Forskningsalliance skal bringe grafen fra laboratorium til produktion

10-12-2012

Af Thomas Boel, Ingeniøren 


Korrosionsbestandig overfladebehandling, trykt elektronik og grafen til transparente OLED-display er bare nogle af de lavthængende frugter, som en ny dansk forskningsalliance vil udvikle i retning af massefabrikation i løbet af fire år.


Med bevilling på 20 millioner kroner fra Det Strategiske Forskningsråd i ryggen vil en ny alliance af universiteter og private virksomheder de kommende fire år bringe grafen fra snakken til produktionen.

De involverede parter, der omfatter universiteter, institutter og private virksomheder, har valgt tre fokusområder for forskningen. Bevillingsmodtageren Peter Bøggild, lektor ved DTU Nanotech, betegner de tre områder som relativt lavthængende frugter.

»Siden grafen blev opdaget i 2004, er det væltet frem med ideer med ganske store samfundsmæssige konsekvenser for eksempel inden for energi, kommunikationsteknologi og produktion. Med det her projekt vil vi gå efter at mestre nogle af de - på den korte bane - mest realistiske anvendelsesmuligheder, lave troværdige demonstrationer af dem og etablere den viden, der gør det muligt for virksomhederne at lave produkter af dem,« siger Peter Bøggild.


De tre områder, projektet vil favne i løbet af de fire år, er: Grafenbelægning, trykt elektronik og fremstilling af højkvalitetsgrafen.

»Det er tre områder, hvor vi allerede har nok viden til at komme godt op ad banen fra start. Vi skal ikke sidde ned og 'boge' den i to år, før vi kan sige, om det bliver til noget,« siger Peter Bøggild.

 

Grafenbelægning

»Over tre procent af verdens BNP bliver opløst,« siger Peter Bøggild. »Det ruster simpelthen væk. Ting korroderer, bliver skrøbelige, går i stykker og braser sammen. Men man har vist, at med en belægning af grafen kan korrosion reduceres helt op til faktor 100, og det kan sagtens blive endnu mere.«

Derfor er det ét af de tre fokusområder, forskningsalliancen vil beskæftige sig med. Det kunne både være grafen dyrket direkte på rustfrit stål eller på et mellemlag der samtidig beskytter både grafen og stål mod mekanisk slid.

»Korrosion angriber næsten alle metaloverflader. Gad vide, hvor mange overflader med potentielt brugbare egenskaber, der slet ikke kan eksistere på grund af korrosion? Grafen er så tyndt, at både lys, varme og elektrisk strøm kan passere igennem uden problemer, så det svarer til en stort set usynlig beskyttelsesfilm - og dette giver muligheder for helt nye produkter og anvendelser, man indtil nu ikke har kunnet drømme om,« fortæller han.

 

Trykt elektronik

En anden af grafens muligheder, forskningsalliancen vil videreudvikle er trykt elektronik. Igen er grafens fordele revolutionerende i forhold til kendte materialers egenskaber, mener Peter Bøggild.

Elektronikken kan gøres tynd, fleksibelt, gennemsigtig og det elektriske kredsløb vil på grund af grafens ledningsevne kræve mindre energi. Og da kulstof er tilgængeligt i meget store mængder, er det også muligt at gøre det meget billigt.

»Men vi er nødt til at mestre teknikken, før vi præcist kan forudsige, hvilke produkter der i sidste ende bliver de vigtigste. Og det er meget udfordrende,« siger Peter Bøggild og forklarer:

»Siden silicium satte gang i halvlederindustrien, har vi vænnet os til, at al elektronik er noget, der sidder på en plade. Det er dén rigide bestanddel, der måske kan gøres ultratynd, højeffektiv, bøjelig og endda billig. Vi vil forske i at kunne tegne med elektronik, også på bløde, kurvede og gennemsigtige overflader.«

De første anvendelser af grafen som elektrisk ledende blæk er allerede på vej.

»Overskuddet fra amerikanske butiksvarer ædes op af tyveri. Med trykt elektronik af grafen vil det være rentabelt at printe gennemsigtige butiksalarmer på hvad som helst.«

Det amerikanske firma Vorbecks grafen 'Vor-ink' bliver allerede i dag brugt til at tyveribeskytte varer på det amerikanske marked.

