Materialkreisläufe in Mikro- und Optoelektronik
Viele der in mikro- und optoelektronischen Bauelementen verwendeten Materialen werden in der EU kaum gefördert und haben ein begrenztes Vorkommen weltweit. Weiterhin ist es momentan bei einigen Materialien nicht möglich die Förderung einfach zu skalieren. So gibt es zwar enorme Galliumvorkommen, da die Förderung aber typischerweise an die von Zink gekoppelt ist, kann die Galliumgewinnung nicht einzeln betrachtet werden.
In der Optoelektronik gibt es ebenfalls Probleme durch eine Materialverknappung; hier ist das seltene Element Indium von elementarer Bedeutung. In jeder LED ist Indium notwendig, um die Licht generierende Schicht zu Wachsen. Über den Indiumgehalt kann hier die Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts eingestellt werden und es gibt momentan keine Materialien, mit welchen Indium ersetzt werden könnte. Gleichzeitig wächst der LED-Markt insbesondere wegen der Verwendung von Mikro-LED-Arrays in modernen Display jährlich stark an. Dies führt zu einer Verknappung von Indium und wird in den nächsten Jahren eine massive Preissteigerung seltener Elemente zur Folge haben.
Die statistische Reichweite gibt an wie lange ein Material bei heute erschlossenen Reserven und heutiger Förderung zur Verfügung steht. In einer CUTEC-Studie mit dem Titel „Prüfung und Aktualisierung von Rohstoffparametern“ sind die Daten einiger wichtiger seltener Erden zusammengefasst und werden seither regelmäßig aktualisiert. Dem gegenüber steht eine sehr geringe Recyclingrate dieser Materialien.
Am INATECH ist einer der Forschungsschwerpunkte Materialien und Produkte zu entwickeln, bei denen der gesamte Lebenszyklus betrachtet und bewertet wird. Zielstellung ist es, den Lebenszyklus von Bauelementen möglichst komplett zu schließen, sodass eine nachhaltige Verfügbarkeit gewährleistet wird. Innerhalb dieses "Circular Engineering" gibt es viele Teilaspekte, die in der Forschung adressiert werden müssen. Dies umfasst vor allem sogenannten Re's (Re-Use, Re-pair, Re-cycle, Re-design).
Die Gips-Schüle-Professur für Leistungselektronik befasst sich in einem ihrer Forschungsschwerpunkte mit der Sublimation von Verbindungshalbleitern, um Konzepte für das Recycling von Halbleiterbauelementen zu entwickeln. Weiterhin wird in Kooperation mit den anderen Professuren des INATECH Strategien entwickelt die Übrigen Re's zu adressieren und Konzepte und Methoden für die nachhaltig Verfügbarkeit von zukünftigen Bauelementen zu etablieren.
Veranschaulicht am Beispiel der LEDs werden Konzepte für die Trennung der Komponenten (epitaktischer Halbleiterchip, Gehäuse, Konverter und andere elektronische Komponenten) entwickelt, um in einem ersten Schritt die Möglichkeit von Re-pair und Re-manufacturing-Prozessen zu evaluieren. In einem zweiten Schritt sollen Re-cyclingverfahren zur Verfügung gestellt werden können, damit seltene Rohstoffe wiederverwertet werden. Mit dem gewonnenen Wissen aus diesen Forschungsansätzen sollen in einem dritten Schritt Designrichtlinien abgeleitet werden, die zukünftig einen Re-use erlauben. Bei LEDs würde ein Design mit einfacher Trennbarkeit von Leuchtdiode und Anschlusselektronik zu einer deutlich längeren Nutzbarkeit und einfacheren Recyclingmöglichkeiten führen.