2019年石墨烯發展:從近身科技到貼身科技

2019年石墨烯發展:從近身科技到貼身科技

2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆(Andre Konstantin Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Kostya Novoselov),成功在實驗中從石墨中分離出石墨烯,證實它可以單獨存在,並在2010年拿下諾貝爾獎。隨著電子產品大量工業化後,面臨體積和散熱技術的瓶頸,各大廠商再次將厚望寄予石墨烯,華為、三星在石墨烯手機上互較高下,是2019年手機的一大亮點,石墨烯正式進入商業化量產階段,不再只是近身技術而已,各種石墨烯穿戴式的貼身產品紛紛出爐。

由石墨烯旗艦計畫(Graphene Flagship)籌畫並獲得歐盟執行委員會(European Commission)與GSMA支持的Graphene Pavilion,在2019年世界行動通訊大會(MWC)上,展出超過20個基於石墨烯材料技術的原型裝置,包括行動裝置、健康監測及各項穿戴式裝置應用,這些原型和設備將可能改變未來的電信與人類生活。

由西班牙光子科學研究所(The Institute of Photonic Sciences,簡稱ICFO)策劃的石墨烯旗艦計畫在MWC 2016中首次亮相,這是歐洲有史以來規模最大的石墨烯研究計劃,現在已經進入第四個年頭,在MWC2019展會上,展示了石墨烯如何實現全新的連接方式,從單一連接設備到構成物聯網生態系統的嵌入式處理器、傳感器和通訊硬體網路。根據Graphene Flagship與ICFO發布的訊息,石墨烯在防衛與安全、資料與行動通訊、顯示、能源與環境、食品與健康、物聯網(IoT)、太空、汽車與運輸、穿戴式裝置等應用極具壞性創新潛力,石墨烯將從實驗室環境轉移到工廠,並在人們的生活中發揮越來越大的作用。

圖一、Graphene Flagship2019 年MWC的展示現場 (圖片來源...
圖一、Graphene Flagship2019 年MWC的展示現場 (圖片來源:Graphene Flagship)

在今年的MWC展會中,Graphene Flagship將焦點聚集在「未來電話」、「未來可穿戴式設備」,以及「未來家園」三大領域,參觀者可以親眼看到石墨烯技術如何提高互聯網連接速度,同時降低與數據傳輸相關的成本和能耗,進而改變通信業的面貌;同時也能改善健康相關穿戴式產品的準確度,並降低了功耗。

圖二、2019石墨烯發展三大焦點 (圖片來源:Graphene Flagship...
圖二、2019石墨烯發展三大焦點 (圖片來源:Graphene Flagship)

 

石墨烯將改變手機技術和電信,手機主要製造商已經在研究使用石墨烯來增強網路設備的各種可能性。從高速數據通訊到耐用複合材料、夜視鏡頭和音頻技術,石墨烯的可能性可說無窮無盡。石墨烯獨特的性能可與超寬頻(Ultra-wideband,簡稱UWB)通訊和低功耗相結合,滿足物聯網和即將到來的工業4.0需求,使得石墨烯設備成為5G、物聯網和工業4.0發展的關鍵因素。

未來手機:石墨烯電池

過去手機大廠都是仰賴大面積的金屬背板、限制最高溫度來控制手機散熱,隨著智慧型手機越做越輕薄,電池散熱和降低功耗勢必是要解決的大問題。2016年時,瑞典查爾姆斯理工大學(Chalmers University of Technology)Johan Liu研究團隊發現一種利用石墨烯薄膜冷卻電子產品的新方法,透過使用叠氮矽烷胺基增強石墨烯薄膜,成功將散熱效率提升到76%,該項研究為電子元件提供了新的熱能管理方案,利用在電子產品上能夠達到快速降溫的作用。石墨烯一躍成為終結手機鋰電池時代的秘密武器。

2018年6月,大陸知識產權局公告了一項由華為與劍橋大學聯合申請的石墨烯散熱專利,專利顯示華為發明了一種官能化石墨烯及其製備方法,而在去年10月,華為推出的智慧型手機Mate 20 X,選擇了超大容量的5000mAh電池,搭載的就是由石墨烯加上「液冷散熱系統」(HUAWEI SuperCool)組合,主推高效散熱、低溫穩定運行,這也是石墨烯技術首次在智慧型手機上得到應用。華為2019年新推出榮耀Magic2手機,除了主打3D仿生感光技術,也繼續採用石墨烯散熱技術,解決遊戲玩家遇到遊戲體驗不流暢、長時間手持手機感到燙手的情况。

圖三、華為石墨烯發明專利:「一種官能化石墨烯及其製備方法和聚有機矽氧烷」 (圖片...
圖三、華為石墨烯發明專利:「一種官能化石墨烯及其製備方法和聚有機矽氧烷」 (圖片來源:CNIPA(申請號:2017114556878))

雖然華為首先將石墨烯技術應用在手機上,但三星卻搶先一步在2017年布局了基於石墨烯電池解決方案的專利,去年10月三星官方微博曾經分享「石墨烯電池,利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性,開發出的一種新能源電池。使充電容量增加45%,在60度高溫下仍可持續穩定,而且十幾分鐘就可以充滿電」,暗示三星已完成石墨烯技術研發,在短時間內可進行商用,2019年三星旗艦手機 Galaxy Note 10相當可能採用石墨烯電池,據稱充飽電只要12分鐘,成為三星新款手機的賣點。

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