Ingenieure der Duke University haben die weltweit erste vollständig recycelbare gedruckte Elektronik hergestellt, die im Herstellungsprozess die Verwendung von Chemikalien durch Wasser ersetzt. Durch die Umgehung des Bedarfs an gefährlichen Chemikalien zeigt die Demonstration einen Weg auf, den die Industrie beschreiten könnte, um ihren ökologischen Fußabdruck und die Risiken für die menschliche Gesundheit zu verringern.
Die Forschung erschien online am 28. Februar in der Zeitschrift Nano-Buchstaben.
Eine der größten Herausforderungen für jeden Elektronikhersteller ist die erfolgreiche Befestigung mehrerer Komponentenschichten übereinander, was für die Herstellung komplexer Geräte von entscheidender Bedeutung ist. Das Zusammenkleben dieser Schichten kann ein frustrierender Prozess sein, insbesondere für gedruckte Elektronik.
„Wenn Sie ein Sandwich mit Erdnussbutter und Marmelade machen, ist eine Schicht auf jeder Brotscheibe einfach“, erklärte Aaron Franklin, der Addy-Professor für Elektrotechnik und Computertechnik bei Duke, der die Studie leitete. „Aber wenn Sie das Gelee zuerst hinlegen und dann versuchen, Erdnussbutter darauf zu verteilen, vergessen Sie es, das Gelee bleibt nicht an Ort und Stelle und vermischt sich mit der Erdnussbutter. Das Auftragen von Schichten übereinander ist nicht so einfach als sie selbst aufzustellen – aber das muss man tun, wenn man elektronische Geräte mit Druck bauen will.“
In früheren Arbeiten demonstrierten Franklin und seine Gruppe die erste vollständig recycelbare gedruckte Elektronik. Die Geräte verwendeten drei kohlenstoffbasierte Tinten: halbleitende Kohlenstoffnanoröhren, leitfähiges Graphen und isolierende Nanozellulose. Bei dem Versuch, das ursprüngliche Verfahren so anzupassen, dass nur Wasser verwendet wird, stellten die Kohlenstoffnanoröhren die größte Herausforderung dar.
Um eine Tinte auf Wasserbasis herzustellen, bei der die Kohlenstoffnanoröhren nicht zusammenklumpen und sich gleichmäßig auf einer Oberfläche verteilen, wird ein waschmittelähnliches Tensid hinzugefügt. Die resultierende Tinte erzeugt jedoch keine Schicht aus Kohlenstoffnanoröhren, die dicht genug ist, um einen hohen Elektronenstrom durchqueren zu können.
„Sie möchten, dass die Kohlenstoffnanoröhren wie al dente Spaghetti aussehen, die auf einer flachen Oberfläche verstreut sind“, sagte Franklin. „Aber mit einer Tinte auf Wasserbasis sehen sie eher so aus, als wären sie einzeln genommen und an eine Wand geworfen worden, um den Garzustand zu überprüfen. Wenn wir Chemikalien verwenden würden, könnten wir bis dahin einfach mehrere Durchgänge immer wieder drucken genug Nanoröhrchen. Aber Wasser funktioniert nicht so. Wir könnten es 100 Mal machen und es wäre immer noch die gleiche Dichte wie beim ersten Mal.“
Ein Tintenstrahldrucker trägt Schichten aus kohlenstoffbasierter elektronischer Tinte auf, um Transistoren herzustellen, die vollständig recycelt werden können, indem sie nur Wasser verwenden, anstatt scharfe, giftige Chemikalien zu benötigen. Bildnachweis: Jason Arthurs Photography
Denn das Tensid, mit dem die Kohlenstoffnanoröhren vor dem Verklumpen bewahrt werden, verhindert auch, dass weitere Schichten an der ersten haften. In einem traditionellen Herstellungsverfahren würden diese Tenside entweder durch sehr hohe Temperaturen, die viel Energie kosten, oder durch scharfe Chemikalien entfernt, die ein Gesundheitsrisiko für Mensch und Umwelt darstellen können. Franklin und seine Gruppe wollten beides vermeiden.
In dem Papier entwickeln Franklin und seine Gruppe einen Kreisprozess, bei dem das Gerät mit Wasser gespült, bei relativ geringer Hitze getrocknet und erneut bedruckt wird. Wenn auch die in der Tinte verwendete Tensidmenge verringert wird, zeigen die Forscher, dass ihre Tinten und Prozesse voll funktionsfähige, vollständig recycelbare, vollständig wasserbasierte Transistoren herstellen können.
Im Vergleich zu einem Widerstand oder Kondensator ist ein Transistor eine relativ komplexe Computerkomponente, die in Geräten wie Leistungssteuerungs- oder Logikschaltungen und Sensoren verwendet wird. Franklin erklärt, dass er hofft, durch die Demonstration eines ersten Transistors dem Rest der Branche zu signalisieren, dass es einen gangbaren Weg gibt, um einige Elektronikfertigungsprozesse viel umweltfreundlicher zu machen.
Franklin hat bereits bewiesen, dass fast 100 % der beim Drucken verwendeten Kohlenstoffnanoröhren und Graphen im selben Prozess zurückgewonnen und wiederverwendet werden können, wobei nur sehr wenig der Substanzen oder ihrer Leistungsfähigkeit verloren geht. Da Nanozellulose aus Holz hergestellt wird, kann sie wie Papier einfach recycelt oder biologisch abgebaut werden. Und obwohl der Prozess viel Wasser verbraucht, ist es nicht annähernd so viel wie nötig, um mit den giftigen Chemikalien fertig zu werden, die bei traditionellen Herstellungsmethoden verwendet werden.
Nach einer Schätzung der Vereinten Nationen wird weniger als ein Viertel der Millionen Pfund an Elektronik, die jedes Jahr weggeworfen werden, wiederverwertet. Und das Problem wird sich noch verschlimmern, wenn die Welt schließlich auf 6G-Geräte aufrüstet und das Internet der Dinge (IoT) weiter expandiert. Daher ist es wichtig, jede Delle zu verfolgen, die in diesem wachsenden Berg von Elektroschrott gemacht werden könnte.
Während noch mehr Arbeit geleistet werden muss, sagt Franklin, dass der Ansatz bei der Herstellung anderer elektronischer Komponenten wie Bildschirmen und Displays, die heute in der Gesellschaft allgegenwärtig sind, eingesetzt werden könnte. Jedes elektronische Display hat eine Rückwand aus Dünnschichttransistoren, ähnlich wie in der Veröffentlichung gezeigt. Die derzeitige Fertigungstechnologie ist hochenergetisch und beruht auf gefährlichen Chemikalien sowie giftigen Gasen. Die gesamte Branche wurde von der US-Umweltschutzbehörde zur sofortigen Aufmerksamkeit gemeldet.
„Die Leistung unserer Dünnschichttransistoren erreicht nicht die besten, die derzeit hergestellt werden, aber sie sind wettbewerbsfähig genug, um der Forschungsgemeinschaft zu zeigen, dass wir alle mehr daran arbeiten sollten, diese Prozesse umweltfreundlicher zu gestalten“, sagte Franklin.
Mehr Informationen:
Shiheng Lu et al., Vollkohlenstoff-Dünnschichttransistoren mit Nur-Wasser-Druck, Nano-Buchstaben (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04196