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Jun 13, 2024

Keine giftigen Chemikalien mehr

Von Duke University, 13. April 2023 Eine künstlerische Darstellung des neuen Prozesses, der es Druckern ermöglicht, voll funktionsfähige, vollständig recycelbare Transistoren herzustellen, indem sie nur Wasser anstelle aggressiver Chemikalien verwenden.

Von Duke University, 13. April 2023

Eine künstlerische Darstellung des neuen Prozesses, der es Druckern ermöglicht, voll funktionsfähige, vollständig recycelbare Transistoren herzustellen, indem sie nur Wasser anstelle aggressiver Chemikalien verwenden. Bildnachweis: Ella Maru Studios

Ingenieure der Duke University haben die weltweit erste gedruckte Elektronik entwickelt, die vollständig recycelt werden kann. Ihre innovative Lösung ersetzt den Einsatz schädlicher Chemikalien durch Wasser während des Herstellungsprozesses und reduziert so die Umweltbelastung und mögliche Gesundheitsrisiken, die mit der Verwendung gefährlicher Chemikalien verbunden sind. Diese Demonstration eröffnet der Branche einen neuen Weg zur Reduzierung ihres ökologischen und gesundheitlichen Fußabdrucks.

Die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht.

Eine der größten Hürden für Elektronikhersteller besteht darin, mehrere Komponentenschichten erfolgreich übereinander zu befestigen, was für die Produktion anspruchsvoller Geräte von entscheidender Bedeutung ist. Dies kann eine anspruchsvolle Aufgabe sein, insbesondere für gedruckte Elektronik, wo die Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Haftung der Schichten häufig zu Frustrationen führt.

„Wenn Sie ein Erdnussbutter-Gelee-Sandwich zubereiten, ist es einfach, eine Schicht auf eine der beiden Brotscheiben zu legen“, erklärte Aaron Franklin, Addy-Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Duke University, der die Studie leitete. „Aber wenn Sie zuerst das Gelee hinzugeben und dann versuchen, Erdnussbutter darauf zu verteilen, vergessen Sie es, das Gelee bleibt nicht an Ort und Stelle und vermischt sich mit der Erdnussbutter. Schichten übereinander zu legen ist nicht so einfach wie sie einzeln aufzutragen – aber genau das muss man tun, wenn man elektronische Geräte mit Druckfunktion bauen möchte.“

In previous work, Franklin and his group demonstrated the first fully recyclable printed electronics. The devices used three carbon-based inks: semiconducting carbon nanotubes, conductive grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Graphen und isolierende Nanozellulose. Bei dem Versuch, das ursprüngliche Verfahren so anzupassen, dass nur Wasser verwendet wird, stellten die Kohlenstoffnanoröhren die größte Herausforderung dar.

Ein Tintenstrahldrucker trägt Schichten elektronischer Tinte auf Kohlenstoffbasis auf, um Transistoren herzustellen, die vollständig recycelt werden können, indem nur Wasser verwendet wird, ohne dass aggressive, giftige Chemikalien erforderlich sind. Bildnachweis: Jason Arthurs Photography

Um eine Tinte auf Wasserbasis herzustellen, bei der die Kohlenstoffnanoröhren nicht verklumpen und sich gleichmäßig auf einer Oberfläche verteilen, wird ein Tensid hinzugefügt, das einem Reinigungsmittel ähnelt. Die resultierende Tinte erzeugt jedoch keine Schicht aus Kohlenstoffnanoröhren, die dicht genug ist, damit ein hoher Elektronenstrom hindurchfließen kann.

„Sie möchten, dass die Kohlenstoffnanoröhren wie al dente Spaghetti aussehen, die auf einer ebenen Fläche verstreut sind“, sagte Franklin. „Aber mit einer wasserbasierten Tinte sehen sie eher so aus, als hätte man sie einzeln genommen und an die Wand geworfen, um zu prüfen, ob sie gar sind. Wenn wir Chemikalien verwenden würden, könnten wir einfach mehrere Durchgänge immer wieder drucken, bis genügend Nanoröhren vorhanden wären. Aber Wasser funktioniert so nicht. Wir könnten es 100 Mal machen und es wäre immer noch die gleiche Dichte wie beim ersten Mal.“

Denn das Tensid, das das Verklumpen der Kohlenstoffnanoröhren verhindert, verhindert auch, dass weitere Schichten an der ersten haften. In einem herkömmlichen Herstellungsprozess würden diese Tenside entweder durch sehr hohe Temperaturen entfernt, was viel Energie erfordert, oder durch aggressive Chemikalien, die ein Gesundheitsrisiko für Mensch und Umwelt darstellen können. Franklin und seine Gruppe wollten beides vermeiden.

