石墨烯材料的研究現狀及其在LED照明中的應用
石墨烯材料的研究現狀及其在LED照明中的應用
石墨烯的產業(yè)鏈包括上游、中游和下游。上游是石墨、碳氫化合物等石墨烯生產原料的開發(fā)，上游是石墨烯薄膜、石墨烯粉末等各種石墨烯材料的研究，下游是石墨烯終端產品的開發(fā)。
從各國研究和發(fā)展的角度來看，美國涵蓋了從上游石墨烯原材料開發(fā)到下游特定產業(yè)應用的整個鏈條。歐洲基礎研究成果豐富，但產業(yè)應用環(huán)節(jié)相對薄弱。日本和韓國主要致力于下游產業(yè)的應用，尤其是電子器件領域，中國擁有豐富的石墨資源。石墨烯原料的大規(guī)模生產和涂料、電池導電添加劑等下游領域實現了產業(yè)化。但是，下游應用仍然集中在低附加值產品上，高附加值產品的進展乏力。
目前，阻礙石墨烯工業(yè)發(fā)展的關鍵問題是制備優(yōu)質石墨烯。結合各國的相關政策，可以看出，未來研究和發(fā)展的重點是產業(yè)鏈中部石墨烯材料的研究，目前石墨烯的制備方法主要有機械剝離、液相剝離、外延生長、化學氣相沉積等。以及氧化還原法。
在下游產業(yè)的應用中，石墨烯的應用領域主要涉及電子器件、光電器件、能源、復合材料、生物醫(yī)學和環(huán)境等領域，在電子設備領域，石墨烯因其優(yōu)異的電性能而被應用于電子器件。目前已研制出工作帶寬在10GHz以上的混合集成電路，它以石墨烯為通道晶體管，以石墨烯為通道層的高速動作射頻電路中的電感，以集成石墨烯為通道晶體管，以SiC晶體元件上的電感，在能量領域，石墨烯具有優(yōu)異的導電性能。可以大大提高電池的輸出功率密度。石墨烯制鋰離子電池和超級電容器的充放電速率遠高于普通電池，在光電器件領域，透明導電薄膜是最實用的應用之一。石墨烯可替代觸摸屏、柔性液晶屏、有機EL照明等。報道了石墨烯電容式手機觸摸屏的研制成功，石墨烯基復合材料在機械強度、熱導率、吸附性能等方面都有了很大的提高。它們被認為是制造宇宙電梯的電纜材料，近年來也被提倡用于散熱，在生物醫(yī)學領域，石墨烯納米生物傳感器的研究取得了突破。
就國內外石墨烯材料的研究領域而言，我國石墨烯材料的研究與國外沒有什么不同，甚至在某些領域處于領先水平。到2015年，我國石墨烯研究論文發(fā)表量居世界第一，達到34%，超過美國的19%，與國外相比，我國石墨烯材料的生長和制備取得了突破，研究水平進入國際先進行列。
從石墨烯大規(guī)模生產的角度來看，我國實現了石墨烯粉體和料漿的大規(guī)模生產，與國外相當。
在工業(yè)應用方面，目前國內主要集中在導電散熱膜（包括熱服、理療產品等）、電池導電添加劑、散熱材料等領域，并已實現工業(yè)應用，歐美、日本、韓國等發(fā)達經濟體主要集中在集中在光電元件、傳感器、醫(yī)療、環(huán)保材料等高端領域。相比之下，中國還沒有準備好將石墨烯應用于高科技產品。例如，在新能源電池領域，美國開發(fā)的石墨烯電池技術在新能源汽車上的應用已經達到643公里，可以實現工業(yè)化，雖然我國的新能源電池技術已經取得了實質性進展，但還不能實現工業(yè)化，在涂料領域，C。我國大力發(fā)展石墨烯在防腐涂料中的應用，但在耐鹽霧、耐雨等方面與國外有著明顯的差距。
目前，石墨烯工業(yè)化的最大技術瓶頸是缺乏大規(guī)模的優(yōu)質石墨烯原料生產技術。高質量石墨烯（特別是單層石墨烯）技術存在著大規(guī)模可控雜質缺陷的障礙，直接限制了下游產品的性能。這也是石墨烯技術在高端電子產品中應用不足的主要原因，雖然機械剝離法得到的石墨烯質量較高，但其成功率太低，無法工業(yè)化，只能用于實驗室研究；化學氣相沉積法得到的石墨烯質量分數較高。性能好，石墨烯面積大，但對環(huán)境影響大，成本高；氧化還原法是目前大規(guī)模生產石墨烯最理想的方法，但也會導致質量下降。
高品質石墨烯制備方法的不足也直接影響到石墨烯在照明領域的應用，目前石墨烯的散熱方法主要有石墨烯片和石墨烯涂膜，石墨烯片主要是化學氣相沉積制備，但目前還沒有解決如何制備石墨烯片的方法。制備優(yōu)質大面積石墨烯及如何實現無損轉移。機械剝離法制備幾層石墨烯較為有效，但制備效率低，難以工業(yè)化，液相剝離法可制備石墨烯散熱膜，但均勻性有待提高，氧化還原規(guī)律易影響環(huán)境。
石墨烯是一種能提供較大接觸面的二維材料。它受界面作用、原子缺陷和邊緣的強烈影響。它具有較高的平面內導熱系數和相對較低的平面內導熱系數。多層石墨烯層間的范德華力導致層間熱阻增大，使其垂直于平面方向的熱導率高于平面方向，低于2個數量級，表現出明顯的各向異性熱傳導，單層石墨烯的熱導率與平面方向相同。S 5200W/（m.k），但多層石墨烯的熱導率隨層數的變化而變化。當層數為2-4時，熱導率迅速下降到1300-2800W/（m.k）。
