuse _______________________ 30
4.3 - Propriétés des têtes multibuses __________________________________________________ 31
5 - Quelques applications du procédé jet d’encre __ 33
III - Conclusion _________________________________________________________ 36


Chapitre 2 - Etude et développement technologique du procédé jet d’encre - ___________ 41

I - Plateforme d’impression ________________________________________________ 41
[1]1 - Les têtes d’impression de la société XAAR __________________________________ 41
1.1 - Constituants _ 42
1.2 - Gestion du cristal piézoélectrique 43
2 - Logiciel de gestion des têtes _________________ 48
3 - Déplacement du substrat ___________________ 49
II - Propriétés des gouttes déposées et influence sur la qualité des dépôts __________ 50
1 - Cahier des charges des liquides ______________________________________________ 50
2 - Liquides utilisés __________________________ 51
- 1 - CONFIDENTIEL Table des matières

2.1 - Encres UV __________________________________________________________________ 51
2.2 - Huiles _____ 52
2.3 - Cristaux liquides _____________________________ 52
3 - Qualité des impressions ____________________ 56
3.1 - Variation de volume __________________________ 56
3.2 - Variation de vitesse d’éjection __________________________________________________ 57
3.3 - Conclusion _ 70
III - Etude de l’influence des paramètres d’impression sur les propriétés des gouttes
éjectées __________________________________ 71
1 - Etude expérimentale de l’influence des paramètres d’impression _________________ 71
1.1 - Influence de la durée de l’impulsion ______________ 72
1.2 - Stabilité de l’éjection en fréquence _______________________________________________ 73
1.3 - Influence du vide _____________________________ 73
1.4 - Influence de la tension appliqué