Nanotechnologie umožňuje vyrábět tištěné elektrické obvody ze dřeva

V dnešním světě elektroniky, kde je vše rychlé a inovace mají obrovský význam, se výroba desek s plošnými spoji stala podnikáním, které je rychlé, drahé a často s vysokým odpadem.

Desky plošných spojů (PCB) jsou páteří moderní elektroniky a nacházejí se téměř v každém elektronickém zařízení, od chytrých telefonů a počítačů po domácí spotřebiče a automobily. Jejich výroba však není jednoduchá, zejména pokud jde o udržitelnost.

PCB jsou obvykle vyrobeny ze skleněných vláken impregnovaných epoxidovou pryskyřicí, což komplikuje jejich recyklaci a správnou likvidaci. To přimělo výzkumníky z celého světa, aby hledali alternativní, udržitelnější materiály pro použití při výrobě PCB.

Jedním z takových výzkumníků je Thomas Geiger z Empa, švýcarských federálních laboratoří pro materiálové vědy a technologie. Geiger zkoumal drobné celulózové částice, které měří pouhých padesát nanometrů na šířku (0,00005 mm). Tato nanovlákna, nazývaná fibrily, lze vyrábět z dřevní buničiny, zemědělského odpadu a dalších zdrojů. Celulózové nanomateriály mají obrovský potenciál pro udržitelnou výrobu a dekarbonizaci průmyslu, protože přirozeně rostou s nulovou emisí CO2, spalují beze zbytků a jsou dokonce kompostovatelné.

Geigerova práce ho přivedla k dotazu, zda lze celulózové fibrily použít k výrobě biologicky odbouratelných desek plošných spojů, které mohou snížit ekologickou stopu elektroniky.

Nanomateriály vytvářejí menší, ekologicky šetrné desky s plošnými spoji

Po smíchání s vodou vytvářejí biofibrily hustou usazeninu, kterou lze odvodnit a zhutnit ve speciálním lisu. Spolu s kolegou vyrobil dvacet experimentálních desek, které byly podrobeny různým mechanickým testům, a nakonec osazeny elektronickými součástkami.

Testy byly úspěšné a celulózová deska po několika týdnech v přirozené půdě uvolnila připájené součástky.

Geiger vysvětluje: „Celulózová vlákna mohou být velmi dobrou alternativou kompozitům ze skleněných vláken. Materiál odvodňujeme ve speciálním lisu o tlaku 150 tun, celulózové fibrily se pak slepí samy bez jakýchkoliv přísad. Říkáme tomu ‚hornifikace‘.“

Geigerova laboratoř již vyvinula různé tištěné elektronické součástky z biologicky rozložitelných materiálů, jako jsou baterie. Další tým Empa, vedený Gustavem Nyströmem, postavil biologicky rozložitelný displej na bázi hydroxypropylcelulózy (HPC), přičemž přidáním malého množství uhlíkových nanotrubic se celulóza stala elektricky vodivou.

Displej mění barvu v závislosti na použitém elektrickém napětí a může také sloužit jako snímač tlaku nebo napětí a má potenciál hrát roli jako biologicky rozložitelné uživatelské rozhraní v budoucí ekoelektronice.

Nanomateriály pro obvody nové generace

K překonání omezení tradičních výrobních přístupů top-down sehrála nanotechnologie významnou roli v rozvoji navrhování a výroby PCB. Pokročilé techniky nanovýroby top-down umožňují zmenšovat celkovou velikost a vzory na površích PCB.

I tyto metody však mají svá omezení. Nanotechnologie také přinesla přístupy bottom-up k sestavení desek plošných spojů atom po atomu, čímž vznikly desky plošných spojů, které jsou mnohem menší, než čeho by bylo možné dosáhnout výrobou top-down. Schopnost budovat atomové struktury a zařízení tímto způsobem je cenným nástrojem při výrobě menších a pokročilejších PCB, které vyžadují složitější obvody.

Nanotechnologie navíc způsobila revoluci v integraci součástek na deskách plošných spojů tím, že zmenšila velikost součástek a zároveň zlepšila výkon – tranzistory jsou ukázkovým příkladem. Do desek plošných spojů bylo integrováno mnoho tranzistorů inspirovaných nanomateriály, které nabízejí vylepšený výkon a menší velikosti, což vede k lepší rychlosti, výkonu a celkovým možnostem desky plošných spojů.

Nanomateriály v povlakech desek s plošnými spoji

Nanomateriály již ovlivnily sektor výroby elektroniky, když byly použity v nátěrech, které chrání PCB před faktory prostředí, jako je náraz, otěr a voda/vlhkost. Alternativně mohou být použity k rozptýlení lokalizovaných tepelných skvrn, které mohou vzniknout v zařízení. Tyto vlastnosti jsou zvláště užitečné pro elektronické obvody používané ve vzdáleném ovládání, monitorování chemických procesů a životního prostředí.

Některé nanopovlaky mohou také zvýšit vodivost desky plošných spojů a součástek k ní připojených – známé jako vodivé povlaky. Nanomateriály se proto ukázaly jako užitečné při zlepšování vlastností PCB bez nutnosti přímé integrace do samotné PCB.

Přestože se elektronické povlaky používají již mnoho let, využití nanomateriálů jako aktivní složky těchto povlaků nabízí několik výhod. Například nanopovlaky jsou výrazně tenčí, lépe se přizpůsobují složitým geometriím povrchu a mají jednotnost na nanoúrovni.

Nanomateriály pro udržitelné obvodové desky

Nicméně průlom v oblasti ekologicky nezávadných a udržitelných elektrických obvodů je již dlouho cílem výrobního sektoru.

Od lékařských implantátů po spotřební elektroniku jsou možnosti biologicky odbouratelných obvodů obrovské, vzrušující a nabízejí slibnou cestu vpřed v boji proti změně klimatu a zhoršování životního prostředí. Nanocelulózové fibrily jsou v tomto ohledu velkým příslibem a poskytují cestu k biologicky rozložitelné, udržitelné, obnovitelné a kompostovatelné elektronice.

Zdroj foto: Gerd Altmann from Pixabay, Blickpixel, LightenUp on Pexels, Antun Karlovic, & Maruf Rahman, Rodger Shija