Bio-based benzoxazine electrically conductive adhesives for sustainable and epoxy-free hybrid printed electronics
Diese Studie präsentiert einen nachhaltigen, biobasierten Benzoxazin-anisotropen leitfähigen Klebstoff, der eine vergleichbare elektrische Leistung und Zuverlässigkeit zu kommerziellen Epoxidsystemen erreicht und gleichzeitig niedrigere Aushärtungstemperaturen, reduzierte Toxizität sowie ein geringeres Treibhauspotenzial bietet.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Moderne Elektronik beruht auf winzigen, unsichtbaren Brücken, die die Komponenten verbinden, die unsere Geräte funktionsfähig machen. In der Welt der gedruckten Schaltungen, wo empfindliche Sensoren und Chips auf flexiblen Kunststofffolien oder sogar Papier montiert werden, bestehen diese Brücken oft aus einem speziellen Klebstoff namens elektrisch leitfähigem Klebstoff. Dieser Klebstoff muss zwei schwierige Aufgaben gleichzeitig erfüllen: Er muss die Teile fest an ihrem Platz halten und er muss den Strom in einer bestimmten Richtung fließen lassen, um einen Stromkreis zu schließen. Jahrzehntelang hat sich die Industrie auf Klebstoffe auf Epoxidbasis verlassen, ein gängiges Kunststoffharz. Obwohl diese herkömmlichen Klebstoffe effektiv sind, haben sie eine dunkle Seite. Sie erfordern oft toxische Chemikalien bei der Herstellung, können allergische Reaktionen bei den bearbeitenden Arbeitern auslösen und müssen im Gefrierschrank gelagert werden, um ein vorzeitiges Erhärten zu verhindern. Darüber hinaus enthalten sie oft Metallfüllstoffe, die umweltschädlich sind. Da der Drang nach grünerer Technologie wächst, suchen Wissenschaftler nach einem Bindemittel, das sicherer, einfacher zu handhaben und aus natürlichen statt aus Erdöl gewonnen ist.
Ein Team von Forschern der RISE Research Institutes of Sweden und Joanneum Research in Österreich hat eine neue Art von leitfähigem Klebstoff entwickelt, der diese Probleme löst. Anstatt Epoxid zu verwenden, wandten sie sich einer Klasse von Materialien namens Benzoxazine zu, die aus biobasierten Quellen hergestellt werden können. Konkret kreierten sie eine Mischung unter Verwendung eines Moleküls, das aus Diphenolsäure abgeleitet ist – einer Substanz, die in Abfällen der Holzindustrie vorkommt – kombiniert mit einem langkettigen Amin. Diese Kombination erzeugt ein Bindemittel, das bei einer viel niedrigeren Temperatur härtet als herkömmliche Benzoxazine, was die Anwendung auf hitzeempfindliche Materialien wie die dünnen Kunststofffolien moderner Elektronik sicher macht. Um den Klebstoff leitfähig zu machen, mischten die Forscher winzige Metallkugeln unter. Nach dem Testen verschiedener Optionen, einschließlich Zink und Eisen, fanden sie heraus, dass Kupferkugeln am besten funktionierten. Die fertige Mischung, die fünfunddreißig Prozent Kupfer nach Gewicht enthielt, bildete eine Verbindung, die den Strom vertikal zwischen den Schichten fließen ließ, während sie ihn daran hinderte, sich seitlich auszubreiten – ein entscheidendes Merkmal zur Vermeidung von Kurzschlüssen in winzigen elektronischen Bauteilen.
Die Forscher unterzogen diesen neuen Klebstoff einer Reihe strenger Tests, um zu sehen, ob er den aktuellen Industriestandard ersetzen könnte. Sie montierten winzige Computerchips sowohl auf Papier als auch auf einer strapazierfähigen Kunststofffolie namens Kapton und verwendeten ein Heißwerkzeug, um die Komponenten festzupressen. Der Klebstoff zeigte eine bemerkenswerte Leistung und schuf elektrische Verbindungen, die ebenso stark und leitfähig waren wie jene, die mit einem führenden kommerziellen epoxidbasierten Produkt hergestellt wurden. Tatsächlich hielt der neue Klebstoff die Komponenten so sicher fest, dass beim Versuch, die Chips abzuziehen, das Papiersubstrat selbst riss, bevor der Klebstoff versagte. Dies demonstrierte, dass die Verbindung nicht nur elektrisch einwandfrei, sondern auch mechanisch robust war. Das Team setzte die geklebten Komponenten zudem extremen Bedingungen aus, einschließlich hoher Hitze und Feuchtigkeit sowie schnellen Temperaturwechseln, die darauf ausgelegt waren, jahrelange Abnutzung in nur wenigen Wochen zu simulieren. Der Klebstoff blieb währenddessen stabil und zeigte keinerlei Anzeichen von Degradation oder Verlust der elektrischen Verbindung.
Über die Leistung hinaus untersuchte die Studie die Umweltkosten der Herstellung dieses neuen Materials. Durch den Vergleich des neuen biobasierten Klebstoffs mit einem kommerziellen Nickel-basierten Klebstoff berechneten die Forscher die Menge an Kohlendioxid, die bei dessen Herstellung emittiert wird. Die biobasierte Version produzierte signifikant weniger Kohlendioxid, mit einem Fußabdruck von 5,48 Kilogramm pro Kilogramm Klebstoff, verglichen mit 6,27 Kilogramm beim kommerziellen Gegenstück. Die Studie legt nahe, dass dieser ökologische Vorteil noch größer ausfallen könnte, wenn der Herstellungsprozess lösungsmittelfrei gestaltet würde und wenn das verwendete Kupfer aus recycelten Materialien stammte. Die Arbeit bestätigt, dass es möglich ist, hochleistungsfähige elektronische Klebstoffe herzustellen, ohne auf toxische Epoxide oder umweltschädliche Metalle zurückgreifen zu müssen. Indem sie beweisen, dass ein biobasierter Klebstoff mit niedrigerer Temperaturleistung der Zuverlässigkeit aktueller kommerzieller Produkte ebenbürtig ist, ebnet diese Forschung den Weg für eine nachhaltigere Zukunft bei der Montage der Elektronik, die unser tägliches Leben antreibt.
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