相比傳統(tǒng)的PCB電路板，一次性紙質(zhì)電路板已被視為更實(shí)惠、更容易獲得、更靈活且環(huán)保的印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)解決方案。

隨著電子產(chǎn)品變得越來(lái)越普遍，快速更新導(dǎo)致快速過(guò)時(shí)，電子廢物大量增加，對(duì)環(huán)境和公眾健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。美國(guó)在 2019 年產(chǎn)生了約 700 萬(wàn)噸電子垃圾，其中只有約 17% 被回收利用?；厥针娮釉O(shè)備非常困難，因?yàn)樗鼈冊(cè)诩夹g(shù)上不是為回收而設(shè)計(jì)的，并且具有不可生物降解和有毒的無(wú)機(jī)材料。

我們?cè)谌蚓陀袛?shù)十億部手機(jī)，而智能手機(jī)只是我們目前面臨的電子垃圾問(wèn)題的一部分 —— 各種各樣的其他電子設(shè)備加劇了這個(gè)問(wèn)題。隨著世界升級(jí)到更新的 5G 設(shè)備和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐加快，這個(gè)問(wèn)題只會(huì)變得更糟。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，我們需要采取雙管齊下的戰(zhàn)略。我們不僅應(yīng)該大幅提高電子產(chǎn)品的回收能力，而且還應(yīng)該努力生產(chǎn)一次性電子產(chǎn)品。

來(lái)自美國(guó)紐約州立大學(xué)賓厄姆頓分校的一組研究人員首先將蠟通道圖案打印到一張濾紙上。該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的原型由具有完全集成電氣組件的單張紙制成，可以燃燒或降解。

“顯然，就環(huán)保性而言，我們的整個(gè)紙質(zhì)電子產(chǎn)品將比使用現(xiàn)成的不可生物降解電子元件的傳統(tǒng)技術(shù)要好得多?！?/strong>

                                                                              —— 崔錫賢教授，紙質(zhì)電路板研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人

目前市場(chǎng)上的大多數(shù)電子產(chǎn)品都由玻璃纖維、樹(shù)脂和金屬布線制成的電路組成。這些設(shè)計(jì)的問(wèn)題在于它們昂貴、笨重且極難回收。這些缺點(diǎn)使它們不太適合用于護(hù)理點(diǎn)的醫(yī)療設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)器或個(gè)人可穿戴設(shè)備。最受歡迎的替代方案之一是基于紙張的電路。

紙張與一次性應(yīng)用具有出色的兼容性，提供了一種更實(shí)惠、更容易獲得、更靈活且易于一次性的替代品。紙張的生物降解性作為綠色電子產(chǎn)品的未來(lái)備受關(guān)注，減少了電子垃圾的急劇增加。此外，由于其優(yōu)異的機(jī)械和介電性能以及化學(xué)和熱穩(wěn)定性，紙已成為下一代電子產(chǎn)品（稱為紙電子學(xué)）的改變游戲規(guī)則的基材。

紙張與芯吸、印刷和堆疊的天然兼容性使我們能夠以經(jīng)濟(jì)高效和環(huán)保的方式利用紙張的所有有益特性，從而最大限度地減少制造工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。通過(guò)蠟印、紙墨注入和絲網(wǎng)印刷，金屬絲能夠保持柔韌性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與紙張基材的完全集成。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于紙張的放大器型電路，其中包含電阻器、電容器和晶體管。如上所述打印蠟通道后，他們將蠟熔化，使其浸泡在紙上，然后將導(dǎo)電和半導(dǎo)電油墨涂在紙上 —— 紙張中尚未被蠟飽和的區(qū)域。最后，他們絲網(wǎng)印刷了額外的導(dǎo)電金屬部件，并將基于凝膠的電解質(zhì)澆鑄到片材上。

在團(tuán)隊(duì)隨后進(jìn)行的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)性能正確，并且非常靈活。全紙一次性應(yīng)用設(shè)備可以通過(guò)焚燒或生物降解輕松安全地處理。紙印電路板在點(diǎn)火后 20 秒化為灰燼 —— 顯示出其可降解性，焚燒設(shè)施可以采用許多技術(shù)來(lái)確保適當(dāng)燃燒并減少排放。這是生產(chǎn)完全一次性電子設(shè)備的關(guān)鍵一步。這也將在很大程度上解決我們目前遇到的電子廢物問(wèn)題。

一次性紙電路板將適用于通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的一次性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），命名為一次性物聯(lián)網(wǎng)（IoDT）。IoDT 的新穎之處在于，它的 WSN 可以用小型，緊湊，一次性，功能性但廉價(jià)的軟件包構(gòu)建，這些軟件包可以連接到工作完成，然后很輕松的就可以將其處理掉。

IoDT 設(shè)備將通過(guò)快速部署新應(yīng)用和以可承受的價(jià)格創(chuàng)建服務(wù)來(lái)提供高度的智能和自主性，例如護(hù)理點(diǎn)個(gè)性化醫(yī)療保健系統(tǒng)，物流和貨運(yùn)跟蹤解決方案，食品和雜貨監(jiān)控系統(tǒng)以及軍事監(jiān)視或交付系統(tǒng)。

鑒于由完全可生物降解的材料制成的可生物降解電子產(chǎn)品將解決無(wú)法控制的電子廢物問(wèn)題，材料科學(xué)和紙張加工的密集技術(shù)進(jìn)步將是必不可少的。

盡管該項(xiàng)目試圖使用生物相容性合成聚合物以及環(huán)保的半導(dǎo)體，導(dǎo)電和絕緣材料，但可生物降解材料的發(fā)現(xiàn)和工程超出了該項(xiàng)目的范圍。這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是了解紙張作為基材的潛力，并建立創(chuàng)新策略，將現(xiàn)有電子元件集成到紙張中并開(kāi)發(fā)制造范式。

然而，在未來(lái)的工作中，成分將被更多可生物降解的材料所取代。

但所有紙質(zhì)設(shè)備都需要額外的包裝，因?yàn)闈穸瓤赡軙?huì)極大地改變紙張形態(tài)并降低其性能和保質(zhì)期。

該項(xiàng)目的目標(biāo)不是取代傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)電子工業(yè)。相反，它為新技術(shù)、應(yīng)用和市場(chǎng)提供了機(jī)會(huì)，以減少電子廢物的急劇增加。

短編程的一次性操作不需要具有高分辨率和可靠性的高科技集成電路。但是，研究團(tuán)隊(duì)表示將進(jìn)行更多更高密度和性能的研究工作。