A környezeti hatások leküzdése az elektronikai alkatrésziparban

Az elektronikai ipar hatással van a környezetünkre, és folyamatos fejlődése közben továbbra is hatással fog lenni rá. A pozitívum az egészben, hogy az elektronika elterjedt használata az áramtermelés, a világítás, a motorvezérlés, az érzékelők és sok más alkalmazás terén drámai javulást hozott az energiahatékonyságot illetően, és fokozottabb lehetőséget nyújt környezetünk ellenőrzésére és szabályozására. A negatívum, hogy az elektronikus termékek elszaporodásával jelentősen megnőtt az elektronikai hulladék mennyisége a szemétlerakó helyeken, valamint megnövelte az általános energiafogyasztást és a veszélyes anyagoknak a környezetünkbe történő kibocsátását. Mit tehetünk ezen probléma leküzdése érdekében úgy, hogy közben az elektronika továbbra is folytatni tudja megkezdett evolúciós útját? Az iparágon belül számos új ötletet és irányzatot vizsgálnak a megoldás megtalálása érdekében.

Alacsonyabb energiafogyasztás

A környezetre gyakorolt hatással és a fenntarthatósággal kapcsolatos egyik újabb trend az alacsonyabb energiafogyasztásra való törekvés. Nem ritka, hogy az emberek egyszerre öt-hat elemmel táplált eszközt hordanak magukon – gondoljunk csak például a mobiltelefonokra, okosórákra, laptopokra, táblagépekre, okos fejhallgatókra és egyebekre. Ezen a területen általánosságban az a tendencia tapasztalható, hogy a gyártók tartós erőfeszítéseket tesznek az ilyen eszközök energiafogyasztásának csökkentésére. Az energiaigény csökkentésével kisebb elemek alkalmazhatók és az eszközök mérete is lecsökkenthető. Az alacsonyabb energiafogyasztás másik előnye az eszközök használói számára az egy-egy újratöltés vagy akkucsere közötti hosszabb idő.

Egy specifikus irányzat van kialakulóban, amely magára az akkumulátorok töltésére összpontosít. Az élettartamuk maximalizálása, és legfőképpen a biztonságos működés biztosításához az akkumulátor felépítésétől függően egyedi töltési módszereket kell alkalmazni, mivel bizonyos típusú akkumulátorok, ha nem előírásszerűen töltik őket, felrobbanhatnak. A töltés mára egy kifinomult technológiává vált, amely megköveteli az akkumulátor hőmérsékletének, feszültségének és áramerősségének zárt hurkú felügyeletét és szabályozását a töltési ciklus alatt. A helyes töltés növeli az akkumulátor várható élettartamát is. Mivel folyamatosan újabb és újabb akkutechnológiák jelennek meg, és mivel azok feltöltése általában nem egyszerű feladat, a töltésére fókuszáló ezen irányzat várhatóan fennmarad. Az akkumulátorok élettartamának meghosszabbítása hozzájárul ahhoz, hogy az eszközt hosszabb ideig használják, és ez csökkenti az elektronikus hulladék mennyiségét a hulladéklerakókban.

Létezik azonban egy környezetbarát, szerves alapú energiatárolási módszer, amely ugyan népszerű, de mégsem annyira elterjedt, mint az akkumulátorok: ezek a szuperkondenzátorok. Nem rendelkeznek akkora kapacitással vagy hosszú távú tárolási képességgel, mint a hagyományos akkumulátorok, de sokkal gyorsabban tölthetők, és sokkal több újratöltési ciklus elviselésére képesek, mint a hagyományos újratölthető akkumulátorok. Mivel a szuperkondenzátorok önkisülési ideje általában hetekben mérhető, ezt a szempontot figyelembe kell venni a potenciális alkalmazásoknál. Ma már több gyártó kínálatában is szerepelnek szuperkondenzátorok, és az 1. ábrán a KEMET által gyártott különböző tokozású szuperkondenzátorok láthatók. Az akkumulátorok helyett kondenzátorokat tartalmazó eszközök némelyike akár normál környezeti fénnyel is tölthető. Ezzel az eszköz egy természetes energiaforrásból táplálkozó készülékké válik, mivel a kondenzátor rendszeresen feltöltésére a fényt használja fel, ami számára üzemi szempontból hasznos energiamennyiséget biztosít. Energiagyűjtésre napjainkban leginkább a mozgást, a hőkülönbséget és a fényt használják.

