วัสดุนาโนคาร์บอนคาดว่าจะเข้ามาขัดขวางอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่มีมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์

วัสดุนาโนคาร์บอนสามารถแทนที่ซิลิคอนในชิปคอมพิวเตอร์และเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมอื่น ๆ ได้มากมาย แต่ทำไมพวกเขาถึงยังคงอยู่ที่ขอบของการค้า?

ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา มีการค้นพบความก้าวหน้าครั้งใหญ่ในด้านวัสดุนาโนคาร์บอน ซึ่งประกอบด้วยสารแต่ละชนิดที่มีขนาดระหว่าง 1 ถึง 100 นาโนเมตร เปิดความเป็นไปได้มากมายตั้งแต่นาโนคอมพิวเตอร์ไปจนถึงการปลูกถ่ายทางการแพทย์อัจฉริยะ

เนื่องจากความแข็งแรงและการนำไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ วัสดุนาโนคาร์บอนจึงมีศักยภาพที่จะแทนที่ซิลิคอนในชิปคอมพิวเตอร์

อย่างไรก็ตาม การทำวัสดุใหม่เชิงพาณิชย์เป็นเรื่องยากมาก การนำผลจากห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตขนาดใหญ่นั้นเป็นกระบวนการที่ยาวนานและมีความเสี่ยง คล้ายกับการนำยาตัวใหม่ออกสู่ตลาด อุปสรรคทางเทคนิคและต้นทุนเวลาและการผลิตในห้องปฏิบัติการที่สูง ทำให้วัสดุที่ก่อกวนหลายอย่างล้มเหลวตั้งแต่เนิ่นๆ

สำหรับวัสดุนาโนคาร์บอน ปัญหาการนำไฟฟ้าและความท้าทายในการผลิตหมายความว่าชิปคอมพิวเตอร์ที่ใช้วัสดุนาโนคาร์บอนอาจอยู่ไกลเกินกว่าที่คาดไว้ในตอนแรก

บริษัทสตาร์ทอัพ แผนก R&D และห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยกำลังพัฒนาและเปิดตัววัสดุนาโนคาร์บอนที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว

กราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน

เนื่องจากขนาดที่เล็ก วัสดุนาโนจึงมีคุณสมบัติที่ไม่มีใครเทียบได้กับวัสดุเทกองทั่วไป รวมถึงอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง (นั่นคือ มีความแข็งแรงสูงแต่มีน้ำหนักเบา) และการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม

วัสดุนาโนที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลัก โดยเฉพาะกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในการเป็นทางเลือกแทนวัสดุอุตสาหกรรมต่างๆ

กราฟีนเป็นชั้นคาร์บอนหนาอะตอมเดียวที่จัดเรียงอยู่ในโครงสร้างรังผึ้ง

ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) เป็นแผ่นกราฟีนที่จัดเรียงอยู่ในโครงสร้างท่อ

ท่อนาโนคาร์บอนถูกค้นพบครั้งแรกในช่วงต้นทศวรรษ 1990 แต่กราฟีนถูกแยกออกได้ในปี 2004 โดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์

กราฟีนและท่อนาโนคาร์บอนมีเส้นทางการพัฒนาที่แตกต่างกันในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แม้ว่าคุณสมบัติและการใช้งานจะคล้ายคลึงกันก็ตาม

กราฟีนเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดเท่าที่เคยมีมา มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีเยี่ยม นำไฟฟ้าได้ใกล้เคียงกับตัวนำยิ่งยวด และเกือบจะโปร่งใส อุตสาหกรรมตั้งแต่การบินและอวกาศไปจนถึงเซมิคอนดักเตอร์ไปจนถึงอุปกรณ์กีฬากำลังตรวจสอบว่ากราฟีนสามารถนำมาใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพได้อย่างไร

Graphene aerogel หนึ่งในวัสดุที่เบาที่สุดในโลก

ด้วยแรงผลักดันจากอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ การวิจัยที่เกี่ยวข้องกับ CNT จึงมีความเข้มข้นมากขึ้น IBM ได้ทุ่มเททรัพยากรที่สำคัญในการพัฒนาท่อนาโนคาร์บอนสำหรับใช้ในชิปคอมพิวเตอร์

