La plupart des gens pensent encore que l'électronique flexible et adaptable (EFA) relève de la curiosité académique et n'a pas de marché précis. Cette croyance semble reposer sur les rares études de validation de principe publiées, s'appuyant sur les résultats de ces dispositifs fonctionnels, pourtant peu nombreux. Même lorsque des entreprises présentent des prototypes, il est facile de les considérer comme de simples opérations marketing destinées à mettre en avant leurs inventeurs comme des chefs de file en R&D.
Pourtant, le secteur de l'EFA est bien plus complexe qu'il n'y paraît. Chez IDTechEx (le cabinet d'études de marché auquel nous faisons appel), nous explorons cette frontière technologique depuis plusieurs années. Dans cet article, nous expliquerons comment de nombreux aspects plus simples et moins médiatisés de l'EFA ont déjà été commercialisés ou sont sur le point de l'être. Nous aborderons également deux grandes tendances qui expliquent l'intérêt croissant pour l'EFA : (1) les objets connectés véritablement portables et (2) les composants électroniques structurels. Enfin, nous démontrerons qu'il est totalement erroné de considérer l'EFA comme une entité unique. L'EFA est un terme générique qui englobe de nombreuses technologies et applications différentes. Il convient de considérer SCE comme un ensemble d'applications et de solutions de niche disparates.

Les technologies portables sont en passe de devenir omniprésentes.
L'intérêt qu'elles suscitent a connu une croissance exponentielle depuis fin 2013. Cette croissance s'est accompagnée de l'émergence de plusieurs nouvelles catégories de produits, contribuant à définir les nouvelles technologies portables par rapport aux anciennes (montres de poche et montres-bracelets, dont l'histoire remonte à plusieurs siècles). Parmi ces nouvelles catégories figurent les montres connectées, les lunettes intelligentes, les lunettes de réalité virtuelle et augmentée, et bien d'autres.
Chacune de ces catégories se distingue par sa technologie sous-jacente, son niveau de maturité, ses marchés cibles et son potentiel de revenus, actuels et futurs. De fait, dans une récente étude de marché, notre équipe a recensé 42 catégories différentes d'appareils portables, avec une croissance globale passant d'environ 35 milliards de dollars actuellement à plus de 155 milliards de dollars d'ici 2027.
Ces technologies disparates sont souvent peu unifiées. Il est même fort probable que le destin différent de ces catégories rende le terme générique de « technologies portables » obsolète dans un avenir proche.
Malgré cette divergence imminente, une tendance commune à presque tous les appareils est l'évolution de leur format. Si vous analysez le marché actuel des dispositifs portables, vous constaterez rapidement qu'il s'agit simplement d'anciens composants rigides assemblés dans un nouveau boîtier à porter sur le corps. Presque tous ces composants proviennent de secteurs existants tels que l'électronique grand public, le médical ou l'automobile. L'innovation matérielle nécessaire à la création de véritables dispositifs portables reste relativement faible.
Mais la situation évolue. Comme le montre la figure 1, des entreprises de toutes tailles commencent à concevoir des dispositifs portables véritablement portables. Il s'agit souvent de produits exploratoires en phase de développement, conçus pour tâter le terrain et qui ne sont pas encore matures, testés ni finalisés.
 
Figure 1 : Les dispositifs portables passent progressivement de composants rigides en boîtier à de véritables dispositifs portables. Jusqu'à présent, ce marché reposait presque entièrement sur des capteurs existants empruntés à d'autres secteurs. Cependant, de nouveaux capteurs, conçus spécifiquement pour être portés sur soi, font leur apparition.

Électronique flexible pour les technologies portables :
La création de dispositifs véritablement portables englobe tous les composants système nécessaires. Des progrès sont réalisés dans le domaine des batteries extensibles et/ou adaptables, des transistors/mémoires, des écrans, des capteurs, des circuits imprimés et des interconnexions (connexions flexibles). Cependant, la plupart des composants électroniques flexibles (CEF) sont encore à un stade de développement technologique très préliminaire. Nous nous concentrons donc ici sur les interconnexions extensibles et les capteurs, deux exemples de CEF déjà disponibles sur le marché ou sur le point de l'être.
Les interconnexions peuvent paraître simples, mais elles sont essentielles pour permettre des applications textiles véritablement portables. Plusieurs approches permettent actuellement de créer des interconnexions textiles, notamment les fils métalliques fins et les fibres/fils métallisés. Les encres conductrices extensibles émergent également comme une solution prometteuse. En effet, la technologie des encres conductrices est très adaptable, permettant le développement de produits personnalisés pour répondre à différentes exigences de prix et de performance (conductivité, extensibilité, etc.). Ceci est crucial à ce stade exploratoire du marché, où les besoins des clients sont encore mal définis et peuvent être très variés.

