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碳奈米管拓展電子應用商機

上網時間: 2009年08月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:碳米管  石墨烯  CNT 

碳奈米管(CNT)與石墨烯(graphene)不但可在有機材料中展現驚人的電子特性;同時,在感測器、微電子與半導體元件、場發射顯示器(FED)、奈米電極與能源轉換元件(如燃料電池與一般電池)等電子與電氣應用中,它也存在著無窮的發展潛力。

由化學結構來看,CNT可作為有機與無機半導體/導體的替代方案,但其成本仍是目前最大的限制。然而,隨著應用成長與製造成本減少,整體成本也可望快速降低。由於CNT的載子遷移率較矽(Si)更高,因而可製造出快速的開關電晶體,這使業界對於CNT一直保持著濃厚的興趣。相形之下,許多公司目前為電晶體所開發的聚合物有機物質,其遷移率仍相當低,嚴重地限制了更多可能的應用。

CNT在電子領域的最初應用將是透光導體,如在顯示器應用中取代ITO、觸控螢幕、太陽能電池,以及連接TFT與前端面板,如OLED的顯示器匯流排等應用。

全球業者都在關注快速成長的CNT與石墨烯電子應用,特別是在印刷電路與太陽光電領域,這些材料本身的特性和近期取得的技術進展,大幅拓展了可能的應用範圍,也激起更多廠商投入的意願。

由芬蘭赫爾辛基科技大學(TKK)在2004年獨立而出的Canatu公司,目前正生產基於CNT的薄膜,以及奈米材料CNT薄膜NanoBud。該公已發表了有關石墨烯與CNT的重要創新和商業應用,包括透明電極、半導體、電阻、電容,以及用於顯示器、太陽能、觸控螢幕和雷射等領域的飽和吸收體等。Canatu的重要創新包括Carbon NanoBuds、傳統CNT與富勒烯間的混合物質、CNT與NanoBud合成製程,以及稱為Direct Dry Printing的元件生產方法;這些創新技術能夠產出超高品質的同質化與圖案化的薄膜。

Canatu著重於薄膜半導體與導體的應用,涵蓋範圍包括太陽電池與顯示器的透明電極、脈衝雷射的飽和吸收體,以及場效電晶體的半導體薄膜等。其圖案化的透明導體薄膜適用於取代LCD與OLED顯示器、薄膜太陽能電池等應用中的ITO。Canatu正與一些公司合作,以便將其薄膜產品整合在更多應用中,如電子閱讀器(e-reader)、觸控螢幕、薄膜顯示器與太陽電池等。

Canatu表示,該公司將針對各種不同的導體、透明物質推出同質且圖形化的薄膜,並將開始為幾家策略夥伴針對其應用規格供應專用的薄膜。Canatu公司CEO David Brown預計,未來五年內,其出貨量可望成長300%。

加州史丹佛大學也針對基於CNT的宏觀電子與奈米電子進行研究,包括瞭解分子與CNT互動的基本原理、金屬/半導體CNT分離技術的開發、自CNT中提煉大型薄膜電晶體的製造與最佳化、以及自組式與圖形化CNT等計劃。

史丹佛大學的一個研究小組正致力於將可印刷的碳奈米管應用於高性能能量儲存元件之中。史丹佛大學材料科學暨工程學系教授Yi Cui及一位助理教授的研究範圍包含了具備極高能量與功率密度的全新超低成本複雜印刷超級電容、針對電池應用的完整印刷奈米管集電器,以及可伸縮且能穿戴的軟性奈米管能量儲存元件。

Nantero公司則著重於奈米管記憶體與電子元件的開發,特別是基於奈米管的資料儲存元件。該公司的高密度奈米管非揮發性隨機存取記憶體(NRAM)元件採用包含了懸浮式單層(single-walled)或多層(multi-walled)的CNT所製造。對於邏輯閘與CMOS技術的整合,該公司表示深具信心。

2008年成立的SVTC Technology公司結合了Nantero公司的「CMOS-friendly」CNT製程技術,目前也正在SVTC公司於德州與加州的兩個開發實驗室展開研發工作。除了主要對於NRAM通用記憶體的關注重點以外,Nantero公司也正針對採用邏輯與感測器等CNT技術的下一代半導體元件,與授權廠商展開合作。

加州大學洛杉機分校(UCLA)則積極主導印刷電子、太陽電池與該領域的相關主題進行學術研究。UCLA材料科學與工程學教授Yang Yang在混合石墨桸與CNT材料(G-CNT)領域有一些重要發現。研究人員們開發出一種簡單、便宜且可充性的方法,只需一個步驟即可製造出G-CNT材料。作為可取代如太陽電池與可撓性消費電子產品等ITO的高性能替代方案而言,透明導體正顯現出無窮的發展潛力。

儘管包括NEC、HRL Laboratories、IBM、Optomec、富士(Fujitsu)與AIST等幾家廠商均已展示其於CNT與石墨烯方面的成果,然而,距離可商用化上市還有很長的路要走。IDTechEx保守估計大約要到2015年後才可能量產,更樂觀一點的估計也許可提早兩年吧!

石墨烯與多層式CNT (MWCNT)目前已在大量生產中,每年產量約十公噸。但據估計,拜爾(Bayer)與Showa Denko等公司在2008年所生產的MWNCT數量總共大約就有100噸。到了2009年,這一數字可望再加倍成長。然而,大部份的這些元件都應用在非電子/電氣產品,或是電磁保護等簡單應用中。

該領域所面對的挑戰是材料提煉、元件製造,以及對於其它材料的需求,例如合適的介電質等。然而,由於這些材料具有高性能、高彈性度、透明且可印刷的優勢,這一市場商機仍相當龐大。

本文作者Cathleen Thiele是IDTechEx公司技術分析師





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