Graphene VC 'การลดไข้'

ตั้งแต่ปี 2550 ถึง 2558 เงินทุนสำหรับสตาร์ทอัพกราฟีนเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม ข้อตกลงและการระดมทุนที่ลดลงในปี 2559 ยังไม่ฟื้นตัวเต็มที่

การลดลงนี้สะท้อนให้เห็นถึงการสูญเสียความน่าดึงดูดโดยทั่วไปในการพัฒนาวัสดุขั้นสูง ซึ่งเทคโนโลยีติดอยู่ระหว่างการพัฒนาและการจำหน่ายในเชิงพาณิชย์

สตาร์ทอัพในพื้นที่นี้กำลังทำงานเพื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์กราฟีนโดยเฉพาะ เช่น แบตเตอรี่ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และอิเล็กทรอนิกส์ หรือกำลังค้นหาวิธีในการผลิตวัสดุสำหรับการใช้งานทั่วไปอย่างมีประสิทธิภาพ

ตัวอย่างเช่น Vorbeck Materials กำลังพัฒนาหมึกและสารเคลือบที่ใช้กราฟีนสำหรับตลาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ด้านการพิมพ์ ผลิตภัณฑ์กราฟีนของบริษัทสามารถนำไปใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ RFID (การระบุความถี่วิทยุ) เซ็นเซอร์ และการใช้งานอื่น ๆ

ในด้านการผลิต XG Sciences ซึ่งได้รับเงินทุนจาก Dow Ventures และ Samsung Ventures เป็นผู้ผลิตและจำหน่ายวัสดุกราฟีน กระบวนการที่เป็นกรรมสิทธิ์ของบริษัทจะสร้างแผ่นกราฟีนกองเล็กๆ ที่เรียกว่า 'แผ่นนาโน' ซึ่งใช้เป็นสารเติมแต่งสำหรับการใช้งานต่างๆ

การจัดหาเงินทุนที่เกี่ยวข้องกับ CNT ก็ลดลงเช่นกัน

สตาร์ทอัพกำลังพัฒนาเทคโนโลยีท่อนาโนคาร์บอน แม้ว่าจะมีเพียงไม่กี่บริษัทที่เข้าสู่วงการนี้

บริษัทสตาร์ทอัพที่เน้นเรื่องท่อนาโนคาร์บอนก็พบว่าเงินทุนลดลงหลังปี 2558 ซึ่งอาจเป็นเพราะเหตุผลเดียวกับที่ทำให้เงินทุนของกราฟีนลดลง หลังจากลงทุนด้านการวิจัยและพัฒนามาหลายปี ท่อนาโนคาร์บอนต้องเผชิญกับอุปสรรคทางเทคนิค 20 ปีหลังจากการพัฒนาครั้งแรก ยังคงไม่ได้รับการนำไปใช้อย่างกว้างขวาง

Nantero เป็นหนึ่งในบริษัทสตาร์ทอัพ CNT ที่ได้รับทุนสนับสนุนและมีความทะเยอทะยานมากที่สุด บริษัทได้พัฒนา NRAM (หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบไม่ลบเลือน) โดยใช้ CNT ซึ่งหวังว่าจะมาแทนที่ DRAM (หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบไดนามิก) และหน่วยความจำแฟลชเป็นอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลเซมิคอนดักเตอร์หลัก

Nantero เชื่อว่าเทคโนโลยี CNT สามารถใช้สร้างชิปที่มีความหนาแน่นสูงกว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปได้ ซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วและหน่วยความจำได้อย่างมาก

Nantero ได้มอบใบอนุญาตเทคโนโลยีของตนให้กับ Fujitsu เพื่อก้าวไปสู่การจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ อย่างไรก็ตาม ยังคงต้องเอาชนะอุปสรรคด้านเทคนิคและการตลาดก่อนที่ท่อนาโนคาร์บอนจะสามารถนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการประมวลผลระดับสูง

