혁신적 팀, 전자폐기물 문제 해결 위한 재활용·자가치유 전자소재 개발

바이오머와 액체 금속 결합한 재구성 가능 회로 소재로 e-waste 대폭 감축 길 열다

휴대폰, 태블릿, 노트북, 가전제품의 업그레이드와 고장으로 수많은 전자 기기가 버려지면서 '전자폐기물(e-waste)'이라는 고유 명칭까지 생겼습니다.

심각한 전자폐기물 현황

유엔의 2024년 보고서에 따르면 전 세계 전자폐기물 양은 지난 12년간 340억 kg에서 620억 kg으로 거의 두 배 증가했습니다. 이는 155만 대의 화물 트럭에 해당하며, 2030년에는 820억 kg에 달할 것으로 예상됩니다. 전체의 약 20%인 138억 kg만 재활용될 것으로 예상되며, 이 수치는 정체될 전망입니다.

버지니아 공대의 혁신적 해결책

단순히 버려지는 전자 기기가 늘어나고 재활용이 따라가지 못하고 있습니다. 하지만 버지니아 공대 기계공학과와 화학과 두 연구팀의 새로운 연구(Advanced Materials 게재)가 전자폐기물 문제의 잠재적 해결책을 제시합니다: 전자제품을 더 쉽게 분해하고 재사용할 수 있게 하는 재활용 가능 소재입니다.

기계공학 부교수 마이클 바틀렛(Michael Bartlett)과 화학과 조교수 조시 워치(Josh Worch)는 서로 다른 분야에서 왔지만, 함께 새로운 클래스의 회로 소재를 만들었습니다. 박사후 연구원과 대학원생 연구자들(동해 호, 멩 장, 라비 투티카)의 상당한 기여로 새 회로는 재활용 가능하고, 전기 전도성이 있으며, 재구성 가능하고, 손상 후 자가 치유됩니다. 그럼에도 기존 회로 기판 플라스틱의 강도와 내구성을 유지합니다. 이 모든 특징이 단일 소재에서 함께 발견되는 경우는 드뭅니다.

소재 구성과 작동 원리

새 소재는 바이오머(vitrimer)로 시작합니다. 바이오머는 재형성하고 재활용할 수 있는 동적 폴리머입니다. 이 다재다능한 소재에 전류를 운반하는 액체 금속 방울을 결합합니다. 기존 회로에서 딱딱한 금속이 하는 역할을 합니다.

이는 다른 재활용 가능하거나 유연한 전자 장치와 근본적으로 다른 접근법입니다. 고성능 적응형 폴리머와 전기 전도성 액체 금속을 결합함으로써 새 회로는 다양한 도전 과제에서도 견딜 수 있습니다.

"우리 소재는 기존 전자 복합재와 다릅니다."라고 바틀렛은 말했습니다. "회로 기판은 놀라울 정도로 탄력 있고 기능적입니다. 기계적 변형이나 손상 하에서도 여전히 작동합니다."

간편한 재활용 공정

기존 회로 기판 재활용은 여러 에너지 집약적 분해 단계를 거치며 여전히 많은 폐기물을 남깁니다. 수십억 달러 가치의 귀금속 구성요소가 공정 중 손실됩니다. 팀의 회로 기판 재활용은 간단하고 여러 방식으로 수행 가능합니다.

"기존 회로 기판은 재활용이 극도로 어려운 영구 열경화성 수지로 만들어집니다."라고 워치는 말했습니다. "여기서 우리 동적 복합 소재는 열을 가하면 손상된 것을 치유하거나 재형성할 수 있으며, 전기적 성능은 저하되지 않습니다. 현대 회로 기판은 단순히 이것을 할 수 없습니다."

바이오머 회로 기판은 알칼리 가수분해로 수명 종료 시 분해할 수 있어 액체 금속과 LED 같은 핵심 구성요소 회수가 가능합니다. 전도성 복합체의 모든 구성요소를 폐루프 공정으로 완전히 재사용하는 것은 향후 연구 목표로 남아 있습니다.

매립지 감축을 향한 중요한 진전

세계 소비자들이 버리는 전자 기기 수를 억제하는 것은 불가능할 수 있지만, 이 연구는 더 많은 기기를 매립지에서 벗어나게 하는 핵심 단계를 나타냅니다.

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