Skip to main content
Top

16-08-2022 | Werkstoffe | Schwerpunkt | Article

Endlich raus aus dem Labor und rein in den Markt

Author: Dieter Beste

7 min reading time

Activate our intelligent search to find suitable subject content or patents.

search-config
print
PRINT
insite
SEARCH
loading …

Graphen sorgt seit Jahren für Furore. Anwendungen für das 2D-Material werden bei Verbundwerkstoffen, der Energiespeicherung, bei Beton, Beschichtungen, Wärmemanagement oder Textilien erwartet. Kommt jetzt der Marktdurchbruch?

Aixtron, ein Anbieter von Fertigungseinrichtungen für die Halbleiterindustrie aus Herzogenrath bei Aachen, meldete kürzlich die Lieferung einer Metal-Organic Chemical Vapor Deposition-Anlage für Verbindungshalbleitermaterialien an die Boise State University, Idaho. Die Anlage wird bei einer Betriebstemperatur von maximal 1.400 °C Graphen und hexagonales Bornitrid abscheiden – unter anderem für neuartige LEDs. Die britische Regierung unterstützt ein von der australischen First Graphene Limited geleitetes Konsortium, das sich zum Ziel gesetzt hat, die Entwicklung von mit Graphen verstärktem kohlenstoffarmen Zement voranzutreiben. Und die Glyn GmbH und Co. KG aus Idstein im Taunus, seit Gründung 1980 auf den Vertrieb von elektronischen Bauelementen und Systemen spezialisiert, hat robuste Box-PCs von Aaeon aus Taiwan für den harten Industrieeinsatz im Angebot. Deren Clou: Dank Graphen und die damit erreichbare gute Wärmeabfuhr können diese Computer Rechenleistung wie Grafikperformance auch in thermisch kritischen Anwendungen liefern – lüfterlos und zuverlässig von -40 bis 70 °C.

Editor's recommendation

2019 | OriginalPaper | Chapter

Graphen und weitere Kohlenstoffallotrope

Mit Graphen bezeichnet man eine dünne, zwei-dimensionale Kohlenstoffschicht, die aus nur einer Lage (Monolage), hexagonal miteinander verbundener Atome besteht (Abb. 4.1). Graphen weist einige besondere physikalische Eigenschaften auf: Eine extrem …

Die drei aktuellen Beispiele zeigen, dass sich seit 2004 einiges getan hat, als es Andre Geim und Konstantin Novoselov erstmals auf verblüffend einfache Weise gelang, stabile Graphen-Schichten mit Hilfe von Klebestreifen von Graphit abzulösen, zu isolieren und umfassend physikalisch zu charakterisieren. Die beiden Forscher wurden dafür 2010 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Von Beginn an hat das Marktforschungsunternehmen IDTechEx mit Hauptsitz in der englischen Universitätsstadt Cambridge, die Karriere dieses vielfach als "Wunderstoff" gehandelten Materials verfolgt, 2012 eine erste Studie zu Graphen veröffentlicht und nun Erkenntnisse aus den letzten zehn Jahren zu einer Prognose verdichtet, die die Marktentwicklung von Graphen in den kommenden zehn Jahren beschreibt.

"Wir prognostizieren, dass der Graphen-Markt von unter 100 Millionen Dollar im Jahr 2020 bis 2032 auf mehr als 1 Milliarde Dollar anwachsen wird", heißt es in einer Mitteilung der Marktforscher. Die Ergebnisse der Studie von Richard Collins und Conor O'Brien lassen sich in zehn Punkten zusammenfassen:

  • Bei Herstellung und Anwendung von Graphen verzeichnen die Autoren einige Fortschritte in Richtung Normung, Sicherheitsvorschriften und Qualifizierung, aber diese Themen seien auch in Zukunft herausfordernd.
  • Graphen-Nanoplättchen (GNP), Graphenoxid (GO) und reduziertes Graphenoxid (rGO) kommen laut Collins und O'Brien einer signifikanten kommerziellen Nutzung am nächsten. Bei diesen Graphenen sehen sie Anzeichen für ein rasantes Wachstum in Anwendungen wie Polymerverbundwerkstoffe für die Automobilindustrie, Wärmeableitern für Smartphones, industrieller Elastomere oder Korrosionsschutz-Beschichtungen.
  • Es gibt kein "bestes Graphen", postulieren die Autoren, da jede Anwendung unterschiedliche spezifische multifunktionale Anforderungen stellt. Die handelnden Unternehmen, Forscher und Materialentwickler haben laut Studie verstanden, dass es ein Schlüssel-Know-how beim Umgang mit Graphen gibt. Und die Unternehmen konkurrierten darum, diese entscheidende Stufe der Wertschöpfungskette (extern und intern) zu besetzen, um eine Reihe von Zwischenprodukten anzubieten.
  • Die verschiedenen Verfahren zur Herstellung von Graphen weisen zahlreiche Stärken und Schwächen auf, haben Collins und O'Brien analysiert, wobei die Top-down-Ansätze der Flüssigphasenexfoliation und der Oxidations-Reduktionsverfahren dominieren. 
  • Es gibt zurzeit noch eine sehr größere Anzahl von Graphen-Herstellern, was jedoch auf lange Sicht nicht der Fall sein werde. Mit einsetzendem Erfolg komme es zu einer Konsolidierung, erwarten die Autoren der Studie. Tatsächlich gebe es schon Graphen-Produktionsanlagen, die Großaufträge bearbeiten könnten. 
  • Die Daten deuteten darauf hin, dass die Einnahmen von Graphen-Unternehmen seit vielen Jahren stetig steigen, berichten Collins und O'Brien, und erwarten, dass sich dieser Trend noch verstärken werde. Der Anstieg gehe jedoch nicht immer mit steigenden Gewinnen einher. Tatsächlich mache die Branche insgesamt immer noch Verluste, und nur eine Handvoll Unternehmen sei profitabel. Das habe im Graphen-Hype der letzten Jahre sicherlich zu einer gewissen Ernüchterung geführt. Öffentliche und private Finanzierungen spielten somit in diesem aufstrebenden Wirtschaftszweig auch künftig eine wichtige Rolle, heben Collins und O'Brien hervor.
  • Hightech-Werkstoffe leiden oft darunter, dass sie eher einen Materialdruck erzeugen als eine Marktnachfrage stillen. Der IDTechEx-Bericht befasst sich eingehend damit, solche Geschäftsfälle zu identifizieren und besser zu verstehen, die durch ein Bedürfnis nach Graphen ausgelöst wurden. Zu den Graphen-Markttreibern zählen die Autoren insbesondere die Notwendigkeit eines verbesserten Wärmemanagements, Nachhaltigkeit, Leichtbauweise und Produktlebensdauer.
  • Da die Liste potenzieller Anwendungen von Graphen fast unendlich lang ist, lautet die Schlüsselfrage der Studie: Wo wird der Erfolg eintreten? Verbundwerkstoffe, Energiespeicherung, Beton, Beschichtungen, Wärmemanagement und Textilien haben laut Collins und O'Brien allesamt ein sehr großes Potenzial wie ihr grafisch aufbereiteter Ausblick auf die Umsatzentwicklung zeigt:

  • Interessiert hat die Autoren der Studie besonders auch das Potenzial von Graphen in der Mikroelektronik, bei Transistoren oder transparenten leitenden Folien (TCFs). Aber das Fehlen einer Bandlücke einerseits und die Konkurrenz leistungsfähiger, etablierter Materialien andererseits setze den neuen 2D-Materialien bei Halbleiteranwendungen Grenzen. Allerdings seien bei Sensoren und optoelektronischen Anwendungen schon kommerzielle Erfolge zu verzeichnen. 
  • Die Auswirkungen der Covid-19-Pandemie und zahlreiche Unterbrechungen in den Lieferketten haben sich in der Graphen-Industrie in Form von Verzögerungen bei der Maßstabsvergrößerung, bei der Materialentwicklung und im allgemeinen Betrieb bemerkbar gemacht. Für einige Marktteilnehmer mag dies irreversible Folgen haben, für viele jedoch wird es den kommerziellen Erfolg nur verzögern, lautet das Fazit der IDTechEx-Autoren.

