グラフェンの大量製造についての簡単な考察

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要約：グラフェンの大量製造は、グラフェン産業の発展を推進する上で非常に重要な意味を持つ。本稿では、グラフェンの大量製造の現状、存在する問題点、および今後の発展傾向についてまとめ、グラフェンの大量製造の将来の展望について論じる。キーワード：グラフェン；大量製造；多品種；自動分類コード：TQ127　文献識別コード：A
グラフェンとは、単層の炭素原子の厚さ（0.34nm）しかない新しい二次元ナノカーボン材料であり、炭素原子がsp2混成軌道を用いて六角形のハニカム状の格子を形成した平面薄膜です。グラフェンが発見されて以来、その優れた性能により学術界や投資界から広く注目を集めている。グラフェンへの高い関心は、一連のグラフェン関連産業の発展を促しました。グラフェンの産業チェーン全体において、グラフェンの製造は前提条件であり、優れた構造を持つグラフェン製品を得ることによってのみ、グラフェンの産業化の発展をさらに推進することができる。したがって、グラフェンの大量製造は、グラフェン産業全体にとって非常に重要な意味を持つ。現在、グラフェンの製造方法は多く存在しますが、すべての方法が大量生産に適しているわけではありません。ここでは、グラフェンの製造方法を比較します。（1）グラフェンの製造方法の比較　現在、さまざまなグラフェンの製造方法が開発されており、一般的な製造方法には、機械的剥離法、化学気相堆積法（CVD）、化学酸化法、グラファイト層間挿入法などがある；その他の製造方法としては、エピタキシャル成長法、カーボンナノチューブ切断法、イオン注入法、高温高圧HPHT成長法、爆発法、および有機合成法などがある。異なる製造方法によって得られるグラフェンの性能には大きな差があり、これによりグラフェンはさまざまな分野で利用することができる。グラフェンの一般的な製造方法の中で、機械的剥離法によって得られるグラフェンは結晶性が高く、その固有の特性を分析するのに適している。しかし、この方法では生産量が少ないため、大量生産には向いていない；CVD法によっては、面積が大きく均一性の高いグラフェン薄膜を得ることができ、この方法で作製されたグラフェンサンプルは透明導電膜などの分野に適している；化学酸化法で製造されたグラフェンには欠陥が多いが、大量にグラフェンを製造することができ、この方法で得られるサンプルは蓄エネ、複合材料、浄水材料などの分野で利用可能である。この方法では中間生成物である酸化グラフェンが得られ、そこに含まれる酸素含有官能基によってグラフェン系材料の改質にさらなる可能性が生まれ、それによりグラフェンの応用分野が拡大する；インサーション法によるグラフェンの製造は工程が簡単で、大量にグラフェンを得ることができる。しかし、製造された製品の層数が多く、グラフェンの導電性が高く求められる分野に適しており、グラフェンの層構造が厳しく要求される応用には向いていない。現在、大面積で単結晶のグラフェンを製造することは、依然として大きな課題である。CVD法や酸化還元法では大量のグラフェンを製造できるが、CVD法では製造後期におけるグラフェンの転写プロセスが複雑であり、製造コストも高い。さらに、基板内部でのCの成長と接続には欠陥が生じやすい。酸化還元法を用いて製造する際、単層グラフェンは非常に薄いため凝集しやすく、その結果グラフェンの導電性や比表面積が低下し、光電デバイスでの利用に悪影響を与える。さらに、酸化還元過程では炭素環上の炭素原子の消失など、グラフェンの結晶構造に欠陥が生じやすい。しかし、現在でも化学酸化法は、低コストで大量にグラフェンを製造できる有効な方法の一つです。（2）グラフェンの個体差　厳密な意味でのグラフェンとは、単層の炭素原子の厚さを持つ二次元の炭素材料を指すが、現在ではグラフェン材料の標準的な定義が確立されていないため、グラフェン材料は一種の材料として扱われている。材料間の違いとは、主に厚さやサイズが異なることを指し、これらは材料の固有の特性に影響を与えます。例えば、グラフェンのサイズはその性能に大きな影響を与えます。グラフェンのサイズがある程度小さくなると（数nmの時）、グラフェン量子ドットと呼ばれ、蛍光や磁性などの面で特別な特性を持つ。透明導電膜の応用においては、グラフェンのサイズが小さいほど、透明導電膜を組み立てる際の接触抵抗が大きくなり、その結果、組み立てられた透明導電膜の抵抗も大きくなる。したがって、グラフェンのサイズ制御は、その応用において非常に重要である。厚さが10層を超えると、その材料の特性は黒鉛に似てくるため、もはやグラフェン材料とは呼べなくなる。厳密に言えば、グラフェン材料を表記する際には、単層グラフェン、二層グラフェン、多層グラフェンなど、その層数を明記すべきである。グラフェンの個体差を考慮するためには、大量生産の全過程においてグラフェン材料の異なる構造に注意を払い、グラフェン製品のサイズや層数といったさまざまなパラメータを制御し、さまざまな応用分野に対応できる多様な種類のグラフェン製品を得るよう努める必要がある。二、グラフェンの大量製造 1. グラフェンの大量製造の現状 **グラフェン産業は非常に重視されており、最新に発表された工業情報化部の「新素材産業発展ガイドライン」や**の「十三五**科学技術革新計画」においても、グラフェン材料およびグラフェン産業について何度も言及されている。各地でもグラフェン産業に対する政策的な支援が多く、青島、無錫、常州、重慶などでは複数のグラフェン産業園が設立されている。グラフェンの製造は、グラフェン産業チェーン全体における最も重要な工程として、研究者たちから一層注目されている。