1 枚の紙の使い捨て電子機器

AZoM は、ニューヨーク州立大学の電気およびコンピューター工学科の教授である Seokheun Choi 氏に話を聞きます。 彼の新しい研究では、紙に印刷されたプロトタイプの回路基板の製造について詳しく説明しています。

自己紹介をお願いします。これまでの経歴と、どのようにして電子技術革新に関わるようになったのですか?

私の長期的な目標は、グリーンで再生可能な潜在的な電子システムを作成し、実用的で現実的な使い捨てのモノのインターネット (IoT) アプリケーションに向けてそれらの変換を進めることです。 現在のペーパートロニクスの研究は、私の以前の紙ベースのバイオ電池に関する研究で得られたアイデアと観察の次の論理的なステップであり、セルフパワーの紙ベースのバイオセンシング システムを作成するという最近のミッションの一部です。 ペーパートロニクス、ペーパーフルイディクス、フレキシブル エレクトロニクス、グリーン エレクトロニクスにおける私の仕事は、実際のアプリケーション向けの統合ペーパートロニクスの設計に移行しました。 私は、紙ベースのバイオ電池とペーパートロニクス研究における数少ないパイオニアの 1 人であり、最近、紙ベースの電池とその応用の全範囲に関する主要なレビューを発表しました。

電子廃棄物の問題はどれほど重要ですか? なぜリサイクルが難しいのですか?

電子機器が普及し、急速な更新が急速な陳腐化につながるにつれて、電子廃棄物が膨大に増加し、環境と公衆衛生に深刻な悪影響を及ぼしています。 米国では 2019 年に約 700 万トンの電子廃棄物が発生しましたが、そのうちリサイクルされたのは約 17% にすぎません。 電子機器は技術的にリサイクルできるように設計されておらず、非生分解性で有毒な無機材料を含んでいるため、リサイクルは非常に困難です。

1 枚の紙に回路基板のプロトタイプを作成しました。 これはどのように可能ですか?

紙は使い捨てアプリケーションとの優れた互換性を示し、より手頃な価格で、すぐに入手でき、柔軟で、簡単に代替できるものを提供します。 紙の生分解性は、グリーンエレクトロニクスの未来として大きな注目を集めており、電子廃棄物の劇的な増加を減らしています。 さらに、化学的および熱的安定性を備えた優れた機械的および誘電的特性により、紙は、ペーパートロニクスとして知られる次世代エレクトロニクスの革新的な基材として浮上しています。

画像著作権: Seokheun Choi

紙はウィッキング、印刷、スタッキングと自然に適合するため、費用対効果が高く環境に優しい方法で紙のすべての有益な特性を活用することで、製造プロセスとデバイス設計の複雑さを最小限に抑えることができました。 ワックス印刷、紙インク注入、スクリーン印刷により、金属ワイヤーは柔軟性を維持しながら紙基材と完全に一体化することができました。

これらの紙ベースの電子機器がサポートする可能性のある将来のアプリケーションは何ですか?

ペーパートロニクスは、モノのインターネット (IoDT) と呼ばれるモノのインターネットを介した使い捨てワイヤレス センサー ネットワーク (WSN) に適しています。 IoDT の目新しさは、その WSN を小型、コンパクト、使い捨て、機能的で安価なパッケージで構築できることです。このパッケージは、ジョブが完了するまで接続でき、その後すぐに廃棄できます。 IoDT デバイスは、新しいアプリケーションの迅速な展開と、ポイント オブ ケアのパーソナライズされたヘルスケア システム、ロジスティクスおよび出荷追跡ソリューション、食品および食料品などの手頃な価格でのサービスの作成を可能にすることで、高度なインテリジェンスと自律性を提供します。監視システム、および軍の監視または配信システム。

この研究のイノベーションは何ですか?あなたにとって最も重要またはエキサイティングな部分は何ですか?

エレクトロニクスに紙を使用する最新の試みでさえ、概念的な研究にとどまらず、実用的な現実世界への応用に向けた翻訳の可能性を保証することができませんでした. 紙は、紙以外の市販の標準材料の電子部品を実装するための基板としてのみ機能し、完全に紙ベースのデバイス プラットフォームを排除し、完全にリサイクルして環境フットプリントを排除することを困難にしました。

紙のプリント回路基板にすべての紙のコンポーネントを備えた完全な紙ベースのデバイスを提供しました。 特に、非常に調整可能な抵抗器、スーパーキャパシタ、および電解質ゲート電界効果トランジスタを 1 枚の紙の厚さ内に同時に実現するための方法論が議論されました。 各電子部品は、機能化された紙の領域に完全に統合され、良好な電気的活動、調整性、柔軟性、および使い捨て性を示しました。

これらのペーパートニクスは、従来の電子機器と比較してどの程度うまく機能しますか?

