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石墨烯材料研究现状及在LED照明领域中的应用

一、石墨烯材料的整体技术现状和应用现状

石墨烯产业链包括上游、中游和下游,上游为生产石墨烯所用的各种原材料,如石墨、烃类等物质的开采,中游为各类石墨烯材料的研究,包括石墨烯薄膜、石墨烯粉体等,下游为石墨烯终端产品的开发。

从各国的研究发展情况看,美国已经涵盖了从上游石墨烯原材料的开采到下游具体产业应用的全链条,欧洲基础研究成果丰富,但是产业应用环节较为薄弱,日本和韩国集中在下游产业应用上,尤其在电子器件领域中的应用成果丰富。我国拥有丰富的石墨资源,在石墨烯原料的规模化生产以及在部分下游领域如涂料、电池导电添加剂,实现了产业化,但是目前下游应用仍然集中在附加值较低的产品上,高附加值产品进展薄弱。

目前掣肘石墨烯产业发展的关键性问题是制备高质量的石墨烯,结合各个国家相关政策可以看出,未来一段时间内研究发展的重点是产业链中游的石墨烯材料的研究。当前,石墨烯制备方法主要有机械剥离法、液相剥离法、外延生长法、化学气相沉积法和氧化还原法。

在下游产业应用上,石墨烯的应用领域主要涉及电子器件领域、光电器件领域、能源领域、复合材料领域、生物医用领域以及环境领域。在电子设备领域,石墨烯由于具有优异的电学性能,研究者已将其应用于电子器件中,目前已开发出在沟道层使用石墨烯的高速动作性RF电路用电场效应晶体管、在SiC晶元上集成使用石墨烯作为沟道的晶体管和电感器、工作带宽超过10GHz的混频器IC。在能源领域,石墨烯优良的导电性可大幅提高电池的输出功率密度,石墨烯制备的锂离子电池、超级电容器充放电速率远远高于普通电池。在光电器件领域,透明导电膜是最接近实用化的应用例之一,石墨烯可作为ITO的替代材料,用于触摸面板、柔性液晶面板、有机EL照明等,据报道目前手机用石墨烯电容触摸屏已研制成功。石墨烯基的复合材料对材料的机械强度、导热性、吸附性等方面都有很大程度的提升,被看好是制作“宇宙电梯”的缆线材料,近期也被提倡用于散热等方面。在生物医药领域,石墨烯纳米生物分子传感器研究也取得突破性的进展。

二、国内石墨烯材料技术与应用与国外存在的差异

从国内外石墨烯材料的研究领域上看,我国与国外的研究不分伯仲,甚至在部分领域处于领先水平,到2015年,中国关于石墨烯的研究论文发表数量在全球处于第一位,达到34%,超过美国的19%。与国外相比,我国在石墨烯材料生长与制备方法方面已经取得突破性进展,研究水平进入到国际先进行列。

从石墨烯规模化量产上看,我国已可以实现石墨烯粉体和浆料的规模化生产,与国外不相上下。

在产业应用上,国内目前集中在导电散热膜(包括发热服装、理疗产品等)、电池导电添加剂、散热材料这几个领域,并且均已实现了产业化应用。而欧美日韩等发达经济体主要集中在光电部件、传感器、医疗和环保材料等高端领域,相比之下,我国对高科技产品中石墨烯的应用准备不足,例如,在新能源电池领域,美国开发的石墨烯电池技术应用于新能源汽车已可以达到续航里程643公里,并且可以产业化应用,而我国新能源电池技术虽已有实质性进展,尚不能实现产业化。在涂料领域,我国大力发展石墨烯在防腐涂料中的应用,但是在耐盐雾、耐雨蚀方面与国外差距较为明显。

三、石墨烯材料当前存在的技术壁垒

目前石墨烯产业化最大的技术瓶颈在于尚未有高质量的石墨烯原料规模化生产技术,对于大尺寸、杂质缺陷可控的高品质石墨烯(尤其是单层石墨烯)技术存在壁垒,直接限制了下游产品的性能,这也是目前石墨烯技术在高端电子产品中应用不足的主要原因。机械剥离法获得的石墨烯虽然质量高,但是成功率太低,根本无法工业化量产,只适用于实验室研究;化学气相沉积法可以生产出高质量、大面积的石墨烯,但是对环境影响较大,成本高;氧化和还原法是目前大规模生产石墨烯的最理想的方法,但是也会导致质量下降。

高质量石墨烯制备手段的欠缺,也直接影响到石墨烯在LED照明领域中的应用。当前采用石墨烯散热的手段主要包括采用石墨烯薄片和石墨烯涂料薄膜。石墨烯薄片主要采用化学气相沉积的办法制备,但是仍没有解决如何制备出高质量大面积的石墨烯以及如何实现无损转移,采用机械剥离法剥离制备少数层石墨烯效果较好,但是制备效率低,难以产业化。石墨烯散热薄膜可以采用液相剥离法制备,但是均匀性有待提高,而氧化还原法则对环境容易产生影响。

石墨烯是一种二维材料,能够提供大的接触面,受界面相互作用、原子缺陷和边缘的强烈影响,具有高的面内导热率和相对低的垂直于平面方向的外导热率,由于多层石墨烯层间的范德华力导致了较大的层间热阻,使得其垂直于平面方向的热导率要比平面内热导率低超过2个数量级,显示出明显的各向异性热传导。单层石墨烯的导热率高达5200W/(m·K),但是多层石墨烯的导热率随着层数的变化而变化,当层数在2-4层时,导热率迅速降为1300-2800W/(m·K)。

