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某科學の超電報

電子元件 BANG 不見:可分解元件和你一起環保愛地球!

  • 首圖說明:一支手機報廢會產生多少的環境負擔?現在動輒一兩年一換的高淘汰速度,讓電子廢棄物成為難以忽視的垃圾處理問題。 圖/Bru-nO @Pixabay
  • 文/傅楷崴、李荐軒 │ 臺灣大學物理學系二年級學生

電子元件方便了我們的生活,那環境呢?

過去電子元件的設計常常以耐用性使用年限為指標,卻也因此讓廢棄的電子產品難以處理,而且電子元件在焚燒後對環境往往會造成難以處理的污染。這些大量生產且包羅萬象的元件,在講求環境保護的時代下逐漸成為了一個重大的汙染議題。有沒有什麼好的方法可以在電子元件的需求和環境友善的趨勢間取得平衡呢?試想,如果日常生活中常見的元件,例如電阻、電容等,能夠利用生物體本身即具有的元素製作,不僅能夠在拋棄後自然分解,更能確保無害環境,不是就兼顧了科技需求與環保嗎?事實上,這一切絕不是空想,所謂可在特定條件下被分解的暫態電子元件(transient electronics),便能提供上述問題的答案。

暫態電子元件的原理及製程是什麼?

先前學術上關於暫態電子元件的研究,通常以浸泡水溶液作為分解條件,再利用電子元件的材料特性,設計出可被溶解的電路。一般來說,材料的選擇與製作方法會決定分解的時間快慢,得以溶解的箇中關鍵便是使用矽的奈米薄膜作為電子元件的基板,再搭配鎂及氧化鎂作為電極及介電質。這種特殊結構使原本需千年溶解的矽質,得以在數週內完全分解,再加上可快速溶解的鎂與氧化鎂材料,最終讓整個電路都可溶於水。1

除了溶解的方式,科學家們也發現了以溫度驅動分解的可能性:如果基板採用奈米纖維結構的聚己內酯,當溫度超過熔點時,奈米纖維結構便會崩解,進而帶動其上的超薄電子元件同步分解。2

早期研發的水溶性電路,雖然有一些溶解條件限制,仍已經發展出十分成功的應用。其中一個例子為追蹤漏油事件的感測元件,若是發生漏油事件,透過此類裝置進行追蹤,就能在一段時間後被海水而分解消失,免去回收儀器的過程。另外,骨頭受傷的病患也能植入以暫態元件製成的儀器,形成電訊號刺激,加快恢復速度;這類元件能直接在人體內分解,便能免去將儀器取出的手術,降低感染的可能性。3

將水溶性元件植入老鼠體內。 圖/詳見注解 [3]

一定要泡在水溶液裡,或受熱才能分解嗎?

在最新的研究中4,科學家們又有了進一步的突破:以空氣中的濕度觸發分解機制。研究團隊以聚酸酐為基板,利用其遇濕氣水解產生有機酸的特性,使電子元件在酸中被分解。

此研究經由控制濕度,以及合成聚酸酐時聚乙二醇的濃度,來調控電路的分解時間,並測試不同元件(如 IGZO 電晶體)和材料(如銅、鎳、鋁)在酸中的分解速度。

圖/詳見注解 [4]

上圖顯示銅鍍膜在不同濕度(A, B 聚乙二醇濃度固定)、不同聚乙二醇濃度(C, D 濕度 75%)下,聚酸酐基板上的分解反應,可看到在濕度 0% 時,基板可穩定存在,但若濕度增加,則完全分解。並且,若是在製程中提高聚乙二醇的濃度,遇水氣後的分解速度也隨之增加。此作法與先前所提研究相比,最大的優點是能使用多種的材料作為電子元件,不須受限於水溶性;在生物體中使用時,也可選擇無法生物降解的原料,只要在酸中分解的產物能被代謝即可,例如:大部分金屬及其氧化物,在生物體內可先被酸分解成離子型態,再隨水代謝排出。

結論與展望

由以上討論,希望大家對於何謂暫態電子元件有初步的了解。此技術發展之初,元件的分解侷限於水溶液中,又因生物體中包含體液,所以應用的討論偏向於醫療方面,如前文提及之骨頭受傷的例子。然而,最新的研究裡,已經能讓暫態元件的技術跳脫水溶液的「框架」,從而更廣泛地運用在日常生活中。

只要利用對生物無害的暫態材料製作電子產品,並在製程上調整原料比例,使分解時間得以配合產品的使用年限,便能大幅降低多餘的電子廢棄物,解決當今電子垃圾直接填埋或焚燒的問題。至於應用方面,美國伊利諾大學厄巴納─香檳分校的教授指出,未來的日常電子用品,無論是手機或是手提電腦,都有機會利用此類元件製作。雖然這項技術相當新穎,尚未能大規模地商業化,但相信暫態電子元件在我們的未來,具有成為舉足輕重角色的潛力。

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告,感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助,亦感謝林芳伃和徐才烜在編修過程中提出建議。

注解:

  1. Huanyu Cheng, Vikas Vepachedu(2016). Recent development of transient electronics
  2. Yang Gao(2017). Thermally Triggered Mechanically Destructive Electronics Based On
    Electrospun Poly(ε-caprolactone) Nanofibrous Polymer Films
  3. Foram Kamdar(2013). Transient Electronics. Advance in Electronic and Electric Engineering. ISSN 2231-1297, Volume 3, Number 7 (2013), pp. 833-838
  4. Yang Gao(2017). Moisture-triggered physically transient electronics. Science Advances , 3(9)​, e1701222.

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