應(yīng)用精彩紛呈 電子行業(yè)將成石墨烯最大應(yīng)用市場

　　目前石墨烯最重要的應(yīng)用包括了電子、復(fù)合材料和儲能等行業(yè)。據(jù)分析，2015年石墨烯在電子行業(yè)的應(yīng)用占到了全球石墨烯市場35.9%的收入份額，超過儲能和復(fù)合材料等其他應(yīng)用市場，成為最大的石墨烯應(yīng)用。預(yù)計(jì)到2020年石墨烯從電子行業(yè)取得的收入將超過全球石墨烯市場收入份額的一半，達(dá)到51.3%。

　　2004年，英國曼徹斯特大學(xué)（University of Manchester）的Andre Geim和Konstantin Novoselov兩位科學(xué)家成功地從石墨材料中分離出石墨烯。這兩位科學(xué)家因此獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯是一個(gè)由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體材料，是目前已知的，自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料。石墨烯擁有優(yōu)越的光電、導(dǎo)熱、耐磨、耐腐蝕等性能，能夠被應(yīng)用于眾多的工業(yè)領(lǐng)域并切實(shí)提高相關(guān)材料和系統(tǒng)的性能。

　　全球石墨烯市場還處于早期階段

　　雖然理論上石墨烯是只有一層碳原子厚度的材料，但市面上的石墨烯材料既有單層或者寡層的，也有多層的，而石墨烯的具體形態(tài)更是五花八門，包括了薄膜、納米片（nanosheet）、納米帶（nanoribbon）、納米圓盤（nanodisc）等。目前的商用石墨烯材料主要有兩種產(chǎn)品類型，一個(gè)是石墨烯粉體，又稱石墨烯微片（graphene nanoplate），一般是小于幾十層的、納米或微米級的片狀或其他形貌的石墨烯材料。石墨烯微片具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，以及阻擋氣體和水分等特征性質(zhì)；另一種是石墨烯薄膜（graphene film），通常指在較大的宏觀表面形成的石墨烯單層或幾層的透明膜，石墨烯薄膜具有獨(dú)特的導(dǎo)電性、遷移率、優(yōu)異的透明度、延展性和柔性。

　　全球石墨烯市場還處于早期階段。根據(jù)新技術(shù)行業(yè)研究公司壹行研（Innova Research）統(tǒng)計(jì)，目前石墨烯最重要的應(yīng)用包括了電子、復(fù)合材料和儲能等行業(yè)。壹行研的數(shù)據(jù)表明，2015年石墨烯在電子行業(yè)的應(yīng)用占到了全球石墨烯市場35.9%的收入份額，超過石墨烯的儲能和復(fù)合材料等其他應(yīng)用市場，成為最大的石墨烯應(yīng)用。壹行研同時(shí)預(yù)測石墨烯從電子行業(yè)得到的收入將持續(xù)高速增長，預(yù)計(jì)到2020年石墨烯從電子行業(yè)取得的收入將超過全球石墨烯市場收入份額的一半，達(dá)到51.3%。

　　石墨烯應(yīng)用的研發(fā)高潮迭起

　　目前，石墨烯被認(rèn)為是最有可能取代硅材料的下一代半導(dǎo)體材料，其應(yīng)用技術(shù)備受世界各國政府、跨國公司以及眾多投資者的青睞。根據(jù)壹行研統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，全球?qū)κ┭邪l(fā)的總投入已經(jīng)高達(dá)24億美元。石墨烯材料的應(yīng)用研發(fā)成為各大跨國公司研發(fā)部門追逐的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

　　半導(dǎo)體巨頭，包括英特爾和IBM，分別進(jìn)行了石墨烯在高性能電子產(chǎn)品，如場效應(yīng)晶體管（FET）和集成電路芯片中的應(yīng)用研究。它們還分別聯(lián)合全球知名的石墨烯研發(fā)機(jī)構(gòu)，如曼徹斯特大學(xué)、麻省理工學(xué)院（MIT）、南洋理工大學(xué)（NTU）及賓州州立大學(xué)（PSU）等來持續(xù)推動石墨烯在中央處理器及芯片技術(shù)（CPU/IC）方面的研究及應(yīng)用。

　　化學(xué)材料巨頭如巴斯夫和拜耳材料（Covestro）則側(cè)重研發(fā)性能更好的石墨烯母料及復(fù)合材料，使其具有更優(yōu)越的電子、機(jī)械和熱性能，期望能應(yīng)用到下游電子行業(yè)。例如巴斯夫就先后與美國的石墨烯領(lǐng)頭企業(yè)Vorbeck Materials和西班牙的納米材料公司Avanzare一起開發(fā)應(yīng)用于電子行業(yè)的石墨烯導(dǎo)電涂料。