四、石墨烯技术对LED照明产业的贡献

石墨烯基于优异的导电性能和导热性能,在大功率LED照明领域有着广泛的应用。石墨烯目前主要的应用方向有三个,利用其导电性能制作透明电极或者用于电极附近透明导电层,利用其导热性能制备导热薄膜,以及在基板、底座上涂敷导热散热作用的石墨烯涂层。此外,将石墨烯作为发光层材料、用作灯具外壳、用作透明封装材料以及电流扩散层方向上也有很多研究。

在导电领域,近年来,氮化镓基发光二极管(LED)迅猛发展,在GaN基LED中,氧化铟锡(IOT)由于其高电导率和高透光率,已成为LED生产工艺中透明导电薄膜的主要材料。2015年4月,英国曼彻斯特大学的石墨烯研究所研制出了全新的石墨烯灯泡,灯泡内设置有灯丝形状的LED光源,LED光源的外侧涂有石墨烯,利用石墨烯的导电能力,使灯泡使用时间更长,并且减少能源损耗。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。

在发光领域,2015年7月,清华大学微纳电子系教授任天令利用两种形式的石墨烯中制作出了一款新型发光材料,第一次在基于石墨烯材料的发光体系中证明,仅用一个LED就可调整出不同颜色的光,几乎覆盖整个可见光光谱的所有颜色。

在照明散热领域,LED照明中通过半导体芯片实现光电转化,为最大限度的实现电能转化成光能而不是热能,提高LED照明的发光效率,必须对半导体芯片的散热问题予以解决,而石墨烯的散热能力非常出色,单层石墨烯薄膜的导热能力达到5.3kW·(m·K)-1,远高于传统的技术材料,是LED照明散热问题解决的有效手段。

明朔(北京)电子科技有限公司是LED照明领域中石墨烯散热性能应用的先行者和创领者,依托与北京理工大学、浙江大学打造的产学研一体化合作平台凭借,强大的新材料研发能力,先后开发出三种具有可逆液晶相变特征(RLCP)的石墨烯导热散热复合材料,分别是石墨烯原位固化导热硅胶、石墨烯复合固液相变材料以及石墨烯复合散热增强涂料,可解决散热中的三大关键难题:导热、均温及换热。将其应用于大功率LED照明的热沉结构后,实现芯片结温的有效控制以及散热器的微型化。在此基础上已开发出一系列LED照明产品,如石墨烯散热LED照明模组、石墨烯散热LED照明灯管、石墨烯散热工矿灯、石墨烯散热LED隧道灯、石墨烯散热LED车前大灯等等,尤其是石墨烯散热LED路灯灯管结构创造性设计,颠覆LED路灯行业的传统模式,替代了原有LED路灯替换钠灯整个灯头的替换方式。通过标准化的结构设计,在不替换钠灯灯壳的前提下,实现即插即用的替换方式,人工成本和设备成本大大降低。有望成为LED路灯标准新发展方向。

除明朔科技外,飞利浦MASTER LED MR16新式灯具作为全球首例大功率LED应用,其铝制外壳已经被帝斯曼公司开发出的Stanyl TC导热塑料所取代,其效果不仅达到了同等级的散热目的,而且整个灯具更轻,耐腐蚀。而石墨烯导热塑料的导热率可从普通塑料的0.2W/mK提高至5-15W/mK,且抗腐蚀。

Blue Stone公司开发出采用石墨烯导热塑料的大功率LED产品,并显示了优异的散热性能。另一方面,石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片,实测的热导率可达到1000W/mK以上,同时膜片具有良好的柔韧性易于加工。

厦门泰启力飞电子科技有限公司开发的LED灯用的散热模组,采用导热高分子材料混合石墨烯材料制作成模组替代现有的铝制散热模组,实际使用对导热性能提高有限,目前只适用于低功率(小于30W)照明散热器领域。

山东晶泰星光电科技有限公司将石墨烯用在灯丝的背部位置的金属基板上,LED加热产生的热量通过石墨烯把热量辐射出去,同时利用壳内的导热气体来实现有效的对流,降低温度。根据涂石墨烯和不涂石墨烯产品的对比,可以看到涂有石墨烯的芯片结温温度虽然比没有涂石墨烯的结温低3-5度,对延长灯丝的寿命没有本质帮助。

中国石墨烯产业技术创新联盟发布的《2016全球石墨烯产业研究报告》指出,未来3-5年内,石墨烯导热薄膜、石墨烯发热膜将实现快速商业化;未来5-7年内,将陆续有新型实用的石墨烯导热塑料、石墨烯导热涂料应用于生产生活中;而在未来7-10年内,将会有更轻便可嵌入的石墨烯导热芯片问世,提高散热效率。中国在此产业中引领全球发展,市场规模将以200~300%的年复增长率翻上几番。

中商产业研究院发布的《2016-2021年中国石墨烯行业调研分析及市场预测报告》预测了2016年至2020年LED应用石墨烯导热膜市场规模,到2020年,LED导热膜的市场规模可以达到12.5亿。

石墨烯材料研究现状及在LED照明领域中的应用

图1 LED应用石墨烯导热膜市场规模

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