 

Højkvalitetsgrafen

Et sidste emne, forskeralliancen vil satse på er udvikling af højkvalitetsgrafen:

»Når man normalt ser en tegning af, hvad grafen er, så ligner det et fint todimensionelt hønsenet uden revner, brud eller fejl. Hvis man zoomer ud, er grafen i praksis sammensat af forskellige domæner, der har hver sin krystalretning, og deres sammenføjninger svækker både de mekaniske og elektriske egenskaber,« forklarer Peter Bøggild.

»Det sidste af vores tre fokuspunkter går på at forske i at mestre at lave perfekt grafen med gigantiske enkeltkrystallinske domæner og fejlfri brudflader. Derefter kan vi overføre grafen til glas og polymerer for at lave transparente OLED (TOLED) skærme og avancerede solceller.«

»Der er stor interesse for transparente OLED-skærme, som kan bruges til at lave vinduer, der samtidigt er computerskærme, kan vise information, billeder eller andet, til augmented reality-briller, heads-up displays (HUD) til vejinformation indlejret i bilruden, og mange andre spændende teknologier«, foreslår Peter Bøggild.

 

Halvanden million i posen

Ud af de i alt 40,4 millioner kroner, som forskningsalliancen råder over, kommer de 20 millioner fra Det Strategiske Forskningsråd.

Ifølge Peter Bøggild er der budgetteret med, at der er afsat 1,5 millioner kroner til aktiviteter, der endnu ikke er fastlagt - de skal skabe den afgørende fleksibilitet og dynamik for at kunne deltage i et så aggressivt udviklingsområde som grafen.

»Det er også noget af det, jeg synes passer rigtig godt til et projekt som det her, for når man arbejder på et felt med så stort udviklingspotentiale, kan vi slet ikke vide, hvor vi er om fire år.«

»Skulle vi for eksempel komme til et hurtigt gennembrud med grafen-coating, kan vi afsætte de midler til at accelerere udviklingen til produktion. Hvis vi opdager noget nyt, vi slet ikke har forestillet os var muligt, kan vi trække nye partnere med i alliancen for at få tingene til at ske. Det er en stor styrke og en fantastisk mulighed,« siger Peter Bøggild.

 

Fakta

Grafen blev opfundet i 2004 og har siden været genstand for en eksplosiv interesse, hvilket resulterede i nobelprisen i fysik 2010 samt de første kommercielle grafen-baserede produkter i 2012. Det består af et ét atom tykt lag rent kulstof i en todimensionel hønsenet-struktur.

Det har styrke som diamant, men er samtidigt fuldstændig bøjeligt og vanskeligt at ødelægge. Man strække det med 18 procent, krølle det sammen og folde det ud igen uden at beskadige krystalstrukturen.

De elektriske egenskaber er enestående: Elektronerne bevæger sig 100 gange hurtigere end i silicium, og strømtætheden kan blive 1.000 gange højere end i kobber. Hvert grafen-lag tillader 97,7 procent af lys passere igennem over et bredt spektrum af det synlige spektrum. Grafen er tilmed ekstremt kemisk inaktivt, og har vist sig i stand til at blokere for selv de mindste gas molekyler som brint og helium.

»Det mest påfaldende er at alle disse fantastiske kvaliteter findes i ét og samme materiale. Det betyder at vi kan udnytte kombinationerne direkte. For eksempel udnytter vi mekanisk styrke og fleksibilitet, god elektrisk ledningsevne og optisk transparens til at lave gennemsigtig elektronik.

Silicium har været en overvældende stor succes på grund af dets særlige kombination af mekaniske og elektriske egenskaber. Med grafen kunne det godt se ud som om paletten af superegenskaber er endnu større. Vi må og skal lære at tøjle disse egenskaber, og det har vi nu muligheden for,« siger Peter Bøggild

 

Deltagere i projektet

- DTU Nanotech, Institut for Mikro- og Nanoteknologi
- Nanoscience Center, Københavns Universitet
- iNANO, Interdisciplinært Nanoscience Center, Aarhus Universitet
- Teknologisk Institut
- Welltec
- Mekoprint
- Lego System
- NewTec
- SP Group
- Grundfos Holding
- Fraunhofer COMEDD, Tyskland


DESUDEN INDGÅR SAMARBEJDE MED

- Aixtron Ltd., UK
- SOL Voltaics AB, Sverige

Kontakt Mekoprint