持続可能性のための設計とプリントエレクトロニクス
世界中の政府は、最近のインフレーションや国際的なサプライチェーンの関税に関して少なくとも、持続可能性の側面を直接的または間接的に対処しています。その程度や強度はさまざまですが、製品のライフサイクル全体にわたって廃棄物、エネルギー消費、化学物質、および一般的な環境への影響を減らすよう製造業者に求めています。
電子製品のライフサイクルは、鉛、水銀、カドミウムのような有毒物質、炎を防ぐための危険物質、リチウム、コバルト、金のような希少地球鉱物を扱わなければならない産業を構成しています。その結果、毎年5300万トン以上の電子廃棄物が発生し、そのうち推定17%が正式にリサイクルされています。
電子業界は、プリント基板に関しては伝統的に減算製造技術に焦点を当てていますが、加算製造技術を採用することで、廃棄物、エネルギーを大幅に削減し、有害物質を排除し、リサイクル性を向上させる可能性があります。環境規制の厳格化とより緑の代替品への需要が高まる中、プリントエレクトロニクスがデザインと持続可能性の目標をどのように一致させることができるかを探る時期かもしれません。
プリントエレクトロニクスとは何ですか？
プリントエレクトロニクスは、インクジェット、スクリーン、グラビア、フレキソグラフィック印刷などの印刷技術を使用して、柔軟または硬質の基板に材料を預けることを含みます。これらの材料には、導電性インク、半導体層、誘電体絶縁体が含まれ、これらが協力して回路、センサー、アンテナ、およびその他の電子部品を作成します。
これらの部品は通常、PET（ポリエチレンテレフタレート）、紙、または生分解性ポリマーなどの基板に印刷され、軽量で柔軟な製品を実現し、材料消費を削減します。アプリケーションは、ウェアラブル健康モニターから柔軟なソーラーパネルまで、新しい形状とアプリケーションを可能にします。プリントエレクトロニクスの主な利点の一つは、その固有の環境への影響が少ないことで、持続可能なイノベーションの可能性を高めます。
なぜ加算製造と減算製造がより持続可能なのか？
これを理解するには、加算製造プロセスと減算製造プロセスという、製造技術の根本的な違いを検討する必要があります。
従来のPCB製造の99％以上を占める減算製造は、銅張りFR4（ガラス繊維強化エポキシラミネート）という固体材料から始まります。望ましい回路パターンは、塩化第二鉄や過硫酸アンモニウムのような強力な化学薬品を使用して余分な銅をエッチングにより取り除くことで作成されます。これにより、水処理と安全な廃棄が必要な大量の有害廃棄物と化学薬品が発生します。PCBの相対的な設計の複雑さは、層の数やエッチングプロセスの数を増加させる可能性があり、これにより電子機器の持続可能性への影響がさらに増大します。
プリントエレクトロニクスに使用される付加製造のプロセスは、必要な場所にのみ材料を積み上げることで回路を構築します。エッチング、剥離、めっき浴は一切なく、必要な場所にのみ機能性インクを直接プリントする精密印刷です。これにより、以下に述べるいくつかの方法で生産プロセスの環境への影響を大幅に削減します。
廃棄物削減
化学エッチングとめっきの必要性を排除することで、プリントエレクトロニクスは固形廃棄物、液体排出物、および大気排出物を削減します。従来のPCB生産には、洗浄段階、有毒金属、および大量の水使用が伴い、これらは環境および潜在的な健康リスクに寄与します。付加製造は、切断やエッチングからの材料廃棄がなく、化学浴もありません。
エネルギー効率
プリントエレクトロニクスのプロセスは、低温で動作するため、高温でのラミネート、さまざまな温かい有害な浴槽、硬化、穴あけ、めっきなどを含む減算PCB製造よりもエネルギーを少なく必要とします。その明らかな結果は、生産単位あたりの低い炭素足跡です。これにより、プリントエレクトロニクスは、製品、業界標準、顧客の要求、および政府の要件に対して加算製造技術を採用できる企業にとって魅力的なオプションとなります。
めっきなし
