浅谈电子行业将成石墨烯最大应用市场

必发365登录入口2017年2月10日讯  虽然理论上石墨烯是只有一层碳原子厚度的材料,但市面上的石墨烯材料既有单层或者寡层的,也有多层的,而石墨烯的具体形态更是五花八门,包括了薄膜、纳米片(nanosheet)、纳米带(nanoribbon)、纳米圆盘(nanodisc)等。目前的商用石墨烯材料主要有两种产品类型,一个是石墨烯粉体,又称石墨烯微片(graphene nanoplate),一般是小于几十层的、纳米或微米级的片状或其他形貌的石墨烯材料。石墨烯微片具有一定的机械强度,良好的导电和导热性能,以及阻挡气体和水分等特征性质;另一种是石墨烯薄膜(graphene film),通常指在较大的宏观表面形成的石墨烯单层或几层的透明膜,石墨烯薄膜具有独特的导电性、迁移率、优异的透明度、延展性和柔性。

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浅谈电子行业将成石墨烯最大应用市场

目前石墨烯最重要的应用包括了电子、复合材料和储能等行业。据分析,2015年石墨烯在电子行业的应用占到了全球石墨烯市场35.9%的收入份额,超过储能和复合材料等其他应用市场,成为最大的石墨烯应用。预计到2020年石墨烯从电子行业取得的收入将超过全球石墨烯市场收入份额的一半,达到51.3%。

2004年,英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的Andre Geim和Konstantin Novoselov两位科学家成功地从石墨材料中分离出石墨烯。这两位科学家因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯是一个由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体材料,是目前已知的,自然界最薄、强度最高的材料。石墨烯拥有优越的光电、导热、耐磨、耐腐蚀等性能,能够被应用于众多的工业领域并切实提高相关材料和系统的性能。


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全球石墨烯市场还处于早期阶段

全球石墨烯市场还处于早期阶段。根据新技术行业研究公司壹行研(Innova Research)统计,目前石墨烯最重要的应用包括了电子、复合材料和储能等行业。壹行研的数据表明,2015年石墨烯在电子行业的应用占到了全球石墨烯市场35.9%的收入份额,超过石墨烯的储能和复合材料等其他应用市场,成为最大的石墨烯应用。壹行研同时预测石墨烯从电子行业得到的收入将持续高速增长,预计到2020年石墨烯从电子行业取得的收入将超过全球石墨烯市场收入份额的一半,达到51.3%。

石墨烯应用的研发高潮迭起

目前,石墨烯被认为是最有可能取代硅材料的下一代半导体材料,其应用技术备受世界各国政府、跨国公司以及众多投资者的青睐。根据壹行研统计,截至2015年底,全球对石墨烯研发的总投入已经高达24亿美元。石墨烯材料的应用研发成为各大跨国公司研发部门追逐的热点领域。

半导体巨头,包括英特尔和IBM,分别进行了石墨烯在高性能电子产品,如场效应晶体管(FET)和集成电路芯片中的应用研究。它们还分别联合全球知名的石墨烯研发机构,如曼彻斯特大学、麻省理工学院(MIT)、南洋理工大学(NTU)及宾州州立大学(PSU)等来持续推动石墨烯在中央处理器及芯片技术(CPU/IC)方面的研究及应用。

化学材料巨头如巴斯夫和拜耳材料(Covestro)则侧重研发性能更好的石墨烯母料及复合材料,使其具有更优越的电子、机械和热性能,期望能应用到下游电子行业。例如巴斯夫就先后与美国的石墨烯领头企业Vorbeck Materials和西班牙的纳米材料公司Avanzare一起开发应用于电子行业的石墨烯导电涂料。

通讯及消费电子巨头,包括三星、苹果、诺基亚、富士康、索尼、华为等等则对石墨烯改进的透明导电膜,石墨烯导电油墨、基于石墨烯的电磁和静电干扰组隔膜、石墨烯散热材料等更感兴趣。三星投资早在2014年就投资了全球最大的石墨烯生产厂商XG Sciences。三星SDI和XG Sciences还签订了联合开发协议,主要开发应用于消费电子产品的新一代石墨烯材料辅助的锂离子电池。而最近华为中央研究院瓦特实验室发布的高温锂离子电池也采用了石墨烯散热材料来实现三元锂离子电池与环境间的高效散热。据报道,该石墨烯辅助的锂离子电池能将上限使用温度提高10℃,并可将锂离子电池的使用寿命延长一倍。

