KLUCZOWE ASPEKTY EKOLOGICZNOŚCI WYROBÓW ELEKTRONICZNYCH POWSZECHNEGO UŻYTKU NA PRZYKŁADZIE TELEFONÓW PRZENOŚNYCH

Transkrypt

1 I Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna EKOLOGIA W ELEKTRONICE Przemysłowy Instytut Elektroniki Warszawa, KLUCZOWE ASPEKTY EKOLOGICZNOŚCI WYROBÓW ELEKTRONICZNYCH POWSZECHNEGO UŻYTKU NA PRZYKŁADZIE TELEFONÓW PRZENOŚNYCH Witold KORNACKI Przemysłowy Instytut Elektroniki Warszawa, ul.długa 44/50, tel: , kornwit@pie.edu.pl W pracy przedstawiono podstawowe zagadnienia związane z ekologicznością wybranych przedstawicieli wyrobów elektronicznych powszechnego użytku na przykładzie telefonów komórkowych i bezprzewodowych, analizując wpływ konstrukcji i technologii wykonania podstawowych modułów tych aparatów telefonicznych. WSTĘP W artykule skoncentrowano się na prezentacji takich podstawowych aspektów ekologiczności wyrobów elektronicznych powszechnego użytku, jak: masa wyrobu zużycie energii na etapie poszczególnych faz życia wyrobu ryzyko związane z oddziaływaniem na środowisko i zdrowie ludzi oszczędność materiałów oraz energii w procesie produkcji, eksploatacji i likwidacji wyrobu łatwość ponownego wykorzystania wyrobu na przykładzie charakterystyki telefonów przenośnych (komórkowych i bezprzewodowych) firmy Philips, podobnych pod względem funkcjonalnym i wprowadzonych na rynek w porównywalnym okresie czasu, co do których zebrano szereg informacji o ich ekologiczności. Wyniki tych porównań przedstawiono na podstawie badań wykonanych przez Philips Consumer Electronics i Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration [3]. 20

2 Telefony przenośne wybrano ze względu na ich rosnącą popularność i powszechność stosowania, co tym samym rzutuje jednocześnie na ich rosnący negatywny wpływ na środowisko. Podstawowe dane dotyczące masy obudowy, płytek drukowanych, wyświetlaczy, baterii, kabli połączeniowych i adaptera, jak również powierzchni płytek drukowanych i liczby elementów dla poszczególnych aparatów telefonicznych przedstawiono w tabeli. Tabela. Porównanie masy przykładowych telefonów komórkowych i bezprzewodowych Słuchawka Fizz (996) Komórkowe Genie (997) Bezprzewodowe Dect2 (996) Xalio (997) Masa obudowy (g) Elektronika: Masa płytek drukowanych PWB (g) Powierzchnia płytek drukowanych (cm 2 ) Liczba elementów > > > > 250 Masa wyświetlacza (g) Masa baterii (g) Stacja bazowa Masa obudowy (g) Elektronika: Masa płytek drukowanych PWB (g) Powierzchnia elementów (cm 2 ) Liczba elementów > > 300 Kable połączeniowe (g) Adapter (g) Masa całkowita (g) Analizowane wyroby składają się z takich podstawowych zespołów, jak: wymienne lub ładowalne źródło zasilania (baterie, akumulatory) wyświetlacz ciekłokrystaliczny LCD obudowa płytki drukowane z układami sterowania. 2. ŹRÓDŁA ZASILANIA Akumulatory stosowane w analizowanych telefonach przedstawiono w tabeli 2. Najbardziej popularne i zarazem najtańsze są akumulatory NiCd, choć rośnie 2

3 popularność akumulatorów litowych czy wodorotlenkowych. Akumulatory litowojonowe charakteryzują się niską masą i objętością jak również zdolnością do dostarczenia względnie najwyższej wartości napięcia zasilającego w stosunku do innych materiałów elektrod. Mają one też wyższą trwałość ze względu na niewystępowanie w nich efektu pamięciowego, skracającego czas życia akumulatorów NiCd, co ogranicza też zarazem ich negatywne oddziaływanie na środowisko. Korzystnie przedstawiają się też parametry ogniw wodorotlenkowych z powodu płaskiej konstrukcji, wysokich wartości napięć zasilania i długiego czasu eksploatacji (tabela 2). Tabela 2. Porównanie parametrów akumulatorów w wybranych telefonach Telefony komórkowe Telefony bezprzewodowe Fizz Genie Dect2 Xalio Typ NiCd Li-Ion NiCd NiCd Masa (g) Napięcie (V) Pojemność (mah) Przechowywana energia (Wh) Gęstość energii (Wh/g) Pobór energii przez rozpatrywane urządzenia jest bardzo istotny z punktu widzenia ich oddziaływania na środowisko, przy czym ważne jest przy tym uwzględnienie poboru energii w poszczególnych, typowych cyklach eksploatacyjnych, np. praca, czuwanie stand-by, ładowanie (tabela 3) z jednoczesnym uwzględnieniem czasu trwania poszczególnych faz eksploatacji (tabela 4). Tabela 3. Pobór mocy w trakcie użytkowania Telefony komórkowe Telefony bezprzewodowe Fizz Genie Dect2 Xalio Czas użytkowania (lata) Praca Pobór mocy (W) Czas pracy (h/d) Czuwanie stand-by Pobór mocy (W) Czas czuwania (h/d) Ładowanie Pobór mocy (W) Czas ładowania (h/d)

