Новый материал подложки для гибкой электроники может помочь в борьбе с электронными отходами

Электронные отходы представляют собой быстро растущую проблему, но этот разлагаемый материал может позволить перерабатывать детали многих одноразовых и носимых устройств.

Электронные отходы, представляют собой быстро растущую глобальную проблему, и ожидается, что она усугубится с появлением новых видов гибкой электроники для робототехники, носимых устройств, мониторов состояния здоровья и других новых приложений, включая одноразовые устройства.

Новый тип гибкого материала подложки, разработанный в Массачусетском технологическом институте, Университете Юты и компании Meta, потенциально может обеспечить не только переработку материалов и компонентов по окончании срока службы устройства, но и масштабируемое производство более сложных многослойных схем, чем те, которые обеспечивают существующие подложки.

Разработка этого нового материала описана на этой неделе в журнале RSC: Applied Polymers в статье профессора Массачусетского технологического института Томаса Дж. Уоллина, профессора Университета Юты Чэнь Вана и семи других.

«Мы признаем, что электронные отходы — это продолжающийся глобальный кризис, который будет только ухудшаться по мере того, как мы продолжаем создавать больше устройств для Интернета вещей и по мере развития остального мира», — говорит Уоллин, доцент кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института. На сегодняшний день многие академические исследования на этом фронте направлены на разработку альтернатив обычным подложкам для гибкой электроники, в которых в основном используется полимер под названием Kapton, торговое название полиимида.

Большинство таких исследований были сосредоточены на совершенно других полимерных материалах, но «это действительно игнорирует коммерческую сторону вопроса, почему люди изначально выбрали именно эти материалы», — говорит Уоллин. Каптон имеет много преимуществ, включая превосходные тепловые и изоляционные свойства и доступность исходных материалов.

Прогнозируется, что к 2030 году полиимидный бизнес станет мировым рынком в 4 миллиарда долларов. «Он везде, в принципе в каждом электронном устройстве», включая такие детали, как гибкие кабели, соединяющие различные компоненты внутри вашего мобильного телефона или ноутбука, объясняет Ван. Он также широко используется в аэрокосмических приложениях из-за своей высокой термостойкости. «Это классический материал, но он не обновлялся в течение трех или четырех десятилетий», — говорит он.

Однако каптон практически невозможно расплавить или растворить, поэтому его нельзя переработать. Те же свойства также затрудняют производство схем в сложных архитектурах, таких как многослойная электроника. Традиционный способ изготовления каптона включает нагревание материала до температуры от 200 до 300 градусов по Цельсию. «Это довольно медленный процесс. Он занимает часы», — говорит Ван.

Альтернативный материал, разработанный командой, который сам по себе является формой полиимида и, следовательно, должен быть легко совместим с существующей производственной инфраструктурой, представляет собой светоотверждаемый полимер, аналогичный тем, которые сейчас используют стоматологи для создания прочных, долговечных пломб, которые затвердевают за несколько секунд под воздействием ультрафиолетового света. Этот метод отверждения материала не только сравнительно быстрый, но и может работать при комнатной температуре.

Новый материал может служить подложкой для многослойных схем, что позволяет значительно увеличить количество компонентов, которые можно упаковать в небольшой форм-фактор. Раньше, поскольку подложка Kapton не плавится, слои приходилось склеивать, что добавляет этапы и затраты к процессу. Тот факт, что новый материал можно обрабатывать при низкой температуре, а также очень быстро затвердевать по требованию, может открыть возможности для новых многослойных устройств, говорит Ван.

Что касается возможности вторичной переработки, команда ввела в полимерную основу субъединицы, которые можно быстро растворить с помощью спирта и раствора катализатора. Затем драгоценные металлы, используемые в схемах, а также целые микрочипы можно извлечь из раствора и повторно использовать для новых устройств.

«Мы разработали полимер с эфирными группами в основной цепи», в отличие от традиционного Kapton, объясняет Ван. Эти эфирные группы можно легко разбить довольно мягким раствором, который удаляет подложку, оставляя остальную часть устройства невредимой. Ван отмечает, что команда Университета Юты стала соучредителем компании по коммерциализации технологии. 

«Мы разбиваем полимер обратно на его исходные маленькие молекулы. Затем мы можем собрать дорогие электронные компоненты и повторно использовать их», — добавляет Уоллин. «Мы все знаем о дефиците в цепочке поставок чипов и некоторых материалов. Редкоземельные минералы, которые находятся в этих компонентах, очень ценны. И поэтому мы считаем, что сейчас есть огромный экономический стимул, а также экологический, чтобы создать эти процессы для повторного использования этих компонентов».

В состав исследовательской группы вошли Калеб Риз и Грант Масгрейв из Университета Юты, а также Дженн Вонг, Вэньян Пан, Джон Уэлин, Мейсон Задан и Омар Авартани из Meta's Reality Labs в Редмонде, штат Вашингтон. Работа была поддержана стартап-фондом в Price College of Engineering в Университете Юты.

Источник: https://news.mit.edu/2024/new-substrate-flexible-material-could-help-combat-electronic-waste-0806