“一次性纸电路板是一次性电子产品的未来
作者：Faisal Khan |
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编译：唐诗 |
相信大家小时候都喜欢纸飞机，纸飞机遵守与超音速喷气式飞机性能相同的空气动力学定律。虽然纸飞机只能作为空气动力学性能的模型，但一次性纸电路板已被视为更实惠、更容易获得、更灵活且环保的印刷电路板（PCB）设计解决方案。
电子垃圾问题有多严重？
随着电子产品变得越来越普遍，快速更新导致快速过时，电子废物大量增加，对环境和公众健康产生了严重的负面影响。美国在2019年产生了约700万吨电子垃圾，其中只有约17%被回收利用。回收电子设备非常困难，因为它们在技术上不是为回收而设计的，并且具有不可生物降解和有毒的无机材料。
我们在全球就有数十亿部手机，而且每年还会增加数百万部。而智能手机只是我们目前面临的电子垃圾问题的一部分——各种各样的其他电子设备加剧了这个问题。随着世界升级到更新的5G设备和数字化转型的步伐加快，这个问题只会变得更糟。
为了应对这一挑战，我们需要采取双管齐下的战略。我们不仅应该大幅提高电子产品的回收能力，而且还应该努力生产一次性电子产品。
在一张纸上创建原型电路板
来自纽约州立大学宾厄姆顿分校的一组研究人员首先将蜡通道图案打印到一张滤纸上。该团队生产的原型由具有完全集成电气组件的单张纸制成，可以燃烧或降解。
“显然，就环保性而言，我们的整个纸质电子产品将比使用现成的不可生物降解电子元件的传统技术要好得多。
——崔锡贤教授，研究团队负责人
目前市场上的大多数电子产品都由玻璃纤维、树脂和金属布线制成的电路组成。这些设计的问题在于它们昂贵、笨重且极难回收。这些缺点使它们不太适合用于护理点的医疗设备、环境监测器或个人可穿戴设备。最受欢迎的替代方案之一是基于纸张的电路。
纸张与一次性应用具有出色的兼容性，提供了一种更实惠、更容易获得、更灵活且易于一次性的替代品。纸张的生物降解性作为绿色电子产品的未来备受关注，减少了电子垃圾的急剧增加。此外，由于其优异的机械和介电性能以及化学和热稳定性，纸已成为下一代电子产品（称为纸电子学）的改变游戏规则的基材。
纸张与芯吸、印刷和堆叠的天然兼容性使我们能够以经济高效和环保的方式利用纸张的所有有益特性，从而最大限度地减少制造工艺和设备设计的复杂性。通过蜡印、纸墨注入和丝网印刷，金属丝能够保持柔韧性，同时实现与纸张基材的完全集成。
潜在的批次形成过程
该团队设计了一种基于纸张的放大器型电路，其中包含电阻器、电容器和晶体管。如上所述打印蜡通道后，他们将蜡熔化，使其浸泡在纸上，然后将导电和半导电油墨涂在纸上——纸张中尚未被蜡饱和的区域。最后，他们丝网印刷了额外的导电金属部件，并将基于凝胶的电解质浇铸到片材上。
在团队随后进行的试验中，发现该设计性能正确，并且非常灵活。全纸一次性应用设备可以通过焚烧或生物降解轻松安全地处理。纸印电路板在点火后 20 秒化为灰烬——显示出其可降解性，焚烧设施可以采用许多技术来确保适当燃烧并减少排放。这是生产完全一次性电子设备的关键一步。这也将在很大程度上解决我们目前遇到的电子废物问题。
一次性纸电路板的应用与设计
一次性纸电路板将适用于通过物联网的一次性无线传感器网络（WSN），命名为一次性物联网（IoDT）。IoDT的新颖之处在于，它的WSN可以用小型，紧凑，一次性，功能性但廉价的软件包构建，这些软件包可以连接到工作完成，然后很轻松的就可以将其处理掉。
IoDT设备将通过快速部署新应用和以可承受的价格创建服务来提供高度的智能和自主性，例如护理点个性化医疗保健系统，物流和货运跟踪解决方案，食品和杂货监控系统以及军事监视或交付系统。
鉴于由完全可生物降解的材料制成的可生物降解电子产品将解决无法控制的电子废物问题，材料科学和纸张加工的密集技术进步将是必不可少的。
尽管该项目试图使用生物相容性合成聚合物以及环保的半导体，导电和绝缘材料，但可生物降解材料的发现和工程超出了该项目的范围。这项工作的重点是了解纸张作为基材的潜力，并建立创新策略，将现有电子元件集成到纸张中并开发制造范式。
然而，在未来的工作中，成分将被更多可生物降解的材料所取代。
但所有纸质设备都需要额外的包装，因为湿度可能会极大地改变纸张形态并降低其性能和保质期。
该项目的目标不是取代传统的无机电子工业。相反，它为新技术、应用和市场提供了机会，以减少电子废物的急剧增加。
短编程的一次性操作不需要具有高分辨率和可靠性的高科技集成电路。但是，研究团队表示将进行更多更高密度和性能的研究工作。