4 Tabela 4. Zużycie energii przykładowych telefonów w ciągu roku w kwh Telefony komórkowe Telefony bezprzewodowe Fizz Genie Dect2 Xalio Praca Czuwanie stand-by Ładowanie.. Z przedstawionych przykładów widać wyraźnie, że sumaryczny pobór mocy w okresie eksploatacji jest najmniejszy dla telefonów komórkowych, na co wpływa przede wszystkim pobór mocy w stanie czuwania. 3. WYŚWIETLACZE Każde z analizowanych urządzeń wyposażone jest w wyświetlacz ciekłokrystaliczny LCD, o różnej konstrukcji i różnym składzie chemicznym (cząsteczki organiczne z domieszką związków aromatycznych), których oddziaływanie na środowisko w momencie ich składowania w postaci odpadów jest trudne do określenia. Na Politechnice Berlińskiej [3] wykonano na pobranych próbkach bioluminescencyjny test bakteryjny, który potwierdził toksyczność związków stosowanych w analizowanych wyświetlaczach oraz wykazał zróżnicowanie tego efektu w zależności od rodzaju konstrukcji zastosowanego wyświetlacza (od silnego do bardzo małego efektu toksycznego). Dotychczasowe wyniki badań nad szkodliwością oddziaływania na otoczenie wskaźników LCD wskazują na konieczność szczególnie ostrożnego trybu postępowania w trakcie składowania ich na wysypiskach odpadów. Firma Vicor Co. w raporcie [3] zaproponowała metodę ich unieszkodliwiania poprzez rozkład katalityczny na związki CO 2, halogenki, tlenki azotu i wodę po operacji ich uprzedniego oddzielenia od pozostałych części obudowy, rozdrobnienia i próżniowej separacji związków ciekłokrystalicznych w próżni. W przypadku braku możliwości ich chemicznego unieszkodliwienia wyświetlacze LCD powinny być składowane na składowiskach podziemnych (koszt około USD za tonę). Nowe konstrukcje wyświetlaczy LCD na elastycznych foliach polimerowych zapowiadają się w tym kontekście bardzo interesująco, umożliwiając znaczne obniżenie ich toksyczności przy korzystnych parametrach jakości obrazu i cenie. 4. OBUDOWA I ADAPTER Obudowy prezentowanych telefonów wykonane są z mieszaniny poliwęglanów i tworzywa ABS. Odpowiadające im masy określono w tabeli. Uwagę zwraca bardzo mała masa telefonu komórkowego Genie, wynikająca z wysokiego stopnia miniaturyzacji i mniejszej grubości ścianek obudowy. W przypadku telefonów komórkowych adapter (ładowarka) potrzebny jest tylko w momencie ładowania natomiast w przypadku telefonu przenośnego jest on dołączony na stałe, pobierając przy tym energię. Zwraca uwagę także znaczne zróżnicowanie masy adapterów. 23