Les encres présentent un avantage supplémentaire : il s’agit d’une étape de post-production universellement applicable une fois le textile fabriqué selon les procédés existants et non modifiés. De fait, la technologie des encres a le potentiel de tirer parti des infrastructures et du savoir-faire existants en matière de sérigraphie sur textile.
Comme le montre la figure 2, de nombreux prototypes de textiles électroniques (e-textiles) et produits utilisant des encres conductrices flexibles et/ou élastiques existent déjà. Parmi ces exemples, on trouve des moniteurs de fréquence cardiaque pour humains et animaux (chevaux, par exemple), des capteurs de pression intégrés aux chaussures, des interconnexions, etc. Globalement, nos statistiques, présentées dans la figure 2, démontrent un intérêt croissant pour les encres extensibles. Le nombre de produits et de projets de textiles électroniques à base d’encre a augmenté significativement d’une année sur l’autre.
 
Figure 2 : À gauche, les prototypes et produits de textiles électroniques à base d’encre. (Les informations entre parenthèses indiquent le lieu et la date des photos prises par les analystes d’IDTechEx.) À droite, des statistiques montrent la popularité croissante des solutions à base d’encre dans le domaine des textiles électroniques. Source : IDTechEx.

Malgré cet intérêt, les encres extensibles ne constituent pas encore un produit abouti. Leur potentiel d'amélioration et de personnalisation est considérable. Actuellement, la couche imprimée est prise en sandwich entre un substrat plastique et une couche d'encapsulation, puis laminée sur le textile. Cette solution, qui nécessite deux couches supplémentaires, manque d'élégance. Le substrat sert essentiellement à créer une surface uniforme dans un secteur où existent de nombreux textiles aux caractéristiques très différentes. Les matériaux d'encapsulation courants présentent également des lacunes : ils sont peu respirants, voire inconfortables. Les performances des encres extensibles peuvent encore être optimisées, même si la dernière génération offre une meilleure résistance à l'étirement et au lavage que les versions précédentes. Ces constats ouvrent la voie à des innovations en matière de matériaux et de formulations, permettant ainsi de développer des encres plus extensibles, applicables directement sur divers textiles avec une forte adhérence.

Jusqu'à présent, cette tendance a été impulsée par les fournisseurs de matériaux et d'encre, et toutes les entreprises ne rencontrent pas le succès commercial escompté. En réalité, nous n'en sommes qu'aux prémices et la chaîne de valeur des textiles électroniques est encore en construction, avec la participation active des fabricants de textiles traditionnels, des grands sous-traitants et des grandes marques.
De nombreux exemples de capteurs textiles extensibles (SCE) sont commercialisés ou en passe de l'être. Par exemple, les capteurs piézorésistifs sont déjà utilisés commercialement pour mesurer la répartition de la pression sur des surfaces irrégulières. Une application possible consiste à mesurer la topographie des dents d'un patient. Le patient mord le capteur piézorésistif, ce qui modifie son épaisseur, et donc sa résistivité, à différents endroits, permettant ainsi une mesure. Dans ce type d'application, le degré d'étirement est souvent faible, tandis qu'une excellente adaptabilité à la surface est essentielle.
De nombreux autres types de capteurs extensibles sont également en cours de développement. On peut citer, par exemple, les capteurs de déformation extensibles qui mesurent des déplacements importants (supérieurs à 100 %), bien au-delà des capacités des jauges de contrainte standard. L'architecture du dispositif peut être relativement simple. Par exemple, un polymère diélectrique peut être inséré entre deux électrodes imprimées pour créer un capteur de déformation capacitif. Ces capteurs font l'objet d'une commercialisation intensive par plusieurs fournisseurs à travers le monde. Le champ d'application potentiel est très vaste et englobe les textiles électroniques, la robotique, les machines industrielles, et bien plus encore.
Bien que l'intérêt commercial et les progrès concernant les capteurs de déformation extensibles (SCE) puissent sembler soudains, ces technologies ne deviennent pas miraculeuses du jour au lendemain. Prenons l'exemple des capteurs de déformation extensibles à base de diélectrique. Des prototypes fonctionnels ont été développés, mais les entreprises tentent de les commercialiser depuis plus de 13 ans. Durant cette période, les droits de propriété intellectuelle et d'exploitation de cette technologie ont changé de mains au moins trois fois, et de nombreux marchés potentiels ont été testés, générant ainsi une riche expérience commerciale.

L'électronique structurelle représente un avenir possible pour les dispositifs électroniques.
Cette mégatendance transformera les composants électroniques traditionnels en une électronique véritablement invisible, intégrée à la structure même. Il s'agit d'une innovation majeure à long terme qui entraînera une mutation fondamentale de l'industrie électronique, notamment de sa chaîne de valeur, de ses matériaux et de ses composants (Figure 3). L'électronique extensible et adaptable façonne cette mégatendance et la rend possible.
Fig. 3 : L'électronique structurelle représente une tendance qui intégrera les fonctionnalités électroniques à la structure même des objets.