石墨烯的电子应用精彩纷呈

目前,许多专业的石墨烯生产商致力于置换石墨烯材料进入现有的电子材料体系。比如用石墨烯来替代ITO(Indium tin oxide,氧化铟锡)、活性炭、银浆等材料,来开发具有更高性价比的电子产品。具体来说,石墨烯在电子产品中的应用包括,但不限于透明导电膜(TCF)、柔性电子(flexible electronics)、逻辑器件(logic device)、传感器(sensor)、导电浆料及油墨(conductivepaste and ink)、散热材料(thermalmanagement/spreader)、电磁干扰屏蔽(EMI shielding)和静电放电保护(ESD protection)、射频识别(RFID)以及智能包装(smart packaging)等器件和系统中。

透明导电膜是石墨烯材料最早的电子应用之一。三星电子早在2010年就和韩国成均馆大学(Sungkyunkwan University)合作开发了30英寸(76.2厘米)的基于石墨烯薄膜的透明导电膜的原型。不过,要获取完美晶格而且大尺寸的石墨烯薄膜的生产成本很高,该产品相对现有的ITO薄膜来说在成本上并无优势,高成本限制了石墨烯在大尺寸的导电膜领域的进一步发展。因此,一些石墨烯薄膜生产商,如西班牙的Graphenea和美国的Graphene Frontiers,积极改变下游产品策略,从大尺寸导电透明膜转向供应更高性能的小面积石墨烯膜的电子产品。这些新开发的应用包括了石墨烯射频识别和传感器。相关石墨烯薄膜被一些半导体和电子巨头,如英特尔、日立、阿尔卡特朗讯等采用,正处于经济研发阶段。

石墨烯膜在触控显示屏和电子书屏幕的应用上崭露头角。在石墨烯触控屏方面国内的石墨烯膜公司在商业进程上走得更快更远。据报道,常州的二维碳素、第六元素及重庆墨希科技等国内主要石墨烯厂商开始给手机厂商供应石墨烯薄膜产品。其中,二维碳素早在2012年就和深圳力合光电以及无锡丽格光电共同开发了石墨烯电容式触控面板,并于2013年投产了年产3万平米的生产线;2015年该公司进一步联合深圳贝特莱电子发布了采用石墨烯应变感应传感器的压力触控系统Z-touch。另外,2015年3月重庆墨西科技联合影驰(GalaPad)开发的首批3万台石墨烯手机上市,该产品除了采用了石墨烯制成的触摸屏,还同时采用了石墨烯散热膜和其他含有石墨烯的器件。国内的智能手机领导品牌如小米、酷派等也在自己的手机上做了石墨烯触控屏的测试。不过,这些应用都还处于试验阶段,尚未形成持续的大批量出货。

另一方面,石墨烯微片材料特有的印刷便利性以及优越的电子传导性能使得其在导电油墨、射频识别天线(RFID antennas)印刷以及智能包装应用领域相对于传统的导电银浆材料更有优势。具体来说,应用石墨烯粉末(微片)材料来替代传统导电油墨中较为昂贵的银浆等关键材料可以达到降低导电油墨成本的效果,同时其导电性能与基于银浆的导电油墨相当。在这方面比较领先的有全球最大的石墨烯生产商美国的XG Sciences。该公司开发了基于自己生产的XGnP石墨烯材料的针对电子行业客户的定制化石墨烯导电油墨以及石墨烯涂料。另一家全球领先的石墨烯厂商美国Vorbeck Materials也开发了基于石墨烯、替代传统印刷电子使用的导电油墨Vor-inkTM,以及基于石墨烯印刷天线的射频识别标签(RFID tags)Vor-tagTM产品,主要应用于智能包装领域。欧洲领先的石墨烯厂商、意大利的石墨烯公司Directa Plus则开发了针对印刷电子电路(printed electronics circuits)的Liquid G+石墨烯导电油墨产品。由于柔性及可穿戴电子在全球的逐步普及,可以预期石墨烯导电油墨以及基于石墨烯的射频识别标签等产品会在接下来几年时间内进一步渗透消费电子市场。

由于石墨烯优越的导热、防辐射、防静电等性能,应用石墨烯可以切实提高电子产品的散热效率,并提高抗电子干扰和抗静电的能力,同时实现产品轻量化。目前,美国的XG Sciences和Angstron Materials等石墨烯厂商均提供基于石墨烯材料用于电子元件的散热冷却和电磁干扰屏蔽器件,分别命名为“XG LeafTM”和“ANG Thermal Foil”系列产品;加拿大的Grafoid也联合CapTherm System开发了针对LED及电动车(EV)应用的石墨烯散热产品。壹行研预期未来会有更多的电子产品采用基于石墨烯微片的散热器件、抗电磁干扰和静电放电保护器件。

