Badania te są szczególnie istotne dla sektora urządzeń jednorazowych oraz elektroniki o niskim cyklu pracy, w tym czujników i rozwiązań z obszaru IoT. Kluczem do sukcesu okazało się połączenie alternatywnych materiałów z nowatorskimi metodami wytwarzania.
Wytwarzanie przyrostowe z wykorzystaniem cynku
Podejście szkockich badaczy różni się od tradycyjnej produkcji PCB, która polega na trawieniu miedzi z pełnego arkusza laminatu. Zamiast tego zastosowano proces określany jako addytywne wytwarzanie metodą wzrostu i transferu. Materiał przewodzący jest osadzany wyłącznie tam, gdzie wymagane są ścieżki, co znacząco redukuje zużycie metalu i eliminuje konieczność stosowania agresywnych odczynników chemicznych.
Jako materiał przewodzący wybrano cynk, mimo że jego przewodność stanowi około jednej trzeciej przewodności miedzi. Naukowcy argumentują jednak, że w wielu zastosowaniach cynk pozostaje wystarczająco wydajny. Niższą przewodność można kompensować zwiększeniem grubości ścieżek, a koszty produkcji pozostają porównywalne dzięki niższej cenie rynkowej cynku.
Ścieżki przewodzące o szerokości zaledwie pięciu mikronów są przenoszone z tymczasowego nośnika na biodegradowalne podłoża, takie jak papier, bioplastiki czy inne materiały pochodzenia naturalnego.
Wydajność, trwałość i degradacja
Zespołowi udało się dowieść, że opracowane obwody działają porównywalnie do tradycyjnych rozwiązań. Zostały one pomyślnie przetestowane w urządzeniach demonstracyjnych, m.in. w czujnikach dotyku, licznikach LED oraz czujnikach temperatury. Stabilność parametrów potwierdzono po ponad roku przechowywania w warunkach otoczenia.
Technologia jest dedykowana dla urządzeń o krótkim czasie pracy, takich jak:
-
jednorazowe czujniki medyczne,
-
inteligentne etykiety,
-
elektroniczne testy ciążowe.
Szacuje się, że okres trwałości takich urządzeń wynosi co najmniej dwa lata. W warunkach kompostowania obwody przestają funkcjonować w ciągu 24 godzin, a pełna degradacja następuje w ciągu kilku tygodni. Choć możliwe jest stosowanie powłok ochronnych opóźniających ten proces, badacze podkreślają konieczność kompromisu między odpornością środowiskową a zdolnością do rozkładu po zakończeniu eksploatacji.
Wyzwania produkcyjne i wpływ na środowisko
Największym wyzwaniem technicznym pozostaje produkcja obwodów wielowarstwowych, a w szczególności tworzenie metalizacji otworów. Obecnie trwają prace nad wykorzystaniem wiercenia laserowego, jednak stopień skomplikowania tej metody podnosi koszty, co sprawia, że pierwsze komercyjne rozwiązania będą prawdopodobnie prostymi konstrukcjami jednowarstwowymi.
Analiza cyklu życia (LCA) wykazała, że biodegradowalne PCB mogą zapewnić 79% redukcję potencjału tworzenia efektu cieplarnianego oraz o 90% mniejsze zużycie zasobów naturalnych w porównaniu z tradycyjnymi płytkami. Ograniczeniem pozostają źródła zasilania – klasyczne baterie litowe nie są biodegradowalne. Z tego powodu równolegle trwają prace nad degradowalnymi ogniwami opartymi na cynku, węglu i żelatynie.
Źródło: EE News Europe
