Erweiterte Identifizierung von Polymeren und Halbleitern

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Ziel

Polymere und Halbleiter sind hochfunktionale Werkstoffe und wichtige Bestandteile elektronischer und elektrischer Produkte. Ihre detaillierten Eigenschaften sind entscheidend für die Überprüfung der Funktionsfähigkeit und die Gewährleistung geeigneter Verfahren sowohl in der Fertigung als auch in der Entsorgungsphase ihres Lebenszyklus. Eine automatisierte, berührungslose und zerstörungsfreie Sensorlösung kann den Rahmen für industrielle Echtzeitprozesse bilden, wie sie in verschiedenen Anwendungen in den Bereichen Produktion und Abfallwirtschaft (d. h. Recycling) benötigt werden. 

Lösung

Messungen mittels Ramanspektroskopie bieten eine leistungsstarke Lösung zur Bestimmung der detaillierten Zusammensetzung sowohl von Polymeren als auch von Halbleitermaterialien.

Bei Polymeren enthalten Raman-Spektren die Informationen, die nicht nur zur Identifizierung wichtiger Polymertypen (z. B. PE, PP, ABS, PS, PC, PET, PVC, PMMA) erforderlich sind, sondern auch zur Bewältigung der schwierigen Identifizierung von schwarzen Polymeren, Additiven und Polymermischungen, die für eine hochwertige Sortierung, das Recycling und die Qualitätskontrolle relevant sind. Bei Halbleitern lassen sich anhand der Informationen aus Raman-Messungen der Halbleitertyp (z. B. Si, Si-C, Saphir) sowie das Vorhandensein und die Art von Dotierstoffen bestimmen. Kurze Integrationszeiten in Verbindung mit der Möglichkeit der Roboterintegration ermöglichen agile Sensorlösungen in dynamischen Umgebungen, beispielsweise auf Förderbändern.

Die wichtigsten Vorteile unseres Raman-Messkopfes sind:

  1. Die Auswahl verschiedener Laserleistungen und Integrationszeiten ermöglicht die Identifizierung verschiedener Materialströme, die mit aktuellen Lösungen nicht erfasst werden können (schwierige komplexe Polymere, Identifizierung des Halbleitertyps sowie des Vorhandenseins und der Art von Dotierstoffen).

  2. Möglichkeit der Sensorintegration in Roboterarme mit automatischem Verschluss und Verriegelungssignal für die Sicherheit

  3. Möglichkeit des robotergestützten Betriebs in einem Sensornetzwerk für die hochdurchsatzfähige, fortschrittliche Klassifizierung komplexer Materialien (im Zusammenhang mit einer Erfindungsmeldung und einer Patentanmeldung).

  4. Software-Schnittstelle zur Auswahl von „Rezepten“ mit unterschiedlichen Laserleistungen/Integrationszeiten entsprechend dem jeweiligen Materialstrom
     

Anwendungsbeispiel

Raman-Messungen wurden im dynamischen Umfeld der Materialstromcharakterisierung auf Förderbändern durchgeführt. Unter Umgebungslichtbedingungen konnten die diagnostischen Fingerabdrücke der wichtigsten Polymertypen bereits bei einer Integrationszeit von 0,5 s mit einem ausreichenden Signal-Rausch-Verhältnis erfasst werden, das ihre Identifizierung ermöglicht (siehe Abb. …). Die Laserleistung kann an die Anforderungen der ausgewählten Materialtypen angepasst werden, wodurch eine optimale Signalerfassung für mehrere Materialströme gewährleistet wird. Für eine umfassendere Charakterisierung von Materialströmen ist es möglich, den roboterkompatiblen Raman-Sensor mit weiteren Bildsensoren (z. B. RGB- und reflektionsbasierten Hyperspektralkameras) zu kombinieren. In einem solch komplexen, integrierten System bietet eine robotergestützte Raman-Lösung eine Vielzahl maßgeschneiderter Optionen zur Steigerung der Genauigkeit der Ergebnisse und erweitert das Spektrum der detektierbaren Materialien.

Abb. 1: Raman-Spektren von Kunststoffstandards aus weißem ABS (oben) und schwarzem ABS (unten). Erfassungszeiten von 250–500 ms.

  • Die Identifizierung von ABS ist beim Recycling von Elektronikschrott von entscheidender Bedeutung, da das Material im VNIR-SWIR-Bereich (dem in der Kunststoffrecyclingindustrie am häufigsten verwendeten Sensor) spektrale Merkmale mit anderen Styrolpolymeren teilt. Insbesondere ermöglicht dies die Unterscheidung zwischen ABS- und PS-Polymeren.

  • Identifizierung von Polymer-Fingerabdrücken anhand von Signalen, die bei kurzen Erfassungszeiten (maximal: 500 ms) erfasst wurden.

  • Erfolgreicher Einsatz von Vorlagen für die Signalerfassung von Proben desselben Kunststofftyps, jedoch mit unterschiedlichen Farben (weißes ABS vs. schwarzes ABS).

  • Erfassung polymerspezifischer Merkmale in Proben mit weißen Pigmenten und breiten Fluoreszenzbändern (von 1600–2000 cm-1) -> ABS weiß

  • Erfassung polymerspezifischer Merkmale in Proben mit schwarzen Pigmenten und hoher Absorption des Anregungslichts, ohne das Material zu beschädigen -> ABS schwarz (500 ms Erfassungszeit).

  • Highlight: Messbedingungen geeignet für Echtzeit- und dynamische Anwendungen – kurze Integrationszeit und einstellbare Laserleistung
     

Abb. 2. Raman-Spektren von transparenten (oben) und schwarzen (unten) HDPE-Kunststoffstandards. Erfassungszeit: 500 ms.

  • Identifizierung diagnostischer HDPE-Merkmale sowohl bei transparenten als auch bei schwarzen Standards.

  • Transparentes HDPE: In den endgültigen Spektren ist kein Einfluss durch Hintergrundmaterialien zu beobachten (das bedeutet, dass das Vorhandensein eines Förderbands oder eines anderen dunklen Hintergrunds die Signalerfassung nicht beeinträchtigt).

  • HDPE schwarz: Je nach Menge an dunklen Pigmenten und anderen Absorbern kann die Signalerfassung beeinträchtigt sein (siehe niedriges SNR für das PE-2-Merkmal). Dennoch wiesen die anderen PE-bezogenen Fingerabdrücke ein gutes SNR auf, was die Identifizierung des Polymertyps auch unter schwierigen Bedingungen ermöglicht.

Beispiel für die Identifizierung von Halbleitertypen (Si und 4H-SiC) mithilfe des RAMSES-Messkopfes.

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