碳元件的實用化始于透明導電膜，然后延伸到濕度傳感器等多種傳感器領域，未來2～3年后蓄電池和電容器也將實現碳化。2020年前后，圖像傳感器和RFID標簽、10年后高性能微處理器也將使用“碳”制造。

采用碳納米管（CNT）和石墨烯的電子部件及光學部件（碳元件）的開發競爭在全球愈演愈烈。新元件接連發布，而且開發速度越來越快。碳元件種類繁多，比如（1）采用透明導電膜的觸摸面板、（2）傳感器、（3）燃料電池、充電電池和電容器的電極、（4）存儲器、（5）通過轉印和印刷制作的IC及微處理器、（6）瞄準后硅時代的超高集成IC、（7）光敏元件、（8）發光元件、（9）功率半導體，等等。

這些產品的實用化時間因技術難度和市場需求等各不相同。（1）已經開始量產，（2）～（4）計劃在3年內實現實用化，（5）～（9）預計在2020年前后或更晚一些實用化。CNT與石墨烯你追我趕EU的開發項目“Graphene Flagship”給出了采用石墨烯的碳元件的具體時間表（圖1）。光激勵發光元件大多在2020年前后，邏輯IC在2025年前后開始實用化。

CNT與石墨烯你追我趕

圖1：碳元件將席卷電子和光領域歐洲EU就石墨烯開發項目“Graphene Flagship”提出的開發藍圖。預計透明導電膜將率先實現實用化。實際上，2013年三星泰科采用石墨烯試制了達到實用化水平的觸摸面板。石墨烯在光子用途尤其占優勢。而CNT在電子領域擁有優勢。CNT晶體管等有望比石墨烯率先實用化。

采用基本特性與石墨烯相似的CNT的碳元件，實用化時間估計也與石墨烯差不多。不過，二者有三點不同。

首先，CNT不同于石墨烯，在自然狀態下具備帶隙，適合邏輯IC用晶體管和TFT。用于電子紙和平板電腦的CNT TFT有望遙遙領先于石墨烯，在2020年之前就實現實用化。

其次，CNT的形狀為一維狀，而石墨烯擴展為二維狀。因此，石墨烯適用于靈敏地檢測外部刺激的用途。極有可能幾年內在醫用傳感器等領域實現實用化。

最后，作為光激勵發光元件，CNT因帶隙原因可利用的波段有限，而石墨烯能在廣泛的波長范圍內利用。在光敏元件中，石墨烯將率先擴大使用。

不過，解決這種適用或不適用的技術也在開發中，克服缺點獲得新性能的例子已經出現。

觸摸面板圍繞量產性展開競爭

在柔性觸摸面板領域，CNT版先發制人（圖2）。華為的智能手機2013年采用的CNT觸摸面板由中國富納源創開發，該公司2008年就試制了該面板，敏捷的行動速度取得了成效。

圖2：觸摸面板開始上市

采用CNT或石墨烯的觸摸面板產品及試制示例。開發（a）的觸摸面板的富納源創已從2011年開始量產。東麗預定2014年內量產（b）。三星泰科沒有公布量產時間（c）。

估計接下來出場的是東麗，該公司計劃2014年供貨采用雙層CNT的電阻膜式觸摸面板。可采用現有涂布裝置，以卷對卷（R2R）方式量產寬一米以上、長幾百米的透明導電薄膜。

而石墨烯版觸摸面板雖然在圖案制作方面占優勢，但在量產技術方面遠遠不如CNT。

將實現以往100倍的感度

有望在幾年內實用化的傳感器方面，采用石墨烯的開發案例遠遠高于CNT（圖3）。感度和響應性達到現有技術100倍以上的情況屢見不鮮。

 
圖3：利用石墨烯的傳感器將實現出色的性能本圖為利用石墨烯的傳感器開發示例。諾基亞的濕度傳感器響應性非常快（a）。石墨烯MEMS共振器正針對微量材料的測量用途進行開發（b）。硅環型光調制器可將通信性能提高至數十倍（c）。（圖（c）由NTT提供，圖片由各公司拍攝）例如，諾基亞2013年11月發布的柔性濕度傳感器的響應性還不到0.1秒，達到了10秒以上的現有產品的100多倍。

“也許可用于利用呼吸的用戶界面”（諾基亞）等，有望擴大新用途。

電池和電容器：面向電極量產“魔法粉”

有望繼透明導電膜和傳感器之后實現實用化的是電池類。可作為燃料電池、雙電層電容器（EDLC）、鋰離子充電電池的電極導電輔助劑使用（圖4）。NEC已開始面向鋰離子充電電池量產直徑為2～5nm、介于CNT和富勒烯中間的材料“碳納米角”。號稱是能“大幅提高性能的魔法粉”。

日本貴彌功公司在EDLC“納米混合電容器（NHC）”中，利用多層CNT實現了約30Wh/L的能量密度，是現有產品的3倍。計劃2015年之前量產。

該公司預計，普通電容器的電極也將使用單層CNT（圖4（c））。單層CNT的合成利用日本產業技術綜合研究所和日本瑞翁（Zeon）等開發的“超速成長（SG）法”。日本貴彌功理事、技術本部基礎研究中心長玉光賢次介紹說，“利用SG法合成的單層CNT雜質少，因此無需粘合劑即可與鋁集電體粘合”。這樣的話，（1）鋁集電體與CNT間的接觸電阻減少，輸出密度提高至3倍；（2）對高電壓的耐性提高，能量密度也隨之提高。