1. ábra Különféle tokozású KEMET szuperkondenzátorok. (Kép: KEMET)

Energiagyűjtés

Energiagyűjtés alatt az a folyamat értendő, amikor az energiát külső forrásokból, például napenergiából, hőenergiából, szélenergiából vagy más forrásból nyerik, majd begyűjtik és tárolják. Tipikus példák erre a kisméretű, vezeték nélküli autonóm eszközök, mint amilyeneket például a viselhető eszközökben és a vezeték nélküli érzékelőhálózatokban alkalmaznak. A 2. ábrán néhány Littelfuse gyártmányú IXOLAR™ sorozathoz tartozó napelem látható, amelyeket általában kisméretű, alacsony fogyasztású elektronikus eszközök táplálásához használnak.

2. ábra Kisméretű Littelfuse IXOLAR™ napelemek. (Kép: Littelfuse)

Az energiagyűjtés elve nem újkeletű, visszanyúlik egészen a szélmalmokra és vízikerekekre, de az újfajta energiagyűjtő eszközök kifejlesztését az a vágy táplálja, hogy az érzékelőhálózatok és az elem nélküli mobil eszközök számára a tápenergia akkumulátor nélkül is biztosítható legyen. Egy népszerű és egyre elterjedtebb felhasználási esetre példa a nehezen karbantartható terepi távérzékelők táplálása, amelyeknél egy-egy akkumulátorcsere végrehajtása igen költséges és bonyolult lehet. Jelentős az érdeklődés az energiagyűjtés iránt az éghajlatváltozás és a globális felmelegedés okozta problémák kezelése miatt is.

A DigiKey kínálata sokféle energiagyűjtési fejlesztőlapot és készletet tartalmaz, de különálló energiafogyasztás-szabályozó chipeket is. A Power Film beltéri szolár készlete (3. ábra) egy komplett megoldás, amely tartalmazza a gyártó beltéri használatra tervezett napelemeit, valamint egy energiagyűjtési, energiatárolási és energiafogyasztás-szabályozási fejlesztőlapot és egy újratölthető elemet. A fejlesztőlapon egy Nordic nRF52832 BLE modul és egy Texas Instruments gyártmányú BQ25570 energiagyűjtési/energiafogyasztás-szabályozási IC található.

3. ábra A Power Film beltéri szolár készlete. (Kép: Power Film)

Eldobható vékonyréteg-elemek

Egy másik fenntartható megoldás a rugalmas, nyomtatott, vékonyréteg-elemek használata, amelyeket szilárdtest vékonyréteg-elemeknek (vagy vékonyréteg-akkumulátoroknak) is neveznek. A szilárdtest-akkumulátorok pontosan olyanok, mint amilyennek a nevük is mondja őket: szilárdak, vagyis nem tartalmaznak sem géleket sem folyadékokat. Nagyon vékony anyag- vagy fóliarétegekből készülnek, és a tervezetten vékony kialakításnak köszönhetően igen rugalmasak, ami igen vonzóvá teszi őket a viselhető érzékelőeszközök piaca számára. Ezen szilárdtest alapú vékonyfilm-elemek nagy része kielégíti a vékonyságra és rugalmasságra vonatkozó piaci igényeket, de kialakításuk során gyakran mégis lítium-alapú technológiát vagy más vegyi anyagokat alkalmaznak, amelyek potenciálisan mérgezővé teszik őket a környezet számára.

Ha figyelembe veszük az évente kidobott elhasznált elemek nagy számát, bizonyos típusú elemek elterjedt használata és azok toxikussága komoly problémát jelent. Mivel az elektronikus eszközök, például a laptopok és az okostelefonok iránti kereslet növekedett, egyaránt fokozódott ennek hozzájárulása az évente keletkező hulladék mennyiségéhez. Az elemek általában nem bomlanak le biológiai úton, és nemtörődöm kidobásuk esetén fennáll annak veszélye, hogy mérgező fémek és vegyszerek szivárognak belőlük a talajba. Számos ország ma már előírásokkal szabályozza az elemek és akkumulátorok ártalmatlanítását, és újrahasznosítási programokat is kínálnak. Ezek a programok lehetővé teszik az akkumulátorban lévő fémek újrahasznosítását, és csökkenthetik az akkumulátorok ártalmatlanításának környezetre gyakorolt ​​negatív hatásait. Az Egyesült Államok Környezetvédelmi Ügynöksége egy olyan honlapot működtet, amelyen számos kezdeményezés és program található az elektronikus alkatrészek fenntartható használatára vonatkozólag.

