產業技術評析

石墨烯功能性複合材料（graphene based functional composites）的製程發展在近幾年石墨烯的浪潮推波助瀾下發展相當迅速。石墨烯能興起這股研究熱潮的主因不外乎是因為石墨烯本身優異的材料物性，同時相對於一般現今常見的填料可在更低的含量中創造出更有效的強化結果。Kim等人提到在以「石墨烯」與「石墨烯複合材料」為關鍵字，搜尋各大主要論文資料庫，相關論文發表數目於2005年後快速激增，而至2009年後發表數目更突破3,000篇，此足見石墨烯及其在複合材料方面的應用是相當受到注目的。
 

一、二維結構的石墨烯
 

石墨烯的二維平面結構主要是藉由石墨材料剝離而成，例如：鉛筆芯就是由多層石墨烯堆疊而成，一根0.5mm的自動鉛筆芯，就可以有150萬層的石墨烯。而石墨烯通常會以碳球或碳管形狀表現，立體彎曲成中空球狀的分子結構即稱之為奈米碳球(Fullerene)，若是成為管狀的分子結構，即為奈米碳管(Carbon nanotube)。二維結構的石墨烯主要特性包括：
 

（一）高導電性
 

電阻率約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最低的材料。
 

（二）高透明性
 

單層石墨烯只吸收2.3%的光，幾乎是透明的，所以適合用來製造透明的觸控螢幕。
 

（三）世上最薄卻也是最堅硬的材料
 

石墨烯的硬度是鋼的100倍，諾貝爾委員會的網站上描述石墨烯說：「一張一平方米的石墨烯吊床肉眼是幾乎看不見的，但卻能承受一隻4公斤重的貓。
 

（四）高導熱係數
 

導熱係數高達5300 W/m·K，高於奈米碳管和金剛石。
 

（五）高可撓性
 

石墨烯具有足夠撓性可以容許拉長及彎曲。
 

二、石墨烯之生產技術
 

就石墨烯的生產技術而言，過去已經有多種方法被提出，包含機械剝離法（mechanical exfoliation）、氧化還原石墨烯之方法（reduced graphene oxide）、液相剝離法（liquid phase exfoliation）、磊晶成長法（epitaxial growth）、化學氣相沉積法（chemical vapor deposition，CVD）、電化學剝離法（electrochemical exfoliation）。其中機械剝離法為Geim和Novoselov最早使用來獲得石墨烯的方法，其石墨結晶品質高，因此很多早期石墨烯的基礎物理、化學性質基本上都是以這種高品質石墨烯來獲得；然而，這種方法所獲得的石墨烯，無法精確控制石墨烯層數、位置、尺寸大小，因此在實際應用上受到很大的限制，僅能用於基礎研究，較難推廣到實際的產業端來應用。目前幾個較具量產規模的技術，如：(1)化學氣相沉積法、(2)還原氧化石墨烯，以及(3)電化學剝離法，都能在兼具大量生產與成本效益下，具有商品化的潛力。
 

而紡織所自2010年開始發展石墨烯量產技術，以直接連續物理技術（Direct continuous physics Technology）成功開發全球首創乾式物理合成技術，可以大規模連續生產製程，單位產速可達到30公斤/小時，採乾式生產製程，具備無排放廢水與相關廢氣問題及環境投產成本低，為一站式生產製程，且生產人員需求數為1～2人即可生產，可剝離出的石墨烯層數達到6～15層間。
 

目前石墨烯生產與開發技術所面臨最大挑戰仍在於低石墨烯固含量及少樣化的溶劑可以選擇，如何將石墨烯分散均勻且具有高濃度的石墨烯溶液是當今生產廠商在實際應用時必須克服的問題。
 

台灣目前投入石墨烯產品研發及生產的公司約有10～15家，領先公司以宜蘭安炬公司及台灣安固強公司為主，至於法人單位的研發投入有：工研院機械所、中科院、塑膠中心及紡織所。
 

三、石墨烯市場應用情形
 

依據IDTechEx資料預測石墨烯市場規模將於2026年達到20億美元，主要應用市場在複合材料的應用，約佔55%；其次為能源材料的應用，約佔20%。目前石墨烯產品的市場應用主要如下。
 

（一）紡織產品應用
 

應用於導電/導熱纖維、撥水/阻燃纖維及液體分離膜。
 

（二）電子產品應用
 

應用於透明導電膜、高導電膜材、EMI屏蔽應用、導電油墨、抗靜電塗料及異方向性導電膠。
 

（三）化學產品應用
 

應用於塑料添加劑、抗腐蝕塗料、耐磨塗料、潤滑塗料及食品包裝膜。
 

（四）生醫產品應用
 

應用於基因定序、人體組織工程及抗菌敷料。
 

（五）散熱產品應用
 

應用於導熱膏、導熱膠、導熱矽膠片、導熱膜及導熱塑膠。
 

（六）能源產品應用
 

應用於超級電容、鋰離子電池、太陽能電池及燃料電池。
 

(本文作者為紡織所執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)