Volledig recyclebare gedrukte elektronica verruilt giftige chemicaliën voor water

Ingenieurs van Duke University hebben ’s werelds eerste volledig recyclebare gedrukte elektronica geproduceerd die het gebruik van chemicaliën door water in het fabricageproces vervangt. Door de behoefte aan gevaarlijke chemicaliën te omzeilen, wijst de demonstratie op een pad dat de industrie zou kunnen volgen om haar ecologische voetafdruk en risico’s voor de menselijke gezondheid te verminderen.

Het onderzoek verscheen online op 28 februari in het tijdschrift Nano-brieven.

Een van de dominante uitdagingen waarmee elke elektronicafabrikant wordt geconfronteerd, is het succesvol op elkaar bevestigen van meerdere lagen componenten, wat cruciaal is voor het maken van complexe apparaten. Het kan een frustrerend proces zijn om deze lagen aan elkaar te laten plakken, vooral voor gedrukte elektronica.

“Als je een boterham met pindakaas en jam maakt, is één laag op beide sneetjes brood gemakkelijk”, legt Aaron Franklin uit, de Addy Professor of Electrical and Computer Engineering bij Duke, die de studie leidde. “Maar als je eerst de gelei neerlegt en er vervolgens pindakaas op probeert te smeren, vergeet het maar, de gelei blijft niet zitten en vermengt zich met de pindakaas. Lagen op elkaar leggen is niet zo eenvoudig alsof je ze op zichzelf zet, maar dat is wat je moet doen als je elektronische apparaten wilt bouwen met printen.”

In eerder werk demonstreerden Franklin en zijn groep de eerste volledig recyclebare gedrukte elektronica. De apparaten gebruikten drie op koolstof gebaseerde inkten: halfgeleidende koolstofnanobuisjes, geleidend grafeen en isolerende nanocellulose. Bij het proberen het oorspronkelijke proces aan te passen om alleen water te gebruiken, vormden de koolstofnanobuisjes de grootste uitdaging.

Om inkt op waterbasis te maken waarin de koolstofnanobuisjes niet samenklonteren en zich gelijkmatig over een oppervlak verspreiden, wordt een oppervlakteactieve stof toegevoegd die lijkt op wasmiddel. De resulterende inkt creëert echter geen laag koolstofnanobuisjes die zo dicht is dat er een hoge stroom elektronen doorheen kan.

“Je wilt dat de koolstofnanobuisjes eruit zien als al dente spaghetti die op een plat oppervlak is uitgestrooid”, zei Franklin. “Maar met een inkt op waterbasis zien ze er meer uit alsof ze één voor één zijn genomen en tegen een muur zijn gegooid om te controleren of ze gaar zijn. Als we chemicaliën zouden gebruiken, zouden we gewoon meerdere passen keer op keer kunnen printen totdat er waren genoeg nanobuisjes. Maar water werkt niet op die manier. We zouden het 100 keer kunnen doen en dan zou er nog steeds dezelfde dichtheid zijn als de eerste keer.”

Dit komt omdat de oppervlakteactieve stof die wordt gebruikt om te voorkomen dat de koolstofnanobuisjes klonteren, ook voorkomt dat extra lagen aan de eerste hechten. In een traditioneel productieproces zouden deze oppervlakteactieve stoffen worden verwijderd met behulp van zeer hoge temperaturen, die veel energie kosten, of agressieve chemicaliën, die gezondheidsrisico’s voor mens en milieu kunnen opleveren. Franklin en zijn groep wilden beide vermijden.

In de krant ontwikkelen Franklin en zijn groep een cyclisch proces waarbij het apparaat wordt gespoeld met water, op relatief lage temperatuur wordt gedroogd en opnieuw wordt bedrukt. Wanneer ook de hoeveelheid oppervlakteactieve stof die in de inkt wordt gebruikt, wordt verlaagd, laten de onderzoekers zien dat hun inkten en processen volledig functionele, volledig recyclebare, volledig op water gebaseerde transistors kunnen creëren.

Vergeleken met een weerstand of condensator is een transistor een relatief complexe computercomponent die wordt gebruikt in apparaten zoals vermogensregeling of logische circuits en sensoren. Franklin legt uit dat hij, door eerst een transistor te demonstreren, hoopt de rest van het veld een signaal te geven dat er een haalbare weg is om sommige fabricageprocessen van elektronica veel milieuvriendelijker te maken.

Franklin heeft al bewezen dat bijna 100% van de koolstofnanobuisjes en grafeen die bij het printen worden gebruikt, in hetzelfde proces kunnen worden teruggewonnen en hergebruikt, waarbij zeer weinig van de stoffen of hun levensvatbaarheid verloren gaan. Omdat nanocellulose is gemaakt van hout, kan het net als papier worden gerecycled of biologisch worden afgebroken. En hoewel het proces veel water gebruikt, is het lang niet zoveel als nodig is om de giftige chemicaliën aan te pakken die bij traditionele fabricagemethoden worden gebruikt.

Volgens een schatting van de Verenigde Naties wordt minder dan een kwart van de miljoenen kilo’s elektronica die elk jaar wordt weggegooid, gerecycled. En het probleem zal alleen maar erger worden naarmate de wereld uiteindelijk upgradet naar 6G-apparaten en het Internet of Things (IoT) zich blijft uitbreiden. Dus elke deuk die in deze groeiende berg elektronisch afval kan worden gemaakt, is belangrijk om na te streven.

Hoewel er meer werk moet worden verzet, zegt Franklin dat de aanpak kan worden gebruikt bij de productie van andere elektronische componenten, zoals de schermen en beeldschermen die nu alomtegenwoordig zijn in de samenleving. Elk elektronisch beeldscherm heeft een backplane van dunne-filmtransistors, vergelijkbaar met wat in het artikel wordt gedemonstreerd. De huidige fabricagetechnologie is energierijk en maakt gebruik van gevaarlijke chemicaliën en giftige gassen. De hele industrie is door de US Environmental Protection Agency gemarkeerd voor onmiddellijke aandacht.

“De prestaties van onze dunnefilmtransistors komen niet overeen met de beste die momenteel worden geproduceerd, maar ze zijn competitief genoeg om de onderzoeksgemeenschap te laten zien dat we allemaal meer moeten doen om deze processen milieuvriendelijker te maken”, zei Franklin.