カーボンナノマテリアルは、コンピューターチップのシリコンに取って代わり、他の多くの産業を変える可能性がありますが、なぜ商業化の瀬戸際に留まっているのでしょうか?
過去 20 年間で、サイズが 1 ～ 100 ナノメートルの個々の物質で構成されるナノカーボン材料で大きな進歩が遂げられ、ナノコンピューティングからスマート医療インプラントまで幅広い可能性が開かれました。
カーボン ナノマテリアルは、その独特の強度と導電性により、コンピューター チップのシリコンに代わる可能性があります。
しかし、新材料の商業化は非常に困難です。研究室での結果を大規模生産に持ち込むことは、新薬を市場に出すのと同様に、長くて危険なプロセスです。技術的なハードルと、研究室時間と生産にかかるコストの高さにより、多くの破壊的材料が早期に失敗してきました。
カーボン ナノマテリアルの場合、導電性の問題と製造上の課題により、カーボン ナノマテリアルをベースにしたコンピューター チップの実現は当初の予想よりも遠い可能性があります。
新興企業、研究開発部門、大学の研究室は現在、独自のナノカーボン材料を開発および発売しています。
グラフェンとカーボンナノチューブ
ナノマテリアルは、サイズが小さいため、高い強度重量比 (つまり、高強度でありながら軽量である) や優れた電気接続性など、従来のバルク材料にはない特性を備えています。
カーボンベースのナノマテリアル、特にグラフェンとカーボンナノチューブは、さまざまな工業用材料の代替品として大きな可能性を示しています。
グラフェンは、ハニカム構造に配置された単一原子の厚さの炭素層です。
カーボン ナノチューブ (CNT) は、管状構造に配置されたグラフェン シートです。
カーボン ナノチューブは 1990 年代初頭に初めて発見されましたが、グラフェンは 2004 年にマンチェスター大学の科学者によって初めて単離されました。
グラフェンとカーボン ナノチューブは、特性や用途が似ているにもかかわらず、長年にわたり異なる開発過程を経てきました。
グラフェンはこれまで測定された中で最も強い材料です。優れた強度重量比を持ち、超電導体に近い電気伝導性を持ち、ほぼ透明です。航空宇宙から半導体、スポーツ用品に至るまでの業界が、グラフェンを使用して性能を向上させる方法を研究しています。
世界で最も軽い素材の 1 つであるグラフェン エアロゲル
半導体産業の推進により、CNT 関連の研究はより集中的になりました。IBM は、コンピューター チップで使用するカーボン ナノチューブの開発に多大なリソースを投入してきました。
グラフェンVC「発熱軽減」
2007年から2015年にかけて、グラフェンスタートアップへの資金調達は着実に増加したが、2016年の取引と資金の減少は完全には回復していない。
この低下は、技術がブレークスルーと商品化の間で板挟みになる、先端材料開発における典型的な魅力の喪失を反映している。
この分野の新興企業は、電池、医療機器、エレクトロニクスなどの特定のグラフェン製品の開発に取り組んだり、一般用途向けの材料を効率的に製造する方法を見つけたりしています。
たとえば、Vorbeck Materials はプリンテッド エレクトロニクス市場向けにグラフェン ベースのインクとコーティングを開発しています。同社のグラフェン製品は、ウェアラブル エレクトロニクス、RFID (無線周波数識別)、センサー、その他のアプリケーションで使用できます。
生産面では、Dow VenturesとSamsung Venturesから資金提供を受けたXG Sciencesがグラフェン素材の製造・販売を行っており、同社独自のプロセスにより「ナノシート」と呼ばれるグラフェンシートの小さな積層体が作成され、さまざまな用途の添加剤として使用される。
CNT関連融資も減少
新興企業もカーボンナノチューブ技術を開発しているが、この分野に参入している企業はほとんどない。
カーボン ナノチューブに焦点を当てた新興企業も、2015 年以降に資金が減少しました。おそらくグラフェンの資金が急減したのと同じ理由でしょう。長年の研究開発投資の後、カーボン ナノチューブは技術的な障害に直面しました。最初の進歩から 20 年が経過しましたが、まだ広く採用されていません。
Nantero は最も資金が豊富で野心的な CNT スタートアップの 1 つです。同社は CNT を使用して NRAM (不揮発性ランダム アクセス メモリ) を開発しており、これが主要な半導体記憶装置として DRAM (ダイナミック ランダム アクセス メモリ) やフラッシュ メモリに代わることを期待しています。
Nantero は、CNT テクノロジーを使用して従来の半導体材料よりも高密度のチップを製造し、速度とメモリを大幅に向上できると考えています。
