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石墨烯能否颠覆LED行业?

作者:linhui2017-01-03阅读 6评论0赞 0
早前华为宣布推出业界首个高温长寿命石墨烯锂离子电池,一下子引发国人对石墨烯的广泛关注。华为总裁任正非都表示,未来10-20年,石墨烯将引发一场技术革命,成为彻底改变21世纪的黑科技。

  早前华为宣布推出业界首个高温长寿命石墨烯锂离子电池,一下子引发国人对石墨烯的广泛关注。华为总裁任正非都表示,未来10-20年,石墨烯将引发一场技术革命,成为彻底改变21世纪的黑科技。

  对led业来说,这是要变天了吗?

  石墨烯,被称为新世纪的“材料之王”。它的问世给工业界带来了极大的震撼和冲击。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被科学家预言将“彻底改变21世纪”。它的应用极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性革命。

  正是得益于它超强的导电导热性能,石墨烯的出现也为led产业带来了新的生机。通过神奇的石墨烯分子不仅可以大大增强led灯具的性能和使用寿命,而且在价格上有希望比传统led更便宜。业内人士预言,应用石墨烯技术的led产品即将为照明技术带来又一次革新。

  不过,也有不少科研人员指出,石墨烯作为一种新材料,要在led领域得到大范围的应用,可谓“前景光明,道路曲折”。由于受制于石墨烯生产技术及高昂的成本,未来石墨烯+led的道路可谓道阻且长。

  神奇的材料之王

  石墨烯的发现者之一、2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆这样描述:“石墨烯对很多人来说就像爱丽丝仙境一样,非常神奇。”

  这种神奇物质到底是什么?

  石墨烯,实际就是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。铅笔芯用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起。

  “它是迄今为止自然界最薄、强度最高的材料,可以被无限拉伸,弯曲到很大程度而不断裂,还可抵抗很大的压力。”安德烈·海姆介绍。

  此外,它还有着非同寻常的导热性和导电性。据悉,石墨烯是世界上最导电的材料之一,大约百分之一的石墨烯混添加到塑料中就可以将它们变成导体。重量也极轻,同样厚度是钢强度的200倍,却可以以100万米/秒的速度传输电子。石墨烯既可以作为导体材料,又可以作为半导体材料。它是已知物体中室温导电率最高的材料,比最好的导体金属如金或铜高出几个数量级。

  “石墨烯导电率高,化学结构又十分稳定,是一种用于移动电池、电源很理想的电极材料。”中国科学院院士、中国科学院金属研究所研究员成会明表示,石墨烯可以和电子元件、电子设备进一步结合使用,以此提高其他储电设备的储电率。

  据悉,石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

  另外,石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是最小的气体分子(氦气)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。

  颠覆led照明行业

  鉴于石墨烯材料优异的导热与导电能力和高透明穿透率性质,led业界开始尝试将石墨烯用于led芯片与散热领域。

  2015年,英国曼彻斯特大学的国家级石墨烯研究所研制出了全新的石墨烯灯泡,拥有比led灯泡更坚固的结构和更低廉的价格。据研究人士介绍,这种新型石墨烯灯泡仍基于led技术研发,通过神奇的石墨烯分子大大增强其性能和使用寿命,而且在价格上有希望比传统led灯泡更便宜。这种创新技术的石墨烯灯泡为可调光灯泡,灯泡内有灯丝形状的led灯,且led灯外层会涂上石墨烯,石墨烯的导电能力强,可让灯泡使用时间拉长,并减少10%的能源消耗。

  专业人士还认为,对“硅”的替代将为led芯片行业带来一次颠覆性的改变。据麻省理工学院研究院发现,石墨烯技术可以使芯片的速率提升百万倍。若能成功商用,这对芯片行业而言无疑是一次新的革命。在过去的几十年里,硅一直是制造芯片的原材料首选,而石墨烯的出现,未来或将代替硅成为芯片主要材料。

  另一方面,除了优异的导热导电能力以外,石墨烯还有望取代现有的稀土元素来制作白光led。来自中国台湾清华大学的研究人员,在一篇公开发表的文章中声称,使用了稀土元素以外的材料制作出了可以发白光的led产品。据介绍,这个led是以碱金属锶为基础,搭建了金属有机框架(mof),在mof的上下分别结合了石墨烯等材料,构成了可以直接发出白光的led。

  当前,随着led市场的逐渐成熟和竞争的愈发激烈,如何降低成本,制造更高性能的产品已经成为led企业追逐的目标。石墨烯与led照明领域的结合应用无疑将为led产业的持续发展带来了一个新的突破口。

  2016年8月4日,山东晶泰星光电科技有限公司与英国石墨烯照明公司合并签约仪式在山东大厦举行。合并后的新公司将是全球首家将石墨烯技术大规模应用在led照明领域的企业,将对led照明行业的发展起到积极推动作用。

  技术与成本仍是软肋

  当前,石墨烯已经广泛地应用在工业领域的各个方面。在2016中国国际石墨烯创新大会上,展览了品类繁多的石墨烯应用产品,如理疗护腰、服装、散热器、充电宝、轮胎等。但目前对于石墨烯的应用仍是改进型产品,石墨烯的潜力和不可替代性并没有充分发挥出来,真正杀手级、具有颠覆性的产品仍未出现。

  石墨烯应用最大的阻力来自于材料生产。中科院院士、北京大学教授刘忠范说,要实现石墨烯商业化,需要生产出低成本、高品质的石墨烯成品,但制出这种石墨烯并非易事。技术层面上还有很多挑战,批量化或大尺寸生产都还没能实现。

  据了解,石墨烯本来就存在于自然界中,只是难以剥离出单层结构。总体而言,一般业界认为,超过10层便不具备石墨烯材料的优异特性。如何让石墨烯剥离得更薄?如何保障石墨烯产品纯度,尽量减少其中游离的金属、灰分及各种杂质,仍是两道技术难题。

  石墨烯材料分为石墨烯粉体和石墨烯薄膜两种,目前已形成了较为成熟的制备体系,总体品质也在不断上升。然而,制备兼具高质量、低成本、过程绿色的石墨烯仍存在技术壁垒。

  可以说,目前已解决了石墨烯产量的问题,但制备高质量、品质一致性、低成本的石墨烯,未来仍有大量的工作要做。

  广东德力光电有限公司副总经理叶国光表示,石墨烯也许是一个非常好的导热材料,但是以现在的技术与成本用在led领域会非常浪费,目前用在芯片的透明导电层上也很浪费,除非有生产技术的突破,让石墨烯镀膜成本降低到跟ito差不多,这样也许因为它的优异特性取代目前的工艺也不无可能。同理用在led散热材料也是如此。我觉得led芯片可能会比较快用上。

  事实上,时至今日全球范围内还没有一家企业实现真正石墨烯及其衍生品的产业化,国内企业中除了两家企业实现了应用于led行业的石墨烯产品的小规模生产外,其余研究机构及企业均只能小批量生产,产品也主要用于研究机构的研究。

  当前各类石墨烯产品能否真正成为符合市场规律的商品,还需要时间的检验。在具有良好性价比优势的前提下,在应用产品的质量管理、品质控制、性能持久等方面都需要进一步加强研究。专业人士认为,石墨烯的应用开发应从上游到下游与从下游到上游同时进行,从而更好地实现石墨烯材料与终端产品的无缝对接。

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