Graphen ist nicht der erste Nanowerkstoff, der das Labor verlässt und sich anschickt, die Märkte zu erobern. Richard Collins und Conor O'Brien denken dabei zum Beispiel an Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) – von deren Marktentwicklung könne man manches lernen und auf die zu erwartende Entwicklung von Graphen übertragen. Aber sie geben in ihrer Marktanalyse auch ein Eingeständnis zu Protokoll: Die Zugkräfte des Marktes sind bei der Einführung neuer Technologien und somit auch von Graphen begrenzt. Öffentliche und private Finanzierungen seien auch weiterhin in den aufstrebenden Graphen-Märkten vonnöten.

Im "Tal des Todes"

Hubert Keiber, Obmann des Stiftungsrats der Werner Siemens-Stiftung (WSS), nennt dieses Entwicklungsstadium einer neuen Technologie das "Tal des Todes": Die Grundlagenforschung zu einem Thema – in diesem Fall Graphen – ist gemacht. Und jetzt hat jemand eine Idee, was sich daraus machen ließe. Doch dafür, so Keiber, bekommt er in der Regel noch kein Venture Capital – aber auch die staatliche Forschungsförderung fühlt sich hier nicht mehr zuständig: "Viele Projekte in diesem "Zwischenbereich" kommen nie zum Laufen, weil ihnen die Fördermittel fehlen." 

Genau hier setzt die Werner Siemens-Stiftung an. Mit 15 Millionen Franken unterstützt die WSS zum Beispiel jetzt an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) das Projekt "CarboQuant", um hier die Grundlagen für neuartige Quantentechnologien zu schaffen. "Wir wagen mit diesem Projekt einen großen Schritt ins Unbekannte", sagt Projektkoordinator Oliver Gröning. Denn allen Unkenrufen der Marktforschung zum Trotz, will Gröning Graphen als mögliches Baumaterial für Computer der Zukunft nutzen. Denn das gerade einmal eine Atomlage dicke Kohlenstoffmaterial verspricht schnellere, leistungsfähigere Rechnerarchitekturen als mit heute bekannten Halbleitermaterialien wie Silizium erreichbar – allerdings auf andere Weise. Bereits 2018 hatte das Team um Gröning in der Zeitschrift Nature über die Entwicklung von robusten topologischen Quantenphasen in Graphen-Nanobändern berichtet. Werden die Bänder so gebaut, dass sich unterschiedlich breite Bereiche regelmäßig abwechseln, dann entsteht durch die vielen Übergänge eine Kette von untereinander verknüpften Quantenzuständen mit einer eigenen elektronischen Struktur. Das Spannende daran: Je nach Breite der unterschiedlichen Segmente ändern sich die elektronischen Eigenschaften der Kette. Dadurch lassen sich diese fein einstellen – vom Leiter zu Halbleitern mit unterschiedlich großen Bandlücken. 

Spezielle Graphen-Strukturen für neuartige Chips

Die Tatsache, dass sich über die Geometrie des Graphens verschiedene Materialeigenschaften einstellen lassen, war für die Förderentscheidung der Werner Siemens-Stiftung entscheidend – denn dieser vollkommen neue Ansatz erlaubt es, andersartige, also nicht Silizium-basierte Halbleiter für die Mikroelektronik von morgen zu entwickeln. "Heute brauchen Sie 4 Grad Kelvin, also Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, um einen Quantencomputer mit, sagen wir mal, 8 Qbits zu betreiben", sagt Hubert Keiber. "CarboQuant könnte es ermöglichen, solche Computer mit Chips, die wie normale Chips aussehen, bei deutlich höheren, eventuell sogar bei Raumtemperatur zu betreiben", beschreibt Keiber einen Weg, auf dem Graphen vielleicht einmal endgültig das "Tal des Todes" hinter sich lassen könnte.


 

print
PRINT

Related topics

Background information for this content

Premium Partners