電子材料循環經濟探討與展望

 

刊登日期:2020/8/5
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陳志恆/臺北科技大學材料及資源工程系
 
電子產品性能的增強往往涉及新材料的使用及新製程技術的開發。目前先進電子設備大約涉及60種元素,約占週期表上所有元素的50%。由於電子材料的多元化,材料供應鏈的可持續性是亟需面對的挑戰。循環經濟是一種符合可持續環境和經濟發展的策略。材料回收是循環經濟完整範疇的重要手段。我國在電子電器廢棄物的回收再利用,已有很好的成效,但面對複雜的電子產品,新的回收制度體系及國內循環回收產業仍須及早因應日益細緻而複雜的材料設計。電子產業亦須從循環經濟的觀點,以綠色工程的概念進行新產品的設計與開發。國內產政學研各界的努力,可以進一步促進電子產業發展材料可持續所需的技術研發。
 
【內文精選】
前言
電子產業是當今發展最快的產業,也是我國最重要的產業之一。以連接到互聯網的電子設備而言,到2020年,連接到網路的電子設備預計高達250至500億美元之間。由於消費者的需求,大約每12個月廠商就會開發和發布新的電子產品(例如iPhone)。而許多因素會導致產品銷售週期縮短,例如:電子產品的性能不斷增長、計劃性的產品銷售週期、消費者對於美學/時尚的追求與喜好的轉變等。這些因素對於電子材料(Electronic Material)的循環經濟(Circular Economy)都會造成不同層面的影響,其中又以電子產品性能增長對於電子材料的循環利用所造成的影響最為顯著。
 
電子產品性能的增強往往涉及新材料的使用及新製程技術的開發,最明顯的例子就是化合物半導體材料興起。目前全世界絕大多數半導體元件,大都是以矽作為基礎功能材料的矽基半導體。然而,近年來在5G、電動車等需求推升下,氮化鎵等材料成為重要的半導體材料。再者,藉由使用稀土金屬/特殊元素(Rare Earth and Specialty Elements; RESE)可使電子產品的功能更為快速創新。在可預期的未來,更多更新的電子材料將會被開發出來。我們隨之要面對的是更複雜的電子材料的問題。
 
電子材料多元性
就材料的觀點,電子材料涵蓋金屬、陶瓷及有機材料等三大類材料。從元素週期表,我們可以理解現在先進電子設備所使用的材料多元性。根據Intel公司的資料,目前先進電子設備大約涉及60種以上的元素(圖一),約占週期表上所有元素的50%。新產品和性能的發展通常會受到這些關鍵元素所製備的材料所影響。此外,在這些元素中,約有20種元素(鋰、鈷、鎳、銅、釔、鈮、鈀、銀、銦、銻等)未來會面臨供應上的風險。由於這些材料對電子產業的經濟有重大影響,以及具有高供應短缺的風險,為克服這些挑戰,電子產業必須有技術創新的新思維,思考如何在電子產業鏈內進行綠色電子產品的設計、開發和生產,以達到可持續的電子材料循環。
 
圖一、先進電子設備中所使用之元素
圖一、先進電子設備中所使用之元素
 
電子材料的回收現況
材料回收是達成循環經濟的重要手段之一,而完整的循環經濟策略還需要考量環境和經濟可持續性。電子廢棄物現在是全球增長數量最快的廢棄物,聯合國稱其為電子廢棄物海嘯。根據《2017年全球電子廢物監測》估算,到2018年,這種廢棄物高達5,000萬公噸,相當於全球平均每個人產生6公斤此類廢棄物。就全球電子廢棄物的處理現況而言,目前僅20%的電子廢棄物有適當的處理,其餘大部分是以最終掩埋方式處理。
 
就電子產業相關廢棄物產生量而言(E-0217~E-0301),根據環保署統計數據,其產生量依序為:含金屬之印刷電路板廢料及其粉屑(69%)、廢電子零組件與下腳品及不良品(21%)、附零組件之廢印刷電路板(5.7%)、廢通信器材(2.51%)(表一)。電子材料中最大宗的為印刷電路板,就組成元素的價值而言,印刷電路板也是具有最高價值的電子廢棄物,因為它們包含了大多數貴重金屬。目前,有多達7%的全球黃金可能是包含在電子廢棄物中。
 
表一、E類電子廢棄物產生量
表一、E類電子廢棄物產生量
 
電子材料循環之策略與展望
電子材料循環回收技術的主要挑戰是細緻而複雜的產品設計,在拆卸過程中不易獲得RESE和有害材料,進而阻礙了目標材料的回收。此外,將新產品的回收材料納入產品製造程序的策略,亦是亟需解決的問題。如果將電子通訊產品以人工手動拆解,基本上可分為7個主要部分,包括…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌404期,更多資料請見下方附檔。

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