【全文】紡織化妝品打前鋒 石墨烯應用戰雲密布

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十年磨一劍,石墨烯在尖端科技領域的殺手級應用,已在半導體領域露出一絲曙光,中國更想藉此在第三代半導體技術上彎道超車。(翻攝微博)
十年磨一劍,石墨烯在尖端科技領域的殺手級應用,已在半導體領域露出一絲曙光,中國更想藉此在第三代半導體技術上彎道超車。(翻攝微博)

石墨烯被喻為神奇的奈米材料,硬度是鋼的100倍,厚度僅有1個碳原子,傳導速度比矽更快,有機會成為矽材料的替代品,包括儲能、醫療、手機電池及飛機塗料等尖端科技都是它的應用範圍。

10年前,石墨烯就已備受矚目,包括三星、華為等科技大咖都投入大量資源嘗試開發。然而,十年磨一劍,石墨烯在尖端科技領域的殺手級應用,已在半導體領域露出一絲曙光,中國更想藉此在第三代半導體技術上彎道超車。令人意外的是,紡織和化妝品,竟替石墨烯另闢蹊徑,率先走入大眾生活之中。  

最近打開電視,常看到藝人林美秀(右)和作家吳淡如(左)代言的PP石墨烯懶人塑崩褲廣告,令人意外原來石墨烯也可用在紡織上。
最近打開電視,常看到藝人林美秀(右)和作家吳淡如(左)代言的PP石墨烯懶人塑崩褲廣告,令人意外原來石墨烯也可用在紡織上。

 

「這都妳的尺寸,我怎麼穿得下啦!」買了2條相同尺寸的塑身褲,作家吳淡如拿一條送給藝人林美秀,以為自己穿不下的林美秀忍不住抱怨。沒想到,一試穿,發現這條塑身褲竟然完全穿得下。「不管妳身高是175公分還是155公分,22腰或是46腰,從S到2XL的身材通通穿得下喔。」林美秀驚豔地說,更不忘分享自己親身試用的體驗,一句「最近朋友看到我都說:『美秀,妳身材變好了耶!』」這是最近打開電視,經常看到二人代言的PP石墨烯懶人塑崩褲廣告。驚豔之餘,也讓人對被喻為神奇奈米材料的石墨烯充滿想像。打開購物網,一件石墨烯能量智慧機能內衣就要價上千元,也讓消費者好奇,究竟是不是噱頭?添加了石墨烯材料的塑身褲到底有何神奇之處?

石墨烯被喻為神奇的奈米材料,硬度是鋼的100倍,厚度僅有1個碳原子,傳導速度比矽更快,有機會成為取代矽材料的替代品之一。(東方IC)
石墨烯被喻為神奇的奈米材料,硬度是鋼的100倍,厚度僅有1個碳原子,傳導速度比矽更快,有機會成為取代矽材料的替代品之一。(東方IC)

 

傳導性佳 獲市場青睞

原來,石墨烯具有遠紅外線光波,能快速導熱,還可蓄熱保溫;加上導電性佳,可促進血液循環。「加入石墨烯後,這條塑崩褲散熱效能好、有透氣排汗效果,頗適合在運動的時候穿。不到2個月就賣了5萬條,寫下1億5千萬元的銷售紀錄。」販賣石墨烯塑身褲的業者笑說。「不只用在塑身褲,石墨烯也能製成保暖棉被和塑身腰帶,現在用在紡織品上的應用非常多。」實際上,石墨烯廣泛運用在紡織業,已是不爭的事實。

Dr.CARE凱兒生技靠黑科技傳導介質之王-石墨稀殺出面膜市場紅海,一炮而紅。(翻攝Dr.CARE凱兒生技臉書)
Dr.CARE凱兒生技靠黑科技傳導介質之王-石墨稀殺出面膜市場紅海,一炮而紅。(翻攝Dr.CARE凱兒生技臉書)

 

不只紡織業者,就連化妝品業者現在也把腦筋動到石墨烯上。像是Dr.CARE凱兒生技研發的面膜布料,就以傳導性佳的石墨烯製成。「石墨烯能釋放遠紅外線能量加速精華液導入,縮短面膜使用時間;有些使用過的消費者說,使用石墨烯面膜好像做臉一樣,能夠將精華液完全導入皮膚吸收,用完皮膚都會發亮。」凱兒生技總經理杜旻倫笑著說。

面對殺成一片紅海的面膜市場,為了找出差異性,凱兒生技找上了開發尖端材料的業者合作,最後選定添加黑科技傳導介質之王—石墨烯,沒想到竟然一炮而紅。

 

應用廣泛 拓龐大商機

目前凱兒生技每月營收都破百萬元,獨家研發的石墨烯面膜,自去年9月上市以來,就已占整體營收4成,而且消費者的回購率更高達8成。「未來也規劃將石墨烯運用到其他女性用品,包括衛生用品,如護墊等貼身用品等。」杜旻倫對本刊透露。

