재활용이 가능한 재료로 만들어진 인쇄회로기판(PCB)은 세계적으로 증가하는 전자 폐기물 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 4월 26일에 발표된 ‘자연 지속 가능성(Nature Sustainability)’ 저널 논문에 설명된 이 재활용 가능한 PCB는 기존 기판과 같은 성능을 발휘하지만, 기존 PCB와 달리 손쉽게 수리할 수 있습니다. 또한, 재활용 가능한 PCB를 만드는 데 사용되는 재료는 회수하고 재사용할 수 있습니다.
이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 재활용 가능한 PCB에 대한 내용을 전달하도록 하겠습니다.
기존 PCB의 환경문제
유엔에 따르면, 2022년에 전 세계적으로 6,200만 톤의 전자 폐기물이 생산되었으며, 우리는 2030년에 8,200만 톤을 생산할 예정입니다. 이는 30% 이상 증가한 것입니다. 전자 폐기물에서 화학물질이 빠져나와 물 공급을 오염시킬 수 있으며, 금과 구리 같은 가치 있는 재료를 회수하기 위해 전자 폐기물을 태울 때 공기 오염을 일으킵니다.
컴퓨터 칩과 그들의 상호 연결을 보유하는 기판인 기존 PCB는 이 환경 문제의 핵심입니다. 이들은 열가소성이라는 유형의 플라스틱과 혼합된 유리 섬유로 이루어져 있습니다. 이러한 중합체는 익힌 스파게티 덩어리처럼 보입니다. 이들은 기판을 강화하는 과정에서 가열될 때, 중합체가 서로 교차하는 모든 지점이 화학적으로 결합됩니다. 이러한 화학 결합은 되돌릴 수 없으므로, 기존 PCB는 재활용이 불가능합니다. 또한, 그들이 깨질 때 쉽게 수리할 수 없습니다.
재활용 가능한 소재의 개발
이제 연구자들은 vitrimer라는 다른 종류의 중합체로 재활용 가능한 PCB를 만들었습니다. 화학 공학자들은 2010년대부터 이러한 내구성이 뛰어나고 자가치유 기능을 갖춘 재료를 탐구해왔습니다. 기존의 열가소성 중합체와 마찬가지로, vitrimer는 가열될 때 서로 교차하는 지점에서 화학적으로 결합되며, 유리 섬유와 혼합하여 내구성 있는 복합 재료를 만들 수 있습니다. 그러나 vitrimer의 교차링크는 가역적이며, 적절한 처리를 통해 vitrimer는 손상 없이 완전히 회수되고 반복적으로 재사용될 수 있습니다.
워싱턴주 레드먼드에 위치한 마이크로소프트 연구소의 화학자인 Bichlien Nguyen은 이러한 중합체를 설계하는 데 기계 학습을 활용하고 있습니다. 그녀는 워싱턴 대학교의 컴퓨터 과학자인 Vikram Iyer와 기계 공학자인 Aniruddh Vashisth와 협력하여 재활용 가능한 PCB에 적합한 vitrimer를 개발했습니다.
이 vitrimer로 만든 PCB는 적절한 용매로 처리될 때 중합체가 해제되고, 재료가 젤 상태가 됩니다. 그런 다음 PCB에 층으로 쌓인 칩 및 기타 전자 장치, 구리 및 유리 섬유를 분리할 수 있습니다. 섬유와 vitrimer는 새로운 PCB를 만들기 위해 재사용될 수 있습니다. 재활용 과정에서 PCB를 만드는 데 사용된 vitrimer의 98%와 유리 섬유 전체, 그리고 용매의 91%가 회수될 수 있습니다.
Iyer는 vitrimer 기반 PCB가 전통적인 PCB와 전자 및 기계적 특성이 비슷하며, 기존 제조 공정과 호환된다고 말합니다. 팀은 전통적인 및 재활용 가능한 PCB에 환경 센서를 설치하고 온도, 습도 및 압력을 모니터링할 때 비슷한 성능을 보였습니다. Iyer는 재활용 가능한 기판이 현재 사용 중인 PCB에 사용되는 식각 및 레이저 미세가공 공정과 호환되므로, 실질적인 대체품을 제공해야 한다고 말합니다.
현재 PCB를 재활용하는 인프라가 없습니다. Iyer는 “이것은 새로운 기술적 능력이다”라고 말하며, PCB를 재활용 가능하게 만들면 역사적으로 쓰레기로 처리되던 것에 가치를 더하게 되어 전자 제품 공급망에서 원형성을 촉진할 수 있다고 덧붙였습니다.
Nguyen은 PCB 재활용이 이미 소비자가 반납한 전화기에서 구성품을 회수하기 위해 로봇 시스템을 사용하는 애플과 같은 대기업이나 데이터 센터 전자 제품에서 일부 재료를 회수하는 시스템을 갖춘 마이크로소프트와 같은 기업들에 의해 채택될 수 있다고 상상합니다. 그녀는 지구상에서 채굴된 금의 약 7%가 폐기물 처리장의 전자 폐기물에 갇혀 있다고 언급합니다.
다른 연구자들은 이전에 종이와 같은 재료를 사용한 재활용 가능한 PCB를 개발한 적이 있습니다. 그러나 해당 PCB는 기존 제조 공정과 호환되지 않습니다. 스탠포드 대학교에서 자가치유 및 생분해 전자 제품을 개발하는 화학 공학자인 Zhenan Bao는 vitrimer 연구가 매우 흥미로운 것이라고 말합니다. 그녀는 이메일에서 “물론 PCB는 이미 상용화되어 있으며 기판이 폐기물의 큰 부분을 차지한다”고 썼습니다. “기판을 재활용할 수 있는 방법이 있는 것이 바람직할 것입니다.”
팀은 또한 vitrimer 기반 PCB가 수리될 수 있다는 것을 보였습니다. 기존 PCB가 깨질 때, 종종 버려져야 합니다. Vitrimer는 자가치유 재료입니다. 다시 가열하면 어떤 구멍이든 쉽게 수리됩니다. 수리가 쉬운 PCB는 전자 제품 디자인에 대해 새로운 관점을 제공할 수 있으며, 모듈식 노트북 및 다른 소비자 전자 제품을 업그레이드할 수 있는 방법을 제공할 수 있습니다. 버리고 교체하는 대신 업그레이드할 수 있는 방법을 제공할 수 있습니다.
마무리
이번 포스팅에서는 재활용 가능한 PCB가 전자 폐기물 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 할 수 있음을 강조하였습니다. 이러한 기술이 대규모 기업들에 의해 채택되고, 전자 폐기물의 잠재적 가치를 실현하는 데 기여할 수 있음을 염두에 두어야 합니다. 또한, vitrimer 기반 PCB의 재료 회수 및 재사용 가능성이 산업적인 환경에 대한 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 시사하였습니다. 이러한 혁신적인 기술은 전자 제품 디자인과 제조 공정에 대한 새로운 접근 방식을 제시하여, 지속 가능한 전자 제품 생산과 재활용을 촉진할 수 있을 것으로 기대됩니다.