การต่อสู้กับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในอุตสาหกรรมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของเราและจะยังคงส่งผลกระทบต่อไปในขณะที่มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ในด้านบวก เป็นการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้นในการผลิตไฟฟ้า, แสงสว่าง, การควบคุมมอเตอร์, เซ็นเซอร์ และแอพพลิเคชั่นอื่น ๆ อีกมากมาย ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานและความสามารถในการตรวจสอบและควบคุมสภาพแวดล้อมของเราดีขึ้นอย่างมาก ในด้านลบ การแพร่หลายของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ส่งผลให้เกิดขยะอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากในหลุมฝังกลบ การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้นและการปล่อยวัสดุที่เป็นอันตรายสู่สิ่งแวดล้อมของเรา แต่จะทำอย่างไรได้บ้างเพื่อต่อสู้กับปัญหาและปล่อยให้มีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องตามเส้นทางวิวัฒนาการของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นี้ มีการสำรวจแนวคิดและแนวโน้มใหม่ ๆ ในอุตสาหกรรมเพื่อหาทางแก้ไข

ลดการใช้พลังงาน

แนวโน้มใหม่ที่เกี่ยวข้องกับผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมและขอบเขตแห่งความยั่งยืนคือความปรารถนาที่จะลดการใช้พลังงาน ไม่ใช่เรื่องแปลกที่ผู้คนจะมีอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ห้าหรือหกเครื่องในเวลาเดียวกัน ลองนึกถึงโทรศัพท์มือถือ นาฬิกาอัจฉริยะ แล็ปท็อป แท็บเล็ต หูฟังอัจฉริยะและอื่น ๆ แนวโน้มทั่วไปที่เห็นในด้านนี้คือความพยายามอย่างต่อเนื่องในการสร้างความต้องการพลังงานที่ลดลงสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ การใช้พลังงานที่ต่ำลงทำให้แบตเตอรี่และอุปกรณ์มีขนาดเล็กลง ข้อดีอีกประการหนึ่งของการใช้พลังงานที่ต่ำลงสำหรับผู้ใช้อุปกรณ์คือใช้เวลานานขึ้นระหว่างการชาร์จหรือเปลี่ยนแบตเตอรี่

แนวโน้มเฉพาะที่เกิดขึ้นคือวิธีการชาร์จแบตเตอรี่ สารเคมีในแบตเตอรี่ต้องการรูปแบบการชาร์จที่แตกต่างกันเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งคือการรักษาความปลอดภัยเนื่องจากสารเคมีบางชนิดอาจระเบิดได้หากชาร์จไม่ถูกต้อง การชาร์จกลายเป็นแอปพลิเคชั่นที่ซับซ้อนซึ่งต้องมีการตรวจสอบอุณหภูมิแรงดันและกระแสของแบตเตอรี่ด้วยวงปิดการปรับตัวแปรระหว่างรอบการชาร์จ การชาร์จอย่างเหมาะสมยังช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ เนื่องจากเคมีภัณฑ์รุ่นใหม่ได้รับการพัฒนา แนวโน้มความซับซ้อนในการชาร์จจึงคาดว่าจะยังคงมีอยู่ อายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้นทำให้อุปกรณ์ใช้งานได้นานขึ้นและทำให้ขยะอิเล็กทรอนิกส์ในหลุมฝังกลบน้อยลงในที่สุด

มีเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานอินทรีย์ที่เป็นสีเขียวซึ่งเป็นที่นิยม แต่ไม่แพร่หลายเท่าแบตเตอรี่ ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ แบตเตอรี่เหล่านี้ไม่มีความจุหรือความสามารถในการจัดเก็บระยะยาวของแบตเตอรี่แบบเดิม แต่สามารถชาร์จได้เร็วกว่ามากและสามารถรักษารอบการชาร์จไฟได้มากกว่าแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟทั่วไป เนื่องจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีเวลาในการปลดปล่อยตัวเองซึ่งโดยทั่วไปจะวัดเป็นสัปดาห์การใช้งานที่มีศักยภาพจึงจำเป็นต้องคำนึงถึงสิ่งนี้ด้วย ขณะนี้ซัพพลายเออร์หลายรายมีซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ และรูปที่ 1 แสดงตัวอย่างของKEMETตัวเลือกแพ็คเกจ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ อุปกรณ์บางอย่างที่ใช้ตัวเก็บประจุแทนแบตเตอรี่สามารถชาร์จได้โดยใช้แสงโดยรอบปกติ สิ่งนี้ทำให้อุปกรณ์เป็นเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานตามธรรมชาติโดยใช้แสงเป็นแหล่งพลังงานเพื่อชาร์จตัวเก็บประจุเป็นประจำเพื่อให้พลังงานในปริมาณที่เป็นประโยชน์ การเคลื่อนที่ความแตกต่างของความร้อนและแสงน่าจะเป็นรูปแบบการเก็บเกี่ยวพลังงานที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในปัจจุบัน

รูปที่ 1: รูปภาพรูปแบบแพ็คเกจซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ของ KEMET แบบต่าง ๆ (แหล่งรูปภาพ: KEMET)

การเก็บเกี่ยวพลังงาน

การเก็บเกี่ยวพลังงานเป็นกระบวนการที่พลังงานได้มาจากแหล่งภายนอก เช่น พลังงานแสงอาทิตย์พลังงานความร้อนพลังงานลมและอื่น ๆ จากนั้นจะถูกจับและจัดเก็บ แอปพลิเคชันทั่วไปคืออุปกรณ์ไร้สายขนาดเล็กที่เป็นอิสระเช่นเดียวกับที่ใช้ในอุปกรณ์สวมใส่และเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สาย รูปที่ 2 แสดงบางส่วนของ Littelfuse IXOLAR™ โดยทั่วไปโซลาร์เซลล์จะใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่ใช้พลังงานต่ำ

รูปที่ 2: Littelfuse IXOLAR™ โซลาร์เซลล์ขนาดเล็ก (แหล่งรูปภาพ: Littelfuse)

การเก็บเกี่ยวพลังงานเกิดขึ้นตั้งแต่กังหันลมและกังหันน้ำ แต่แรงผลักดันที่อยู่เบื้องหลังการค้นหาอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานใหม่คือความปรารถนาที่จะใช้พลังงานเครือข่ายเซ็นเซอร์และอุปกรณ์พกพาที่ไม่มีแบตเตอรี่ กรณีการใช้งานที่ได้รับความนิยมและเพิ่มมากขึ้นคือการเปิดใช้งานเซ็นเซอร์ระยะไกลที่ติดตั้งในภาคสนามซึ่งยากและมีค่าใช้จ่ายสูงในการซ่อมบำรุง นอกจากนี้ยังมีความสนใจอย่างมากในการเก็บเกี่ยวพลังงานเพื่อแก้ไขปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและภาวะโลกร้อน

DigiKey นำเสนอทางเลือกมากมายของ บอร์ดทดสอบและสาธิตการเก็บเกี่ยวพลังงาน เช่นเดียวกับ ชิปการจัดการกำลังไฟฟ้าแต่ละแบบ Power Filmผู้ผลิต ชุดพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้ในอาคาร (แสดงในรูปที่ 3) แสดงให้เห็นถึงโซลูชันที่สมบูรณ์และรวมถึงแผงโซลาร์เซลล์ในอาคารตลอดจนคณะกรรมการประเมินการจัดการพลังงานการเก็บเกี่ยวและจัดเก็บพลังงานและแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ บอร์ดทดสอบประกอบด้วย Nordic nRF52832 BLE โมดูล และ Texas Instruments BQ25570 IC สำหรับเก็บเกี่ยว/จัดการกำลังไฟฟ้า

รูปที่ 3: ชุดพลังงานแสงอาทิตย์ในอาคารของ Power Film (แหล่งรูปภาพ: Power Film)

