Électronique verte : Circuits imprimés à partir de matières premières renouvelables

25 avril 2023

Cet article a été révisé conformément au processus éditorial et aux politiques de Science X. Les éditeurs ont mis en évidence les attributs suivants tout en garantissant la crédibilité du contenu :

vérifié

source fiable

relire

par les Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux

Depuis de nombreuses années, Thomas Geiger mène des recherches dans le domaine des fibrilles de cellulose, ces fibres fines pouvant être produites à partir de pâte de bois ou de déchets agricoles, par exemple. Les fibrilles de cellulose recèlent un grand potentiel de production durable et de décarbonisation de l'industrie : elles poussent de manière neutre en CO2, brûlent sans résidus et sont même compostables. Ils peuvent être utilisés à de nombreuses fins, par exemple comme renfort de fibres dans les produits techniques en caoutchouc tels que les membranes de pompe.

Mais les fibrilles de cellulose peuvent-elles aussi être utilisées pour fabriquer des circuits imprimés qui réduisent l'empreinte écologique des ordinateurs ? Les cartes de circuits imprimés (PCB) en particulier sont tout sauf innocentes sur le plan écologique : elles sont généralement constituées de fibres de verre trempées dans de la résine époxy. Un tel matériau composite n'est pas recyclable et ne peut jusqu'à présent être éliminé correctement que dans des installations de pyrolyse spéciales.

Geiger avait déjà produit des circuits imprimés à partir de fibrilles de cellulose et étudié leur biodégradation. Mélangées à de l'eau, les bio-fibrilles produisent une boue épaisse qui peut être déshydratée et compactée dans une presse spéciale. Avec un collègue, il a produit 20 cartes expérimentales, qui ont été soumises à divers tests mécaniques et finalement équipées de composants électroniques. Le test a réussi et le panneau de cellulose a libéré les composants soudés après quelques semaines dans un sol naturel.

Geiger avait auparavant participé à un projet d'Innosuisse avec l'Université des sciences appliquées OST de Rapperswil, qui produisait des pièces de boîtier pour des souris d'ordinateur. Les pièces du boîtier ont un éclat soyeux et sont similaires en couleur et au toucher aux pièces en ivoire. Mais aucun fabricant n'a pu être trouvé qui voulait adopter la méthode. La concurrence des prix pour les petits appareils électroniques est encore trop forte pour cela - et les procédés de moulage par injection de plastique conventionnels ont un net avantage à cet égard.

Récemment, l'occasion s'est présentée de s'appuyer sur les découvertes existantes : on a demandé à Claudia Som, spécialiste du développement durable à l'Empa, si elle souhaitait collaborer au projet de recherche européen Hypelignum. Celui-ci est dirigé par l'institut suédois de recherche sur les matériaux RISE et cherche de nouvelles façons de produire de l'électronique de manière durable. Claudia Som a demandé l'aide de son collègue Thomas Geiger.

Le projet a débuté en octobre 2022, et le consortium de recherche, avec des participants d'Autriche, de Slovénie, d'Espagne, des Pays-Bas, de Suède et de Suisse, prévoit de produire et d'évaluer des cartes de circuits imprimés écologiques faites de divers matériaux : En plus de la cellulose nanofibrillée (CNF), la laine de bois et la pâte de bois sont étudiées comme base ; le placage de bois est également utilisé comme base pour les circuits imprimés.

Deux laboratoires de l'Empa collaborent au projet. Premièrement, les spécialistes de la durabilité dirigés par Claudia Som du laboratoire Technologie et société. Som utilisera des bases de données de matériaux pour calculer l'empreinte écologique des circuits imprimés écologiques et comparer les concepts individuels les uns avec les autres. Thomas Geiger du laboratoire Cellulose & Wood Materials de l'Empa fabriquera les circuits imprimés à partir de matières premières renouvelables.

L'électronique verte est depuis longtemps un axe de recherche du laboratoire, dirigé par Gustav Nyström ; L'équipe de Nyström a déjà développé divers composants électroniques imprimés à partir de matériaux biodégradables, tels que des batteries et des écrans. Les exigences imposées aux cartes de circuits imprimés d'ordinateurs produites industriellement ne sont cependant pas anodines : non seulement les cartes doivent avoir une résistance mécanique élevée, mais elles ne doivent pas non plus gonfler dans des conditions humides ou former des fissures à très faible humidité.

"Les fibres de cellulose peuvent être une très bonne alternative aux composites en fibre de verre", explique Geiger. "Nous déshydratons le matériau dans une presse spéciale avec 150 tonnes de pression. Ensuite, les fibrilles de cellulose se collent d'elles-mêmes sans aucun additif. Nous appelons cela la" cornification "." La clé ici est à quelle pression, température et pendant combien de temps le processus de pressage doit avoir lieu pour produire des résultats optimaux.

Le projet européen Hypelignum a des objectifs ambitieux : il vise non seulement à étudier les cartes de circuits imprimés fabriquées à partir de matières premières renouvelables et compostables, mais également à développer des encres conductrices pour les connexions électriques entre les composants individuels. Ces encres sont souvent réalisées à base de nanoparticules d'argent. Les chercheurs recherchent des matériaux de substitution moins chers et moins rares, ainsi qu'un mode de production écologique de ces nanoparticules.

A la fin du projet, quatre démonstrateurs devaient montrer ce qui avait été réalisé : un circuit imprimé écologiquement exemplaire, un grand élément de construction en bois qui sera équipé de capteurs et d'actionneurs, des meubles qui seront équipés de capteurs dans une chaîne de production automatisée, et enfin un démonstrateur qui prouvera la recyclabilité de tous ces composants.

En 2022, un groupe de recherche de l'Empa dirigé par Gustav Nyström a réussi à construire un écran biodégradable à base d'hydroxypropylcellulose (HPC). Ils ont utilisé HPC comme substrat et ajouté une petite quantité de nanotubes de carbone, rendant la cellulose électriquement conductrice. En mélangeant des nanofibres de cellulose (CNF), ils ont amené l'encre sous une forme imprimable.

L'affichage change de couleur en fonction de la tension électrique appliquée ; en outre, il peut également servir de capteur de pression ou de tension et a le potentiel de jouer un rôle d'interface utilisateur biodégradable dans l'écoélectronique future.