　　通訊及消費(fèi)電子巨頭，包括三星、蘋果、諾基亞、富士康、索尼、華為等等則對石墨烯改進(jìn)的透明導(dǎo)電膜，石墨烯導(dǎo)電油墨、基于石墨烯的電磁和靜電干擾組隔膜、石墨烯散熱材料等更感興趣。三星投資早在2014年就投資了全球最大的石墨烯生產(chǎn)廠商XG Sciences。三星SDI和XG Sciences還簽訂了聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，主要開發(fā)應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的新一代石墨烯材料輔助的鋰離子電池。而最近華為中央研究院瓦特實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的高溫鋰離子電池也采用了石墨烯散熱材料來實(shí)現(xiàn)三元鋰離子電池與環(huán)境間的高效散熱。據(jù)報(bào)道，該石墨烯輔助的鋰離子電池能將上限使用溫度提高10℃，并可將鋰離子電池的使用壽命延長一倍。

　　石墨烯的電子應(yīng)用精彩紛呈

　　目前，許多專業(yè)的石墨烯生產(chǎn)商致力于置換石墨烯材料進(jìn)入現(xiàn)有的電子材料體系。比如用石墨烯來替代ITO（Indium tin oxide，氧化銦錫）、活性炭、銀漿等材料，來開發(fā)具有更高性價(jià)比的電子產(chǎn)品。具體來說，石墨烯在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用包括，但不限于透明導(dǎo)電膜（TCF）、柔性電子（flexible electronics）、邏輯器件（logic device）、傳感器（sensor）、導(dǎo)電漿料及油墨（conductivepaste and ink）、散熱材料（thermalmanagement/spreader）、電磁干擾屏蔽（EMI shielding）和靜電放電保護(hù)（ESD protection）、射頻識別（RFID）以及智能包裝（smart packaging）等器件和系統(tǒng)中。

　　透明導(dǎo)電膜是石墨烯材料最早的電子應(yīng)用之一。三星電子早在2010年就和韓國成均館大學(xué)（Sungkyunkwan University）合作開發(fā)了30英寸（76.2厘米）的基于石墨烯薄膜的透明導(dǎo)電膜的原型。不過，要獲取完美晶格而且大尺寸的石墨烯薄膜的生產(chǎn)成本很高，該產(chǎn)品相對現(xiàn)有的ITO薄膜來說在成本上并無優(yōu)勢，高成本限制了石墨烯在大尺寸的導(dǎo)電膜領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。因此，一些石墨烯薄膜生產(chǎn)商，如西班牙的Graphenea和美國的Graphene Frontiers，積極改變下游產(chǎn)品策略，從大尺寸導(dǎo)電透明膜轉(zhuǎn)向供應(yīng)更高性能的小面積石墨烯膜的電子產(chǎn)品。這些新開發(fā)的應(yīng)用包括了石墨烯射頻識別和傳感器。相關(guān)石墨烯薄膜被一些半導(dǎo)體和電子巨頭，如英特爾、日立、阿爾卡特朗訊等采用，正處于經(jīng)濟(jì)研發(fā)階段。

　　石墨烯膜在觸控顯示屏和電子書屏幕的應(yīng)用上嶄露頭角。在石墨烯觸控屏方面國內(nèi)的石墨烯膜公司在商業(yè)進(jìn)程上走得更快更遠(yuǎn)。據(jù)報(bào)道，常州的二維碳素、第六元素及重慶墨希科技等國內(nèi)主要石墨烯廠商開始給手機(jī)廠商供應(yīng)石墨烯薄膜產(chǎn)品。其中，二維碳素早在2012年就和深圳力合光電以及無錫麗格光電共同開發(fā)了石墨烯電容式觸控面板，并于2013年投產(chǎn)了年產(chǎn)3萬平米的生產(chǎn)線；2015年該公司進(jìn)一步聯(lián)合深圳貝特萊電子發(fā)布了采用石墨烯應(yīng)變感應(yīng)傳感器的壓力觸控系統(tǒng)Z-touch。另外，2015年3月重慶墨西科技聯(lián)合影馳（GalaPad）開發(fā)的首批3萬臺石墨烯手機(jī)上市，該產(chǎn)品除了采用了石墨烯制成的觸摸屏，還同時(shí)采用了石墨烯散熱膜和其他含有石墨烯的器件。國內(nèi)的智能手機(jī)領(lǐng)導(dǎo)品牌如小米、酷派等也在自己的手機(jī)上做了石墨烯觸控屏的測試。不過，這些應(yīng)用都還處于試驗(yàn)階段，尚未形成持續(xù)的大批量出貨。

