הדגמה חלוצית ראשונה מסוגה מצביעה על האפשרות של עתיד “ירוק” יותר עבור מגזר רכיבי האלקטרוניקה
[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]
מהנדסים מאוניברסיטת דיוק (Duke) הצליחו לייצר את רכיבי האלקטרוניקה המודפסים הראשונים אי-פעם בעולם שניתנים למיחזור מלא. הפתרון החדשני שלהם מחליף את השימוש בחומרים רעילים הנמצאים במים במסגרת תהליכי הייצור התעשייתיים, ובכך מפחיתים את ההשפעה על הסביבה ואת סיכוני הבריאות האפשריים הנובעים מהשימוש בחומרים מסוכנים אלו. הדגמה ראשונית זו פותחת צוהר לתעשייה שתוכל להפחית את המדרך (footprint) האקולוגי והבריאותי. המחקר פורסם זה מכבר בכתב העת המדעי Nano Letters.
אחד מהאתגרים הגדולים ביותר שבפניו ניצבים יצרני רכיבי אלקטרוניקה הוא הציפוי המוצלח של מספר שכבות מעל גבי רכיבים, שכבה אחת מעל השנייה, ציפוי שהוא חיוני בייצור של התקנים מתקדמים. משימה זו עשויה להיות מטלה מאתגרת, במיוחד עבור רכיבי אלקטרוניקה מודפסים, שם ההדבקה המתאימה של השכבות היא לרוב מקור לתסכול רב.
“אם אתה מכין כריך של חמאת בוטנים וריבה, פרוסת לחם אחת מעל השנייה, המשימה קלה”, אמר Aaron Franklin, פרופסור להנדסת אלקטרוניקה ומחשבים באוניברסיטת דיוק, החוקר הראשי של המחקר הנוכחי. “אך אם תשים שכבת ריבה תחילה על פרוסת הלחם ומעליה תנסה למרוח את חמאת הבוטנים, ממש לא תצליח – השכבות לא תישארנה אחת מעל השנייה אלא תתערבבנה ביניהן. הנחת שכבות אחת מעל גבי השנייה אינה כמו פשוט להניח אותן בפני עצמן – אולם זה מה שנדרש כאשר אתה מעוניין לייצר התקנים אלקטרוניים באמצעות הדפסה”.
במחקר קודם של אותו מדען, צוות המחקר הדגים את רכיבי האלקטרוניקה המודפסים הראשונים בעולם שהיו ברי-מיחזור במלואם. בהתקנים הללו נעשה שימוש בשלושה סוגי דיו מבוססי פחמן: ננו-שפופרות פחמן מוליכות למחצה, שכבת גרפן מוליכת זרם חשמלי, ושכבת ננו-תאית מבודדת. בניסיון להתאים את השיטה הזו לשיטה שבה ייעשה שימוש במים בלבד, ננו-שפופרות הפחמן היוו את האתגר הגדול מכולם. מדפסת הזרקת דיו מניחה שכבות של דיו מבוסס פחמן אחת מעל גבי השנייה, זאת על מנת ליצור רכיבי אלקטרוניקה מסוג טרנזיסטורים שיכולים להיות ברי-מיחזור במלואם תוך שימוש במים, זאת במקום השימוש בחומרים רעילים.
על מנת ליצור דיו מבוסס מים שבו ננו-שפופרות הפחמן אינן נדבקות אחת לשנייה ואכן מתפרסות באופן אחיד מעל גבי המשטח, החוקרים מוסיפים חומר פעיל פנים (surfactant) הדומה לדטרגנט. הדיו המתקבל, לעומת זאת, אינו יוצר בסופו של דבר שכבת ננו-שפופרות פחמן דחוסה מספיק המאפשרת מעבר מהיר וכמותי של אלקטרונים. “אתה מעונין לקבל ננו-שפופרות פחמן שנראות כמו ספגטי “אל דנטה” המונחות על גבי משטח שטוח”, מסביר החוקר הראשי. “אולם, כאשר משתמשים בדיו מבוסס מים, השפופרות נראות כאילו הן הושלכו לעבר הקיר על מנת לבדוק אם הן התבשלו לגמרי. אם היינו משתמשים בכימיקלים, היינו יכולים פשוט להדפיס עוד ועוד שכבות עד לקבלת הננו-שפופרות. אולם, סביבה מימית אינה פועלת כך – אנו יכולים לחזור על הפעולה הזו מאה פעמים והדחיסות עדיין תישאר כמו בפעם הראשונה”. הסיבה לכך נעוצה בעובדה כי החומר פעיל הפנים שבו נעשה שימוש על מנת למנוע מננו-השפופרות להידבק אחת לשנייה גם מונע משכבות נוספות מלהידבק לשכבה הראשונה. במסגרת תהליך ייצור רגיל, ניתן להרחיק את החומרים פעילי הפנים תוך שימוש בטמפרטורה גבוהה מאוד, תהליך הצורך אנרגיה רבה, או תוך שימוש בחומרים רעילים מאוד, המציגים סיכונים בריאותיים לבני אדם או סיכון לסביבה. קבוצת המחקר רצתה להימנע מכך.
במסגרת המאמר החדש, החוקרים פיתחו תהליך מחזורי שבו ההתקן מוטבל במים, מיובש בחום נמוך יחסית, ומודפס שוב, פעם אחר פעם, שכבה אחר שכבה. כאשר מפחיתים גם את כמות החומר פעיל הפנים המשמש בייצור הדיו, החוקרים הראו כי סוגי הדיו והתהליכים שלהם מולידים טרנזיסטורים מבוססי מים, מתפקדים וברי-מיחזור במלואם. בהשוואה לנגד או לקבל, טרנזיסטור הוא רכיב מחשוב מורכב יחסית המשמש בהתקנים כגון מעגלים לוגיים וגלאים. החוקר מסביר כי, על ידי הדגמת טרנזיסטור כהדגמה ראשונה, הוא מקווה לאותת לשאר העוסקים בתחום זה כי קיים מסלול בר-קיימא לפיתוח תהליכי ייצור של רכיבי אלקטרוניקה שהם הרבה יותר ידידותיים לסביבה.
החוקר כבר הוכיח בעבר כי קרוב למאה אחוזים מננו-שפופרות הפחמן והגרפן ששימשו במדפסות ניתנים למיחזור ולשימוש חוזר באותו התהליך, תוך אובדן קטן של החומרים או של רמת הביצועים. מאחר וננו-תאית עשויה מעץ, ניתן למחזר אותה או לפרק אותה ביולוגית בדומה לנייר. ובעוד שהתהליך אינו מנצל כמויות גדולות של מים, אין בתהליך החדשני דרישות גבוהות לשימוש בחומרים רעילים כפי שקיים בשיטות ייצור רגילות.
לפי אומדנים של האומות המאוחדות, פחות מרבע ממיליוני הקילוגרמים של רכיבי אלקטרוניקה המושלכים לזבל מדי שנה מגיעים למיחזור. והבעיה הזו רק הולכת ומחמירה ככל שהאנושות מתקדמת לעבר שימוש בהתקנים מדור שישי וככל שהתחום של מִרְשֶׁתֶת הַדְּבָרִים (IoT) ממשיך ומתרחב.
הגם שנדרש מחקר נוסף, החוקרים טוענים כי הגישה שלהם תוכל לשמש בייצור של רכיבי אלקטרוניקה אחרים כגון מסכים וצגים הנמצאים בכל בית כיום.