PCB製造の主な環境への負の影響の一つは、回路の経路やビアに金属を堆積させるために使用される電気めっきプロセスです。これには、銅、ニッケル、または金のような高い導電性の電解液が必要であり、プロセスは大量の電気を消費します。
プリントエレクトロニクスは自然にこのプロセスを完全に軽減します。導電性トレースは、室温または適度な温度でプリントされた導電性インク、銀または炭素を直接使用して作成されます。めっきの排除は生産を簡素化し、毒性を減らし、安全性を向上させ、運用スペースを大幅に少なくします。
電子ライフサイクル管理
減算技術プロセスで製造されたPCBの製品寿命末期の廃棄とリサイクルは、通常、FR4という、非生分解性でリサイクルが困難な材料から作られています。FR4ベースのPCBから金属を分離し、材料を回収することはエネルギーを大量に消費し、しばしば経済的に実行不可能であり、結果として電子廃棄物や大量のエネルギー消費を伴う焼却が行われます。
印刷された電子機器は、紙や堆肥化可能なプラスチックなど、回収や生分解が容易な基板を使用できます。しかし、これらの材料が使用と業界に関して適切な承認を得ていることを確認する必要があります。 材料が多層構造でラミネートされていないため、分解と材料の回収がはるかに簡単になります。
持続可能性のための設計の機会または循環設計
印刷された電子機器は、製品所有者がリサイクル可能または生分解性の基板を選択し、非毒性の低影響材料をインクとして使用し、クレードル・トゥ・クレードルの電子製品ライフサイクル管理を支援する閉ループリサイクルと分解のための設計を採用することで、循環設計への扉を開きます。
製品ライフサイクル管理は、終末期における、そしてそれに伴うリサイクルに関して、特に関心が高く、持続可能性の進歩の可能性が大きい分野です。印刷された電子材料の構成は、より持続可能なリサイクル方法を可能にし、リサイクル可能な材料の量が多く、分離する高度な材料の種類が少ないためエネルギー消費が減少し、有毒な空気排出も少なくなります。
業界を変えつつある実際の事例
スマートパッケージング企業は、温度、湿度、または改ざんを監視する印刷されたセンサーを埋め込み、完全にリサイクル可能な紙基板を使用して、電子廃棄物を増やすことなくインテリジェントなパッケージングを実現しています。
ウェアラブルヘルスケアデバイスや「電子スパイダーシルク」は、人間の皮膚に直接印刷できるよう、生分解性材料に加えて印刷された肌に優しい柔軟なセンサーを使用しており、プラスチック汚染に貢献することなくリアルタイム診断を提供できます。
太陽光エネルギー企業は、プラスチックやテキスタイル基材上に印刷された光電池を探求しており、軽量で低コスト、リサイクル可能な太陽光パネルを実現し、携帯用や緊急用電源に適しています。
印刷エレクトロニクスと克服すべき課題
印刷エレクトロニクスの持続可能性の利点は明らかですが、まだ課題が残っています。特に銀を含む導電性インクは高価であり、総環境影響は材料調達に依存します。印刷エレクトロニクスの機械的耐久性、小型化、および導電性も、従来の減算式プリント基板と比較して進化し続けています。
材料科学の進歩と規模の経済は、印刷エレクトロニクスがますます主流になることを必然的にもたらします。グラフェン、有機半導体、リサイクル可能な導電性ポリマーの新たな開発は、持続可能な解決策を支持するための天秤をさらに傾けています。
規制の変化、消費者の意識、および投資家の圧力は、エコフレンドリーな製造の必要性を引き続き推進し、印刷エレクトロニクスは機能性や性能を損なうことなくそれらの要求を満たす方法を提供します。
結論：持続可能性のための設計
プリントエレクトロニクスは、革新的な技術であり、私たちが電子機器の革新、製造、および電子ライフサイクルの組織化について考える方法に関してパラダイムシフトをもたらします。付加的で環境への影響が少ないアプローチを採用することにより、エンジニアや製品オーナーは持続可能性を重要な要素として製品を設計することができます。
プリントエレクトロニクスのような技術革新は、成長する世界的な環境課題とより厳格な規制をサポートする実行可能な解決策です。リサイクルの促進と有害廃棄物の削減は、循環経済の持続可能性をさらに支援します。
