Bio-based benzoxazine electrically conductive adhesives for sustainable and epoxy-free hybrid printed electronics
यह अध्ययन एक टिकाऊ, जैव-आधारित बेंज़ोक्साज़ीन एनिसोट्रोपिक कंडक्टिव एडहेसिव प्रस्तुत करता है जो कम क्यूरिंग तापमान, कम विषाक्तता और कम ग्लोबल वार्मिंग पोटेंशियलल प्रदान करते हुए वाणिज्यिक एपॉक्सी प्रणालियों के तुलनीय विद्युत प्रदर्शन और विश्वसनीयता प्राप्त करता है।
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आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स हमारे उपकरणों को कार्य करने में सक्षम बनाने वाले घटकों को जोड़ने के लिए सूक्ष्म, अदृश्य पुलों पर निर्भर करते हैं। प्रिंटेड सर्किट की दुनिया में, जहाँ नाजुक सेंसर और चिप्स को प्लास्टिक या यहाँ तक कि कागज की लचीली शीट पर लगाया जाता है, ये पुल अक्सर एक विशेष गोंद से बने होते हैं जिसे विद्युत चालक अधिशेष (electrically conductive adhesive) कहा जाता है। इस गोंद को एक साथ दो कठिन कार्य करने चाहिए: इसे भागों को मजबूती से अपनी जगह पर बनाए रखना चाहिए, और इसे एक विशिष्ट दिशा में बिजली बहने देना चाहिए ताकि सर्किट पूरा हो सके। दशकों से, उद्योग एपॉक्सी पर आधारित गोंद पर निर्भर रहा है, जो एक सामान्य प्लास्टिक रेजिन है। प्रभावी होने के बावजूद, इन पारंपरिक गोंदों का एक काला पक्ष भी है। उन्हें बनाने के लिए अक्सर जहरीले रसायनों की आवश्यकता होती है, वे उन्हें संभालने वाले श्रमिकों के लिए एलर्जी का कारण बन सकते हैं, और उन्हें बहुत जल्दी सख्त होने से रोकने के लिए फ्रीजर में संग्रहित करना पड़ता है। इसके अलावा, इनमें अक्सर ऐसे धातु भराव (metal fillers) होते हैं जो पर्यावरण के लिए हानिकारक होते हैं। जैसे-जैसे हरित तकनीक की मांग बढ़ रही है, वैज्ञानिक एक ऐसे बाइंडर की तलाश कर रहे हैं जो सुरक्षित हो, उपयोग में आसान हो, और पेट्रोलियम के बजाय प्रकृति से प्राप्त हो।
RISE रिसर्च इंस्टीट्यूट ऑफ स्वीडन और जोआनेम रिसर्च (Joanneum Research), ऑस्ट्रिया की एक टीम ने एक नए प्रकार के कंडक्टिव गोंद को विकसित किया है जो इन समस्याओं का समाधान करता है। एपॉक्सी का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने बेंज़ोक्साज़ीन (benzoxazines) नामक सामग्रियों की एक श्रेणी की ओर रुख किया, जिन्हें जैव-आधारित स्रोतों से बनाया जा सकता है। विशेष रूप से, उन्होंने डिफेनोलिक एसिड से प्राप्त एक अणु, जो लकड़ी उद्योग के कचरे में पाया जाने वाला पदार्थ है, को एक लंबी-श्रृंखला वाले अमीन (long-chain amine) के साथ मिलाकर एक मिश्रण तैयार किया। यह संयोजन एक ऐसा बाइंडर बनाता है जो पारंपरिक बेंज़ोक् meskipun बहुत कम तापमान पर सख्त होता है, जिससे यह आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग की जाने वाली पतली प्लास्टिक फिल्मों जैसे ताप-संवेदनशील पदार्थों के लिए सुरक्षित हो जाता है। गोंद को चालक बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने इसमें सूक्ष्म धातु के गोले मिलाए। जिंक और आयरन सहित कई विकल्पों का परीक्षण करने के बाद, उन्होंने पाया कि कॉपर (तांबे) के गोले सबसे अच्छा काम करते हैं। तीस प्रतिशत वजन के हिसाब से कॉपर युक्त अंतिम मिश्रण ने एक ऐसा बंधन बनाया जिसने परतों के बीच लंबवत (vertically) बिजली को बहने दिया, जबकि इसे बगल में फैलने से रोक दिया, जो छोटे इलेक्ट्रॉनिक घटकों में शॉर्ट सर्किट को रोकने के लिए एक महत्वपूर्ण विशेषता है।
शोधकर्ताओं ने इस नए अधिशेष (adhesive) को कठोर परीक्षणों से गुजारा ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह वर्तमान उद्योग मानक की जगह ले सकता है। उन्होंने एक गर्म उपकरण का उपयोग करके घटकों को दबाकर, कागज और कपटन (Kapton) नामक एक टिकाऊ प्लास्टिक फिल्म दोनों पर छोटे कंप्यूटर चिप्स लगाए। गोंद ने उल्लेखनीय प्रदर्शन किया, जिससे ऐसे विद्युत कनेक्शन बने जो एक अग्रणी वाणिज्यिक एपॉक्सी-आधारित उत्पाद द्वारा बनाए गए कनेक्शनों जितने ही मजबूत और चालक थे। वास्तव में, नया गोंद घटकों को इतनी मजबूती से पकड़ता था कि जब उन्होंने चिप्स को खींचने की कोशिश की, तो गोंद के विफल होने से पहले कागज का आधार (substrate) ही फट गया। इसने प्रदर्शित किया कि बंधन न केवल विद्युत रूप से सुदृढ़ था, बल्कि यांत्रिक रूप से भी मजबूत था। टीम ने अत्यधिक गर्मी और आर्द्रता, साथ ही तेजी से तापमान परिवर्तन के साथ कठोर स्थितियों में भी इन चिपकाए गए घटकों का परीक्षण किया, जो कुछ ही हफ्तों में वर्षों के टूट-फूट का अनुकरण करने के लिए डिज़ाइन किए गए थे। अधिशेष पूरे समय स्थिर रहा, जिसमें क्षरण या विद्युत कनेक्शन के नुकसान के कोई संकेत नहीं मिले।
प्रदर्शन के अलावा, अध्ययन ने इस नए पदार्थ के उत्पादन की पर्यावरणीय लागत पर भी गौर किया। नए जैव-आधारित गोंद की तुलना एक वाणिज्यिक निकल-आधारित अधिशेष से करते हुए, शोधकर्ताओं ने इसके निर्माण के दौरान उत्सर्जित कार्बन डाइऑक्साइड की मात्रा की गणना की। जैव-आधारित संस्करण ने काफी कम कार्बन डाइऑक्साइड का उत्पादन किया, जिसका फुटप्रिंट 5.48 किलोग्राम प्रति किलोग्राम गोंद था, जबकि वाणिज्यिक विकल्प के लिए यह 6.27 किलोग्राम था। अध्ययन सुझाव देता है कि यह पर्यावरणीय लाभ और भी अधिक हो सकता है यदि निर्माण प्रक्रिया को विलायक-मुक्त (solvent-free) बनाया जाए और यदि उपयोग किए गए कॉपर को पुनर्चक्रित (recycled) सामग्री से प्राप्त किया जाए। यह कार्य पुष्टि करता है कि जहरीले एपॉक्सी या पर्यावरण के लिए हानिकारक धातुओं पर निर्भर हुए बिना उच्च-प्रदर्शन वाले इलेक्ट्रॉनिक अधिशेष बनाना संभव है। यह सिद्ध करके कि एक जैव-आधारित, निम्न-तापमान वाला गोंद वर्तमान वाणिज्यिक उत्पादों की विश्वसनीयता के बराबर हो सकता है, यह शोध हमारे दैनिक जीवन को संचालित करने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के संयोजन के लिए एक अधिक टिकाऊ भविष्य का मार्ग खोलता है।
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