แบตเตอรี่แบบ thin-film ใช้แล้วทิ้ง

อีกทางเลือกหนึ่งที่ยั่งยืนคือแบตเตอรี่แบบฟิล์มบางที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งเรียกว่าแบตเตอรี่ฟิล์มบางโซลิดสเตท แบตเตอรี่โซลิดสเตตเป็นเพียงของแข็งโดยไม่มีเจลหรือของเหลวอยู่ภายในโครงสร้าง พวกเขาได้รับการออกแบบและผลิตด้วยวัสดุชั้นบาง ๆ หรือฟิล์มและการออกแบบที่บางเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่ทำให้พวกเขามีความยืดหยุ่นและน่าสนใจสำหรับตลาดการตรวจจับที่สวมใส่ได้ แบตเตอรี่ฟิล์มบางโซลิดสเตตจำนวนมากเหล่านี้ตอบสนองความต้องการของตลาดในเรื่องความบางและความยืดหยุ่น แต่มักจะยังคงได้รับการออกแบบด้วยเคมีที่ใช้ลิเทียมหรือสารเคมีอื่น ๆ ที่อาจเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม

การใช้งานอย่างแพร่หลายและความเป็นพิษของแบตเตอรี่บางชนิดกลายเป็นปัญหาเมื่อพิจารณาถึงปริมาณแบตเตอรี่จำนวนมหาศาลที่ทิ้งไปทุกปี เนื่องจากความต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น แล็ปท็อปและสมาร์ทโฟนเพิ่มขึ้นจึงมีส่วนสนับสนุนปริมาณขยะที่เกิดขึ้นในแต่ละปี โดยทั่วไปแบตเตอรี่ไม่สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้และเมื่อโยนทิ้งอย่างไม่ระมัดระวังอาจเสี่ยงต่อการปล่อยโลหะและสารเคมีที่เป็นพิษลงสู่พื้น ปัจจุบันหลายประเทศมีข้อบังคับเกี่ยวกับการทิ้งแบตเตอรี่และเสนอโครงการรีไซเคิล โปรแกรมเหล่านี้ช่วยรีไซเคิลโลหะจากแบตเตอรี่และสามารถช่วยลดผลกระทบด้านลบของการทิ้งแบตเตอรี่ที่มีต่อสิ่งแวดล้อมได้ หน่วยงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมของสหรัฐอเมริกาดูแลเว็บไซต์ที่มีโครงการริเริ่มและโครงการต่างๆมากมายสำหรับ การจัดการอิเล็กทรอนิกส์อย่างยั่งยืน

กฎระเบียบในการกำจัดแบตเตอรี่ควบคู่ไปกับความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นและการเชื่อมต่ออุปกรณ์อื่น ๆ กับ Internet of Things เป็นแรงจูงใจให้ บริษัท ต่างๆสำรวจทางเลือกที่ปลอดภัยและยั่งยืนสำหรับสารเคมีแบตเตอรี่ที่เป็นอันตราย Molex ไลน์สินค้าของแบตเตอรี่แบบ thin-film เป็นหนึ่งในวิธีแก้ปัญหาดังกล่าว (รูปที่ 4) แบตเตอรี่เหล่านี้ต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมที่ได้รับการออกแบบด้วยเคมีแมงกานีสไดออกไซด์ของสังกะสีและปลอดภัยกว่าและสะดวกกว่าสำหรับผู้ใช้ในการกำจัด

รูปที่ 4: แบตเตอรี่แบบ thin-film (แหล่งรูปภาพ: Molex)

