使用済みLEDからのガリウムのワンポット回収

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K11715
• Research Institution: Shibaura Institute of Technology
• Principal Investigator: 清野 肇 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (50281788)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: ガリウム / リサイクル / 発光ダイオード / 高温 / 乾式

Outline of Annual Research Achievements

照明用白色LEDにはレアメタルであるガリウムが含まれており，リサイクルが望まれる．LEDのチップ自体は非常に小さく（約0.01ｇ/個），チップのみ回収できれば，小規模のプロセスで十分と予想される．本研究では簡易で小規模なプロセスを念頭に，使用済みLEDからのワンポット容器による高温の乾式回収法の開発を目的とした．ガリウム化合物は約1000℃の高温環境で，還元雰囲気では気化し酸化雰囲気では析出する．るつぼ内底部にガリウム含有物を設置し，上部に気体をわずかに透過するふたをすれば，ガリウムは気化してふた付近でふたを透過してきた酸素と反応して析出すると考えられる．本年度は，この容器での物質移動の調査，加熱法の検討，LEDの加熱実験を行った．
容器の設定：本体に通常のるつぼを用い，ふたにはセラミック板に5ミリ孔を設けこれを石英ガラス繊維製フィルターで覆った物を作製して用いた．
電気炉加熱による結果：1150℃以上，酸素分圧を5 kPaとすると約30％の収率を得た．ガリウム化合物の容器外への流出はほとんど認められなかった．
マイクロ波加熱による結果：加熱には家庭用電子レンジ（出力 700 W）を用い複数回の加熱を繰り返し，計約40分の加熱で約60%の収率を得た．ガリウム化合物の容器外への流出はほとんど認められなかった．
発光ダイオードの加熱による変化の調査：通常の照明用および液晶ディスプレイのバックライト用のLEDチップについて，構成および加熱時の変化を観察した．封入樹脂，およびベースとなる樹脂は500℃付近で分解を始めたがLEDの種類によっては樹脂に顔料由来の無機化合物が多く含まれて分解が遅いものも認められた．どのLEDチップも 1000℃まで加熱すればほぼ内部の半導体部が露出することがわかった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

容器の妥当性について：電気炉加熱，マイクロ波加熱のどちらでも，ガリウム化合物の外部への流出がほとんど認められなかったので，基本的な構成は問題ないと考えている．実験条件によってはガリウム化合物が金属まで還元される場合があり，その場合容器材料への染み込みが認められた点，ふたとして用いている板が過熱でもろくなる点について昨年度後半より対策を試みて改善が見られている．
電気炉加熱による結果：収率が約30％であり，より格段の向上が望まれた．ガリウム化合物は容器外へ流出しなかったので，容器内で反応せずそのまま残っているものと金属まで還元され液化して容器材料に染み込んでいるため回収できなかったと考えられた．現在は還元剤を変更することで，金属まで還元されず，反応をより進行させることを試みている．また，容器の素材も反応しにくいものに変更をして実験を行っている．
マイクロ波加熱による結果：加熱には家庭用電子レンジ（出力 700 W）を用いた． 石英ガラス繊維製フィルター上に酸化ガリウムが析出し，加熱時間計40分程度で約60%の収率となった．るつぼ外への流出はほとんど認められず，未反応の酸化ガリウムはるつぼ内に残っていた．電気炉加熱と比較するとごく短時間で高温に達し，試料（酸化ガリウムと炭素の混合粉末）部分のみ加熱されるので，気化したガリウム化合物は急冷されて析出し系外への流出の少ない手法になっていると考えられた．
発光ダイオードの加熱による変化の調査：LCDなどのバックライト用，照明用のLEDチップについて，構成および加熱時の変化を観察した．封入樹脂，およびベースとなる樹脂は500℃付近で分解し始めたがLEDの種類によっては樹脂中に顔料由来の無機化合物が多く含まれるので分解が遅いものも認められた．どのLEDチップも 1000℃まで加熱すればほぼ内部の半導体部が露出することがわかった．

Strategy for Future Research Activity

電気炉加熱時の問題点と対処：容器の問題点として，底部で還元されすぎてガリウム金属が生じる場合があること，このときのガリウム金属のるつぼ材への染み込みが認められたこと，および加熱によるふたに接着したフィルター部分の脆化である．これらの問題の対策として，金属まで還元させない温和な還元剤の利用，緻密質のアルミナもしくは石英ガラスのるつぼ材への利用に，アルミナ多孔体のフィルター材への利用を検討している（一部は実施中）．
マイクロ波加熱時の問題点と対処：一定時間後に反応が進行しなくなることが認められた．試料を取り出し混合して再びマイクロ波加熱をすると，反応を再開することを確認した．よって酸化ガリウムと炭素粉末の接触している部分が反応によって気化すると，反応が見かけ上止まると考えられた．今後は定期的に試料の攪拌を行う段階を加えて回収実験を行う．
混入が予想される化合物の影響の調査：当初の計画通り，混入が予想される化合物による，ガリウムの回収に及ぼす影響の調査を行う．混入が予想される化合物や元素は，照明器具の構成．LEDチップの構成，実際の家電回収の状況を調べ，候補を絞る．回収が行われる温度での相の調査および実際に現在の回収実験において資料に検討している化合物を混合させ，ガリウム化合物の反応性や，容器との反応，容器外への流出を調べる．

Causes of Carryover

ガリウム化合物の回収状況の調査のため旅費を計上したが，照明器具およびLEDチップの調査から参考となるデータが得られたことおよび日程の都合により，年度内に調査による出張を行わなかったため予算残が生じた．次年度において研究の進捗状況から調査を行うか検討する．