早前華為宣布推出業(yè)界首個高溫長壽命石墨烯鋰離子電池，一下子引發(fā)國人對石墨烯的廣泛關(guān)注。華為總裁任正非都表示，未來10-20年，石墨烯將引發(fā)一場技術(shù)革命，成為徹底改變21世紀(jì)的黑科技。
對LED業(yè)來說，這是要變天了嗎?
石墨烯，被稱為新世紀(jì)的“材料之王”。它的問世給工業(yè)界帶來了極大的震撼和沖擊。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被科學(xué)家預(yù)言將“徹底改變21世紀(jì)”。它的應(yīng)用極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性革命。
正是得益于它超強(qiáng)的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，石墨烯的出現(xiàn)也為LED產(chǎn)業(yè)帶來了新的生機(jī)。通過神奇的石墨烯分子不僅可以大大增強(qiáng)LED燈具的性能和使用壽命，而且在價格上有希望比傳統(tǒng)LED更便宜。業(yè)內(nèi)人士預(yù)言，應(yīng)用石墨烯技術(shù)的LED產(chǎn)品即將為照明技術(shù)帶來又一次革新。
不過，也有不少科研人員指出，石墨烯作為一種新材料，要在LED領(lǐng)域得到大范圍的應(yīng)用，可謂“前景光明，道路曲折”。由于受制于石墨烯生產(chǎn)技術(shù)及高昂的成本，未來石墨烯+LED的道路可謂道阻且長。
神奇的材料之王
石墨烯的發(fā)現(xiàn)者之一、2010年諾貝爾物理學(xué)獎得主安德烈·海姆這樣描述：“石墨烯對很多人來說就像愛麗絲仙境一樣，非常神奇。”
這種神奇物質(zhì)到底是什么?
石墨烯，實際就是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。鉛筆芯用的石墨就相當(dāng)于無數(shù)層石墨烯疊在一起。
“它是迄今為止自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料，可以被無限拉伸，彎曲到很大程度而不斷裂，還可抵抗很大的壓力。”安德烈·海姆介紹。
此外，它還有著非同尋常的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。據(jù)悉，石墨烯是世界上最導(dǎo)電的材料之一，大約百分之一的石墨烯混添加到塑料中就可以將它們變成導(dǎo)體。重量也極輕，同樣厚度是鋼強(qiáng)度的200倍，卻可以以100萬米/秒的速度傳輸電子。石墨烯既可以作為導(dǎo)體材料，又可以作為半導(dǎo)體材料。它是已知物體中室溫導(dǎo)電率最高的材料，比最好的導(dǎo)體金屬如金或銅高出幾個數(shù)量級。
“石墨烯導(dǎo)電率高，化學(xué)結(jié)構(gòu)又十分穩(wěn)定，是一種用于移動電池、電源很理想的電極材料。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院金屬研究所研究員成會明表示，石墨烯可以和電子元件、電子設(shè)備進(jìn)一步結(jié)合使用，以此提高其他儲電設(shè)備的儲電率。
據(jù)悉，石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計算機(jī)。用石墨烯取代硅，計算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會快數(shù)百倍。
另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體分子(氦氣)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。
顛覆LED照明行業(yè)
鑒于石墨烯材料優(yōu)異的導(dǎo)熱與導(dǎo)電能力和高透明穿透率性質(zhì)，LED業(yè)界開始嘗試將石墨烯用于LED芯片與散熱領(lǐng)域。
2015年，英國曼徹斯特大學(xué)的國家級石墨烯研究所研制出了全新的石墨烯燈泡，擁有比LED燈泡更堅固的結(jié)構(gòu)和更低廉的價格。據(jù)研究人士介紹，這種新型石墨烯燈泡仍基于LED技術(shù)研發(fā)，通過神奇的石墨烯分子大大增強(qiáng)其性能和使用壽命，而且在價格上有希望比傳統(tǒng)LED燈泡更便宜。這種創(chuàng)新技術(shù)的石墨烯燈泡為可調(diào)光燈泡，燈泡內(nèi)有燈絲形狀的LED燈，且LED燈外層會涂上石墨烯，石墨烯的導(dǎo)電能力強(qiáng)，可讓燈泡使用時間拉長，并減少10%的能源消耗。
專業(yè)人士還認(rèn)為，對“硅”的替代將為LED芯片行業(yè)帶來一次顛覆性的改變。據(jù)麻省理工學(xué)院研究院發(fā)現(xiàn)，石墨烯技術(shù)可以使芯片的速率提升百萬倍。若能成功商用，這對芯片行業(yè)而言無疑是一次新的革命。在過去的幾十年里，硅一直是制造芯片的原材料首選，而石墨烯的出現(xiàn)，未來或?qū)⒋婀璩蔀樾酒饕牧稀?/p>
