碳元件的實用化始于透明導電膜，然后擴展到濕度傳感器等多種傳感器領(lǐng)域，未來2～3年后蓄電池和電容器也將實現(xiàn)碳化。2020年前后，圖像傳感器和RFID標簽、10年后高性能微處理器也將使用“碳”制造。
采用碳納米管（CNT）和石墨烯的電子部件及光學部件（碳元件）的開發(fā)競爭在全球愈演愈烈。新元件接連發(fā)布，而且開發(fā)速度越來越快。碳元件種類繁多，比如（1）采用透明導電膜的觸摸面板、（2）傳感器、（3）燃料電池、充電電池和電容器的電極、（4）存儲器、（5）通過轉(zhuǎn)印和印刷制作的IC及微處理器、（6）瞄準后硅時代的超高集成IC、（7）光敏元件、（8）發(fā)光元件、（9）功率半導體，等等。
這些產(chǎn)品的實用化時間因技術(shù)難度和市場需求等各不相同。（1）已經(jīng)開始量產(chǎn)，（2）～（4）計劃在3年內(nèi)實現(xiàn)實用化，（5）～（9）預計在2020年前后或更晚一些實用化。
CNT與石墨烯你追我趕
EU的開發(fā)項目“Graphene Flagship”給出了采用石墨烯的碳元件的具體時間表（圖1）。光激勵發(fā)光元件大多在2020年前后，邏輯IC在2025年前后開始實用化。
圖1：碳元件將席卷電子和光領(lǐng)域
歐洲EU就石墨烯開發(fā)項目“Graphene Flagship”提出的開發(fā)藍圖。預計透明導電膜將率先實現(xiàn)實用化。實際上，2013年三星泰科采用石墨烯試制了達到實用化水平的觸摸面板。石墨烯在光子用途尤其占優(yōu)勢。而CNT在電子領(lǐng)域擁有優(yōu)勢。CNT晶體管等有望比石墨烯率先實用化。
采用基本特性與石墨烯相似的CNT的碳元件，實用化時間估計也與石墨烯差不多。但兩者有三點不同。
首先，CNT不同于石墨烯，在自然狀態(tài)下具備帶隙，適合邏輯IC用晶體管和TFT。用于電子紙和平板電腦的CNT TFT有望遙遙領(lǐng)先于石墨烯，在2020年之前就實現(xiàn)實用化。
其次，CNT的形狀為一維狀，而石墨烯擴展為二維狀。因此，石墨烯適用于靈敏地檢測外部刺激的用途。極有可能幾年內(nèi)在醫(yī)用傳感器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實用化。
最后，作為光激勵發(fā)光元件，CNT因帶隙原因可利用的波段有限，而石墨烯能在廣泛的波長范圍內(nèi)利用。在光敏元件中，石墨烯將率先擴大使用。
不過，解決這種適用或不適用的技術(shù)也在開發(fā)中，克服缺點獲得新性能的例子已經(jīng)出現(xiàn)。
觸摸面板圍繞量產(chǎn)性展開競爭
在柔性觸摸面板領(lǐng)域，CNT版先發(fā)制人（圖2）。華為的智能手機2013年采用的CNT觸摸面板由中國富納源創(chuàng)開發(fā)，該公司2008年就試制了該面板，敏捷的行動速度取得了成效。
圖2：觸摸面板開始上市
采用CNT或石墨烯的觸摸面板產(chǎn)品及試制示例。開發(fā)（a）的觸摸面板的富納源創(chuàng)已從2011年開始量產(chǎn)。東麗預定2014年內(nèi)量產(chǎn)（b）。三星泰科沒有公布量產(chǎn)時間（c）。（（c）由成均館大學拍攝）
估計接下來出場的是東麗，該公司計劃2014年供貨采用雙層CNT的電阻膜式觸摸面板?？刹捎矛F(xiàn)有涂布裝置，以卷對卷（R2R）方式量產(chǎn)寬一米以上、長幾百米的透明導電薄膜。
而石墨烯版觸摸面板雖然在圖案制作方面占優(yōu)勢，但在量產(chǎn)技術(shù)方面遠遠不如CNT。
將實現(xiàn)以往100倍的感度
有望在幾年內(nèi)實用化的傳感器方面，采用石墨烯的開發(fā)案例遠遠高于CNT（圖3）。感度和響應(yīng)性達到現(xiàn)有技術(shù)100倍以上的情況屢見不鮮。
圖3：利用石墨烯的傳感器將實現(xiàn)出色的性能