石墨烯具有良好的導電性和導熱性，在大功率LED照明中得到廣泛應用，目前石墨烯主要有三種用途。它可以用來制作透明電極或電極附近的透明導電層。它可用于制備導熱膜和在基板和基板上涂上導熱和散熱的石墨烯涂層，此外，石墨烯作為發(fā)光層材料、燈殼、透明包裝材料和電流擴散層方向的研究也很多。
在導電性方面，氮化鎵基發(fā)光二極管近年來發(fā)展迅速。在氮化鎵基LED中，氧化銦錫（IOT）以其高導電性和高透光性成為LED生產過程中透明導電膜的主要材料，2015年4月，曼徹斯特大學石墨烯研究所研制出一種新型石墨烯燈。這種燈內部有一個燈絲狀的LED光源。LED光源的外側涂有石墨烯。利用石墨烯的導電能力，可以延長燈管壽命，降低能耗，這種新型石墨烯燈仍在研發(fā)的基礎上，通過神奇的石墨烯分子大大提高了燈管的性能和使用壽命，有望比傳統的LED燈泡便宜。
在發(fā)光領域，2015年7月，清華大學微電子與納米電子學系教授任天玲用兩種石墨烯制備了一種新型的發(fā)光材料。首次證明了在基于石墨烯材料的發(fā)光系統中，只有一個LED可以調節(jié)不同顏色的光，幾乎覆蓋了可見光譜的所有顏色。
在照明散熱領域，采用半導體芯片在LED照明中實現光電轉換。為了最大限度地將電能轉化為光能而不是熱能，提高LED照明的發(fā)光效率，必須解決半導體芯片的散熱問題。石墨烯的散熱性能非常優(yōu)異。單層石墨烯薄膜的導熱系數達到5.3kw（（m.k）-1，遠高于透射比，傳統的技術材料是解決LED照明散熱問題的有效手段。
明碩（北京）電子科技有限公司是石墨烯散熱性能在LED照明領域應用的先鋒和先驅。在北京理工大學與浙江大學建立的產學研一體化合作平臺的支持下，在新材料研究開發(fā)能力強的情況下，研制出具有可逆液晶相變（RLCP）特性的三種石墨烯導熱散熱復合材料。石墨烯原位固化導熱硅膠、石墨烯復合固-液相變材料和石墨烯復合散熱增強涂層可以解決熱傳導、均勻溫度和傳熱等三個關鍵問題。針對大功率LED照明的散熱結構，可以有效地控制芯片結溫度，實現散熱器的小型化，在此基礎上開發(fā)了石墨烯散熱LED照明模塊、石墨烯散熱LED照明管、石墨烯散熱LED照明管等一系列LED照明產品。工礦燈具、石墨烯散熱LED隧道燈、石墨烯散熱LED前照燈等，特別是石墨烯散熱LED路燈燈管結構的創(chuàng)新設計，顛覆了LED路燈行業(yè)的傳統模式，取代了原有的LED路燈替代品。鈉燈的整體燈頭，通過標準化的結構設計，在不更換鈉燈殼的情況下，實現了即插即用的更換方式。大大降低了人工成本和設備成本，有望成為LED路燈標準的新發(fā)展方向。
除了明朔技術，飛利浦Master LED MR16是世界上第一款大功率LED應用。它的鋁外殼已被德斯丹公司開發(fā)的錫基TC導熱塑料所取代。石墨烯導熱塑料的導熱系數可由普通塑料的0.2W/mk提高到耐腐蝕的5-15W/mk。
藍石開發(fā)了高功率石墨烯導熱塑料，具有優(yōu)異的散熱性能，另一方面，石墨烯散熱膜的散熱性能明顯優(yōu)于石墨板。測得的熱導率可達1000W／mk以上，同時薄膜具有良好的柔韌性和易加工性。
廈門泰奇利菲電子科技有限公司開發(fā)的LED燈散熱模塊采用導熱高分子材料和石墨烯材料替代現有的鋁散熱模塊。模塊的實際使用對熱導率的改善有限。目前僅適用于低功率（30W以下）照明散熱器領域。
山東景泰興光電科技有限公司采用石墨烯對燈絲背面的金屬基材進行處理。LED加熱產生的熱量通過石墨烯輻射熱量。同時，利用殼體內的導熱氣體實現有效對流，降低溫度，通過對石墨烯涂層和非石墨烯涂層產品的比較，可以看出，雖然石墨烯涂層芯片的結溫比非石墨烯涂層芯片低3-5度，但并不是ESS。延長燈絲壽命。
中國石墨烯產業(yè)技術創(chuàng)新聯盟發(fā)布的《2016年全球石墨烯產業(yè)研究報告》指出，未來3-5年，石墨烯導熱膜和石墨烯熱膜將迅速商業(yè)化；未來5-7年，新型實用石墨烯導熱塑料和石墨烯熱傳導材料將迅速商業(yè)化。導電涂料將在生產和生活中應用，未來7-10年將有更多的應用，可采用便攜式石墨烯導熱片提高散熱效率，中國在該行業(yè)處于全球領先地位，市場規(guī)模將翻一番，年增長率為200-300。
中國石墨烯行業(yè)研究分析及中國工商業(yè)研究院發(fā)布的《2016-2021年市場預測報告》預測了2016-2020年LED應用石墨烯導熱膜的市場規(guī)模。到2020年，LED導熱膜市場規(guī)模達到12.5億元。
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