5 Generalnie można stwierdzić, że zużycie zasobów a więc i tym samym masa materiałów, które należy zutylizować w momencie zakończenia fazy eksploatacji jest znacznie mniejsza w przypadku telefonów komórkowych w porównaniu z aparatami przenośnymi. Ponieważ zmienność mody praktycznie uniemożliwia powtórne wykorzystanie obudów aparatów należy więc zapewnić optymalne warunki do recyklingu obudów poprzez dobór odpowiednich materiałów i takie zaprojektowanie konstrukcji, aby umożliwić prosty, szybki i tani demontaż. Ciekawym pomysłem jest w tym przypadku wykorzystanie polimerów z pamięcią kształtu, umożliwiających aktywny demontaż (automatyczny rozpad obudowy po doprowadzeniu jej do temperatury progowej, zwykle około 00 o C). 5. PŁYTKI DRUKOWANE Płytki drukowane, ze względu na wielość różnych związków chemicznych, które zawierają, często o bardzo niepożądanym oddziaływaniu ekologicznym, wymagają szczególnej uwagi. Również duże zużycie zasobów (energii, materiałów) na etapie ich produkcji skłania do poświęcenia im szczególnej troski. Wagowo najwięcej znaczą związki dwutlenku krzemu, zawarte w laminatach z włókien szklanych i ich wypełniaczach, żywice epoksydowe ze związkami zmniejszającymi palność oraz miedź, tworząca ścieżki przewodzące. Jednakże z punktu widzenia ekologii najgroźniejszy jest ołów, zawarty w stopach lutowniczych oraz materiały zmniejszające palność, zawierające związki bromu. W celu porównania toksyczności stosowanych materiałów, zwłaszcza do produkcji płytek drukowanych, w [3] zaproponowano wykorzystanie wskaźnika TPI potencjału toksycznego (ang. Toxic Potential Indicator), umożliwiającego ocenę w skali od 0 do 00 toksyczności mg badanej substancji. 5.. Podłoża W klasycznych płytkach drukowanych FR-4 szczególnie szkodliwe jest oddziaływanie związków bromu, zawartych w materiałach zmniejszających palność, ponieważ włókna szklane i utwardzone żywice epoksydowe mają stosunkowo nieduży wskaźnik TPI. Prowadzi to do preferowania płytek drukowanych FR-P, w których związki bromu zawarte w materiałach zmniejszających palność zastąpiono fosforem przy pozostawieniu pozostałych elementów konstrukcyjnych i procesu technologicznego bez zmian. Inną korzystną modyfikacją jest wykonywanie płytek drukowanych na podłożu poliamidowym, nie wymagającym (ze względu na wysoką temperaturę zapłonu około 250 o C i własności samogaszenia) stosowania materiałów zmniejszających palność. Ze względu na zmniejszoną masę i objętość folii PI ich szkodliwe oddziaływanie ulega dodatkowej redukcji. Płytki na podłożu ceramicznym, mimo ich niskiej toksyczności, wymagają dużo więcej energii na etapie ich wytwarzania, co ogranicza ich wykorzystanie do zastosowań specjalnych. Natomiast wcześniej opisane płytki FR-P czy na podłożu foliowym poliamidowym PI przy cenie wyższej o około 0% od płytek FR-4 stanowią interesującą dla nich alternatywę w wielu zastosowaniach. Z punktu widzenia ekologiczności i kosztów optymalne wydają się być płytki na elastycznym podłożu foliowym, stwarzając dzięki swej małej masie i elastyczności dodatkowe możliwości redukcji wymiarów i masy obudów. 24

6 5.2. Stopy lutownicze Klasyczny stop lutowniczy cynowo-ołowiowy (SnPb37) charakteryzuje się wysokim wskaźnikiem toksyczności TPI=7.84 mg -. Szkodliwy wpływ ołowiu na środowisko jest powszechnie znany, a w świetle nowych regulacji prawnych Unii Europejskiej należy się liczyć z rychłą koniecznością jego eliminacji ze stosowania w urządzeniach elektronicznych [][2]. Obecnie wielu producentów pracuje nad nowymi stopami lutowniczymi nie zawierającymi związków ołowiu, np. opartymi o stopy cyna-bizmut, cyna-srebro czy cyna-miedź. W przypadku stopu cyna-bizmut należy zachować duży sceptycyzm, gdyż bizmut wytwarzany jest jako produkt uboczny przy rafinacji ołowiu co zmniejsza jego szansę na stanie się dopuszczalną alternatywą dla stopów ołowiowych.. Z kolei stopy SnAg2 cechują się co prawda znacznie zmniejszonym potencjałem toksyczności ale jednocześnie posiadają temperaturę topnienia około 220 o C co ogranicza ich stosowanie do elementów odpornych na podwyższoną temperaturę lutowania. Podobna sytuacja dotyczy stopów SnCu, które posiadają jeszcze niższy potencjał toksyczności przy temperaturze topnienia około 227 o C. Ze stosowaniem stopów bezołowiowych związane są też inne problemy, np. gorsza zwilżalność czy konieczność użycia innej konstrukcji pieców lutowniczych. Z drugiej strony użycie tych stopów z elementami odpornymi na podwyższoną temperaturę umożliwia opracowanie nowych układów elektronicznych o wymaganej wysokiej niezawodności w zastosowaniach, które przy aktualnie stosowanych stopach byłyby znacznie utrudnione. Obecnie firma Nortel w Kanadzie opracowała konstrukcję pierwszego telefonu bezołowiowego wykorzystującego stop cyna-miedź [3][4] Komponenty Płytki drukowane zawierają dużą rozmaitość elementów elektronicznych, o różnej masie i składzie chemicznym, wynikającym z odmiennej konstrukcji, technologii czy realizowanych funkcji. W związku z tym indeks TPI dla elementów elektronicznych zmienia się w szerokim zakresie. Wysokie wartości TPI wynikają z dużej masy względnie nietoksycznych materiałów bądź ze względnie niedużej masy ale o dużej toksyczności jednostkowej. Zawartość składników standardowego układu scalonego do montażu powierzchniowego w obudowie SO20 i masie 5mg przedstawiono w tabeli 5 z podaniem toksyczności jego podstawowych materiałów składowych. Zminiaturyzowane wersje nowych opracowań układów scalonych oraz nowe technologie ich wykonania, np. flip chip, cechują się mniejszą zawartością materiałów, a tym samym mniejszą szkodliwością dla środowiska. Specyficzny problem związany jest z elementami typu kondensatory czy rezystory, wykonanymi w technologii SMD, dla których wskaźniki toksyczności TPI ze względu na ich małą masę mają niewielką wartość jednostkową, ale ze względu na częste występowanie tych elementów na płytkach drukowanych w dużych ilościach - sumaryczny wskaźnik TPI osiąga wartość znaczną. 25