本圖為利用石墨烯的傳感器開發(fā)示例。諾基亞的濕度傳感器響應(yīng)性非常快（a）。石墨烯MEMS共振器正針對微量材料的測量用途進行開發(fā)（b）。硅環(huán)型光調(diào)制器可將通信性能提高至數(shù)十倍（c）。（圖（c）由NTT提供，圖片由各公司拍攝）
例如，諾基亞2013年11月發(fā)布的柔性濕度傳感器的響應(yīng)性還不到0.1秒，達到了10秒以上的現(xiàn)有產(chǎn)品的100多倍。“也許可用于利用呼吸的用戶界面”（諾基亞）等，有望擴大新用途。
電池和電容器：面向電極量產(chǎn)“魔法粉”
有望繼透明導電膜和傳感器之后實現(xiàn)實用化的是電池類?？勺鳛槿剂想姵?、雙電層電容器（EDLC）、鋰離子充電電池的電極導電輔助劑使用（圖4）。NEC已開始面向鋰離子充電電池量產(chǎn)直徑為2～5nm、介于CNT和富勒烯中間的材料“碳納米角”。號稱是能“大幅提高性能的魔法粉”。
圖4：納米碳材料在電池領(lǐng)域也大展身手
本圖為CNT在燃料電池、雙電層電容器及電容器等領(lǐng)域的利用方法以及利用CNT提高的性能。（（a）由九州大學拍攝，（b）和（c）由日本貴彌功拍攝。）
日本貴彌功公司在EDLC“納米混合電容器（NHC）”中，利用多層CNT實現(xiàn)了約30Wh/L的能量密度，是現(xiàn)有產(chǎn)品的3倍。計劃2015年之前量產(chǎn)。
該公司預計，普通電容器的電極也將使用單層CNT（圖4（c））。單層CNT的合成利用日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所和日本瑞翁（Zeon）等開發(fā)的“超速成長（SG）法”。日本貴彌功理事、技術(shù)本部基礎(chǔ)研究中心長玉光賢次介紹說，“利用SG法合成的單層CNT雜質(zhì)少，因此無需粘合劑即可與鋁集電體粘合”。這樣的話，（1）鋁集電體與CNT間的接觸電阻減少，輸出密度提高至3倍；（2）對高電壓的耐性提高，能量密度也隨之提高。（作者:野澤 哲生，日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）
采用碳納米管（CNT）和石墨烯的電子部件及光學部件（碳元件）的開發(fā)競爭在全球愈演愈烈。新元件接連發(fā)布，而且開發(fā)速度越來越快。碳元件種類繁多，比如（1）采用透明導電膜的觸摸面板、（2）傳感器、（3）燃料電池、充電電池和電容器的電極、（4）存儲器、（5）通過轉(zhuǎn)印和印刷制作的IC及微處理器、（6）瞄準后硅時代的超高集成IC、（7）光敏元件、（8）發(fā)光元件、（9）功率半導體，等等。
這些產(chǎn)品的實用化時間因技術(shù)難度和市場需求等各不相同。（1）已經(jīng)開始量產(chǎn)，（2）～（4）計劃在3年內(nèi)實現(xiàn)實用化，（5）～（9）預計在2020年前后或更晚一些實用化。
CNT與石墨烯你追我趕
EU的開發(fā)項目“Graphene Flagship”給出了采用石墨烯的碳元件的具體時間表（圖1）。光激勵發(fā)光元件大多在2020年前后，邏輯IC在2025年前后開始實用化。
歐洲EU就石墨烯開發(fā)項目“Graphene Flagship”提出的開發(fā)藍圖。預計透明導電膜將率先實現(xiàn)實用化。實際上，2013年三星泰科采用石墨烯試制了達到實用化水平的觸摸面板。石墨烯在光子用途尤其占優(yōu)勢。而CNT在電子領(lǐng)域擁有優(yōu)勢。CNT晶體管等有望比石墨烯率先實用化。
采用基本特性與石墨烯相似的CNT的碳元件，實用化時間估計也與石墨烯差不多。但兩者有三點不同。
首先，CNT不同于石墨烯，在自然狀態(tài)下具備帶隙，適合邏輯IC用晶體管和TFT。用于電子紙和平板電腦的CNT TFT有望遙遙領(lǐng)先于石墨烯，在2020年之前就實現(xiàn)實用化。
