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* 매년 거의 5500만 톤의 전자 폐기물이 휴대전화, 센서 및 기타 일상 전자 제품으로 생성
* 회로는 수용성 고분자의 외부 껍질인 수용성 나노 복합체로 구성
* 물에 넣으면 40시간 이내에 저절로 분해
* 나머지 구성 요소는 물에서 간단히 꺼내어 향후 재사용을 위해 재활용

자가분해 스마트워치 개발
수용성 전자 제품은 일상적인 스트레스를 견딜 수 있지만 폐기하기 쉽다.

특별한 종류의 재활용:
폐기되면 스스로 분해되는 스마트워치가 개발됐다.
회로가 수용성 고분자의 외부 껍질인 수용성 나노 복합체로 구성되어 있기 때문이다.
이 시계는 일반 스마트워치와 마찬가지로 땀, 열 및 기계적 부하를 견딘다. 그러나 물에 넣으면 40시간 이내에 녹는다. 이는 전자 폐기물의 환경친화적인 재활용을 위한 새로운 기회를 열어준다. 

▲ 정상적인 사용으로 스마트 워치는 문제 없이 땀이나 몇 방울의 물을 견딜 수 있다. 그러나 물에 담그면 용해된다. © ACS Applied Materials & Interfaces 2021, doi: 10.1021 / acsami.1c07102

세계는 전자 폐기물로 인해 질식하고 있다.
매년 거의 5500만 톤의 전자 폐기물이 휴대전화, 센서 및 기타 일상 전자 제품에 의해 생성된다. 폐기된 기기에는 귀중한 원료가 포함돼 있지만 지금까지 재활용된 기기는 극히 일부에 불과하다. 구성 요소의 분리는 일반적으로 시간이 많이 걸리고 많은 에너지와 독성 용매가 필요하기 때문이다. 따라서 연구원들은 일상적인 전자 제품을 더 쉽게 폐기할 수 있는 새로운 방법을 찾고 있다. 첫 번째 예는 퇴비화 가능한 배터리와 열에 노출되면 분해되는 회로다.

40시간 후 용해

이제 자가 폐기 전자 제품의 또 다른 사례가 있다.
중국 톈진 대학의 지안멩 리(Jianmeng Li)가 이끄는 팀은 물에 용해되는 회로를 개발했다. 이러한 구성 요소와 몇 가지 다른 요소로 모든 일반적인 기능을 포함하고 일상적인 스트레스를 견디며 여전히 처분하기 쉬운 스마트워치를 만들었다. 물에 넣으면 40시간 이내에 저절로 분해된다.

회로와 하우징이 완전히 용해되고 추가 센서 또는 나노 은으로 만들어진 일부 케이블과 같은 다른 구성 요소는 물에 느슨하게 남아 있다. "나머지 구성 요소는 물에서 간단히 꺼내어 향후 재사용을 위해 재활용할 수 있다"고 팀은 말한다.

▲ 남은 것은 쉽게 서로 분리되어 재활용될 수 있는 몇 가지 불용성 성분 뿐이다. © ACS Applied Materials & Interfaces 2021, doi: 10.1021 / acsami.1c07102  (출처 : Water-Sintered Transient Nanocomposites Used as Electrical Interconnects for Dissolvable Consumer Electronics

 

Li는 논문 개요에서 "여기에서 갈바닉 부식 및 재증착의 공동 효과는 인쇄 및 물 소결이 가능한 바이메탈과도 나노복합체를 개발하는 데 활용돼 우수한 전기 전도성과 기계적 견고성을 지닌 고성능 전도 PCB 회로를 생성한다. 전체 소결 공정에는 외부 에너지와 엄격한 환경 조건이 필요하지 않다. 달성된 PCB 회로는 다른 인쇄된 과도 회로와 비교할 때 가장 높은 307,664.4 S/m의 전도도를 제공한다. 고유한 활성을 갖는 두 금속 사이의 갈바닉 부식 및 재침착의 공동 효과는 전자 장치의 새로운 나노복합체 및 처리 기술로 이어진다. 그 결과 생성된 고성능 과도 장치는 재활용 비용을 줄이고 환경 오염 및 건강 위험을 최소화하여 소비자 전자 제품의 모양을 바꾸고 전자 제품 재활용 산업을 개혁할 수 있다"고 언급했다.

수용성 회로 및 기판

이것은 스마트워치 구성 요소의 특별한 화학 작용으로 가능하다.
하우징과 지지 구조는 폴리비닐 알코올(PVAL)로 만들어진다. 이 수용성 폴리머는 소프트 콘택트 렌즈, 수용성 필름 또는 코팅에도 사용된다. 전자공학을 위해 연구원들은 아연 나노입자와 은 나노와이어로 만든 바이메탈 회로를 개발했으며, 이 회로는 무수석고(無水石膏CaSO4)로 덮였다.

이 회로는 PVAL 캐리어의 양면에 인쇄되어 스마트워치의 전자 부품 및 도체 부품의 기초를 형성했다. 이것은 가속도계, 산소 농도계 및 마이크로 컨트롤러 뿐만 아니라 디스플레이용 유기 발광 다이오드로 보완됐다. 일반적인 스마트워치와 마찬가지로 이 시계는 블루투스를 통해 휴대폰에서 문자 메시지를 수신하고 표시할 수 있었다.
일상적인 스트레스에 강함

팀은 이 스마트워치의 용해성 전자 장치가 실험실과 실제 테스트 모두에서 일상적인 스트레스를 얼마나 잘 견딜 수 있는지 테스트했다. 피실험자들은 하루 종일 시계를 땀을 흘리며 조깅하는 동안에도 손목에 착용했다. 그동안 이 장치는 맥박, 혈액의 산소 함량 및 달리기 속도를 기존 센서와 유사한 수준으로 지속적으로 측정했다고 Li와 그의 동료들이 보고했다.

더 중요한 것은 “용해성 덮개와 전자 장치는 이러한 스포츠 활동 후에 손상을 입지 않았다. 이는 스마트워치의 기계적 강도가 우수하다는 것을 의미한다”고 말했다. 실험실의 추가 테스트에서는 재료가 적당한 열과 마모는 물론 늘어나거나 구부러지는 것을 견딜 수 있음을 보여주었다.

지속 가능한 전자 제품에 대한 새로운 방법

이러한 안정성에도 불구하고 스마트워치는 빠르고 쉽게 폐기할 수 있다.
당신이 해야 할 일은 물에 담그고 이틀 동안 그대로 두는 것이다.
Li와 그의 동료들은 "우리의 나노 복합체의 합성과 처리는 에너지 효율적이고 환경친화적"이라고 보고했다. 원자재의 화학 반응(일종의 소결)은 추가 에너지 투입 없이 실온에서 일어나기 때문이다.

연구원들은 “수용성 스마트워치는 전자 부품 재활용에 대한 유망하고 지속 가능한 접근 방식을 제공함으로써 전자 폐기물 문제를 해결할 수 있는 기회를 준다”고 말했다.
시계의 모든 구성 요소가 아직 용해되지는 않았지만 Li와 팀은 그들의 작업이 자체 용해형 전자 부품의 개발을 촉진할 수 있기를 바라고 있다.
(ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, doi: 10.1021 / acsami.1c07102)
출처: American Chemical Society

[더사이언스플러스]

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