7 Tabela 5. Skład standardowego układu scalonego do montażu powierzchniowego w obudowie SO20 i masie 5mg o wskaźniku IZM-TPI=862. Istotne materiały: Sb 2 O 3, Cu, TBBA Element Materiał Masa (mg) TPI/mg TPI Ażur Cu SnPb 2 O Obudowa Żywica SiO Sb 2 O TBBA Struktura Si 5 0 Doprowadzenia Au Klej Ag OCENA OGÓLNA Przedstawiona analiza ekologiczności czterech telefonicznych aparatów przenośnych wskazuje na mniej szkodliwe oddziaływanie na środowisko aparatów telefonii komórkowej w porównaniu z telefonami bezprzewodowymi. Wynika to głównie z ich mniejszej masy (wyjątek: LCD, elektronika) i zmniejszonego poboru mocy, głównie w stanie czuwania. Korzystny efekt odgrywa też w przypadku telefonów komórkowych stosowanie bardziej efektywnych źródeł zasilania, np. akumulatorów litowo-jonowych. Dodatkowo różnice te są zaznaczone różnym stopniem oddziaływania ekologicznego w poszczególnych fazach życia produktu, mierzonym wartością Eko-Wskaźnika w wymiarze rocznym. Można jednak wyrazić obawę, że na obecnym etapie rozwoju postęp technologiczny i konstrukcyjny telefonicznych aparatów przenośnych, wpływający na poprawę ich parametrów jakościowych i obniżenie jednostkowego ujemnego oddziaływania na środowisko, mierzonego przykładowo wartością Eko-Wskaźnika, w wymiarze globalnym, wpływając na wzrost liczby produkowanych aparatów, może ostatecznie wpływać na te środowisko w sposób ujemny. Tabela 6. Wpływ na środowisko przykładowych telefonów w punktach wartości Eko-Wskaźnika w stosunku rocznym Fazy życia Produktu Telefony komórkowe Telefony bezprzewodowe Fizz Genie Dect2 Xalio Produkcja Pakowanie/transport Użytkowanie Utylizacja Suma

8 LITERATURA. Al-Okush H., Caudill R.J., Thomas V.: Understanding the Real Impact of DFE Guidelines: A Case Study of Four Generations of Telephones - Report /99 IEEE Ram A.A.P., Dekers J.M.R., Stevels A.L.N.: Recyclability of Consumer Electronics - Proceedings Innovation 98, Vienna Ram B. Et all.: Environmental Performance of Mobile Products - Report /99 IEEE Yan P., Zhou M.C., Sebastian D.: Multi-lifecycle Product and Process Development: Selection of Optimal Production, Usage and Recovery Processes - Report /99 IEEE 999. KEY ASPECTS OF ECOLOGICAL IMPACT OF ELECTRONIC PRODUCTS RELATED TO THE MOBILE PHONES APPLICATIONS This paper presents the basic problems related to the ecological impact of some selected electronic products, such as cellular and cordless phones. The analysis of the design and manufacturing technology of basic phone modules as well as some general conclusions on environmental aspects of mobile phones applications have been also shown. 27