Darin entwickeln Franklin und seine Gruppe einen zyklischen Prozess, bei dem das Gerät mit Wasser gespült, bei relativ geringer Hitze getrocknet und erneut bedruckt wird. Wenn auch die Menge des in der Tinte verwendeten Tensids verringert wird, zeigen die Forscher, dass ihre Tinten und Prozesse voll funktionsfähige, vollständig recycelbare und vollständig wasserbasierte Transistoren herstellen können.

Im Vergleich zu einem Widerstand oder Kondensator ist ein Transistor eine relativ komplexe Computerkomponente, die in Geräten wie Leistungssteuerung oder Logikschaltungen und Sensoren verwendet wird. Franklin erklärt, dass er hofft, mit der ersten Demonstration eines Transistors dem Rest der Branche zu signalisieren, dass es einen gangbaren Weg gibt, einige Prozesse in der Elektronikfertigung wesentlich umweltfreundlicher zu gestalten.

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 ihre 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 bei weitem nicht so viel, wie für den Umgang mit den giftigen Chemikalien erforderlich ist, die bei herkömmlichen Herstellungsmethoden verwendet werden.

Laut einer Schätzung der Vereinten Nationen werden weniger als ein Viertel der Millionen Pfund Elektronik, die jedes Jahr weggeworfen werden, recycelt. Und das Problem wird nur noch schlimmer, wenn die Welt irgendwann auf 6G-Geräte umsteigt und das Internet der Dinge (IoT) weiter wächst. Daher ist es wichtig, jede Delle, die in diesem wachsenden Berg von Elektroschrott entstehen könnte, zu verfolgen.

Obwohl noch mehr Arbeit geleistet werden muss, könnte der Ansatz laut Franklin auch bei der Herstellung anderer elektronischer Komponenten wie Bildschirmen und Displays eingesetzt werden, die heute in der Gesellschaft allgegenwärtig sind. Jedes elektronische Display verfügt über eine Rückwandplatine aus Dünnschichttransistoren, ähnlich wie im Artikel gezeigt. Die derzeitige Herstellungstechnologie ist energieintensiv und basiert auf gefährlichen Chemikalien sowie giftigen Gasen. Die gesamte Branche wurde von der US-Umweltschutzbehörde zur sofortigen Aufmerksamkeit aufgefordert.

„Die Leistung unserer Dünnschichttransistoren erreicht nicht die beste, die derzeit hergestellt wird, aber sie sind wettbewerbsfähig genug, um der Forschungsgemeinschaft zu zeigen, dass wir alle mehr daran arbeiten sollten, diese Prozesse umweltfreundlicher zu gestalten“, sagte Franklin.

Referenz: „All-Carbon Thin-Film Transistors Using Water-only Printing“ von Shiheng Lu, Brittany N. Smith, Hope Meikle, Michael J. Therien und Aaron D. Franklin, 28. Februar 2023, Nano Letters.DOI: 10.1021/acs .nanolett.2c04196

The study was funded by the National Institutes of HealthThe National Institutes of Health (NIH) is the primary agency of the United States government responsible for biomedical and public health research. Founded in 1887, it is a part of the U.S. Department of Health and Human Services. The NIH conducts its own scientific research through its Intramural Research Program (IRP) and provides major biomedical research funding to non-NIH research facilities through its Extramural Research Program. With 27 different institutes and centers under its umbrella, the NIH covers a broad spectrum of health-related research, including specific diseases, population health, clinical research, and fundamental biological processes. Its mission is to seek fundamental knowledge about the nature and behavior of living systems and the application of that knowledge to enhance health, lengthen life, and reduce illness and disability." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">National Institutes of Health, das Air Force Office of Scientific Research und die National Science Foundation.