科技新知：可完全回收的打印式电子产品诞生

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來源:大纪元


美国杜克大学研发出一种可完全回收的打印电子产品，在制造过程中可以纯水代替那些高污染且有毒的化学药剂。图为多层碳基电子墨水打印过程。（Jason Arthurs/ Duck University）

【大纪元2023年04月18日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）据联合国统计，每年全球有数百万磅电子产品被丢弃，其中的回收率不足25%，其余皆沦为电子垃圾。为减少对环境的污染，美国杜克大学近期研发出一种洁净打印法，可以在打印电子产品过程中，用纯水代替高污染且有毒的化学药剂。
杜克大学研究团队研发的纳米材料打印薄膜晶体管（TFT）新技术，不仅避免了使用危险化学溶剂（氟化学品、甲苯或氯仿等），也为科技业的环保打开一条思路。该研究成果今年4月6日发表在杜克大学帕特工程学院的网站上，同时也在今年2月发表在“美国化学学会出版社”网站上。
研究人员首先将半导体碳纳米管（CNT）作为墨水打印在软电路版（PCB）上，成为第一层（基底），在打印过程中会多次使用去离子水清洗尚未完全打印上去的CNT，之后再使用含绝缘纳米纤维素（CNC）的墨水打印出第二层（绝缘层）。
最后，他们利用亲水性的导电石墨烯作为打印的第三层的墨水，打印出所需要的薄膜晶体管（TFT）。电脑、手机等显示器背板都离不开薄膜晶体管。
在这项工艺打印过程中，仅用去离子水冲洗打印表面，并在70°C的温度环境下干燥打印的表面，等表面干燥后再次进行打印作业。
研究人员解释说，清洗的做法是防止碳纳米管结块，也防止表面活性剂与其它层粘附到第一层上。另外，传统的制作过程中，为了去除表面活性剂，通常需要高温（高能量）或使用刺激性化学物质，这可能对人体健康和环境构成威胁。
之所以选用半导体碳纳米管，是因为它拥有稳定的电气、化学和机械性能，且方便加工。而绝缘纳米纤维素是一种自然界中亲水且可完全生物降解的生物材料，更是一种打印的离子电介质（电极化的绝缘体），它使生产出来的TFT在导通电流方面表现优异。
由于这些打印墨水皆为水溶性材料，因此可以直接使用水（不需要其它化学溶剂）清洗打印中残留的材料，使其材料达到近100%的循环再利用，以减少电子垃圾产生和化学品对环境的污染。
实验中，研究人员还发现，既使在墨水中使用低浓度的表面活性剂，也能完整打印。另外，当这些打印材料不需要时，还能透过降解回归自然。这说明该墨水和工艺可以生产出功能齐全、完全可回收的水基晶体管。
领导这项研究的杜克大学电气与计算机工程学院亚伦·富兰克林（Aaron Franklin）教授对杜克大学新闻社表示，“使用含有纳米碳管的墨水打印在面板表面上，它们在显微镜上看就像一条条的意大利面。经过我们反复的打印，让平面上有足够的纳米碳管，且面上的纳米碳管密度仍与第一次相同。”
他还表示，“这种打印方法就是克服层层打印材料在打印中会出现混合的问题。过往材料的堆叠过程，就像在制作含有花生酱和果酱的三明治，在任何一片面包涂上其中一种酱都很容易。不过，同一片面包若先涂上一种，想要再涂上另一种时，两种酱就会在一起。”
科学家们表示，这次选择打印晶体管，是因为相较于电阻器或电容器，它是一种较为复杂的电子组件，其功效用于电源控制、逻辑电路和传感器等设备中。若能打印出复杂的晶体管，就说明其它较简单的零件未来也可能被打印出来，将为电子业提供更加环保的道路。
富兰克林教授表示，“这种方法未来可能用于制造那些无处不在的屏幕、显示器。由于现在的显示器使用的薄膜晶体管背板，在制造时需耗费大量能源，并依赖高污染化学品和使用有毒气体。这也让该行业已被美国环境保护署标记为‘需密切关注’。”
他说，“尽管目前我们制作的薄膜晶体管，在性能上还无法与当前最好的晶体管相媲美，但它们足以向研究界表明它的可行性，且工艺上更加环保。”
目前这项研究已得到美国国立卫生研究院、空军科学研究办公室、美国国家科学基金会和美国研究生研究奖学金的支持。