Dans une application de l'électronique structurale (ES), des électrodes/antennes sont déposées sur la surface d'objets 3D, éliminant ainsi le besoin d'un circuit imprimé séparé. Ici, comme pour les capteurs piézorésistifs, l'extensibilité est primordiale, sous la forme d'une conformabilité de surface 3D préparée, plutôt que l'élasticité ou la capacité à supporter des tensions élevées. Dans une autre application, l'électronique intégrée au moule (EIM) permet d'intégrer structurellement des fonctionnalités électroniques dans des objets tridimensionnels fabriqués par des procédés haute performance tels que le thermoformage.
En EIM, des matériaux électroniques, ainsi que des encres graphiques, sont déposés (imprimés ou appliqués) sur une feuille plane avant d'être thermoformés pour obtenir une forme tridimensionnelle. Ce procédé induit un étirement important et unique des matériaux. Si des matériaux standard sont utilisés, cet étirement provoquerait des fissures et des défaillances de couches. Par conséquent, les matériaux utilisés doivent être spécialement conçus ou formulés pour être compatibles avec l'EIM.
Ceci représente une opportunité pour les fournisseurs de matériaux. Le premier matériau à répondre à ce besoin a été l'encre conductrice, notamment grâce à son adaptabilité technologique en termes de formulations personnalisées. Cette flexibilité a contribué à sa compatibilité avec les technologies IME. En effet, à l'instar du développement des encres conductrices extensibles commerciales, les matériaux compatibles avec les technologies IME connaissent un essor considérable. Il y a deux ans environ, on ne comptait que deux ou trois fournisseurs, mais aujourd'hui, de nombreux fabricants d'encre ont démontré leur capacité à produire ces matériaux ou ont commercialisé leurs produits, souvent avec des stratégies de prix très compétitives.
La gamme de matériaux ne se limite évidemment pas aux encres conductrices. Un autre composant important qui devient compatible avec les technologies IME est celui des films conducteurs transparents (TCF), qui constituent la base de la technologie de détection tactile capacitive. Ces technologies TCF extensibles, notamment celles à base de nanotubes de carbone (ou nanobuds), de nanofils d'argent et de PEDOT, permettent de créer des surfaces tactiles 3D par moulage.

Comme illustré sur la figure 4, de nombreux prototypes IME destinés aux appareils électroménagers de grande série, au gros électroménager et aux applications automobiles existent déjà. Nombre d'entre eux sont en phase finale de qualification. Fait intéressant, IME a connu un faux départ : une console de pavillon IME avait été installée dans une voiture avant qu'un dysfonctionnement (attribué à la simplification du processus entre le prototypage et la production de masse) n'entraîne un rappel du produit. Cet épisode édifiant souligne une fois de plus que la technologie SCE ne se développe pas du jour au lendemain et qu'elle est en réalité en développement depuis des années. Malgré ce rappel, l'engagement reste intact et nous prévoyons des lancements commerciaux prochains.
 Figure 4 : De nombreux prototypes IME sont destinés à des applications haut de gamme dans le domaine de l'électroménager, comme les interfaces machine-à-machine pour lave-linge, ainsi qu'à des applications automobiles, comme les consoles de commande de surcharge ou de chauffage. L'encadré de droite présente des exemples de divers films conducteurs transparents thermoformés.

Sources : Dans le sens horaire, en partant du haut à gauche : Fujifilm (IDTechEx Show! USA 2016), Negase (Nepcon Japan 2017), Heraeus (IDTechEx Show! USA 2016), Aga (FineTech 2014), Canatu. (Les informations entre parenthèses indiquent le lieu et la date de la prise de vue par les analystes d’IDTechEx.).

Une voie lente et rentable vers l'innovation :
L'innovation dans le domaine des composants électroniques souples (CES) va s'intensifier dans les années à venir, car tous les composants électroniques, à des degrés divers, deviennent flexibles et adaptables. Comme indiqué précédemment, la plupart sont encore loin d'être commercialisés. Ceci est dû en partie à l'immaturité technologique, mais aussi au fait que les composants CES diffèrent souvent considérablement de leurs homologues rigides en termes de performances et d'applications. Par conséquent, ils ne peuvent être considérés comme de simples solutions de remplacement de nouvelle génération pour les composants et matériaux existants.

En effet, les composants SCE doivent trouver et créer de nouveaux marchés et de nouvelles catégories de produits. Cela exige une exploration approfondie et chronophage de nombreux créneaux de marché. Nous constatons actuellement que plusieurs composants SCE se trouvent précisément dans cette phase : le marché est le théâtre de nombreuses idées d’applications divergentes. Cette phase prendra inévitablement fin lorsque les produits concernés seront identifiés, entraînant une consolidation du secteur autour d’eux. Cette période de convergence se poursuivra jusqu’à ce que la concurrence érode les marges, obligeant les acteurs à rechercher de nouveaux marchés et déclenchant la phase suivante de divergence.

La grande diversité des technologies et des applications cibles offrira à terme d'importantes opportunités au marché de l'électronique extensible et conformable (SCE). Si toutes les applications ne rencontreront pas le succès escompté, il serait déraisonnable de présumer de leur échec. Selon nos prévisions, le marché de la SCE devrait atteindre 600 millions de dollars d'ici 2027. Pour plus d'informations, veuillez consulter notre rapport « Électronique extensible et conformable 2017-2027 », disponible sur www.idtechex.com/stretchable
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