環境を改善する3つの素晴らしい電子設計のヒント

世界はエレクトロニクスに夢中です。Statistaによると、2023年には全世界で合計67億台のスマートフォンが契約されるということです。同様の2023年の調査では、米国人は消費者向けスマートフォンを2.67年ごとに、企業向けスマートフォンを2.54年ごとに買い替えていることがわかりました。これは大量の電子廃棄物ですが、全体のごく一部に過ぎません。Statistaは、2022年の電子廃棄物の世界総量は6,200万トンと推定しています。

残念ながら、電子廃棄物を環境に優しく経済的に処理する方法は、まだ見つかっていません。電子廃棄物の不適切な処理や廃棄は、鉛、水銀、ヒ素など、さまざまな環境に有害な物質を放出する可能性があるため、これは懸念すべき問題です。また、エレクトロニクスの製造も同様に有害である可能性があることに留意すべきです。

これら要因すべてが、環境に優しく持続可能な電子製品に対する需要を生み出しています。現在利用可能な選択肢は限られていますが、電子設計技術者がより環境に配慮した選択を行うために留意すべき点がいくつかあります。

エレクトロニクスを設計するための3つの環境コンセプト

電子技術者が環境保護の観点から設計を改善するために利用できるコンセプトは数多くあります。それらは以下の通りです。

1. 持続可能な設計
2. グリーン製造
3. 循環型経済

McKinsey & Companyによると、「我々の分析によると、研究開発は製品の総コストの5%以下を占めるが、その製品の資源フットプリントの最大80%に影響を与える」ことが示されています。

その結果、持続可能な設計は、新しいエレクトロニクスを開発する際に最も重要な要素になるかもしれません。そのプロセスには、原材料の収集から製品の廃棄に至るまで、製品のライフサイクル全体の設計に環境への配慮を加えることが含まれます。多くのCAD、PLM、エンジニアリング設計ツールが環境ライフサイクルアセスメント（LCA）をコアテクノロジーに組み込んでいるため、この導入は容易になっています。

第二に、電子機器の製造工程が環境に大きな影響を与えることは周知の事実です。より持続可能なプロセスが研究されているとはいえ、技術者はまだここで変化をもたらすことができます。スマートな製造手法を導入することで、工場のエネルギー効率を改善し、廃棄物を減らすことができます。さらに、再生可能エネルギー源を生産電力源に選択することで、技術者はこれらのプロセスをより環境に優しいものにするための第一歩を踏み出すことができます。

最後に、技術者は循環型経済を念頭に置いた製品設計を始める必要があります。これは、製品やその部品、さらには原材料までもが、簡単に再利用、修理、リサイクルできることを意味します。これは、電子製品を修理して再販する権利を超えたものです。企業は、古い製品を簡単に再生したり、新しい製品に再利用したりできるリサイクルワークフローを考え出す必要があります。

現在、そして未来の環境エレクトロニクス

では、技術者はどのような環境に優しい部品や材料を利用できるのでしょうか。残念ながら、エレクトロニクス業界にとって、現在のところ選択肢は限られています。

多くの研究者が、リサイクル材料や豊富な材料から電子部品を製造する可能性を評価しています。しかし、より合成的な有機材料の道を歩む研究者もいます。例えば、以下のようなものがあります。

• グリーンエレクトロニクスとフォトニクスのためのシルクまたは紙ベースの材料
• バイオエレクトロニクス用イオン伝導性ハイドロゲル
• 生体適合性と生物分解性に優れた導電性ポリマー複合材料
• 電気化学的エネルギー貯蔵用のバイオ顔料とグラファイト炭素量子ドット
• スロットダイコーティングされた有機UVインジケータおよびフィルタ用グリーン溶剤
• バクテリアセルロースと再生ポリスチレンをベースにした有機LED基板

しかし、最も有望な研究のいくつかは、有機電界効果トランジスタ（OFET）です。OFETの目標は、基板、半導体、誘電体といった従来の電子部品に取って代わることです。これらは生物学的に分解可能で、豊富な材料から作られます。これまでに生み出されたコンセプト製品には、折りたたみ式ディスプレイ、IDカード、センサ、さらには人工皮膚などがあります。しかし、OFETの開発と研究はまだ初期段階にあります。

では、現在技術者が利用できるグリーン部品にはどのようなものがあるのでしょうか。その一例が、WAGOの スプライシングコネクタGreen Range 221シリーズです。コネクタは、その一部が生物循環材料と再生プラスチックでできています。

WAGOのグリーンレンジ221シリーズのスプライシングコネクタは、その一部に生物循環材料と再生プラスチックを使用しています。（画像提供：WAGO）

さらに、Allegro Microsystemsは、設計を合理化し、エネルギー伝送を最適化する電力およびセンシングソリューションの製品ラインを提供しています。これらの製品は、ソーラーインバータ、ヒートポンプ、電気自動車（EV）充電器などのグリーンアプリケーション向けにも設計されています。

グリーンアプリケーション向けに最適化された他の部品としては、技術者はカスタマイズ可能な一連のEV充電用相互接続を ITT Cannonに求めることができます。また、Klein Toolsは、パワーバンク、パワーステーション、ポータブルバッテリを素早く充電できる60Wの折りたたみ式ソーラーパネルを提供しています。

最後に、IEEE Spectrumは、「窒化ガリウム（GaN）とシリコンカーバイド（SiC）がグリーンテクノロジーの覇権を争っている」と報じました。同紙は、「どちらが勝っても、温室効果ガスを数十億トン削減できるだろう」と付け加えています。これは主に、GaNとSiCが従来のシリコン部品よりも効率的に動作するという事実によるものです。このため、この材料はすでに照明業界の電力使用量をに30～40%削減しています。その結果、これらの材料は現在、他の電子アプリケーションでも使われ始めています。

GaNとSiCの詳細と、それらが従来のシリコントランジスタと比較して持つ環境上の利点については、以下のウェビナーをご覧ください。高効率アプリケーションに最適なワイドバンドギャップ技術