ธุรกิจต่างๆ ชอบดำเนินกิจกรรมการวิจัยและพัฒนาภายในองค์กรมากกว่าเริ่มลงทุน

บริษัทเซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่ทุกแห่งกำลังทำงานเกี่ยวกับกราฟีนสำหรับชิปและแบตเตอรี่ ตามเครื่องมือค้นหาสิทธิบัตรของ CBinsights Samsung เป็นผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์รายใหญ่ที่สุดที่มีสิทธิบัตรที่เกี่ยวข้องกับกราฟีนมากกว่า 200 ฉบับ ในช่วงปลายปี 2017 บริษัทได้ประกาศการพัฒนาวัสดุแบตเตอรี่กราฟีนที่สามารถชาร์จได้เร็วกว่าแบตเตอรี่ทั่วไปถึงห้าเท่า

ท่อนาโนคาร์บอนได้รับการลงทุนด้านการวิจัยและพัฒนาจำนวนมากจากอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และบริษัทเทคโนโลยีขนาดใหญ่ IBM ถือสิทธิบัตรมากกว่า 200 ฉบับที่เกี่ยวข้องกับท่อนาโนคาร์บอน และได้ลงทุนอย่างมากในการพัฒนาวัสดุดังกล่าว

ในสาขาการบินและอวกาศ กราฟีนได้แสดงคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมในการเป็นสารเติมแต่งให้กับวัสดุคอมโพสิต เช่น คาร์บอนไฟเบอร์ การศึกษาในปี 2010 จากสถาบัน Rensselaer Polytechnic พบว่ากราฟีนมีประสิทธิภาพเหนือกว่าท่อนาโนคาร์บอน ทำให้คอมโพสิตมีความแข็งแกร่ง แข็งแรงขึ้น และมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่องน้อยลง

แอร์บัสยังได้ลงทุนในการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับกราฟีน และมีสิทธิบัตรที่เกี่ยวข้องกับกราฟีน 6 ฉบับ

อุปสรรคทางเทคนิคขัดขวางการใช้งาน

ปัจจุบันกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอนเป็นเรื่องยากที่จะถ่ายโอนจากห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตขนาดใหญ่ และเพื่อใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของวัสดุที่เป็นเอกลักษณ์

ตัวอย่างเช่น กราฟีนนำไฟฟ้าได้ดีกว่าซิลิคอนหรือทองแดง เมื่อรวมกับความแข็งแรง น้ำหนัก และความโปร่งใส ค่าการนำไฟฟ้าของกราฟีนทำให้สามารถแทนที่ชิปคอมพิวเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนและปรับปรุงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในชีวิตประจำวันได้

แต่มีข้อเสียคือกราฟีนเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่ 'ไม่มีช่องว่าง' ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถหยุดการไหลของกระแสผ่านวัสดุได้ ผู้ผลิตชิปคอมพิวเตอร์ต้องแนะนำ 'ช่องว่างแถบความถี่' ในชิปซิลิคอน ซึ่งอนุญาตให้ผู้ใช้สามารถปิดอุปกรณ์โดยการหยุดการไหลของอิเล็กตรอน ความยากของกระบวนการนี้เป็นอุปสรรคสำคัญต่อการค้า

ในบางครั้ง วิธีการที่ใช้ในการแนะนำช่องว่างของแถบสัญญาณในกราฟีนนั้นไม่มีประสิทธิภาพหรือมีการเปลี่ยนแปลงวัสดุ และคุณสมบัติที่เหนือกว่าที่เกี่ยวข้องก็หายไป

ในเดือนเมษายน ปี 2018 นักวิทยาศาสตร์ที่นำโดยสถาบันนาโนวิทยาศาสตร์และนาโนเทคโนโลยีแห่งคาตาลันได้แนะนำวิธีการปลูกวัสดุ 'กราฟีน' โดยมีช่องว่างของแถบความถี่ ขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาชิปที่ใช้กราฟีนนี้ใช้เวลาเกือบ 15 ปีหลังจากความก้าวหน้าครั้งแรกของกราฟีนในปี 2004 แสดงให้เห็นถึงความยากลำบากและเวลาที่ต้องใช้ในการพัฒนาวัสดุใหม่

