Der Nachhaltigkeitsgedanke ändert die Sichtweise: Innovation bedeutet inzwischen, auch sauberer, energieeffizienter und umweltfreundlicher zu sein, bis hin zum Ermöglichen von effizienterem Recycling. Im EU-geförderten Projekt Re-In-E, das im Januar 2022 in die zweite Halbzeit geht, entwickelt das INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) zusammen mit Projektpartnern aus Forschung und Industrie Materialien und Methoden, um in Kunststoff eingebettete Elektronik wiederverwertbar zu machen.
Bei Elektronik ist Recycling aus mehreren Gründen schwierig
Moderne Anwendungen von Elektronik erfordern eine immer weitere Miniaturisierung. Dies betrifft nicht nur die Elektronik selbst, sondern auch ihre Kombination mit den Materialien, die sie halten und schützen.
Konventionelle Bauteile sind oftmals zu sperrig und zu unflexibel. So ist es nicht verwunderlich, dass die Industrie Elektronikelemente direkt in ein Trägermaterial zu integrieren oder darauf zu drucken versuchte. So genannte In-Mould- und Printed-Electronics-Technologien sind wirtschaftlich, ermöglichen neue Designs und sparen Platz, Gewicht und Material.
Printed Electronics haben Nachteile beim Recycling
Doch es gibt dabei einen ernstzunehmenden Nachteil: Es wird sehr schwer, die Elektronik am Lebensende der Geräte wieder aus diesen zu entfernen. Schon bei herkömmlichen Metall-Kunststoff-Bauteilen sind Materialtrennung und anschließendes Recycling schwierig, bei polymerintegrierter Elektronik ist das nahezu unmöglich.
Hier setzt Re-In-E an: Ziel des Projekts ist es, recyclinggerechte Designs und nachhaltige Materialien zu entwickeln und so das Wiederverwerten der Komponenten zu ermöglichen. Im INM forscht das Team um Prof. Tobias Kraus deshalb an einer Schicht, die zwischen Polymer und Metall aufgebracht wird. Diese Trennschicht muss so beschaffen sein, dass sie während der Verwendung des Bauteils eine optimale Haftung der beiden Komponenten gewährleistet. Bei Bedarf soll sie es aber ermöglichen, Kunststoff und Metall wieder voneinander zu trennen.
Elektronik und Kunststoff: Sicher verbunden, aber auch trennbar
Tobias Kraus erläutert den Forschungsansatz: „Auf die Oberfläche eines Polymersubstrats, in das stromleitende Materialien integriert werden sollen, wird eine Lösung aus Wasser und Polyvinylalkohol (PVA) aufgebracht.“ Die Substanz PVA ist ein wasserlöslicher Kunststoff und verhält sich ähnlich wie Kochsalz: Sie löst sich in Flüssigkeit auf und lässt sich durch Erhitzen und Verdampfen des Wassers wieder in ihren festen Ursprungszustand bringen. Durch erneutes Zuführen von Wasser wird der PVA-Film einweiteres Mal flüssig. „Auf diese Weise lassen sich die verschiedenen Materialien von In-Mould- und Printed Electronics erst über die PVA-Schicht verbinden und dann wieder voneinander trennen.“ Werden die Bauteile nicht mehr genutzt, können ihre Bestandteile also separat recycelt werden.
Recycling ist das eine Thema – druckbare Pasten für Elektronik ein weiteres
Neben der Entwicklung der Trennschicht widmet sich das INM im Projekt der Synthese spezieller Pasten und Tinten, aus denen sich elektronische Schaltungen drucken lassen. Dieser Teil der Projektes ergänzt die Aufgaben der Partner aus Belgien und Deutschland: Das Centre Terre et Pierre ist spezialisiert auf Recyclingverfahren für feste Abfälle und Elektronikschrott und entwickelt Verfahren, mit denen sich Metalle und Polymere zurückgewinnen lassen. Die Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung wiederum druckt Elektronik und testet Leistung und Stabilität der gedruckten und integrierten Materialien und Strukturen. Das Technologieforschungszentrum Sirris schließlich stellt die integrierten Bauteile auf der Grundlage der entwickelten Designs und Materialien her.
KMU sollen vom Elektronik-Recycling profitieren
Eine Besonderheit des ReIn-E-Projekts ist, dass kleine und mittlere Unternehmen (KMU) eingebunden sind, die eine Schlüsselrolle bei der nachhaltigen Umgestaltung der Elektronikfertigung spielen könnten. Sie sollen in die Lage versetzt werden, den Übergang von der konventionellen Technik zur integrierten Elektronik mitzugestalten und davon zu profitieren.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Dr. Tobias Kraus
Leiter Programmbereich Strukturbildung
E-Mail: tobias.kraus@leibniz-inm.de
Dr. Mariano Laguna Moreno
Programmbereich Strukturbildung
E-Mail: mariano.lagunamoreno@leibniz-inm.de
