Schwerpunkte

Duke University

Vollständig recycelbare gedruckte Elektronik

30. April 2021, 11:44 Uhr   |  Ralf Higgelke

Vollständig recycelbare gedruckte Elektronik
© Duke University

3-dimensionales Modell des ersten vollständig recycelbaren, gedruckten Transistors

Einen komplett kohlenstoffbasierten Transistor, der sich nahezu vollständig recyceln lässt, hat ein Forscherteam an der Duke University entwickelt. Damit hoffen sie, die wachsende globale Epidemie von Elektronikschrott zumindest teilweise bekämpfen zu können.

Da wir weltweit immer mehr Elektronik in unser Leben einbinden, wächst der Berg an ausrangierten Geräten, die entweder nicht mehr funktionieren oder zugunsten eines neueren Modells weggeworfen werden. Nach einer Schätzung der Vereinten Nationen wird weniger als ein Viertel der Millionen Kilo Elektronik, die jedes Jahr weggeworfen werden, recycelt. Und das Problem wird sich weiter verschärfen, da die Welt auf 5G-Geräte aufrüstet und das Internet der Dinge (IoT) weiter expandiert.

Ein Teil des Problems ist, dass elektronische Geräte schwer zu recyceln sind. Große Betriebe beschäftigen Hunderte von Mitarbeitern, die auf sperrige Geräte herumhacken. Doch während Kupfer-, Aluminium- und Stahlschrott recycelt werden können, sind die Siliziumchips, die das Herzstück der Geräte bilden, nicht recycelbar.

Isolator aus Nanozellulose

In der neuen Studie demonstrieren Aaron Franklin, der Professor für Elektro- und Computertechnik an der Duke University, und sein Labor einen vollständig recycelbaren, voll funktionsfähigen Transistor, der aus drei kohlenstoffbasierten Tinten besteht, die einfach auf Papier oder andere flexible, umweltverträgliche Oberflächen gedruckt werden können. Für die Halbleiter bzw. Leiter werden Tinten aus Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen verwendet. Auch wenn diese Materialien in der Welt der gedruckten Elektronik nicht neu seien, eröffnet die Entwicklung einer aus Holz gewonnenen isolierenden dielektrischen Tinte namens Nanozellulose den Weg zur Wiederverwertbarkeit, so die Forscher.

»Nanozellulose ist biologisch abbaubar und wird schon seit Jahren beispielsweise in Verpackungen eingesetzt«, erklärt Franklin. »Und während man schon lange um ihre potenziellen Anwendungen als Isolator in der Elektronik Bescheid weiß, hat noch niemand herausgefunden, wie man sie in einer druckbaren Tinte verwenden kann. Das ist einer der Schlüssel, um diese vollständig recycelbaren Geräte funktionsfähig zu machen.«

Die Forscher entwickelten eine Methode, um Nanozellulose-Kristalle so aufzulösen, sodass sie – mit etwas Kochsalz versetzt – eine Tinte ergeben, die sich hervorragend als Isolator für gedruckten Transistoren eignet. Durch die Verwendung der drei Tinten in einem Aerosol-Jet-Drucker bei Raumtemperatur konnte das Team zeigen, dass ihre Transistoren, die ausschließlich aus Kohlenstoff bestehen, auch sechs Monate nach dem ersten Druck noch gut genug für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen funktionieren.

Anschließend demonstriert das Team, wie recycelbar ihr Konzept ist. Indem sie ihre Komponenten in eine Reihe von Bädern tauchen, sie sanft mit Schallwellen erschüttern und die daraus resultierende Lösung zentrifugieren, können sie die Kohlenstoff-Nanoröhren und das Graphen der Reihe nach mit einer durchschnittlichen Ausbeute von fast hundert Prozent zurückgewinnen. Beide Materialien können dann im gleichen Druckprozess wiederverwendet werden, wobei sie nur wenig von ihrer Leistungsfähigkeit einbüßen. Und da die Nanozellulose aus Holz hergestellt wird, kann sie zusammen mit dem Papier, auf dem sie gedruckt wurde, einfach recycelt werden.

Duke University, Printed Electronics, Biosensor
© Duke University

Die Forscher testen einen Biosensor, der aus vollständig recycelbarer, gedruckter Elektronik besteht. Durch den Recyclingprozess werden nahezu hundert Prozent der verwendeten Materialien zurückgewonnen und die Materialien verlieren nur wenig von ihrer Leistungsfähigkeit.

Umweltsensorik und Sensorpflaster als Anwendung

Professor Franklin erklärt, dass er durch die Demonstration eines vollständig recycelbaren, multifunktionalen gedruckten Transistors hofft, einen ersten Schritt in Richtung einer kommerziellen Nutzung der Technologie für einfache Geräte zu machen. Er kann sich zum Beispiel vorstellen, dass diese Technologie in großen Gebäuden eingesetzt werden könne, das Tausende von einfachen Umweltsensoren zur Überwachung des Energiebedarfs benötigt, oder in individuell angepassten Biosensorpflastern, um den Gesundheitszustand zu überwachen.

»Recycelbare Elektronik wie die unsere wird keineswegs eine ganze 500-Milliarden-Dollar-Industrie ersetzen, und wir sind sicherlich noch weit davon entfernt, recycelbare Computerprozessoren zu drucken«, gibt Franklin zu. »Aber diese Art von neuen Materialien und ihre Funktionsfähigkeit zu demonstrieren, ist hoffentlich ein Schritt in die richtige Richtung für eine neue Art Lebenszyklus von Elektronik.«

Originalpublikation

Nicholas X. Williams, et al., Printable and Recyclable Carbon Electronics Using Crystalline Nanocellulose, Nature Electronics, April 26, 2021. DOI: 10.1038/s41928-021-00574-0

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

elektroniknet