Az akkumulátorok ártalmatlanítására vonatkozó előírások, ötvöződve azzal, hogy egyre nagyobb igény van a dolgok internetéhez csatlakoztatni kívánt eszközök áramellátásának biztosítására, arra ösztönzik a vállalatokat, hogy a veszélyes vegyszereket tartalmazó akkumulátor-technológiák helyett a biztonságos és fenntartható alternatívákat kutassák. Egyik ilyen megoldás a Molex vékonyréteg-elem sorozata (4. ábra). A lítium akkumulátoros rokonaikkal ellentétben ezek az elemek cink-mangán-dioxid technológiára épülnek, és élettartamuk végén a végfelhasználók számára biztonságosabban és kényelmesebben ártalmatlaníthatók.

4. ábra Molex gyártmányú vékonyréteg-akkumulátor. (Kép: Molex)

A valós életből vett felhasználási példákból felismerhetők azok a területek, ahol az olyan jellemzők, mint például az alacsony profil, a rugalmasság, az eldobhatóság és a kis helyigény igen nagyra értékeltek, és ahol várható, hogy a vékonyréteg-akkumulátorok piaca továbbra is növekedni fog. Erre egy különösen érdekes példa a vékonyréteg-akkumulátorok használata ultramagas frekvenciás (UHF) intelligens hőmérsékleti címkékben. A címkék körülbelül hitelkártya méretűek és kissé vastagabbak a szokásos nyomtatópapíroknál. Logisztikai hűtőlánc-menedzserek használják őket a hőmérséklet-érzékeny termékeknél, például gyógyszeripari termékeknél, romlandó élelmiszereknél és virágoknál. Ezek az intelligens hőmérséklet-címkék a rádiófrekvenciás azonosítást (RFID), az intelligens hőmérsékletérzékelést és a nyomtatott vékonyréteg-elemeket ötvözik az idő és a hőmérséklet pontos nyomon követésére a termék szállítása és tárolása során.

Ezenkívül, a fogyasztói, kozmetikai és egészségügyi piacokon is kísérleteznek a vékonyréteg-akkumulátorok alkalmazásával. A fogyasztói és kozmetikai piacok kereszteződésében egy villamosított szemmaszk-alkalmazás található. A maszkban egy mikroáramú eszköz található, amely a rugalmas nyomtatott elemből, elektródákból, ragasztószalagból és fedőlapból áll. A tapasz bőrre helyezése azonnal egy zárt áramkört hoz létre, és a kozmetikum a maszk aktív elektródáiról a bőrbe áramlik. A vékonyréteg-akkumulátorok egyéb fogyasztópiaci alkalmazásai a viselhető elektronikus és sportfelügyeleti eszközök, köztük például egy olyan alacsony energiájú Bluetooth (BLE) érzékelő tapasszal, amely a gyorsulás és a szögsebesség mérésére a golfütő fejéhez rögzíthető. Az eldobható vékonyréteg-elemek orvostechnológiai alkalmazásai között szerepelnek a betegek diagnosztikai, terápiás és állapotkövetési eszközei is.

Az elmúlt néhány évtizedben nagy előrelépések történtek az új és különböző típusú energiaforrások és akkumulátorok kifejlesztése érdekében. Mindez főként azért történt, mert ki kell elégíteni az energiára egyre éhesebb világ igényét, ahol a mindennapi használatban lévő sok eszköz és rendszer áramellátásának biztosítására van szükség. A közelmúltban a vállalatok olyan kondenzátorokat és akkumulátorokat kezdtek kifejleszteni, amelyek bőségesen rendelkezésre álló, fenntartható forrásból származó, valamint az emberek és a környezet számára egyaránt biztonságos anyagokból készülnek. A természetben előforduló energiaforrásokból származó energia begyűjtése egy másik olyan, környezetvédelmi szempontból fenntartható gyakorlat, amelyet sok vállalat vizsgál. Az ipari, a tárgyak internetéhez kapcsolódó, a fogyasztói és az egészségügyi piacok, már sikeresen tesztelték a vékonyréteg-elemekkel, szuperkondenzátorokkal és energiagyűjtéses módszerekkel táplált termékek használatát és gyártását. Ezen módszereknél az energiatárolási kapacitás és gyárthatóság növelése tekintetében további fejlesztésre van szükség, de ezzel együtt egy másik fontos kérdés is hajtja a fejlesztőket, és ez pedig az, hogy a jövőben ezek a módszerek és gyakorlatok hol lesznek alkalmazhatók?