　　另一方面，石墨烯微片材料特有的印刷便利性以及優(yōu)越的電子傳導(dǎo)性能使得其在導(dǎo)電油墨、射頻識別天線（RFID antennas）印刷以及智能包裝應(yīng)用領(lǐng)域相對于傳統(tǒng)的導(dǎo)電銀漿材料更有優(yōu)勢。具體來說，應(yīng)用石墨烯粉末（微片）材料來替代傳統(tǒng)導(dǎo)電油墨中較為昂貴的銀漿等關(guān)鍵材料可以達(dá)到降低導(dǎo)電油墨成本的效果，同時(shí)其導(dǎo)電性能與基于銀漿的導(dǎo)電油墨相當(dāng)。在這方面比較領(lǐng)先的有全球最大的石墨烯生產(chǎn)商美國的XG Sciences。該公司開發(fā)了基于自己生產(chǎn)的XGnP？石墨烯材料的針對電子行業(yè)客戶的定制化石墨烯導(dǎo)電油墨以及石墨烯涂料。另一家全球領(lǐng)先的石墨烯廠商美國Vorbeck Materials也開發(fā)了基于石墨烯、替代傳統(tǒng)印刷電子使用的導(dǎo)電油墨Vor-inkTM，以及基于石墨烯印刷天線的射頻識別標(biāo)簽（RFID tags）Vor-tagTM產(chǎn)品，主要應(yīng)用于智能包裝領(lǐng)域。歐洲領(lǐng)先的石墨烯廠商、意大利的石墨烯公司Directa Plus則開發(fā)了針對印刷電子電路（printed electronics circuits）的Liquid G+石墨烯導(dǎo)電油墨產(chǎn)品。由于柔性及可穿戴電子在全球的逐步普及，可以預(yù)期石墨烯導(dǎo)電油墨以及基于石墨烯的射頻識別標(biāo)簽等產(chǎn)品會在接下來幾年時(shí)間內(nèi)進(jìn)一步滲透消費(fèi)電子市場。

　　由于石墨烯優(yōu)越的導(dǎo)熱、防輻射、防靜電等性能，應(yīng)用石墨烯可以切實(shí)提高電子產(chǎn)品的散熱效率，并提高抗電子干擾和抗靜電的能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化。目前，美國的XG Sciences和Angstron Materials等石墨烯廠商均提供基于石墨烯材料用于電子元件的散熱冷卻和電磁干擾屏蔽器件，分別命名為“XG LeafTM”和“ANG Thermal Foil”系列產(chǎn)品；加拿大的Grafoid也聯(lián)合CapTherm System開發(fā)了針對LED及電動車（EV）應(yīng)用的石墨烯散熱產(chǎn)品。壹行研預(yù)期未來會有更多的電子產(chǎn)品采用基于石墨烯微片的散熱器件、抗電磁干擾和靜電放電保護(hù)器件。

　　作為硅材料的直接競爭者，石墨烯材料在高性能電子器件中的應(yīng)用，比如基于石墨烯的場效應(yīng)晶體管及二極管（graphene-based field-effect transistors and diodes）等邏輯器件尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)及測試階段，其大規(guī)模應(yīng)用還有很長的路要走。據(jù)報(bào)道，美國IBM研究院開發(fā)出和標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS工藝兼容的運(yùn)算功能更強(qiáng)大的石墨烯芯片；德國AMO公司也和瑞典的Chalmers University of Technology合作開發(fā)石墨烯基場效應(yīng)晶體管及二極管。此外在其他傳感器研究上石墨烯材料在替代硅材料方面也取得了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的新進(jìn)展，例如2015年新加坡國立大學(xué)（NUS）的研究人員用石墨烯和氮化硼（boron nitride）制造了新型磁阻傳感器（magnetoresistance sensor，MR sensor）芯片，其性能比對應(yīng)的硅基磁阻傳感器敏感200倍。

　　石墨烯的電子應(yīng)用，哪些將勝出？

　　壹行研從技術(shù)成熟度和成本下降潛力這兩個(gè)主要的指標(biāo)對未來五到十年最可能大規(guī)模應(yīng)用的九個(gè)石墨烯電子應(yīng)用做了全面的評估。這九大石墨烯電子應(yīng)用分別是導(dǎo)電漿料及油墨、散熱器件、射頻識別及智能包裝、電磁干擾屏蔽及靜電放電保護(hù)、觸控屏和應(yīng)變感應(yīng)傳感器、其他傳感器、大尺寸透明導(dǎo)電膜/顯示屏、場效應(yīng)晶體管/單電子晶體管、集成電路芯片/中央處理器等。