多くの研究機関や企業でも、グラフェンの大量製造に向けた研究開発が盛んに行われている。報道によると、現在すでに複数の研究機関や企業がグラフェンの大量製造に関する研究を行っており、グラフェンの大量製造用生産ラインの建設や稼働に関する報道も度々見られる。関連する研究機関として、金属研究所、山西煤化所、北京大学、清華大学、浙江大学、南開大学などがある；企業としては、北京聖盟科技、寧波墨西科技、常州第六元素、北京碳世紀などがあります。**政策と企業の投資が、グラフェンの産業化を大きく推進している。グラフェンを大量に製造するための方法にはいくつかあり、現在、グラフェンを大量に製造できる主な方法は、化学酸化法、グラファイト層間挿入法、およびCVD法です。例えば、金属研究所の成会明院士の研究グループがグラフェンの大量製造に用いている方法には、CVD法やグラファイト挿入法がある；北京聖盟科技と常州第六元素が大量製造に用いている主な方法は、化学酸化法とグラファイト層間挿入法です。製造規模については、CVD法で製造されるグラフェンの規模は品質で測定することが難しいため、化学酸化法およびグラファイト層間挿入法を例に説明します。現在、グラフェンの製造は主にキログラム単位で行われているが、常州第六元素や北京聖盟科技、北京碳世紀といった企業は、トン単位でグラフェンを生産できると主張している。グラフェンの大量生産に関する産業化の状況を見ると、現在、グラフェンの発展は主に東部地域に集中しており、江蘇省、山東省、浙江省、北京市などの省では、グラフェンの開発に対する取り組みや研究開発への投資が盛んである。2. 現在の大量製造プロセスにおける問題点　現在、グラフェンの大量製造において大きな進展が見られているものの、グラフェン産業のさらなる発展を妨げる多くの問題が依然として存在している。まず、グラフェン製造業全体の質はまちまちです。多くの投資家がこの業界に急いで参入し、グラフェンについてまだ理解していない状態で軽率に足を踏み入れた結果、製造されるグラフェン製品の品質に大きな差が生じている。現在、グラフェンの規格策定が十分でないため、市場に出回っているグラフェン製品の構造が表示内容と一致しないものがあり、これらがグラフェンの普及を妨げています。次に、グラフェン製品は比較的単一です。CVD法には薄膜の大量生産を実現できる可能性があるものの、現在最も一般的に用いられているのは化学酸化法とグラファイト挿入法である。グラフェンの大量製造方法が単一であることも、現在市販されているグラフェン製品の多様性を欠かせしめ、幅広い顧客のニーズを満たすことができない。多くの製造業者は、グラフェン製品のサイズや層数の変化がその性能に与える影響に気づいておらず、適切な技術サポートも提供できないため、購入者はグラフェン製品を選ぶ際に迷い、適切な製品を見つけることができません。その結果、顧客のグラフェン製品に対する信頼度が低下してしまいます。これらはすべて、グラフェン産業の発展に影響を与えます。再び、グラフェンの大量生産ラインの設計にはいくつか問題が残っています。現在のグラフェンの大量生産ラインは、製品を得られることだけを保証しており、環境への影響やエネルギー消費、時間的なコストなどについては十分に考慮されていないため、グラフェンのコストが高くなっている。同時に、現在のグラフェン生産ラインの自動化度は低く、人の手による操作の誤差がグラフェン製品の品質に影響を与えます。これらはすべて、さらなる改善が必要である。グラフェンの大量製造過程に存在するこれらの問題は、グラフェン産業の発展を妨げており、今後の大量製造過程においてさらなる解決が求められる。三、グラフェンの大量製造の発展方向
1. グラフェンの発展方向
現在、グラフェンの大量製造分野に存在する問題点を踏まえ、グラフェンの大量製造の発展には以下のような方向性があると考えている。（1）グラフェン製品の品質向上およびグラフェン系材料の多様化に伴い、グラフェン製品の品質管理を強化し、製品の品質を高める。同時に、グラフェンのサイズや厚さ、異なる改質度といったパラメータを制御するなど、幅広い顧客のニーズに応える一連のグラフェン材料を開発しています。グラフェンの応用分野を拡大するために、グラフェン派生材料（グラフェン量子ドット、三次元グラフェン、グラフェンロールなど）を開発する。（2）新規なグリーングラフェンの大量製造法を開発し、現在のグラフェン製造過程で生じる汚水などの問題を改善する。グラフェンの大量製造方法の多様化は、さまざまな分野でのグラフェン利用のニーズを満たすことができ、グラフェンの応用分野の探求を大いに促進するでしょう。（3）グラフェン生産ラインの改善・高度化　現在のグラフェン生産ラインを改良し、その機能を向上させ、自動化の度合いを高める。1つの生産ラインでさまざまなグラフェン製品を製造できるようにすることができる。同時に、グラフェン製品の品質を保証した上で、設備の調整によりグラフェン製造過程におけるエネルギー消費量と生産サイクルを改善し、さらにグラフェンの製造コストを削減する。グラフェンが幅広く応用される可能性をもたらす。2. 発展の見通し　グラフェンの大量製造は、グラフェン産業チェーンにおいて重要な部分であり、またグラフェン産業全体の発展において最も先に解決すべき課題でもある。優れた性能を持つさまざまなグラフェン材料を大量に製造し、そのコストを下げることができるのは私たちだけであり、それによって初めてグラフェンの応用が実現可能になるのです。現在、グラフェンの大量製造は大きく進展しているものの、依然として多くの制約が存在し、多くの研究者が協力して一連の問題を解決していく必要がある。近い将来、グラフェンの大量製造技術が大きな進展を遂げ、グラフェンを活用した産業の発展に貢献することでしょう。