MIT entwickelt Lösung für Elektroschrott
Forschende des MIT entwickeln ein Substratmaterial für flexible Elektronik, das recycelbar ist und die Herstellung komplexer Schaltkreise ermöglicht. Das lichtgehärtete Polymer könnte die Produktion beschleunigen und wertvolle Komponenten wiederverwertbar machen.
Flexible Elektronikmodule aus herkömmlichen Materialien können bislang nur schwierig recycelt werden.
Foto: PantherMedia / Deyan Georgiev
Die Flut an Elektroschrott schwillt bedrohlich an und droht, mit der Einführung neuartiger flexibler Elektronik für Robotik, Wearables und Gesundheitsüberwachung noch weiter zu steigen. Besonders Einweggeräte verschärfen die Problematik. Ein innovatives, biegsames Trägermaterial, das Forscher des MIT, der University of Utah und Meta gemeinsam entwickelt haben, verspricht, das Recycling von Bauteilen am Lebensende eines Geräts zu erleichtern. Aber nicht nur das: Es ermöglicht auch die großtechnische Fertigung komplexerer mehrlagiger Schaltungen, die mit herkömmlichen Substraten bisher nicht realisierbar waren.
Elektroschrott-Recycling: Neue Wege für alte Geräte
Diese bahnbrechende Entwicklung wird in einem Artikel von Professor Thomas J. Wallin vom MIT, Professor Chen Wang von der University of Utah und sieben weiteren Forscherinnen und Forschern in der Fachzeitschrift RSC: Applied Polymers vorgestellt. Wallin betont: „Wir wissen, dass Elektroschrott eine anhaltende Krise darstellt, die sich mit dem Bau immer neuer Geräte und der fortschreitenden Entwicklung nur noch verschärfen wird.“ Bisher konzentrierte sich ein Großteil der akademischen Forschung auf die Entwicklung von Alternativen zu gängigen Substraten für flexible Elektronik, für die hauptsächlich Kapton, ein Polyimid, zum Einsatz kommt.
Die meisten Forschungsansätze fokussierten sich auf völlig neuartige Polymermaterialien. „Dabei wird jedoch der kommerzielle Aspekt vernachlässigt – also die Frage, warum sich die Industrie ursprünglich für bestimmte Materialien entschieden hat“, erklärt Wallin. Kapton punktet mit hervorragenden thermischen und isolierenden Eigenschaften sowie der leichten Verfügbarkeit von Ausgangsstoffen. Experten prognostizieren, dass der Polyimidmarkt bis 2030 ein globales Volumen von vier Milliarden Dollar erreichen wird. Wang erläutert: „Es ist allgegenwärtig, praktisch in jedem elektronischen Gerät verbaut.“ Auch die Luft- und Raumfahrtindustrie nutzt es aufgrund seiner hohen Hitzebeständigkeit häufig.
Elektroschrott-Vermeidung durch innovative Materialien
Kapton lässt sich allerdings weder schmelzen noch auflösen, was ein Recycling nahezu unmöglich macht. Diese Eigenschaften erschweren auch die Herstellung von Schaltkreisen für fortschrittliche Architekturen wie mehrlagige Elektronik. Die konventionelle Kapton-Produktion erfordert Temperaturen von 200 bis 300 Grad Celsius. „Das ist ein recht langwieriger Prozess, der Stunden in Anspruch nimmt“, erklärt Wang. Das vom Team entwickelte Material, ebenfalls ein Polyimid und somit kompatibel mit bestehenden Fertigungsanlagen, ist ein lichtgehärtetes Polymer. Es ähnelt dem Material, das Zahnärzte für langlebige Füllungen verwenden, die innerhalb weniger Sekunden unter UV-Licht aushärten. Diese Aushärtungsmethode ist nicht nur schneller, sondern funktioniert auch bei Raumtemperatur.
Neues Material ermöglicht effizientere Elektronik
Das Material verspricht, die Herstellung mehrschichtiger Schaltkreise zu revolutionieren. Es ermöglicht, deutlich mehr Komponenten auf kleinstem Raum unterzubringen. Bislang erforderte waren aufwendige Klebeprozesse nötig, um das hitzebeständige Kapton-Substrat zu verarbeiten. Das neue Substrat lässt sich hingegen bei niedrigen Temperaturen nutzen und härtet blitzschnell aus. Wang betont, dass dies völlig neue Perspektiven für mehrschichtige Bauteile eröffnet. Die Forscherinnen und Forscher integrierten spezielle Untereinheiten in die Polymerstruktur, die sich mittels einer Alkohol-Katalysator-Mischung rasch auflösen lassen. Dadurch können wertvolle Edelmetalle und intakte Mikrochips aus dem Elektroschrott zurückgewonnen und in neuen Geräten wiederverwendet werden.
Wang erläutert: „Wir haben das Polymer mit Estergruppen in der Hauptkette entwickelt.“ Im Gegensatz zu herkömmlichem Kapton lassen sich diese Estergruppen mit einer Lösung aufbrechen. Das Substrat wird entfernt, ohne die restlichen Bauteile zu beschädigen. Um die Technologie zu vermarkten, gründete das Team der University of Utah ein Start-up-Unternehmen. Wallin betont die aktuellen Lieferkettenprobleme bei Chips und anderen Materialien. Die in den Bauteilen enthaltenen Seltenen Erden besitzen einen enormen Wert. Daher sieht Wallin jetzt große wirtschaftliche und ökologische Anreize, diese Recycling-Verfahren für Elektroschrott weiterzuentwickeln.
Elektroschrott-Verwertung: Forschungsteam und Finanzierung
An dem Projekt arbeiteten Caleb Reese und Grant Musgrave von der University of Utah sowie Jenn Wong, Wenyang Pan, John Uehlin, Mason Zadan und Omar Awartani von Metas Reality Labs in Redmond, Washington. Die Forschung wurde durch einen Startup-Fonds des Price College of Engineering an der University of Utah finanziert. Das Team hofft, mit seiner Innovation einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Verwertung von Elektroschrott zu leisten und gleichzeitig die Elektronikproduktion effizienter zu gestalten.
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