石墨烯材料的研究現(xiàn)狀及其在LED照明中的應(yīng)用

石墨烯材料的研究現(xiàn)狀及其在LED照明中的應(yīng)用

石墨烯的產(chǎn)業(yè)鏈包括上游、中游和下游。上游是石墨、碳?xì)浠衔锏仁┥a(chǎn)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(chǎn)品的開發(fā)。

從各國(guó)研究和發(fā)展的角度來(lái)看，美國(guó)涵蓋了從上游石墨烯原材料開發(fā)到下游特定產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的整個(gè)鏈條。歐洲基礎(chǔ)研究成果豐富，但產(chǎn)業(yè)應(yīng)用環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱。日本和韓國(guó)主要致力于下游產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，尤其是電子器件領(lǐng)域，中國(guó)擁有豐富的石墨資源。石墨烯原料的大規(guī)模生產(chǎn)和涂料、電池導(dǎo)電添加劑等下游領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。但是，下游應(yīng)用仍然集中在低附加值產(chǎn)品上，高附加值產(chǎn)品的進(jìn)展乏力。

目前，阻礙石墨烯工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題是制備優(yōu)質(zhì)石墨烯。結(jié)合各國(guó)的相關(guān)政策，可以看出，未來(lái)研究和發(fā)展的重點(diǎn)是產(chǎn)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(jī)械剝離、液相剝離、外延生長(zhǎng)、化學(xué)氣相沉積等。以及氧化還原法。

在下游產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用中，石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域主要涉及電子器件、光電器件、能源、復(fù)合材料、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境等領(lǐng)域，在電子設(shè)備領(lǐng)域，石墨烯因其優(yōu)異的電性能而被應(yīng)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(dòng)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(lǐng)域，石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)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(jí)電容器的充放電速率遠(yuǎn)高于普通電池，在光電器件領(lǐng)域，透明導(dǎo)電薄膜是最實(shí)用的應(yīng)用之一。石墨烯可替代觸摸屏、柔性液晶屏、有機(jī)EL照明等。報(bào)道了石墨烯電容式手機(jī)觸摸屏的研制成功，石墨烯基復(fù)合材料在機(jī)械強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、吸附性能等方面都有了很大的提高。它們被認(rèn)為是制造宇宙電梯的電纜材料，近年來(lái)也被提倡用于散熱，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，石墨烯納米生物傳感器的研究取得了突破。

就國(guó)內(nèi)外石墨烯材料的研究領(lǐng)域而言，我國(guó)石墨烯材料的研究與國(guó)外沒(méi)有什么不同，甚至在某些領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。到2015年，我國(guó)石墨烯研究論文發(fā)表量居世界第一，達(dá)到34%，超過(guò)美國(guó)的19%，與國(guó)外相比，我國(guó)石墨烯材料的生長(zhǎng)和制備取得了突破，研究水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。

從石墨烯大規(guī)模生產(chǎn)的角度來(lái)看，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了石墨烯粉體和料漿的大規(guī)模生產(chǎn)，與國(guó)外相當(dāng)。

在工業(yè)應(yīng)用方面，目前國(guó)內(nèi)主要集中在導(dǎo)電散熱膜（包括熱服、理療產(chǎn)品等）、電池導(dǎo)電添加劑、散熱材料等領(lǐng)域，并已實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，歐美、日本、韓國(guó)等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域。相比之下，中國(guó)還沒(méi)有準(zhǔn)備好將石墨烯應(yīng)用于高科技產(chǎn)品。例如，在新能源電池領(lǐng)域，美國(guó)開發(fā)的石墨烯電池技術(shù)在新能源汽車上的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到643公里，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，雖然我國(guó)的新能源電池技術(shù)已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但還不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，在涂料領(lǐng)域，C。我國(guó)大力發(fā)展石墨烯在防腐涂料中的應(yīng)用，但在耐鹽霧、耐雨等方面與國(guó)外有著明顯的差距。

目前，石墨烯工業(yè)化的最大技術(shù)瓶頸是缺乏大規(guī)模的優(yōu)質(zhì)石墨烯原料生產(chǎn)技術(shù)。高質(zhì)量石墨烯（特別是單層石墨烯）技術(shù)存在著大規(guī)?？煽仉s質(zhì)缺陷的障礙，直接限制了下游產(chǎn)品的性能。這也是石墨烯技術(shù)在高端電子產(chǎn)品中應(yīng)用不足的主要原因，雖然機(jī)械剝離法得到的石墨烯質(zhì)量較高，但其成功率太低，無(wú)法工業(yè)化，只能用于實(shí)驗(yàn)室研究；化學(xué)氣相沉積法得到的石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。性能好，石墨烯面積大，但對(duì)環(huán)境影響大，成本高；氧化還原法是目前大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯最理想的方法，但也會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量下降。

高品質(zhì)石墨烯制備方法的不足也直接影響到石墨烯在照明領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)氣相沉積制備，但目前還沒(méi)有解決如何制備石墨烯片的方法。制備優(yōu)質(zhì)大面積石墨烯及如何實(shí)現(xiàn)無(wú)損轉(zhuǎn)移。機(jī)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(qiáng)烈影響。它具有較高的平面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)和相對(duì)較低的平面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)。多層石墨烯層間的范德華力導(dǎo)致層間熱阻增大，使其垂直于平面方向的熱導(dǎo)率高于平面方向，低于2個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)出明顯的各向異性熱傳導(dǎo)，單層石墨烯的熱導(dǎo)率與平面方向相同。S 5200W/（m.k），但多層石墨烯的熱導(dǎo)率隨層數(shù)的變化而變化。當(dāng)層數(shù)為2-4時(shí)，熱導(dǎo)率迅速下降到1300-2800W/（m.k）。