石墨烯因質地輕又堅韌,也被廣泛使用在運動器材上。2020東京奧運中,韓國選手的弓箭就添加了石墨烯複合材料。(翻攝國際射箭總會官網)
石墨烯因質地輕又堅韌,也被廣泛使用在運動器材上。2020東京奧運中,韓國選手的弓箭就添加了石墨烯複合材料。(翻攝國際射箭總會官網)

 

不單是紡織品、化妝品業者採用,石墨烯因質地輕又堅韌,也被廣泛使用在運動器材上,像是自行車車架、鞋子,甚至是弓箭都默默添加了石墨烯材料。像是剛結束的2020年東京奧運,射箭比賽中,在5面金牌裡奪下4面的韓國射箭隊,他們使用的弓箭就採用石墨烯複合材料所製,重量更輕盈,有加分效果。

台灣切入石墨烯複合材料應用的腳步較慢,台廠久元電子子公司久宏鑫引進國外的石墨烯CVD成長技術,在台灣建立第一座8吋石墨烯CVD爐。(翻攝久元電子臉書)
台灣切入石墨烯複合材料應用的腳步較慢,台廠久元電子子公司久宏鑫引進國外的石墨烯CVD成長技術,在台灣建立第一座8吋石墨烯CVD爐。(翻攝久元電子臉書)

 

談到石墨烯的前世今生,不得不提起2010年諾貝爾物理獎得主—英國曼徹斯特大學的蓋姆(A. K. Geim)與諾沃謝洛夫(K. S. Novoselov)博士,在二人二維晶體石墨烯(graphene)材料物理的學術論文發表後,石墨烯就開始受到產官學界的高度矚目。

「持平而論,目前石墨烯用在服飾、面膜與運動用品上,只能算是小菜一碟。接下來,包括電池、第三代半導體、國防工業等先進科技應用,若能突破生產良率與高成本的瓶頸,就會有更大的商機在等著石墨烯。」長年研究石墨烯與能源材料,替科技部主持A世代半導體研究計畫的中央大學機械與光電中心教授蘇清源直言。

資料來源:國立成功大學 微奈米科技研究中心
資料來源:國立成功大學 微奈米科技研究中心

 

成本高昂 製程待改良

正因為如此,包括美國IBM、韓國三星(Samsung)、中國華為、德國賓士(Mercedes-Benz)、拜耳等國際大廠,早就投入相關產品和先進石墨烯電子元件的研發,而台廠也不落人後,像三晃和久宏鑫等業者,也積極投入石墨烯薄膜和石墨烯基化合物的研發與量產製造,就連科技部也正與學研機構合作開發石墨烯製程技術。

去年的美國消費性電子展CES上,德國賓士就展出一款採用石墨烯電池的純電動概念車AVTR,雖然石墨烯電池仍在實驗階段,但也彰顯賓士企圖藉石墨烯翻轉電動車生態的企圖心。

在2020年美國消費性電子展CES上,德國豪華車廠賓士(Mercedes-Benz)曾展出一款採用石墨烯電池的純電動概念車AVTR,企圖藉石墨烯翻轉電動車生態。(翻攝賓士臉書)
在2020年美國消費性電子展CES上,德國豪華車廠賓士(Mercedes-Benz)曾展出一款採用石墨烯電池的純電動概念車AVTR,企圖藉石墨烯翻轉電動車生態。(翻攝賓士臉書)

 

在此之前,力抗蘋果iPhone的韓國三星和中國華為二大手機廠,也都喊出要推出採用石墨烯電池的新手機。不過,在鋰電池內添加石墨烯所製成的石墨烯電池,由於生產成本太過昂貴,一克售價高達近萬元,被業界笑稱是「純金」打造的電池,根本無法大規模應用。「相對於石墨烯電池,鋰電池不論在成本與技術都更具優勢。石墨烯電池現階段僅用於航空、航太行業。可以預見,若石墨烯製程與設備成本無法下降,石墨烯電池的商品化勢必要再等等。」業者搖著頭說。

不只科技大咖想用在電池儲能應用上,就連半導體教父、台積電創辦人張忠謀都看好石墨烯的前景。「雖然自台積電後,半導體業還未出現重大創新,但我看好碳導管、石墨烯等新材料可能會成為下一波半導體新技術!」張忠謀曾公開表示。

全球產量 中國占過半

為擺脫美國政府對於曝光機(中國稱為光刻機)的控制,中國產官學界似乎把張忠謀的話給聽進去了。因為中國不僅擁有全球80%的石墨礦儲量,也占全球每年過半的產量,具有發展石墨烯產業的先天優勢。

目前,以碳奈米管或石墨烯為主的碳基晶片,全球的市場規模已突破6,100萬美元(約新台幣16.9億元),並將成為發展第三代半導體科技的新風口。日前,中國科學院宣稱,已在碳基晶片領域獲得巨大突破,未來中國可望繞開荷蘭ASML所研發的高階曝光機製程,期望能提升碳基晶片的量產,並在該領域領先世界至少3年。

