使用済みLEDからのガリウムのワンポット回収

2021 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 – 2023-03-31
• Keywords: ガリウム / リサイクル / 発光ダイオード / 高温 / 乾式 / 気化

Outline of Annual Research Achievements

令和3年度は昨年度に引き続き以下の項目について研究を行った．
(i) 容器の材質，形状および加熱法の検討：縦長の容器で縦型の電気炉を用いた．石英ガラス製の容器を用いることで底部で気化させた酸化ガリウムが上部で析出することを確認できた．10 cm長の容器では上端開口部より下の位置までに酸化ガリウムが析出し，開口部にフィルターを設置しなくても回収が可能であることを確認した．
(ii)発光ダイオード（チップLED）の加熱による変化：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． 1000 ℃まで加熱すると内部のガリウム含有基板が露出するが，電極が溶融してガリウム含有基板と癒着した．500 ℃付近の加熱にとどめ，その後震とうプロセスを追加すると，ガリウム含有基板と電極を分離できた．
(iii)酸化物粉末と樹脂との反応性の検討：ポリエチレンテレフタラート（PET），ポリカーボネート（PC）に加えポリイミド，ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリスチレン樹脂についても酸化物粉末との反応を，熱重量測定装置を用いて調べた． その結果PETとPC以外の樹脂では酸化ガリウム粉末を還元させないことが分かった．PETとPCは酸化ガリウムと還元雰囲気で加熱すると，酸化ガリウムは1050 ℃付近で還元されることを確認した．グラファイトを還元剤とするときより約100 ℃低い温度で還元された．PETとPCは加熱されると液相を経由して炭化される樹脂である．液相形成温度まで加熱された試料では，液化した樹脂は酸化物粉末と良好に混合していることが確認された．この良好に混合していることが還元温度の低下の要因の一つであると考えられた．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

令和3年度は三密防止のため通常より作業時間は少なく進行は遅れた．行った事項は， (i) 容器の材質，形状および加熱法の検討 (ii)発光ダイオード（LED）の加熱による変化 (iii)酸化物粉末と樹脂との反応性の検討である．
(i)石英ガラス製の容器を用い析出場所の確認と，より高精度な収率の見積もりを行った．底部の酸化ガリウムを還元気化させると，容器内壁への析出が30-50％，未反応で底部に残存が40％，容器外への流出が10％程度であることが確認された．還元剤をグラファイトからポリカーボネートに変更すると，未反応で底部に残存が30％台に減少し，収率が向上した．
(ii) 試料には照明用白色LED，（OSRAM社製）を用いた．500℃まで加熱にとどめることで，ガリウム含有基板と電極である銅合金の融着を防いだ．加熱後の試料を容器内で振とうし，ガリウムを含む基板と，それ以外の部材とを比較的簡単に分離することができた．
（iii）ポリエチレンテレフタラート，ポリカーボネートに加え他の樹脂も用いて，酸化ガリウムに対する還元能力を調べるため，熱重量測定装置を用いて調査した．ポリエチレンテレフタラート，ポリカーボネート以外の樹脂は酸化ガリウムを還元させることはほとんど無かった．ポリエチレンテレフタラート，ポリカーボネートがグラファイトより還元作用がある要因については引き続き調査をしている．

Strategy for Future Research Activity

現在推進している課題である，(i) ガリウム回収容器の材質，形状および加熱法の検討 (ii)発光ダイオード（LED）の加熱による変化 (iii)酸化物粉末と樹脂との反応性の検討についての問題点と対処を示す．
(i) ガリウム回収容器の材質，形状および加熱法の検討においてはガリウムの析出場所が明確に確認できる石英ガラスで行う．捕集用フィルター（石英ガラス繊維製）は脆化が避けられないので，利用をしない容器を用いる．
(ii)発光ダイオード（LED）の加熱による変化については500 ℃までの加熱後試料に振とうプロセスを加えることが有効であると確認した．今後はこのプロセスによりガリウム含有基板だけを取り出し，基板のガリウム化合物を還元気化反応させる条件を調べる．同時にスケールアップした実験も行い問題点を検証する．
(iii)酸化物粉末と樹脂との反応性の検討については，樹脂が酸化ガリウムをより低温で還元させる原因を調べる．具体的には樹脂が液化の後炭化する段階で酸化ガリウムとの混合状態，樹脂をあらかじめ炭化させてから酸化ガリウムとの反応，を調べる．これら実験から樹脂と酸化ガリウムとの物理的な接触，樹脂の化学的な性質，の二点から考察する．

Causes of Carryover

コロナ感染防止のため，実験室の過密を抑制し在室人数を制限し，研究の実施時間が短くなった．
このため，令和3年度は研究費の利用が少なくなり，予算残が生じた．令和4年度は予定通りの研究を進める予定である．