Экологичная электроника из дерева и шелка

Экологичная электроника из дерева и шелка

Выпуск 10 (6709) от 28 мая 2020 г.
РУБРИКА: БИОТЕХНОЛОГИИ И БИОИНЖЕНЕРИЯ

Изделия потребительской мобильной электроники, такие как смартфоны, носимые приборы (встроенные в очки микродисплеи, датчики, другие устройства, вмонтированные в одежду или обувь), планшетные ПК и т. д. вряд ли можно назвать экологичными. В них широко применяются трудно разлагающиеся в естественных условиях материалы, а иногда и токсичные соединения (например, арсенид галлия, используемый в РЧ ИС и СИД). Проблема усугубляется тем, что изделия носимой электроники по большей части не утилизируются, а просто выкидываются. Сегодня разработчики активно ищут способы создания электронных систем из возобновляемых и биоразлагаемых материалов, таких как древесные волокна и шелк.

Частично проблема связана с невероятным успехом «закона Мура», согласно которому число транзисторов (а соответственно, и производительность) на кристалле полупроводниковой микросхемы удваивается примерно каждые два года при снижении потребляемой мощности, размеров и стоимости. Возможность постоянной замены электронных приборов на более совершенные при приемлемых затратах дало потребителям возможность просто выбрасывать старые аппараты, что приводит к загрязнению планеты. Рассмотрим смартфон, чья средняя ожидаемая продолжительность срока службы (или продолжительность цикла замещения) в США составила в 2019 г., по данным исследовательской организации Statista, около 2,87 лет (рис. 1). Столь краткий цикл замещения в сочетании с большим количеством пользователей приводит к тому, что ежедневно утилизируется более 416 тыс. мобильных телефонов (данные Агентства по охране окружающей среды (EPA) США).

Замена всех узлов и деталей смартфона полностью биоразлагаемыми или восстановленными элементами – ​очень сложная задача. Но по крайней мере начать этот путь можно с разработки экологически дружественных компонентов.

Прежде чем будет создан деревянный робот с механической и электрической функциональностью, пройдет некоторое время. А вот функционирующая «деревянная» компьютерная ИС уже разработана – ​несколько лет назад исследователи Висконсинского университета создали электронные компоненты компьютерной микросхемы из наноцеллюлозы. Утверждалось, что использование наноцеллюлозы позволило уменьшить объем полупроводниковых материалов почти в 5 тыс. раз при сохранении производительности.

Наноцеллюлоза, или нанофибриллированная целлюлоза (NFC), – ​это легкое, твердое, псевдопластичное вещество, созданное из растительного материала и содержащее наноразмерные целлюлозные фибриллы. 



Источник: Statista

Рисунок 1. Длительность цикла замещения смартфонов в потребительском и корпоративном секторах США


Это привлекательная альтернатива пластику в качестве поверхности для гибкой электроники. По словам исследователей, NFC может использоваться в качестве опорного слоя радиочастотных схем, при этом их работоспособность в смартфонах и планшетах не ухудшится. Кроме того, эти ИС легко разлагаются микроорганизмами и могут быть переработаны обычными грибками (рис. 2).



Источник: Висконсинский университет

Рисунок 2. Кругооборот нанофибриллированной целлюлозы в природе



Источник: Датский технический университет

Рисунок 3. Электронная перчатка Датского технического университета


Опорный слой (подложка) представляет собой поверхность, на которой размещается полупроводниковая электроника. На подложки приходится большая часть материалов, используемых при производстве электроники, поэтому при выбрасывании подложки могут представлять опасность для окружающей среды.

Наноцеллюлоза уже применялась в качестве подложек солнечных элементов и некоторых других электронных устройств. Однако исследователи Висконсинского университета заявляют, что были первыми, кто попытался применить наноцеллюлозу в высокопроизводительных РЧ ИС.

Другой подход к созданию экологически чистых электронных ИС – ​использование тонкопленочных устройств на основе шелка, называемых флекоионными. Работу над этим новым классом тонкопленочной электроники ведет исследовательская группа Датского технического университета. Цель – ​найти «зеленые» альтернативы, позволяющие уменьшить растущие объемы электронных отходов, в том числе токсичных.

Материал для флекоионики – ​шелк, производимый личинками шелкопряда. Шелк относительно дорог, однако это один из самых прочных материалов, встречающихся в природе, кроме того – ​что более важно для органической электроники – ​он является ионным проводником, способным проводить электричество. Подобные типы ионных проводников уже используются в гибких литий-ионных батареях, растягиваемых устройствах отображения, прозрачных сенсорных экранах и приводах.

Исследователи продемонстрировали свою флекоионную технологию, создав небольшой датчик движения на основе шелка и лапонита – ​наноразмерной глины, – ​смешанных в воде. Согласно их отчету, полученный продукт может быть переработан снова и снова. Он недорог в производстве, биоразлагаем и сохраняет высокую электрическую чувствительность даже после 2000 циклов изгиба.

Приложения для сенсорной электроники на основе шелка включают чувствительные к движению электронные перчатки для сенсорных экранов дисплеев (рис. 3). Электронные перчатки могут помогать хирургам проводить операции, переводить язык жестов или даже улучшать навыки игроков в гольф. Разработчики надеются, что до конца 2020 г. будет создан опытный образец подобной электронной перчатки, оснащенный гибкими датчиками движения.

Древесные наноцеллюлозные материалы и тонкопленочная флекоионика на основе шелка, по-видимому, имеют большие перспективы в свете перехода к экологически чистой электронике. Однако остаются проблемы в создании действительно биоразлагаемых эквивалентов полупроводниковых ИС.

Подложками и датчиками дело не ограничивается – ​современные «системы-на-кристалле» (SoC) формируются с использованием многочисленных слоев металлизации, а оксиды металлов зачастую характеризуются длительным процессом разложения. Недавно стало возможным печатать на органических поверхностях 8-разрядные микропроцессоры с низким энергопотреблением и низкой производительностью. Это большой шаг в правильном направлении, идеально подходящий для напичканных сенсорами приложений Интернета вещей.


Blyler John. Earth Smiles at Electronics Made from Wood and Silk. Design News, April 22, 2020: https://www.designnews.com/sustainability/earth-smiles-electronics-made-wood-and-silk/16926239386288...


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