Elektronik atık veya e-atık hızla büyüyen küresel bir sorundur ve robotik, giyilebilir cihazlar, sağlık monitörleri ve tek kullanımlık cihazlar da dahil olmak üzere diğer yeni uygulamalar için yeni esnek elektronik türlerinin üretilmesiyle daha da kötüleşmesi beklenmektedir.
MIT, Utah Üniversitesi ve Meta'da geliştirilen yeni bir tür esnek alt tabaka malzemesi, yalnızca bir cihazın kullanım ömrünün sonunda malzemelerin ve bileşenlerin geri dönüşümünü değil, aynı zamanda mevcut alt tabakaların sağladığından daha karmaşık çok katmanlı devrelerin ölçeklenebilir üretimini de mümkün kılma potansiyeline sahiptir.
Bu yeni malzemenin geliştirilmesi bu hafta RSC: Applied Polymers dergisinde, MIT Profesörü Thomas J. Wallin, Utah Üniversitesi Profesörü Chen Wang ve diğer yedi kişi tarafından bir makalede anlatıldı.
MIT Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü'nde yardımcı doçent olan Wallin, "Elektronik atıkların, nesnelerin interneti için daha fazla cihaz üretmeye devam ettikçe ve dünyanın geri kalanı geliştikçe daha da kötüleşecek olan devam eden küresel bir kriz olduğunun farkındayız" diyor. Bugüne kadar bu alanda yapılan pek çok akademik araştırma, esnek elektronikler için öncelikle poliimidin ticari adı olan Kapton adlı bir polimerin kullanıldığı geleneksel alt tabakalara alternatifler geliştirmeyi amaçlamıştır.
Bu tür araştırmaların çoğu tamamen farklı polimer malzemelere odaklanmıştır, ancak Wallin, "bu, insanların başlangıçta neden bu malzemeleri seçtiklerine dair işin ticari yönünü gerçekten göz ardı ediyor" diyor. Kapton, mükemmel termal ve yalıtım özellikleri ve kaynak malzemelerin hazır bulunması gibi birçok avantaja sahiptir.
Poliimid işinin 2030 yılına kadar 4 milyar dolarlık bir küresel pazar olacağı tahmin ediliyor. Wang, cep telefonunuzun veya dizüstü bilgisayarınızın içindeki farklı bileşenleri birbirine bağlayan esnek kablolar gibi parçalar da dahil olmak üzere "temelde her elektronik cihazda, her yerde" diye açıklıyor. Yüksek ısı toleransı nedeniyle havacılık ve uzay uygulamalarında da yaygın olarak kullanılıyor. "Bu klasik bir malzeme, ancak otuz ya da kırk yıldır güncellenmedi" diyor.
Bununla birlikte, Kapton'u eritmek veya çözmek de neredeyse imkansızdır, bu nedenle yeniden işlenemez. Aynı özellikler, devrelerin çok katmanlı elektronikler gibi gelişmiş mimariler halinde üretilmesini de zorlaştırıyor. Kapton yapmanın geleneksel yolu, malzemeyi 200 ila 300 santigrat dereceye kadar ısıtmayı içerir. "Bu oldukça yavaş bir süreç. Saatler sürüyor" diyor Wang.
Ekibin geliştirdiği, kendisi de bir poliimid formu olan ve bu nedenle mevcut üretim altyapısıyla kolayca uyumlu olması gereken alternatif malzeme, şu anda diş hekimleri tarafından ultraviyole ışıkla birkaç saniye içinde sertleşen sert, dayanıklı dolgular oluşturmak için kullanılanlara benzer ışıkla sertleşen bir polimerdir. Bu malzeme sertleştirme yöntemi sadece nispeten hızlı olmakla kalmıyor, aynı zamanda oda sıcaklığında da çalışabiliyor.
Yeni malzeme, çok katmanlı devreler için alt tabaka görevi görebilir, bu da küçük bir form faktörüne yerleştirilebilecek bileşen sayısını büyük ölçüde artırmanın bir yolunu sağlar. Daha önce, Kapton substrat kolayca erimediğinden, katmanların birbirine yapıştırılması gerekiyordu, bu da sürece adımlar ve maliyetler ekliyordu. Wang, yeni malzemenin düşük sıcaklıkta işlenebilmesinin yanı sıra talep üzerine çok hızlı bir şekilde sertleşmesinin yeni çok katmanlı cihazlar için olanaklar yaratabileceğini söylüyor.
Geri dönüştürülebilirliğe gelince, ekip polimer omurgasına bir alkol ve katalizör çözeltisiyle hızla çözülebilen alt birimler ekledi. Daha sonra, devrelerde kullanılan değerli metaller ve tüm mikroçipler çözeltiden geri kazanılabilir ve yeni cihazlar için yeniden kullanılabilir.
Wang, geleneksel Kapton'dan farklı olarak, "Polimeri omurgasında ester grupları olacak şekilde tasarladık" diye açıklıyor. Bu ester grupları, cihazın geri kalanını zarar görmeden bırakırken alt tabakayı kaldıran oldukça hafif bir çözelti ile kolayca parçalanabilir. Wang, Utah Üniversitesi ekibinin teknolojiyi ticarileştirmek için bir şirket kurduğunu belirtiyor.
"Polimeri tekrar orijinal küçük moleküllerine ayırıyoruz. Böylece pahalı elektronik bileşenleri toplayıp yeniden kullanabiliyoruz," diye ekliyor Wallin. "Çipler ve bazı malzemelerle ilgili tedarik zinciri sıkıntısını hepimiz biliyoruz. Bu bileşenlerde bulunan nadir toprak mineralleri oldukça değerlidir. Bu nedenle, bu bileşenlerin yeniden ele geçirilmesine yönelik bu süreçlerin gerçekleştirilmesi için çevresel olduğu kadar ekonomik açıdan da büyük bir teşvik olduğunu düşünüyoruz."
Araştırma ekibinde Utah Üniversitesi'nden Caleb Reese ve Grant Musgrave ile Redmond, Washington'daki Meta's Reality Labs'den Jenn Wong, Wenyang Pan, John Uehlin, Mason Zadan ve Omar Awartani yer aldı. Çalışma, Utah Üniversitesi Price Mühendislik Fakültesi'ndeki bir başlangıç fonu tarafından desteklenmiştir.