Geprinte elektronica nu te recyclen zonder chemicaliën (video)

Ingenieurs van Duke University (VS) hebben volledig recyclebare geprinte elektronica op waterbasis ontwikkeld. Een aerosoljetprinter legt lagen elektronische inkt op koolstofbasis neer om transistors te maken die kunnen worden gerecycled zonder chemicaliën.

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 in Nano Letters.

Een van de 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.

Pindakaas op jam gaat niet

“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 over elkaar heen leggen is niet zo eenvoudig als ze los van elkaar leggen, 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.

Geplette pasta al dente

“Je wilt dat de koolstofnanobuisjes eruit zien als al dente spaghetti die op een plat oppervlak is uitgestrooid”, zei Franklin, die erg van eten lijkt te houden. “Maar met een inkt op waterbasis zien ze er meer uit alsof ze één voor één tegen een muur zijn gegooid om te controleren of ze gaar zijn. Als we chemicaliën zouden gebruiken, zouden we gewoon meerdere printgangen kunnen instellen, totdat er genoeg nanobuisjes waren. Maar zo werkt water niet. We zouden het 100 keer kunnen doen en er zou 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 stoffen worden verwijderd met behulp van zeer hoge temperaturen, of agressieve chemicaliën.
Het team wilde beide vermijden.

Cyclisch proces

Ze ontwikkelden 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, kunnen de inkten en processen volledig functionele, volledig recyclebare, volledig op water gebaseerde transistors creëren.

Transistors, weerstanden en condensators

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 productieprocessen voor elektronica veel milieuvriendelijker te maken.