另一方面，除了優(yōu)異的導(dǎo)熱導(dǎo)電能力以外，石墨烯還有望取代現(xiàn)有的稀土元素來制作白光LED。來自中國臺灣清華大學(xué)的研究人員，在一篇公開發(fā)表的文章中聲稱，使用了稀土元素以外的材料制作出了可以發(fā)白光的LED產(chǎn)品。據(jù)介紹，這個LED是以堿金屬鍶為基礎(chǔ)，搭建了金屬有機(jī)框架(MOF)，在MOF的上下分別結(jié)合了石墨烯等材料，構(gòu)成了可以直接發(fā)出白光的LED。
當(dāng)前，隨著LED市場的逐漸成熟和競爭的愈發(fā)激烈，如何降低成本，制造更高性能的產(chǎn)品已經(jīng)成為LED企業(yè)追逐的目標(biāo)。石墨烯與LED照明領(lǐng)域的結(jié)合應(yīng)用無疑將為LED產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展帶來了一個新的突破口。
2016年8月4日，山東晶泰星光電科技有限公司與英國石墨烯照明公司合并簽約儀式在山東大廈舉行。合并后的新公司將是全球首家將石墨烯技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用在LED照明領(lǐng)域的企業(yè)，將對LED照明行業(yè)的發(fā)展起到積極推動作用。
技術(shù)與成本仍是軟肋
當(dāng)前，石墨烯已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的各個方面。在2016中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，展覽了品類繁多的石墨烯應(yīng)用產(chǎn)品，如理療護(hù)腰、服裝、散熱器、充電寶、輪胎等。但目前對于石墨烯的應(yīng)用仍是改進(jìn)型產(chǎn)品，石墨烯的潛力和不可替代性并沒有充分發(fā)揮出來，真正殺手級、具有顛覆性的產(chǎn)品仍未出現(xiàn)。
石墨烯應(yīng)用最大的阻力來自于材料生產(chǎn)。中科院院士、北京大學(xué)教授劉忠范說，要實現(xiàn)石墨烯商業(yè)化，需要生產(chǎn)出低成本、高品質(zhì)的石墨烯成品，但制出這種石墨烯并非易事。技術(shù)層面上還有很多挑戰(zhàn)，批量化或大尺寸生產(chǎn)都還沒能實現(xiàn)。
據(jù)了解，石墨烯本來就存在于自然界中，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。總體而言，一般業(yè)界認(rèn)為，超過10層便不具備石墨烯材料的優(yōu)異特性。如何讓石墨烯剝離得更薄?如何保障石墨烯產(chǎn)品純度，盡量減少其中游離的金屬、灰分及各種雜質(zhì)，仍是兩道技術(shù)難題。
石墨烯材料分為石墨烯粉體和石墨烯薄膜兩種，目前已形成了較為成熟的制備體系，總體品質(zhì)也在不斷上升。然而，制備兼具高質(zhì)量、低成本、過程綠色的石墨烯仍存在技術(shù)壁壘。
可以說，目前已解決了石墨烯產(chǎn)量的問題，但制備高質(zhì)量、品質(zhì)一致性、低成本的石墨烯，未來仍有大量的工作要做。
廣東德力光電有限公司副總經(jīng)理葉國光表示，石墨烯也許是一個非常好的導(dǎo)熱材料，但是以現(xiàn)在的技術(shù)與成本用在LED領(lǐng)域會非常浪費(fèi)，目前用在芯片的透明導(dǎo)電層上也很浪費(fèi)，除非有生產(chǎn)技術(shù)的突破，讓石墨烯鍍膜成本降低到跟ITO差不多，這樣也許因為它的優(yōu)異特性取代目前的工藝也不無可能。同理用在LED散熱材料也是如此。我覺得LED芯片可能會比較快用上。
事實上，時至今日全球范圍內(nèi)還沒有一家企業(yè)實現(xiàn)真正石墨烯及其衍生品的產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)企業(yè)中除了兩家企業(yè)實現(xiàn)了應(yīng)用于LED行業(yè)的石墨烯產(chǎn)品的小規(guī)模生產(chǎn)外，其余研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)均只能小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品也主要用于研究機(jī)構(gòu)的研究。
當(dāng)前各類石墨烯產(chǎn)品能否真正成為符合市場規(guī)律的商品，還需要時間的檢驗。在具有良好性價比優(yōu)勢的前提下，在應(yīng)用產(chǎn)品的質(zhì)量管理、品質(zhì)控制、性能持久等方面都需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。專業(yè)人士認(rèn)為，石墨烯的應(yīng)用開發(fā)應(yīng)從上游到下游與從下游到上游同時進(jìn)行，從而更好地實現(xiàn)石墨烯材料與終端產(chǎn)品的無縫對接。
