綠色環保的物聯網感測器：由3D列印技術製造！

導讀

近日，加拿大西蒙弗雷澤大學以及瑞士的研究人員們正在開發一種環境友好、可3D列印的解決方案，用於製造物聯網（IoT）無線感測器。這些感測器的使用以及廢棄處理，都不會污染環境。

背景

如今，人類越來越重視環境保護與可持續發展。可是，廢棄的電子產品已成為世界上增速最快的垃圾。電子垃圾中含有對人體和環境有害的物質，它們包括有毒化學物質和重金屬，例如汞、砷、鉻、鉛、鉻、鋇、鈹、磷化物等。這些電子垃圾難以利用可持續發展的方式處置，需要昂貴的加工技術才能進行回收。

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（圖片來源：路透社）

為了應對電子垃圾所帶來的嚴峻挑戰，科學家們不僅在創新垃圾處理技術，也在從源頭上反思電子產品的組成材料。通常來說，電子元件所用的材料都是不可降解的，也沒有生物相容性，含有大量對環境有害的物質。為此，科學家們正在積極研發一些可降解、環境友好的電子產品，例如：

一個近場通信線圈（瞬態電子器件）以及它遇水後在樹葉上快速溶解的過程。（圖片來源：參考資料【3】）

可降解的紙基生物燃料電池（圖片來源：賓漢姆頓大學）

可生物降解的微型溫度感測器（圖片來源：ETH Zurich）

生物可降解的血流感測器（圖片來源：Levent Beker）

可降解的新型電子器件（圖片來源：斯坦福大學/Bao lab）

創新

近日，加拿大西蒙弗雷澤大學（SFU）以及瑞士的研究人員們正在開發一種環境友好、可3D列印的解決方案，用於製造物聯網（IoT）無線感測器。這些感測器的使用以及廢棄處理，都不會污染環境。他們的研究已經作為封面文章發表在《先進電子材料（Advanced Electronic Materials）》雜誌的二月刊上。

（圖片來源：《先進電子材料》期刊封面）

技術

西蒙弗雷澤大學教授 Woo Soo Kim 領導團隊展開的探索包括使用木材衍生的纖維素材料，取代目前電子產品中使用的塑料以及聚合物材料。

（圖片來源：SFU）

此外，3D列印可以靈活地將功能添加或嵌入到3D物體或織物中，創造出更強大的功能。

（圖片來源：SFU）

西蒙弗雷澤大學薩里校區機電系統工程學院教授 Kim 表示：「我們的環境友好、3D列印的纖維素感測器，在使用期間能夠無線傳輸數據，廢棄之後也不會污染環境。」這項研究是在薩里校區的 PowerTech 實驗室開展的，該實驗室具有幾台可供研究人員們使用的最先進的3D印表機。

「這項開發工作有助於推進綠色電子。舉例來說，來自印刷電路板（PCB）的垃圾是有害的環境污染源。如果我們能將PCB中的塑料轉變為纖維素複合材料，那麼電路板上的金屬元件就能以一種更簡單的方式回收再利用。」

Kim 的研究計劃跨越了兩個國際合作項目，包括最近與來自瑞士聯邦材料科學實驗室的合作夥伴們一同關注的基於環境友好的纖維素材料的化學感測器。

此外，他還與來自大邱慶北科學技術院（DGIST）的機器人工程系以及技術公司 PROTEM Co Inc 的韓國研究團隊展開合作，開發可印刷的導電油墨材料。

在第二個項目中，研究人員們在壓花工藝技術方面取得了一項新突破，這項技術突破使得研究人員們可在聚合物基底（電子產品的一個必要組成部分）上自由地壓印精細的電路圖案。

壓花技術，用於以較低的單位成本大量壓印精細的圖案。然而，Kim 表示，它只能壓印提前壓印在圖章上的電路圖案，整個昂貴的圖章必須經過改變從而印上不同的圖案。

該團隊成功地開發出一種精準的位置控制系統，它可以直接地壓印圖案，從而帶來了一項新的工藝技術。它對於半導體工藝、可穿戴設備和顯示器工業都會產生廣泛的影響。

價值

這項研究不僅帶來了新的電子製造技術以及環境友好的新型電子器件，也有望帶來更多的應用，例如生物醫療、環境檢測等。

關鍵字

環保、電子、3D列印

參考資料

【1】https://www.sfu.ca/sfunews/stories/2019/02/collaboration-sparks-sustainable-electronics-manufacturing-break.html

【2】Taeil Kim, Chao Bao, Michael Hausmann, Gilberto Siqueira, Tanja Zimmermann, Woo Soo Kim. Electrochemical Sensors: 3D Printed Disposable Wireless Ion Sensors with Biocompatible Cellulose Composites (Adv. Electron. Mater. 2/2019). Advanced Electronic Materials, 2019; 5 (2): 1970007 DOI: 10.1002/aelm.201970007

【3】Huang, X., Liu, Y., Hwang, S.-W., Kang, S.-K., Patnaik, D., Cortes, J. F. and Rogers, J. A. (2014), Biodegradable Materials for Multilayer Transient Printed Circuit Boards. Adv. Mater., 26: 7371–7377. doi:10.1002/adma.201403164

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