科技新知:可完全回收的打印式電子產品誕生

【2023年04月18日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)據聯合國統計,每年全球有數百萬磅電子產品被丟棄,其中的回收率不足25%,其餘皆淪為電子垃圾。為減少對環境的污染,美國杜克大學近期研發出一種潔淨打印法,可以在打印電子產品過程中,用純水代替高污染且有毒的化學藥劑。

杜克大學研究團隊研發的納米材料打印薄膜晶體管(TFT)新技術,不僅避免了使用危險化學溶劑(氟化學品、甲苯或氯仿等),也為科技業的環保打開一條思路。該研究成果今年4月6日發表在杜克大學帕特工程學院的網站上,同時也在今年2月發表在「美國化學學會出版社」網站上。

研究人員首先將半導體碳納米管(CNT)作為墨水打印在軟電路版(PCB)上,成為第一層(基底),在打印過程中會多次使用去離子水清洗尚未完全打印上去的CNT,之後再使用含絕緣納米纖維素(CNC)的墨水打印出第二層(絕緣層)。

最後,他們利用親水性的導電石墨烯作為打印的第三層的墨水,打印出所需要的薄膜晶體管(TFT)。電腦、手機等顯示器背板都離不開薄膜晶體管。

在這項工藝打印過程中,僅用去離子水沖洗打印表面,並在70°C的溫度環境下乾燥打印的表面,等表面乾燥後再次進行打印作業。

研究人員解釋說,清洗的做法是防止碳納米管結塊,也防止表面活性劑與其它層粘附到第一層上。另外,傳統的製作過程中,為了去除表面活性劑,通常需要高溫(高能量)或使用刺激性化學物質,這可能對人體健康和環境構成威脅。

之所以選用半導體碳納米管,是因為它擁有穩定的電氣、化學和機械性能,且方便加工。而絕緣納米纖維素是一種自然界中親水且可完全生物降解的生物材料,更是一種打印的離子電介質(電極化的絕緣體),它使生產出來的TFT在導通電流方面表現優異。

由於這些打印墨水皆為水溶性材料,因此可以直接使用水(不需要其它化學溶劑)清洗打印中殘留的材料,使其材料達到近100%的循環再利用,以減少電子垃圾產生和化學品對環境的污染。

實驗中,研究人員還發現,既使在墨水中使用低濃度的表面活性劑,也能完整打印。另外,當這些打印材料不需要時,還能透過降解回歸自然。這說明該墨水和工藝可以生產出功能齊全、完全可回收的水基晶體管。

領導這項研究的杜克大學電氣與計算機工程學院亞倫·富蘭克林(Aaron Franklin)教授對杜克大學新聞社表示,「使用含有納米碳管的墨水打印在面板表面上,它們在顯微鏡上看就像一條條的意大利麵。經過我們反覆的打印,讓平面上有足夠的納米碳管,且面上的納米碳管密度仍與第一次相同。」

他還表示,「這種打印方法就是克服層層打印材料在打印中會出現混合的問題。過往材料的堆疊過程,就像在製作含有花生醬和果醬的三明治,在任何一片麵包塗上其中一種醬都很容易。不過,同一片麵包若先塗上一種,想要再塗上另一種時,兩種醬就會在一起。」

科學家們表示,這次選擇打印晶體管,是因為相較於電阻器或電容器,它是一種較為複雜的電子組件,其功效用於電源控制、邏輯電路和傳感器等設備中。若能打印出複雜的晶體管,就說明其它較簡單的零件未來也可能被打印出來,將為電子業提供更加環保的道路。

富蘭克林教授表示,「這種方法未來可能用於製造那些無處不在的屏幕、顯示器。由於現在的顯示器使用的薄膜晶體管背板,在製造時需耗費大量能源,並依賴高污染化學品和使用有毒氣體。這也讓該行業已被美國環境保護署標記為『需密切關注』。」

他說,「儘管目前我們製作的薄膜晶體管,在性能上還無法與當前最好的晶體管相媲美,但它們足以向研究界表明它的可行性,且工藝上更加環保。」

目前這項研究已得到美國國立衛生研究院、空軍科學研究辦公室、美國國家科學基金會和美國研究生研究獎學金的支持。

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