これらの紙ベースの電子機器は、将来、従来の電子機器に完全に取って代わることができると思いますか? このプロジェクトの目標は、従来の無機ベースの電子産業を置き換えることではありませんでした。 むしろ、電子廃棄物の劇的な増加を減らす方法で、新しい技術、アプリケーション、および市場の機会を提供しました. プログラムされた短期間の使い捨ての使い捨て操作には、高解像度と信頼性を備えたハイテク集積回路は必要ありません。 ただし、より高い密度とパフォーマンスのためのより多くの研究作業が行われます。

これらの紙ベースの電子機器には、他にどのような材料が使用されていますか?

完全に生分解性の材料から作られた生分解性電子機器が制御不能な電子廃棄物の問題に対処することを考えると、材料科学と紙による処理における集中的な技術進歩が不可欠になります。 このプロジェクトでは、生体適合性のある合成ポリマー、環境に優しい半導体、および絶縁材料を使用しようとしましたが、生分解性材料の発見とエンジニアリングは、このプロジェクトの範囲外でした。 この作業の焦点は、基材としての紙の可能性を理解し、既存の電子部品を紙に統合して製造パラダイムを開発する革新的な戦略を確立することでした。 ただし、将来の作業では、成分はより生分解性の材料に置き換えられます。

これらの回路基板はどのように廃棄できますか? 有害な副産物はありますか?

当社の使い捨てアプリケーション用の全紙製デバイスは、焼却または生分解によって簡単かつ安全に廃棄できます。 点火後 20 秒で紙プリント回路基板が灰になる様子を示しました。 いくつかの副産物が生成され、環境に有害な場合があります。 しかし、機器を焼却のみで廃棄できるようになれば、電子廃棄物を減らすことができます。 焼却施設には、適切な燃焼を確保し、排出物を削減するための多くの技術を組み込むことができます。

このテクノロジーをスケールアップする前に、どのような制限を克服する必要がありますか?

湿度によって紙の形態が変化し、その性能と貯蔵寿命が低下する可能性があるため、すべての紙ベースのデバイスには追加の梱包が必要になります。 さらに、紙が他の微生物にさらされる可能性があると、それらの酵素活性によって紙が生分解する可能性があります。

読者はどこでより多くの情報を見つけることができますか?

1. M. Landers、A. Elhadad、M. Rezaie、S. Choi、「統合されたペーパートロニクス技術: 高度にカスタマイズ可能な抵抗器、スーパーキャパシタ、およびトランジスタ回路を 1 枚の紙に」、ACS Applied Materials & Interfaces、14、45658 -45668、2022年 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c13503

2. S. Choi, “Electrogenic Bacteria Promise New Opportunities for Powering, Sensing, and Synthesizing,” Small, Review Article, 18 (18), 2107902, 2022 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ smll.202107902

3. Y. Gao および S. Choi、「セルフパワード ペーパートロニクスに向けて: バイオ電池を 1 枚の紙に統合する」、Advanced Materials Technologies、2、1600194、2017 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs /10.1002/admt.201600194

チェ・ソクフンについて

Seokheun “Sean” Choi は、ニューヨーク州立大学 (SUNY) ビンガムトン校の電気およびコンピューター工学科の教授です。 現在、所長として「バイオエレクトロニクス・マイクロシステム研究室」と「先端センシング技術・環境持続可能性研究センター」を運営。 彼の現在の研究は、セルフパワー電子機器、ウェアラブルおよびストレッチャブル センサー、バイオ電池、ペーパートロニクス、ファイバートロニクスなど、次世代の「エレクトロニクス、センサー、電力技術」に焦点を当てています。 長年にわたり、彼は NSF、ONR、および SUNY Research Foundation から 400 万ドル以上の資金を確保してきました。 彼は 150 を超えるジャーナルおよび会議記事、2 つの書籍の章、および 1 つの書籍を執筆しており、2 つの米国特許を保持しています。 詳細については、彼の研究 Web サイト (http://ws.binghamton.edu/choi/) を参照してください。

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