石墨烯具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在大功率LED照明中得到廣泛應(yīng)用，目前石墨烯主要有三種用途。它可以用來(lái)制作透明電極或電極附近的透明導(dǎo)電層。它可用于制備導(dǎo)熱膜和在基板和基板上涂上導(dǎo)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(kuò)散層方向的研究也很多。

在導(dǎo)電性方面，氮化鎵基發(fā)光二極管近年來(lái)發(fā)展迅速。在氮化鎵基LED中，氧化銦錫（IOT）以其高導(dǎo)電性和高透光性成為L(zhǎng)ED生產(chǎn)過(guò)程中透明導(dǎo)電膜的主要材料，2015年4月，曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究所研制出一種新型石墨烯燈。這種燈內(nèi)部有一個(gè)燈絲狀的LED光源。LED光源的外側(cè)涂有石墨烯。利用石墨烯的導(dǎo)電能力，可以延長(zhǎng)燈管壽命，降低能耗，這種新型石墨烯燈仍在研發(fā)的基礎(chǔ)上，通過(guò)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(tǒng)的LED燈泡便宜。

在發(fā)光領(lǐng)域，2015年7月，清華大學(xué)微電子與納米電子學(xué)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(tǒng)中，只有一個(gè)LED可以調(diào)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(lǐng)域，采用半導(dǎo)體芯片在LED照明中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。為了最大限度地將電能轉(zhuǎn)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(dǎo)體芯片的散熱問(wèn)題。石墨烯的散熱性能非常優(yōu)異。單層石墨烯薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到5.3kw（（m.k）-1，遠(yuǎn)高于透射比，傳統(tǒng)的技術(shù)材料是解決LED照明散熱問(wèn)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(lǐng)域應(yīng)用的先鋒和先驅(qū)。在北京理工大學(xué)與浙江大學(xué)建立的產(chǎn)學(xué)研一體化合作平臺(tái)的支持下，在新材料研究開發(fā)能力強(qiáng)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(dǎo)熱散熱復(fù)合材料。石墨烯原位固化導(dǎo)熱硅膠、石墨烯復(fù)合固-液相變材料和石墨烯復(fù)合散熱增強(qiáng)涂層可以解決熱傳導(dǎo)、均勻溫度和傳熱等三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)大功率LED照明的散熱結(jié)構(gòu)，可以有效地控制芯片結(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)散熱器的小型化，在此基礎(chǔ)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，顛覆了LED路燈行業(yè)的傳統(tǒng)模式，取代了原有的LED路燈替代品。鈉燈的整體燈頭，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不更換鈉燈殼的情況下，實(shí)現(xiàn)了即插即用的更換方式。大大降低了人工成本和設(shè)備成本，有望成為L(zhǎng)ED路燈標(biāo)準(zhǔn)的新發(fā)展方向。

除了明朔技術(shù)，飛利浦Master LED MR16是世界上第一款大功率LED應(yīng)用。它的鋁外殼已被德斯丹公司開發(fā)的錫基TC導(dǎo)熱塑料所取代。石墨烯導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱系數(shù)可由普通塑料的0.2W/mk提高到耐腐蝕的5-15W/mk。

藍(lán)石開發(fā)了高功率石墨烯導(dǎo)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(cè)得的熱導(dǎo)率可達(dá)1000W／mk以上，同時(shí)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(dǎo)熱高分子材料和石墨烯材料替代現(xiàn)有的鋁散熱模塊。模塊的實(shí)際使用對(duì)熱導(dǎo)率的改善有限。目前僅適用于低功率（30W以下）照明散熱器領(lǐng)域。

山東景泰興光電科技有限公司采用石墨烯對(duì)燈絲背面的金屬基材進(jìn)行處理。LED加熱產(chǎn)生的熱量通過(guò)石墨烯輻射熱量。同時(shí)，利用殼體內(nèi)的導(dǎo)熱氣體實(shí)現(xiàn)有效對(duì)流，降低溫度，通過(guò)對(duì)石墨烯涂層和非石墨烯涂層產(chǎn)品的比較，可以看出，雖然石墨烯涂層芯片的結(jié)溫比非石墨烯涂層芯片低3-5度，但并不是ESS。延長(zhǎng)燈絲壽命。

中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟發(fā)布的《2016年全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告》指出，未來(lái)3-5年，石墨烯導(dǎo)熱膜和石墨烯熱膜將迅速商業(yè)化；未來(lái)5-7年，新型實(shí)用石墨烯導(dǎo)熱塑料和石墨烯熱傳導(dǎo)材料將迅速商業(yè)化。導(dǎo)電涂料將在生產(chǎn)和生活中應(yīng)用，未來(lái)7-10年將有更多的應(yīng)用，可采用便攜式石墨烯導(dǎo)熱片提高散熱效率，中國(guó)在該行業(yè)處于全球領(lǐng)先地位，市場(chǎng)規(guī)模將翻一番，年增長(zhǎng)率為200-300。

中國(guó)石墨烯行業(yè)研究分析及中國(guó)工商業(yè)研究院發(fā)布的《2016-2021年市場(chǎng)預(yù)測(cè)報(bào)告》預(yù)測(cè)了2016-2020年LED應(yīng)用石墨烯導(dǎo)熱膜的市場(chǎng)規(guī)模。到2020年，LED導(dǎo)熱膜市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到12.5億元。

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