其次，CNT的形狀為一維狀，而石墨烯擴展為二維狀。因此，石墨烯適用于靈敏地檢測外部刺激的用途。極有可能幾年內(nèi)在醫(yī)用傳感器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實用化。
最后，作為光激勵發(fā)光元件，CNT因帶隙原因可利用的波段有限，而石墨烯能在廣泛的波長范圍內(nèi)利用。在光敏元件中，石墨烯將率先擴大使用。
不過，解決這種適用或不適用的技術(shù)也在開發(fā)中，克服缺點獲得新性能的例子已經(jīng)出現(xiàn)。
觸摸面板圍繞量產(chǎn)性展開競爭
在柔性觸摸面板領(lǐng)域，CNT版先發(fā)制人（圖2）。華為的智能手機2013年采用的CNT觸摸面板由中國富納源創(chuàng)開發(fā)，該公司2008年就試制了該面板，敏捷的行動速度取得了成效。
圖2：觸摸面板開始上市
采用CNT或石墨烯的觸摸面板產(chǎn)品及試制示例。開發(fā)（a）的觸摸面板的富納源創(chuàng)已從2011年開始量產(chǎn)。東麗預定2014年內(nèi)量產(chǎn)（b）。三星泰科沒有公布量產(chǎn)時間（c）。（（c）由成均館大學拍攝）
估計接下來出場的是東麗，該公司計劃2014年供貨采用雙層CNT的電阻膜式觸摸面板?？刹捎矛F(xiàn)有涂布裝置，以卷對卷（R2R）方式量產(chǎn)寬一米以上、長幾百米的透明導電薄膜。
而石墨烯版觸摸面板雖然在圖案制作方面占優(yōu)勢，但在量產(chǎn)技術(shù)方面遠遠不如CNT。
將實現(xiàn)以往100倍的感度
有望在幾年內(nèi)實用化的傳感器方面，采用石墨烯的開發(fā)案例遠遠高于CNT（圖3）。感度和響應(yīng)性達到現(xiàn)有技術(shù)100倍以上的情況屢見不鮮。
圖3：利用石墨烯的傳感器將實現(xiàn)出色的性能
本圖為利用石墨烯的傳感器開發(fā)示例。諾基亞的濕度傳感器響應(yīng)性非常快（a）。石墨烯MEMS共振器正針對微量材料的測量用途進行開發(fā)（b）。硅環(huán)型光調(diào)制器可將通信性能提高至數(shù)十倍（c）。（圖（c）由NTT提供，圖片由各公司拍攝）
例如，諾基亞2013年11月發(fā)布的柔性濕度傳感器的響應(yīng)性還不到0.1秒，達到了10秒以上的現(xiàn)有產(chǎn)品的100多倍。“也許可用于利用呼吸的用戶界面”（諾基亞）等，有望擴大新用途。
電池和電容器：面向電極量產(chǎn)“魔法粉”
有望繼透明導電膜和傳感器之后實現(xiàn)實用化的是電池類?？勺鳛槿剂想姵?、雙電層電容器（EDLC）、鋰離子充電電池的電極導電輔助劑使用（圖4）。NEC已開始面向鋰離子充電電池量產(chǎn)直徑為2～5nm、介于CNT和富勒烯中間的材料“碳納米角”。號稱是能“大幅提高性能的魔法粉”。
圖4：納米碳材料在電池領(lǐng)域也大展身手
本圖為CNT在燃料電池、雙電層電容器及電容器等領(lǐng)域的利用方法以及利用CNT提高的性能。（（a）由九州大學拍攝，（b）和（c）由日本貴彌功拍攝。）
日本貴彌功公司在EDLC“納米混合電容器（NHC）”中，利用多層CNT實現(xiàn)了約30Wh/L的能量密度，是現(xiàn)有產(chǎn)品的3倍。計劃2015年之前量產(chǎn)。
該公司預計，普通電容器的電極也將使用單層CNT（圖4（c））。單層CNT的合成利用日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所和日本瑞翁（Zeon）等開發(fā)的“超速成長（SG）法”。日本貴彌功理事、技術(shù)本部基礎(chǔ)研究中心長玉光賢次介紹說，“利用SG法合成的單層CNT雜質(zhì)少，因此無需粘合劑即可與鋁集電體粘合”。這樣的話，（1）鋁集電體與CNT間的接觸電阻減少，輸出密度提高至3倍；（2）對高電壓的耐性提高，能量密度也隨之提高。（作者:野澤 哲生，日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）