資料來源:記者整理
資料來源:記者整理

 

此外,華為也在近日首次公開了石墨烯場效應電晶體專利,通過提高元器件的輸出電阻,從而提升晶片的工作效率,試圖從晶片突圍。就在中國大力扶植石墨烯技術搶進第三代半導體,並壟斷上游原料之際,台灣又該如何發展石墨烯相關產業呢?蘇清源認為,經過10多年努力,石墨烯商品化的速度比預期還慢,除了石墨烯的殺手級商品尚未出現外,石墨烯製程與設備手續繁複,導致價格昂貴。「台灣發展石墨烯的優勢,就在於科技電子業群聚有很大的量能,石墨烯應用的驗證可從上游一路延伸到中下游。」蘇清源直言。

資料來源:記者整理
資料來源:記者整理

 

而台灣切入石墨烯複合材料應用的腳步,雖然相較於美、中、韓、日來得慢,台廠仍積極搶進,三晃與美商安固強合作;久元電子子公司久宏鑫則引進國外的石墨烯CVD成長技術,在台灣建立第一座8吋石墨烯CVD爐。

但石墨烯並非僅追求量產即可,還要在短時間內整合殺手級產品,「拚應用的出海口才是關鍵。」蘇清源強調。

半導體教父、台積電創辦人張忠謀曾表示:「看好碳導管、石墨烯等新材料可能會成為下一波半導體新技術!」
半導體教父、台積電創辦人張忠謀曾表示:「看好碳導管、石墨烯等新材料可能會成為下一波半導體新技術!」

 

但究竟哪裡才是石墨烯的出海口?蘇清源透露:「石墨烯複合材料的高階應用將是最大破口。」舉例來說,像是藥物的封緘防潮、高階電路板、電子元件的抗腐蝕應用,特別在軍規和火箭等特殊用途的電路板,都需要長時間的抗腐蝕、對穩定度的要求高,也會讓使用者願意買單。「另外,第三代半導體材料,石墨烯是很重要的合成輔助材料,能解決目前先進半導體發展的技術瓶頸。」蘇清源指出。

結合軍事 具隱形效果

對此,帶領中原大學團隊,已研發出「綠色石墨烯製備技術」—不使用強酸或氧化劑,只使用純水,透過瞬間高溫及超音波震盪技術,進而將石墨烯剝離出來的中原大學化工系教授劉偉仁,就是國內少數研發成功的案例,甚至已將其運用到國防工業中。

中原大學研發的綠色石墨烯製備技術已在美、中、台申請專利,並獲得國內中科院採用,未來可望用於隱形戰機的機身塗料。(翻攝國防部發言人臉書)
中原大學研發的綠色石墨烯製備技術已在美、中、台申請專利,並獲得國內中科院採用,未來可望用於隱形戰機的機身塗料。(翻攝國防部發言人臉書)

 

他說:「石墨烯具有高吸收電磁波的特性,相當適合應用在軍事設備上。把石墨烯製成的迷彩布蓋在坦克車上,經過熱交換反應,坦克車在紅外線攝影機中就如同隱形一般。若製成塗料漆在戰機上,則可將電磁波吸收和散射,能打破雷達探測,達到隱形效果。」

中原大學化工系教授劉偉仁帶領團隊研發出「綠色石墨烯製備技術」,不僅環保節能,還能將製備成本降低,目前已運用在國防工業中。(劉偉仁提供)
中原大學化工系教授劉偉仁帶領團隊研發出「綠色石墨烯製備技術」,不僅環保節能,還能將製備成本降低,目前已運用在國防工業中。(劉偉仁提供)

 

劉偉仁對本刊透露,原本難以量產的石墨烯,透過該技術,不僅可用相對低廉的成本量產,還能維持高品質,研究團隊已在美、中、台申請專利,並獲國內中科院採用,未來將用於隱形戰機的機身塗料,為國軍打造新一代戰機。

在生醫領域方面,則有陽明交通大學生物醫學工程系教授陳右穎,正與北醫、中研院合作,利用石墨烯重新打造神經探針晶片,克服過去無法與磁振造影同時使用的侷限,一方面偵測腦神經電信號與化學物質,又能進行深腦刺激治療,讓診斷與治療合而為一。

陽明交通大學生物醫學工程系教授陳右穎,利用石墨烯重新打造神經探針晶片,克服過去無法與磁振造影同時使用的侷限。(翻攝《陽明電子報》)
陽明交通大學生物醫學工程系教授陳右穎,利用石墨烯重新打造神經探針晶片,克服過去無法與磁振造影同時使用的侷限。(翻攝《陽明電子報》)

 

從紡織、化妝品到半導體、國防工業,全球石墨烯的研究正遍地開花,台廠能否搶得先機卡位成功,考驗業者們的智慧。

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