作为硅材料的直接竞争者,石墨烯材料在高性能电子器件中的应用,比如基于石墨烯的场效应晶体管及二极管(graphene-based field-effect transistors and diodes)等逻辑器件尚处于实验室研发及测试阶段,其大规模应用还有很长的路要走。据报道,美国IBM研究院开发出和标准硅CMOS工艺兼容的运算功能更强大的石墨烯芯片;德国AMO公司也和瑞典的Chalmers University of Technology合作开发石墨烯基场效应晶体管及二极管。此外在其他传感器研究上石墨烯材料在替代硅材料方面也取得了实验室内的新进展,例如2015年新加坡国立大学(NUS)的研究人员用石墨烯和氮化硼(boron nitride)制造了新型磁阻传感器(magnetoresistance sensor,MR sensor)芯片,其性能比对应的硅基磁阻传感器敏感200倍。

石墨烯的电子应用,哪些将胜出?

壹行研从技术成熟度和成本下降潜力这两个主要的指标对未来五到十年最可能大规模应用的九个石墨烯电子应用做了全面的评估。这九大石墨烯电子应用分别是导电浆料及油墨、散热器件、射频识别及智能包装、电磁干扰屏蔽及静电放电保护、触控屏和应变感应传感器、其他传感器、大尺寸透明导电膜/显示屏、场效应晶体管/单电子晶体管、集成电路芯片/中央处理器等。


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应用精彩纷呈 电子行业将成石墨烯最大应用市场

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图一 石墨烯材料电子行业应用前景分析

如图一所示,其中技术成熟度分值越高表示该石墨烯应用从技术层面更加成熟,1分是处于早期实验室研究阶段,最高5分是已经进入了商业推广阶段;成本下降潜力代表相关石墨烯应用在成本方面的可行性,1分表示该应用领域使用石墨烯后成本不但没有下降空间而且还有大幅上升,10分则表示使用石墨烯后该应用领域可以产生成本下降的空间,得分越高表示该领域应用石墨烯在成本上有优势。因此,技术成熟度得分越高且成本下降潜力分值越高的应用领域越比较容易实现大规模应用,反之,如果这两个指标值都很低,则表示该石墨烯应用还处于技术发展的初级阶段,在成本上也不具有优势,因而离大规模市场应用还有很长的距离。

从图一可以看出,由石墨烯微片材料制成的导电浆料及油墨的成本下降潜力最大而且具有较高的技术成熟度,是目前最具经济可行性的应用。另一方面,石墨烯辅助的散热器件在替代传统散热材料如金属材料及活性炭等的情况下少许增加成本,但是石墨烯的添加有助于大幅度改善散热性能,同时也延长了电子器件的寿命。在这个应用场景中对产品性能的改善以及增强电子元件在严苛环境的适应性足以抵消使用石墨烯带来的额外增加的成本,所以可以预期在高端电子产品市场能形成大批量出货。壹行研估计五年内石墨烯在上述两个电子领域实现大规模商业应用的可能性很大。

其次,石墨烯材料在触控屏和应变感应传感器、电磁干扰屏蔽/静电放电保护、射频识别及智能包装的应用技术成熟度等的得分也比较高。这些应用虽然陆续进入了市场导入期,但是均存在制约大规模商用的瓶颈。比如相对现有的其他材料体系优势不够明确,下游应用市场的成熟度不够,等等。壹行研认为,石墨烯在这些领域实现大规模商业应用在短期内比较困难,但在中长期(五到十年)内则有较大的可能。

再次,石墨烯薄膜应用的领域,包括大尺寸透明导电膜和显示屏、其他传感器、及逻辑器件和集成电路等其他电子应用的技术成熟度和成本下降潜力得分均较低,很多仍停留在实验室开发和测试阶段。在石墨烯膜方面,生产可控掺杂原子且晶格缺陷较少(完美晶型)的石墨烯薄膜仍然存在较高的技术壁垒,且大量生产时不同批次的产品质量存在较大差异,因而导致大尺寸透明导电膜成本高企。从技术发展趋势看,预期五到十年内石墨烯材料在以上这些应用领域大规模商用的可能性较小。不过,鉴于石墨烯薄膜电子器件的一些特殊性能,这些领域内的一些高价格的石墨烯器件有希望占领体量较小的高端细分市场,虽然其整体市场渗透率不会很高。

综上所述,石墨烯的研发受到各国政府、跨国公司和研究机构的重点关注。目前,电子是石墨烯的最大应用领域,壹行研预计电子在未来五年内将会保持最大石墨烯应用领域的地位。在众多的电子类石墨烯应用中,石墨烯导电浆料和油墨和石墨烯辅助散热器件的技术成熟度最高,成本下降潜力最大,因而在五年内实现大规模商业出货的可能性最大。

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