グリーンエレクトロニクス: 再生可能な原材料から作られた回路基板

2023 年 4 月 25 日

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スイス連邦材料科学研究所による

トーマス・ガイガー氏は長年にわたり、木材パルプや農業廃棄物などから生成できる微細繊維であるセルロースフィブリルの分野で研究を行ってきた。 セルロースフィブリルは、持続可能な生産と産業の脱炭素化に大きな可能性を秘めています。セルロースフィブリルは、自然界で CO2 ニュートラルで成長し、残留物を残さずに燃焼し、さらには堆肥化可能です。 これらは、ポンプ膜などの工業用ゴム製品の繊維強化など、さまざまな目的に使用できます。

しかし、セルロースフィブリルは、コンピュータの環境負荷を削減する回路基板の製造にも使用できるでしょうか? 特にプリント基板 (PCB) は、環境的にはまったく無害ではありません。通常、プリント基板はエポキシ樹脂に浸したガラス繊維で構成されています。 このような複合材料はリサイクル不可能であり、これまでのところ、特別な熱分解プラントでしか適切に処分できません。

ガイガー氏はすでにセルロースフィブリルから回路基板を製造し、その生分解性を研究していました。 バイオフィブリルは水と混合すると濃厚なスラッジを生成し、特殊なプレスで脱水して圧縮することができます。 彼は同僚と協力して 20 個の実験用ボードを作成し、さまざまな機械的テストを受けて、最終的に電子コンポーネントを取り付けました。 テストは成功し、自然土壌中で数週間放置した後、セルロース基板ははんだ付けされたコンポーネントを解放しました。

ガイガー氏は以前、ラッパースヴィルのOST応用科学大学と協力して、コンピューターマウス用のハウジング部品を製造するイノスイスのプロジェクトに参加していた。 ハウジング部品は絹のような光沢があり、象牙製のワークピースに似た色と感触を持ちます。 しかし、この方法を採用したいメーカーは見当たりませんでした。 小型エレクトロニクスの価格競争は、この点においては依然として激しすぎます。そして、従来のプラスチック射出成形プロセスには、この点で明らかな利点があります。

最近、既存の調査結果をさらに発展させる機会が生じました。Empa の持続可能性専門家、Claudia Som は、EU の研究プロジェクト Hypelignum に協力したいかどうか尋ねられました。 これはスウェーデンの材料研究機関 RISE が主導しており、エレクトロニクスを持続的に生産する新しい方法を模索しています。 クラウディア・ソムは同僚のトーマス・ガイガーに助けを求めました。

このプロジェクトは 2022 年 10 月に開始され、オーストリア、スロベニア、スペイン、オランダ、スウェーデン、スイスからの参加者が参加する研究コンソーシアムは、さまざまな材料で作られたエコ回路基板の製造と評価を計画しています。ナノフィブリル化セルロース (CNF) に加え、木毛と木材パルプがベースとして研究されています。 木製ベニヤは回路基板のベースとしても使用されます。

このプロジェクトでは、2 つの Empa ラボが協力しています。まず、テクノロジーと社会ラボの Claudia Som が率いるサステナビリティの専門家です。 Som は材料データベースを使用して、エコ回路基板の生態学的フットプリントを計算し、個々のコンセプトを相互に比較します。 Empa のセルロースおよび木材材料研究所の Thomas Geiger 氏は、再生可能な原材料から回路基板を製造します。

グリーンエレクトロニクスは、Gustav Nyström が所長を務めるこの研究所の長年の研究の焦点でした。 ニストローム氏のチームはすでに、電池やディスプレイなど生分解性材料を使ったさまざまな印刷電子部品を開発している。 しかし、工業的に生産されるコンピューター回路基板の要件は簡単ではありません。基板は高い機械的強度を持たなければならないだけでなく、湿気の多い条件で膨張したり、非常に低い湿度で亀裂が生じたりしてはなりません。

「セルロース繊維は、ガラス繊維複合材料の非常に優れた代替品となり得る」とガイガー氏は説明する。 「特殊なプレス機で150トンの圧力で材料を脱水します。その後、添加物を一切使わずにセルロースフィブリルが勝手にくっつきます。私たちはこれを『角質化』と呼んでいます。」 ここで重要なのは、どのような圧力、温度、そしてどのくらいの時間で脱水するかです。最適な結果を得るには、プレスプロセスを実行する必要があります。

EU プロジェクト Hypelignum には野心的な目標があります。再生可能で堆肥化可能な原材料から作られたプリント基板を研究するだけでなく、個々のコンポーネント間の電気接続用の導電性インクを開発することも目的としています。 これらのインクは多くの場合、銀ナノ粒子に基づいて作成されます。 研究者らは、より安価で希少性の低い代替材料と、これらのナノ粒子の環境に優しい製造方法を探しています。

プロジェクトの最後には、4 人のデモンストレーターが、環境に配慮した模範的なプリント回路基板、センサーとアクチュエーターを装備する木製の大型建築要素、室内センサーを装備する家具など、成果物を披露する必要があります。自動化された生産ライン、そして最後に、これらすべてのコンポーネントのリサイクル可能性を証明するデモンストレーターです。

2022 年、グスタフ ニストローム率いる Empa 研究グループは、ヒドロキシプロピル セルロース (HPC) をベースとした生分解性ディスプレイの構築に成功しました。 彼らは HPC を基材として使用し、少量のカーボン ナノチューブを添加してセルロースに導電性を与えました。 セルロースナノファイバー（CNF）を混ぜることで、インクを印刷可能な形にした。

ディスプレイは、印加される電圧に応じて色が変化します。 さらに、圧力センサーまたは張力センサーとしても機能し、将来のエコエレクトロニクスにおいて生分解性のユーザー インターフェイスとしての役割を果たす可能性があります。