Die Messung des Blutzuckerspiegels auf der Haut, eine Verpackung mit integriertem Zeit-Temperatur-Indikator oder eine Grußkarte, die Musik abspielt – für all das braucht es elektronische Bauteile. Das sind Leiterplatten (PCBs) mit Elementen wie Sensoren, Chips, Kondensatoren und Widerständen.
Diese Leiterplatten bestehen in der Regel aus einem Glasfaser-Polymer-Verbundmaterial mit Schaltkreisen auf Kupferbasis und unterschiedlichen anderen Metallen. Von den zwölf Millionen Tonnen Elektroschrott, die in Europa jährlich anfallen, werden nur 42 Prozent ordnungsgemäß gesammelt und recycelt, weltweit sind es nur 17 Prozent.
Das EU-Projekt „CircEl-Paper“ verfolgt deshalb das Ziel, funktionelle Leiterplatten auf Basis von Papiertechnologie herzustellen, sodass die funktionelle Elektronik am Ende ihrer Lebensdauer im herkömmlichen Papierrecyclingverfahren entsorgt und sogar recycelt werden kann. Das könnte die Recyclingkosten verringern und die Rückgewinnung von wertvollen Materialien erleichtern.
Genau damit befassen sich nun auch die Institute MATERIALS und LIFE der JOANNEUM RESEARCH im Rahmen des EU-Projekts.
Forschungsfokus auf neue Materialien und ihrer Kreislauffähigkeit
Am Institut MATERIALS, dem Institut für Sensorik, Photonik und Fertigungstechnologien, wird an der Entwicklung geeigneter Materialien geforscht, denn das zellulose-basierte Substrat, das herkömmliche Leiterplatten ersetzen soll, muss den Ansprüchen der Elektronikindustrie gerecht werden.
„Wir entwickeln Additive, also Hilfsstoffe, um das Papier stabil und kompatibel mit gängigen Integrationsprozessen zu machen und wir entwickeln Tinten zum Drucken von leitfähigen Leiterbahnen sowie passive Komponenten wie Kapazitäten, Widerstände und Isolatoren. Außerdem befassen wir uns mit skalierbaren Prozessen, welche ein Auftragen dieser neuartigen Materialien auf eine Leiterplatte aus Papier gestatten und eine rasche Anwendung in der Industrie ermöglichen. Dabei hat die Verwendung von ressourcenschonenden und umweltverträglichen Materialien und Prozessen höchste Priorität: Die verwendeten Materialien sollen die Trennung der Komponenten und deren Wiederverwertbarkeit erhöhen und es werden biobasierte Alternativen evaluiert“, berichtet Oliver Werzer, Projektverantwortlicher am Institut.
Die Forscher:innen am Institut LIFE, dem Institut für Klima, Energiesysteme und Gesellschaft, nehmen die Kreislauffähigkeit der neu entwickelten Materialien unter die Lupe und evaluieren gesamtheitlich die Nachhaltigkeit der Herstellungsprozesse sowie der Wiederverwertung der eingesetzten Materialien mittels Lebenszyklusanalysen (LCA) – also von der „Wiege bis zur Bahre“ (Cradle to Grave).
„Detaillierte LCA-Studien und die Bewertung der Kreislauffähigkeit sind für derart komplexe Technologien nicht Standard. Sie erfordern sowohl tiefgründiges Know-how über die Materialien und Technologien als auch eine Weiterentwicklung der Methodik, insbesondere für die Bewertung der Kreislauffähigkeit. Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit der verschiedenen im Rahmen des Projekts entwickelten Ansätze werden frühzeitig bewertet und vom Konsortium in der Auswahl und Weiterentwicklung der technologischen Optionen berücksichtigt“, erklärt die Projektverantwortliche Sara Carniello.
Österreich Teil eines internationalen Konsortiums
Die JOANNEUM RESEARCH GmbH ist mit ihren beiden Instituten LIFE und MATERIALS Teil eines internationalen Konsortiums, das seit September 2022 am Projekt CircEl-Paper arbeitet und die gesamte Wertschöpfungskette abdeckt.
Beteiligt sind Forschungseinrichtungen, akademische Partner und Produktionsunternehmen: das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung als Projektkoordinator, das schwedische Forschungsinstitut RISE, der italienisch-französische Papierhersteller Fedrigoni, der französische Druckfarbenhersteller VFP ink Technologies, der Leiterplattenhersteller Malmö Mönsterkort in Schweden und Grenoble INP, Graduate schools of Engineering and Management, University Grenoble Alps.
Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der papierbasierten Leiterplattentechnologie sollen anhand von drei Anwendungsfällen aus den Bereichen Medizin, Logistik und Unterhaltungselektronik demonstriert werden: Anhand eines Sensors zur Messung des Blutzuckerspiegels auf der Haut, einer Verpackung mit integriertem Zeit-Temperatur-Indikator und von Grußkarten, die Musik abspielen.
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