Nanteroは自社の技術を富士通にライセンス供与し、商業化に向けて一歩を踏み出したが、カーボンナノチューブがハイエンドコンピューティングで広く使用されるには、技術的および市場のハードルをまだ克服する必要がある。
企業は投資を始めるよりも社内で研究開発活動を行うことを好む
主要な半導体企業はすべて、チップやバッテリー用のグラフェンに取り組んでいます。CBinsights の特許検索エンジンによると、サムスンは 200 以上のグラフェン関連特許を持つ最大の半導体メーカーです。2017 年後半、同社は従来のバッテリーより 5 倍の速さで充電できるグラフェンバッテリー材料の開発を発表しました。
カーボン ナノチューブは、半導体業界や大手テクノロジー企業から多額の研究開発投資を受けています。IBM はカーボン ナノチューブに関連する 200 以上の特許を保有し、材料の開発に多額の投資を行っています。
航空宇宙分野では、グラフェンは炭素繊維などの複合材料への添加剤として優れた特性を示しており、レンセラー工科大学の2010年の研究では、グラフェンがカーボンナノチューブよりも性能が優れており、複合材料がより強力で強度が高く、欠陥が発生しにくいことがわかりました。
エアバスはグラフェン関連の研究にも投資しており、グラフェン関連の特許を6件取得している。
技術的な障壁がアプリケーションを妨げている
グラフェンとカーボン ナノチューブは、現在、研究室から大規模生産に移し、その独特の材料特性を活用することが困難です。
たとえば、グラフェンはシリコンや銅よりも電気をよく伝えます。その強度、重量、透明性と組み合わせることで、グラフェンの電気伝導性により、シリコンベースのコンピューターチップを置き換えて、日常の電子機器を改善することが可能になります。
しかし、落とし穴があります。グラフェンは「ギャップレス」半導体であり、材料を通る電流の流れを止めることができないことを意味します。コンピュータチップメーカーは、シリコンチップに「バンドギャップ」を導入する必要がありました。これにより、ユーザーは電子の流れを止めることでデバイスをシャットダウンできるようになります。このプロセスの難しさが、商業化への大きな障害となっています。
かなり長い間、グラフェンにバンドギャップを導入するために使用される方法は非効率的であったか、材料が変更され、それに関連する優れた特性が失われてきました。
2018年4月、カタロニア・ナノサイエンス・ナノテクノロジー研究所が率いる科学者らは、バンドギャップを持つ「グラフェン」材料を成長させる方法を導入した。グラフェンベースのチップ開発におけるこの重要なステップには、2004年のグラフェンの最初のブレークスルーからほぼ15年かかった。これは、新材料の開発に必要な難しさと時間を示している。
カーボン ナノチューブにはバンド ギャップがあるため、コンピュータ チップへの組み込みが容易ですが、大量生産が重要な問題です。
カーボン ナノチューブの何十億もの小さな構造を操作することは、その独特の特性を活かすためにナノチューブの配向を制御する必要があるため、非常に困難です。広く普及する前に、均一で欠陥のないカーボン ナノチューブを提供するには、改良された製造方法が必要です。
市場の障壁: コンピューティング分野では依然としてシリコンが大きな存在である
カーボンナノ材料の採用に対する市場の障壁は、技術的な課題よりも難しい可能性があります。新しい材料は、既存のサプライチェーンに適合しようとする際に懐疑と停滞に直面します。
オーストラリア連邦科学産業研究機構を担当する物理学者アマンダ・バーナード氏は2014年のインタビューで、「我々はすでに世界のシリコンチップから数兆ドルの投資を受けており、この儲かる分野から離れるつもりはない」と語った。 '
35億ドルのサムスン半導体製造施設、米国テキサス州オースティン
既存のプレーヤーは、投資の継続を断念する前に、既存の製品を改良するか、新素材を無視することになるでしょう。グラフェンによる既存素材の包括的な置き換えは、シリコンなどの素材との相乗効果のある用途を達成するまでに長い時間がかかる可能性があります。
もう 1 つのハードルは標準化です。グラフェン評議会による 60 のグラフェン製品の最近のレビューでは、75% 以上が単一の材料特性を持たないことが明らかになりました。メーカーがグラフェンを効果的に販売したい場合は、標準化を導入する必要があります。
また、その材料が代替品としてアップグレードされる場合、グラフェンの価格は急落する必要があります。グラフェンは現在希少で高価ですが、シリコンベースの半導体の実行可能な代替品となるためには、コモディティのような材料に変える必要があります。
それが実現すると、グラフェンに焦点を当てた新興企業は価格で競争できなくなる可能性がある。小規模なグラフェン新興企業は廃業するか、グラフェンの生産能力を増強したいと考えているダウ・ケミカルのような材料会社などの半導体メーカーによる買収に直面する可能性がある。