กรณีการใช้งานในชีวิตจริงช่วยเน้นการใช้งานที่คุณสมบัติต่าง ๆ เช่น ความละเอียดต่ำ ความยืดหยุ่น ความสามารถในการทิ้ง และขนาดเล็กมีมูลค่าสูงและเป็นที่ที่คาดว่าตลาดแบตเตอรี่ thin film จะเติบโตอย่างต่อเนื่อง กรณีการใช้งานที่น่าสนใจอย่างหนึ่งคือการใช้แบตเตอรี่ thin-film ในแท็กอุณหภูมิอัจฉริยะความถี่สูงพิเศษ (UHF) แท็กมีขนาดประมาณบัตรเครดิตและหนากว่ากระดาษเครื่องพิมพ์มาตรฐานเล็กน้อย ใช้โดยผู้จัดการโลจิสติกส์ cold chain สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ไวต่ออุณหภูมิ เช่น ผลิตภัณฑ์ยา อาหารที่เน่าเสียง่าย และดอกไม้ แท็กอุณหภูมิอัจฉริยะเหล่านี้ใช้การผสมผสานของเทคโนโลยีรวมถึงการระบุความถี่วิทยุ (RFID) การตรวจจับอุณหภูมิอัจฉริยะและแบตเตอรี่ thin-film ที่พิมพ์ออกมาเพื่อติดตามเวลาและอุณหภูมิอย่างแม่นยำในระหว่างการขนส่งและการจัดเก็บผลิตภัณฑ์

นอกจากนี้ตลาดผู้บริโภคเครื่องสำอางและการแพทย์กำลังทดลองใช้งานแบตเตอรี่ thin-film ที่จุดตัดของตลาดผู้บริโภคและเครื่องสำอางคือแอปพลิเคชั่นมาส์กหน้าด้วยไฟฟ้า หน้ากากนี้มีอุปกรณ์กระแสไฟฟ้าขนาดเล็กซึ่งประกอบด้วยแบตเตอรี่พิมพ์แบบยืดหยุ่นขั้วไฟฟ้าเทปกาวและแผ่นปิด การวางแผ่นแปะบนผิวหนังจะทำให้เกิดวงกระแสขึ้นทันทีและเครื่องสำอางจะไหลจากอิเล็กโทรดที่ใช้งานอยู่ในมาส์กไปยังผิวหนัง แอพพลิเคชั่นอื่น ๆ ในตลาดผู้บริโภคของแบตเตอรี่ thin-film มีอยู่ในอุปกรณ์ตรวจสอบในทางกีฬาและเสื้อผ้าอิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงแพทช์เซ็นเซอร์บลูทูธพลังงานต่ำ (BLE) ที่ติดอยู่ที่ด้านข้างของหัวไม้กอล์ฟเพื่อวัดความเร่งและความเร็วเชิงมุม การใช้งานทางการแพทย์สำหรับแบตเตอรี่ thin-film แบบใช้แล้วทิ้ง ได้แก่ อุปกรณ์ตรวจวินิจฉัยผู้ป่วยการรักษาและการตรวจสอบ

ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมามีความก้าวหน้าอย่างมากในการพัฒนาแหล่งพลังงานและแบตเตอรี่ประเภทใหม่และหลากหลายเพื่อตอบสนองโลกที่หิวโหยมากขึ้นในการขับเคลื่อนอุปกรณ์และแอพพลิเคชั่นจำนวนมากที่ใช้อยู่ทุกวัน เมื่อไม่นานมานี้ บริษัทต่าง ๆ ได้เริ่มพัฒนาตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ที่ทำจากวัสดุที่มีอยู่มากมายยั่งยืนและปลอดภัยต่อทั้งสิ่งแวดล้อมและผู้คน การเก็บเกี่ยวพลังงานจากพลังงานที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเป็นอีกแนวทางปฏิบัติที่ยั่งยืนที่หลายบริษัทกำลังทำการสำราจ ตลาดต่างๆเช่นอุตสาหกรรม Internet of Things, ผู้บริโภค และการแพทย์ ประสบความสำเร็จในการทดลองและผลิตผลิตภัณฑ์ที่ขับเคลื่อนโดยแบตเตอรี่ thin-film ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และอุปกรณ์ที่เก็บเกี่ยวพลังงาน จำเป็นต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มขีดความสามารถและความสามารถในการผลิตของวิธีการเหล่านี้ แต่คำถามเร่งด่วนหนึ่งคำถามยังคงขับเคลื่อนนักพัฒนา: วิธีการและแนวทางปฏิบัติเหล่านี้จะนำไปใช้ที่ไหนต่อไป?