Bio-based benzoxazine electrically conductive adhesives for sustainable and epoxy-free hybrid printed electronics
Questo studio presenta un adesivo conduttivo anisotropo a base di benzossazina sostenibile e bio-based che raggiunge prestazioni elettriche e affidabilità paragonabili ai sistemi epossidici commerciali, offrendo al contempo temperature di cura inferiori, una tossicità ridotta e un minore potenziale di riscaldamento globale.
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L'elettronica moderna si affida a minuscoli e invisibili ponti per connettere i componenti che permettono ai nostri dispositivi di funzionare. Nel mondo dei circuiti stampati, dove delicati sensori e chip vengono montati su fogli flessibili di plastica o persino di carta, questi ponti sono spesso realizzati con una colla speciale chiamata adesivo elettricamente conduttivo. Questa colla deve compiere due difficili compiti contemporaneamente: deve tenere fermamente in posizione le parti e deve permettere alla corrente elettrica di fluire attraverso di essa in una direzione specifica per completare un circuito. Per decenni, l'industria si è affidata a colle basate sull'epossidica, una comune resina plastica. Sebbene efficaci, queste colle tradizionali hanno un lato oscuro. Spesso richiedono sostanze chimiche tossiche per la produzione, possono causare reazioni allergiche ai lavoratori che le maneggiano e devono essere conservate in congelatori per evitare che induriscano troppo presto. Inoltre, contengono spesso cariche metalliche che sono dannose per l'ambiente. Con l'aumentare della spinta verso una tecnologia più verde, gli scienziati stanno cercando un legante che sia più sicuro, più facile da usare e derivato dalla natura piuttosto che dal petrolio.
Un team di ricercatori presso i RISE Research Institutes della Svezia e la Joanneum Research in Austria ha sviluppato un nuovo tipo di colla conduttiva che affronta questi problemi. Invece di utilizzare l'epossidica, si sono rivolti a una classe di materiali chiamati benzossazine, che possono essere realizzati da fonti bio-basate. Nello specifico, hanno creato una miscela utilizzando una molecola derivata dall'acido difenolico, una sostanza presente negli scarti dell'industria del legno, combinata con un'ammina a catena lunga. Questa combinazione crea un legante che indurisce a una temperatura molto più bassa rispetto alle benzossazine tradizionali, rendendolo sicuro da utilizzare su materiali termosensibili come i sottili film plastici utilizzati nell'elettronica moderna. Per rendere la colla conduttiva, i ricercatori hanno mescolato piccole sfere metalliche. Dopo aver testato diverse opzioni, tra cui zinco e ferro, hanno scoperto che le sfere di rame funzionavano meglio. La miscela finale, contenente il trentacinque per cento di rame in peso, ha formato un legame che permetteva alla corrente di fluire verticalmente tra gli strati, bloccandola però dal diffondersi lateralmente, una caratteristica cruciala per prevenire cortocircuiti nei minuscoli componenti elettronici.
I ricercatori hanno sottoposto questo nuovo adesivo a una serie di rigorosi test per vedere se potesse sostituire lo standard attuale del settore. Hanno montato minuscoli chip per computer sia su carta che su un resistente film plastico noto come Kapton, utilizzando uno strumento riscaldato per premere i componenti in posizione. La colla si è comportata in modo straordinario, creando connessioni elettriche che erano altrettanto forti e conduttive di quelle realizzate con un prodotto commerciale a base di epossidica leader nel settore. Infatti, la nuova colla teneva i componenti così saldamente che, quando hanno provato a staccare i chip, il substrato di carta si è lacerato prima che la colla cedesse. Ciò ha dimostrato che il legame non era solo elettricamente valido, ma anche meccanicamente robusto. Il team ha inoltre sottoposto i componenti incollati a condizioni difficili, tra cui calore elevato e umidità, nonché a rapidi cambiamenti di temperatura progettati per simulare anni di usura in poche settimane. L'adesivo è rimasto stabile durante tutto il processo, non mostrando segni di degradazione o perdita di connessione elettrica.
Oltre alle prestazioni, lo studio ha esaminato il costo ambientale della produzione di questo nuovo materiale. Confrontando la nuova colla bio-basata con un adesivo commerciale a base di nichel, i ricercatori hanno calcolato la quantità di anidride carbonica emessa durante la sua creazione. La versione bio-basata ha prodotto significativamente meno anidride carbonica, con un'impronta di 5,48 chilogrammi per chilogrammo di colla, rispetto ai 6,27 chilogrammi dell'alternativa commerciale. Lo studio suggerisce che questo vantaggio ambientale potrebbe essere ancora maggiore se il processo di produzione venisse reso privo di solventi e se il rame utilizzato provenisse da materiali riciclati. Il lavoro conferma che è possibile creare adesivi elettronici ad alte prestazioni senza fare affidamento su epossidiche tossiche o metalli dannosi per l'ambiente. Dimostrando che una colla bio-basata a bassa temperatura può eguagliare l'affidabilità degli attuali prodotti commerciali, questa ricerca apre la strada verso un futuro più sostenibile per l'assemblaggio dell'elettronica che alimenta le nostre vite quotidiane.
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