　　圖一 石墨烯材料電子行業(yè)應(yīng)用前景分析

　　如圖一所示，其中技術(shù)成熟度分值越高表示該石墨烯應(yīng)用從技術(shù)層面更加成熟，1分是處于早期實(shí)驗(yàn)室研究階段，最高5分是已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)推廣階段；成本下降潛力代表相關(guān)石墨烯應(yīng)用在成本方面的可行性，1分表示該應(yīng)用領(lǐng)域使用石墨烯后成本不但沒有下降空間而且還有大幅上升，10分則表示使用石墨烯后該應(yīng)用領(lǐng)域可以產(chǎn)生成本下降的空間，得分越高表示該領(lǐng)域應(yīng)用石墨烯在成本上有優(yōu)勢。因此，技術(shù)成熟度得分越高且成本下降潛力分值越高的應(yīng)用領(lǐng)域越比較容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，反之，如果這兩個(gè)指標(biāo)值都很低，則表示該石墨烯應(yīng)用還處于技術(shù)發(fā)展的初級階段，在成本上也不具有優(yōu)勢，因而離大規(guī)模市場應(yīng)用還有很長的距離。

　　從圖一可以看出，由石墨烯微片材料制成的導(dǎo)電漿料及油墨的成本下降潛力最大而且具有較高的技術(shù)成熟度，是目前最具經(jīng)濟(jì)可行性的應(yīng)用。另一方面，石墨烯輔助的散熱器件在替代傳統(tǒng)散熱材料如金屬材料及活性炭等的情況下少許增加成本，但是石墨烯的添加有助于大幅度改善散熱性能，同時(shí)也延長了電子器件的壽命。在這個(gè)應(yīng)用場景中對產(chǎn)品性能的改善以及增強(qiáng)電子元件在嚴(yán)苛環(huán)境的適應(yīng)性足以抵消使用石墨烯帶來的額外增加的成本，所以可以預(yù)期在高端電子產(chǎn)品市場能形成大批量出貨。壹行研估計(jì)五年內(nèi)石墨烯在上述兩個(gè)電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的可能性很大。

　　其次，石墨烯材料在觸控屏和應(yīng)變感應(yīng)傳感器、電磁干擾屏蔽/靜電放電保護(hù)、射頻識別及智能包裝的應(yīng)用技術(shù)成熟度等的得分也比較高。這些應(yīng)用雖然陸續(xù)進(jìn)入了市場導(dǎo)入期，但是均存在制約大規(guī)模商用的瓶頸。比如相對現(xiàn)有的其他材料體系優(yōu)勢不夠明確，下游應(yīng)用市場的成熟度不夠，等等。壹行研認(rèn)為，石墨烯在這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用在短期內(nèi)比較困難，但在中長期（五到十年）內(nèi)則有較大的可能。

　　再次，石墨烯薄膜應(yīng)用的領(lǐng)域，包括大尺寸透明導(dǎo)電膜和顯示屏、其他傳感器、及邏輯器件和集成電路等其他電子應(yīng)用的技術(shù)成熟度和成本下降潛力得分均較低，很多仍停留在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)和測試階段。在石墨烯膜方面，生產(chǎn)可控?fù)诫s原子且晶格缺陷較少（完美晶型）的石墨烯薄膜仍然存在較高的技術(shù)壁壘，且大量生產(chǎn)時(shí)不同批次的產(chǎn)品質(zhì)量存在較大差異，因而導(dǎo)致大尺寸透明導(dǎo)電膜成本高企。從技術(shù)發(fā)展趨勢看，預(yù)期五到十年內(nèi)石墨烯材料在以上這些應(yīng)用領(lǐng)域大規(guī)模商用的可能性較小。不過，鑒于石墨烯薄膜電子器件的一些特殊性能，這些領(lǐng)域內(nèi)的一些高價(jià)格的石墨烯器件有希望占領(lǐng)體量較小的高端細(xì)分市場，雖然其整體市場滲透率不會很高。

　　綜上所述，石墨烯的研發(fā)受到各國政府、跨國公司和研究機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注。目前，電子是石墨烯的最大應(yīng)用領(lǐng)域，壹行研預(yù)計(jì)電子在未來五年內(nèi)將會保持最大石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域的地位。在眾多的電子類石墨烯應(yīng)用中，石墨烯導(dǎo)電漿料和油墨和石墨烯輔助散熱器件的技術(shù)成熟度最高，成本下降潛力最大，因而在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)出貨的可能性最大。