Ausgediente Elektronik oder kurz Elektroschrott, stellt ein rasant wachsendes globales Problem dar. Mit der weiteren Verbreitung neuer flexibler Elektronik für Robotik, tragbare Geräte, Gesundheitsmonitore und andere Anwendungen, einschließlich Einweggeräten, wird dieses Problem voraussichtlich weiter zunehmen. Ein neuer flexibler Substratwerkstoff, entwickelt am MIT, der University of Utah und Meta, könnte nicht nur das Recycling von Materialien und Komponenten am Ende der Lebensdauer eines Geräts ermöglichen, sondern auch die skalierbare Herstellung komplexerer, mehrschichtiger Schaltungen als bestehende Substrate ermöglichen.
Die Entwicklung dieses neuen Materials wird diese Woche im Journal RSC: Applied Polymers beschrieben, in einem Artikel von MIT-Professor Thomas J. Wallin, Professor Chen Wang von der University of Utah und sieben weiteren Autoren. „Wir erkennen, dass Elektronikmüll eine anhaltende globale Krise darstellt, die sich verschärfen wird, wenn wir weiterhin mehr Geräte für das Internet der Dinge bauen und sich der Rest der Welt weiterentwickelt“, sagt Wallin, Assistenzprofessor in der Abteilung für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen am MIT. Bisher zielte viel akademische Forschung darauf ab, Alternativen zu herkömmlichen Substraten für flexible Elektronik zu entwickeln, die hauptsächlich ein Polymer namens Kapton verwenden, ein Handelsname für Polyimid des Chemieunternehmens DuPont.
Besonders geeignet – trotzdem übersehen
Die meisten dieser Forschungen konzentrierten sich auf völlig andere Polymermaterialien, aber „das ignoriert wirklich den kommerziellen Aspekt, warum man sich ursprünglich für diese Materialien entschieden hat“, sagt Wallin. Kapton hat viele Vorteile, darunter hervorragende thermische und isolierende Eigenschaften sowie eine gute Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien.
Das Geschäft mit Polyimid wird bis 2030 voraussichtlich einen globalen Markt von 4 Milliarden Dollar erreichen. „Es ist überall, in jedem elektronischen Gerät im Grunde“, einschließlich Teilen wie den flexiblen Kabeln, die verschiedene Komponenten in Ihrem Handy oder Laptop verbinden, erklärt Wang. Es wird auch in der Luft- und Raumfahrt wegen seiner hohen Hitzebeständigkeit weit verbreitet verwendet. „Es ist ein klassisches Material, aber es wurde seit drei oder vier Jahrzehnten nicht mehr aktualisiert“, fügt er hinzu.
Extrem temperaturstabil
Jedoch ist es auch praktisch unmöglich, Kapton zu schmelzen oder aufzulösen, sodass es nicht wiederverarbeitet werden kann. Dieselben Eigenschaften erschweren auch die Herstellung von Schaltungen in fortschrittlichen Architekturen wie mehrschichtiger Elektronik. Die herkömmliche Herstellung von Kapton erfordert das Erhitzen des Materials auf 200 bis 300 Grad Celsius. „Es ist ein ziemlich langsamer Prozess. Es dauert Stunden“, sagt Wang.
Das alternative Material, das das Team entwickelt hat, ist eine Form von Polyimid und sollte daher leicht mit vorhandener Fertigungsinfrastruktur kompatibel sein. Es handelt sich um ein lichtgehärtetes Polymer, ähnlich denen, die Zahnärzte verwenden, um harte, langlebige Füllungen zu erstellen, die in wenigen Sekunden mit ultraviolettem Licht aushärten. Diese Methode zur Aushärtung des Materials ist nicht nur vergleichsweise schnell, sondern kann auch bei Raumtemperatur durchgeführt werden.
Vielfältig einsetzbar
Das neue Material könnte als Substrat für mehrschichtige Schaltungen dienen, was die Anzahl der Komponenten, die in ein kleines Format gepackt werden können, erheblich erhöhen würde. Bisher mussten die Schichten aufgrund der schwierigen Schmelzbarkeit des Kapton zusammengeklebt werden, was zusätzliche Schritte und Kosten im Prozess verursachte. Die Tatsache, dass das neue Material bei niedriger Temperatur verarbeitet und sehr schnell auf Anfrage ausgehärtet werden kann, könnte neue Möglichkeiten für mehrschichtige Geräte eröffnen, sagt Wang. Was die Wiederverwertbarkeit betrifft, so hat das Team Untereinheiten in das Polymergerüst eingeführt, die schnell durch eine Alkohol- und Katalysatorlösung aufgelöst werden können. Dann können wertvolle Metalle, die in den Schaltungen verwendet werden, sowie ganze Mikrochips aus der Lösung gewonnen und für neue Geräte wiederverwendet werden.
Neue Struktur
„Wir haben das Polymer mit Estergruppen im Rückgrat entworfen“, im Gegensatz zu traditionellem Kapton, erklärt Wang. Diese Estergruppen können leicht durch eine relativ milde Lösung aufgebrochen werden, die das Substrat entfernt, während der Rest des Geräts unversehrt bleibt. Wang merkt an, dass das Team der University of Utah ein Unternehmen gegründet hat, um die Technologie zu kommerzialisieren. „Wir zerlegen das Polymer zurück in seine ursprünglichen kleinen Moleküle. Dann können wir die teuren Elektronikkomponenten sammeln und wiederverwenden“, fügt Wallin hinzu. „Wir alle kennen die Lieferkettenengpässe bei Chips und einigen Materialien. Die seltenen Erden, die in diesen Komponenten enthalten sind, sind sehr wertvoll. Daher denken wir, dass es jetzt sowohl einen großen wirtschaftlichen Anreiz als auch einen Umweltanreiz gibt, diese Prozesse zur Rückgewinnung dieser Komponenten zu entwickeln.“
Das Forschungsteam umfasste 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 Arbeit wurde durch einen Startfonds des Price College of Engineering an der University of Utah unterstützt.
Bild oben: Ein neues Substratmaterial könnte die Menge das anfallenden Elektroschrotts erheblich reduzieren. Abbildung: Circular Technology mit DALL-E