ท่อนาโนคาร์บอนมีช่องว่างของแถบที่ทำให้ง่ายต่อการรวมเข้ากับชิปคอมพิวเตอร์ แต่การผลิตจำนวนมากถือเป็นปัญหาสำคัญ

การจัดการโครงสร้างเล็กๆ นับพันล้านโครงสร้างในท่อนาโนคาร์บอนเป็นเรื่องยากมาก เนื่องจากต้องควบคุมการวางแนวของท่อนาโนเพื่อใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะของท่อนาโน ก่อนที่จะมีการนำมาใช้อย่างแพร่หลาย วิธีการผลิตที่ได้รับการปรับปรุงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้ท่อนาโนคาร์บอนที่สม่ำเสมอและปราศจากข้อบกพร่อง

อุปสรรคทางการตลาด: ซิลิคอนยังคงมีขนาดใหญ่ในด้านคอมพิวเตอร์

อุปสรรคทางการตลาดต่อการนำวัสดุนาโนคาร์บอนมาใช้อาจมีความท้าทายมากกว่าความท้าทายทางเทคนิค วัสดุใหม่เผชิญกับความกังขาและความซบเซาในขณะที่พยายามปรับให้เข้ากับห่วงโซ่อุปทานที่มีอยู่

อแมนดา บาร์นาร์ด นักฟิสิกส์ที่รับผิดชอบองค์กรวิจัยวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมเครือจักรภพแห่งออสเตรเลีย กล่าวในการให้สัมภาษณ์เมื่อปี 2014 ว่า 'เราได้รับเงินลงทุนหลายล้านล้านล้านดอลลาร์จากชิปซิลิคอนทั่วโลก และเราจะไม่ละทิ้งสาขาที่ร่ำรวยนี้' '

โรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของ Samsung มูลค่า 3.5 พันล้านดอลลาร์ ในเมืองออสติน รัฐเท็กซัส ประเทศสหรัฐอเมริกา

ผู้เล่นที่มีอยู่จะปรับปรุงผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่หรือเพิกเฉยต่อวัสดุใหม่ก่อนที่จะยอมแพ้ในการลงทุนต่อไป การทดแทนวัสดุที่มีอยู่อย่างครอบคลุมด้วยกราฟีนมีแนวโน้มที่จะใช้เวลานานในการบรรลุการใช้งานที่เสริมฤทธิ์กันด้วยวัสดุเช่นซิลิคอน

อุปสรรคอีกประการหนึ่งคือการกำหนดมาตรฐาน การทบทวนผลิตภัณฑ์กราฟีน 60 รายการเมื่อเร็วๆ นี้โดยสภากราฟีนเปิดเผยว่ามากกว่า 75% ไม่มีคุณสมบัติของวัสดุชนิดเดียว จำเป็นต้องมีการกำหนดมาตรฐานหากผู้ผลิตต้องการขายกราฟีนอย่างมีประสิทธิภาพ

นอกจากนี้ หากต้องอัพเกรดวัสดุเพื่อทดแทน ราคาของกราฟีนก็จะต้องดิ่งลง กราฟีนในปัจจุบันหายากและมีราคาแพง แต่จำเป็นต้องเปลี่ยนเป็นวัสดุที่มีลักษณะคล้ายสินค้าโภคภัณฑ์เพื่อเป็นทางเลือกทดแทนเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซิลิกอนได้

เมื่อสิ่งนั้นเกิดขึ้น บริษัทสตาร์ทอัพที่เน้นกราฟีนอาจไม่สามารถแข่งขันด้านราคาได้ บริษัทสตาร์ทอัพกราฟีนขนาดเล็กอาจเลิกกิจการหรือเผชิญกับการเข้าซื้อกิจการของผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เช่น บริษัทวัสดุอย่าง Dow Chemical ที่อาจต้องการเพิ่มกำลังการผลิตกราฟีน