새로운 회로 기판은 반복적으로 재활용 가능

최근 유엔 보고서에 따르면 2022년 전 세계적으로 1,370억 파운드의 전자 폐기물이 발생했으며 이는 2010년보다 82% 증가한 수치입니다. 그러나 2022년 전자 폐기물의 4분의 1 미만이 재활용되었습니다. 많은 것들이 전자제품의 지속 가능한 사후 세계를 방해하지만, 그 중 하나는 거의 모든 전자 장치에 사용되는 인쇄 회로 기판(PCB)을 재활용할 수 있는 대규모 시스템이 없다는 것입니다.

칩, 트랜지스터 및 기타 구성 요소를 수용하고 상호 연결하는 PCB는 일반적으로 단단한 플라스틱으로 코팅되고 구리와 함께 적층된 얇은 유리 섬유 시트 층으로 구성됩니다. 플라스틱은 유리에서 쉽게 분리되지 않기 때문에 PCB는 종종 매립지에 쌓여 화학 물질이 환경에 스며들 수 있습니다. 또는 금이나 구리와 같은 전자 제품의 귀중한 금속을 추출하기 위해 불에 타기도 합니다. 개발도상국에서 종종 행해지는 이러한 소각은 낭비적이고 독성이 있을 수 있습니다. 특히 적절한 보호 장치 없이 작업을 수행하는 사람들에게는 더욱 그렇습니다.

워싱턴 대학의 연구진이 이끄는 팀은 기존 재료와 동등한 성능을 발휘하고 재료 손실을 최소화하면서 반복적으로 재활용할 수 있는 새로운 PCB를 개발했습니다. 연구원들은 최첨단 지속 가능한 폴리머인 비트리머(vitrimer)를 손상시키지 않고 젤리 같은 물질로 변환하는 용매를 사용하여 고체 구성 요소를 뽑아내어 재사용 또는 재활용할 수 있도록 했습니다.

그런 다음 비트리머 젤리는 재활용할 때마다 크게 저하되는 기존 플라스틱과 달리 새로운 고품질 PCB를 만드는 데 반복적으로 사용할 수 있습니다. 연구진은 이러한 “vPCB”(비트리머 인쇄 회로 기판)를 사용하여 비트리머의 98%, 유리 섬유의 100%, 재활용에 사용되는 용매의 91%를 회수했습니다.

연구진은 4월 26일에 연구 결과를 발표했습니다. 자연 지속 가능성.

“PCB는 전자 폐기물의 질량과 양에서 상당히 큰 부분을 차지합니다”라고 Paul G. Allen 컴퓨터 과학 및 엔지니어링 학교의 UW 조교수이자 공동 수석 저자인 Vikram Iyer가 말했습니다. “그들은 내화성 및 내화학성으로 제작되어 매우 견고하다는 점에서 훌륭합니다. 그러나 기본적으로 재활용이 불가능합니다. 여기서 우리는 기존 재료와 비교할 수 있는 전기적 특성을 가진 새로운 재료 제제를 만들었습니다. PCB와 이를 반복적으로 재활용하는 프로세스입니다.”

비트리머는 2015년에 처음 개발된 폴리머 종류입니다. 특정 온도 이상의 열과 같은 특정 조건에 노출되면 분자가 재배열되어 새로운 결합을 형성할 수 있습니다. 이는 “치료 가능”(예: 구부러진 PCB를 곧게 펴는 것)하고 재활용 가능성이 높습니다.

“분자 수준에서 고분자는 포장되어 압축되는 일종의 스파게티 국수와 같습니다”라고 UW 기계 공학과 조교수이자 공동 수석 저자인 Aniruddh Vashisth가 말했습니다. “그러나 비트리머는 각 국수를 구성하는 분자가 연결을 끊었다가 다시 연결할 수 있기 때문에 구별됩니다. 마치 스파게티의 각 조각이 작은 레고로 만들어진 것과 거의 같습니다.”

vPCB를 생성하는 팀의 프로세스는 PCB에 사용되는 프로세스와 약간만 달랐습니다. 일반적으로 반경화 PCB 레이어는 열 프레스에서 적층되기 전에 보관 수명이 제한되는 서늘하고 건조한 조건에서 유지됩니다. 비트리머는 새로운 결합을 형성할 수 있기 때문에 연구자들은 완전히 경화된 vPCB 층을 적층했습니다. 연구원들은 vPCB를 재활용하기 위해 상대적으로 낮은 끓는점을 갖는 유기 용매에 물질을 담글 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 유리 시트와 전자 부품을 손상시키지 않고 vPCB의 플라스틱을 부풀게 하여 연구원들이 재사용을 위해 이러한 부품을 추출할 수 있게 했습니다.

이 프로세스를 통해 보다 지속 가능한 순환 PCB 수명주기에 대한 여러 경로를 사용할 수 있습니다. 균열이나 뒤틀림 등 손상된 회로 기판은 경우에 따라 수리가 가능합니다. 수리하지 않으면 전자 부품에서 분리될 수 있습니다. 그런 다음 이러한 구성 요소는 재활용되거나 재사용될 수 있으며, 비트리머와 유리 섬유는 새로운 vPCB로 재활용될 수 있습니다.

팀은 vPCB의 강도와 전기적 특성을 테스트한 결과 가장 일반적인 PCB 재료(FR-4)와 비슷한 성능을 발휘한다는 사실을 확인했습니다. Vashisth와 공동 저자이자 Microsoft Research의 수석 연구원이자 Allen School의 부교수인 Bichlien H. Nguyen은 이제 인공 지능을 사용하여 다양한 용도에 맞는 새로운 비트리머 제제를 탐색하고 있습니다.

vPCB를 생산한다고 해서 제조 공정에 큰 변화가 수반되는 것은 아닙니다.

“좋은 점은 항공 우주, 자동차, 심지어 전자와 같은 많은 산업 분야에서 이미 우리가 여기서 사용하는 두 부분으로 구성된 에폭시에 대한 처리 설정을 갖추고 있다는 것입니다”라고 UW 박사 학위를 취득한 수석 저자 Zhihan Zhang이 말했습니다. Allen 학교의 학생.

팀은 환경에 미치는 영향을 분석한 결과 재활용 vPCB가 기존 PCB에 비해 지구 온난화 가능성을 48% 감소시키고 발암성 배출량을 81% 감소시킬 수 있음을 발견했습니다. 이 작업은 기술 솔루션을 제시하지만 팀은 vPCB를 대규모로 재활용하는 데 중요한 장애물이 전자 폐기물을 재활용할 수 있도록 수집하는 시스템과 인센티브를 만드는 것이라고 지적합니다.

Nguyen은 “이러한 시스템을 실제로 구현하려면 비용 동등성과 강력한 정부 규제가 필요합니다”라고 말했습니다. “앞으로 우리는 지속 가능성 지표를 첫 번째 원칙으로 하여 재료를 설계하고 최적화해야 합니다.”

추가 공동 저자로는 UW 기계 공학과의 박사후 연구원인 Agni K. Biswal; UW 기계공학과 박사과정 학생인 Ankush Nandi; Microsoft Research의 수석 응용 과학자인 Kali Frost; Microsoft Research의 선임 연구원이자 Allen School의 제휴 연구원인 Jake A. Smith; Allen School의 전기 및 컴퓨터 공학과의 UW 교수 인 Shwetak Patel이 있습니다. 이 연구는 Microsoft Climate Research Initiative, Amazon Research Award 및 Google Research Scholar Program의 자금 지원을 받습니다. Zhang은 UW Clean Energy Institute 대학원 펠로우십의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/04/240426165151.htm