כנס בינלאומי מקוון בהשתתפות בכירי התעשייה והאקדמיה עסק בקידום טכנולוגיות פורצות דרך המשלבות את החומר גרפן (Graphene), העומד בבסיס אחת התגליות המשמעותיות עד כה במאה ה-21
הכנס הבינלאומי בהובלת מאגד הגרפן הישראלי של רשות החדשנות (The Israeli Graphene Consortium) נערך באופן מקוון ועסק בחומר העומד בבסיס אחת התגליות המשמעותיות ביותר עד כה במאה ה-21 ובעל השפעה רבה בפיזור חום במעגלים חשמליים ובהשגת ביצועים גבוהים גם בתחום תדר גבוה.
מאגד הגרפן הישראלי מקדם את השימוש בגרפן כחומר ייחודי וחדשני בתעשיית האלקטרוניקה, תוך מתן דגש על יישום גרפן במוצרים ותהליכי ייצור בתעשייה הישראלית. בעשור האחרון גרפן מסתמן כאחד מהחומרים אשר צפויים להשפיע על ההתפתחות הטכנולוגית העולמית. גרפן הינה בעל פוטנציאל טכנולוגי משמעותי הודות לתכונותיו הייחודיות – יכולת הולכת חום והעברת מידע בקצב גבוה. יכולות אלו המתאימות ליישומים בתחום האלקטרוניקה.
הידע הייחודי שפותח באקדמיה הישראלית בתחום, מאפשר לממש את הפוטנציאל של גרפן לטובת פיתוח טכנולוגיות ומוצרים עתידיים – כאשר היישום של גרפן יאפשר להתגבר על המחסומים הקיימים בתעשייה, מעמידים את ישראל בחזית הטכנולוגיה ומהווים פריצת דרך עולמית ביכולת הניצול של תכונותיו הייחודיות של הגרפן בתעשיית האלקטרוניקה.
מניעת התחממות של רכיבים אלקטרוניים
פעילות המאגד מתמקדת בשני תחומים עיקריים: התחום הראשון הוא פיזור חום במעגלים חשמליים – אלמנט זה מונע התחממות יתר ומאפשר להקטין את מידת ההתחממות של נקודות קריטיות, כגון מעבדים ושבבים עתירי אנרגיה. התחום השני הוא העברת מידע בקצבים גבוהים – תחום זה צפוי לאפשר העברת מידע בקצב מהירים בהרבה מקיים ובכך להאיץ משמעותית את יכולות התקשורת במחשבים וחוות שרתים. פעילות הפיתוח צפויה לתרום למגוון רחב של שימושים טכנולוגיים המתבססים על מעגלים מודפסים, דוגמת: שימוש במציאות מדומה ורבודה בבית, מתן יכולת לשחק במשחקי מחשב בקצב מהיר וברזולוציה גבוהה, שימושי רובוטיקה ושימושי בינה מלאכותית מבוססת רשת.
המדען הראשי מטעם משרד הכלכלה ויו"ר דירקטוריון רשות החדשנות, ד"ר עמי אפלבאום, אמר: "מאגד הגרפן הוא אחד הדרכים של הרשות לקידום טכנולוגיה גנרית. אנו משלבים תעשייה, אקדמיה ומוסדות מחקר שונים, ובמקרים רבים אנו מחברים בין חברות מתחרות שבנסיבות אחרות לא היו משתפות פעולה. מה שאנו מנסים לעשות הוא קידום מחקר גדול יותר ומשמעותי יותר עבור כולם, ולהצליח יותר מאשר כל חברה הייתה עושה בנפרד שיתוף הפעולה הזה לא מובן מאליו. הגרפן הוא אחד החומרים המבטיחים וברגע שניקח אותו מהמעבדה לתעשייה, הוא ישפיע משמעותית על התעשיות האלקטרוניות. אני שמח שברקע הזמנים הקשים בעולם ובישראל עם הקורונה, המאגד מציג התקדמות ומקיים את האירוע החשוב הזה".
פעילות המאגד החלה בינואר 2020
מתאם הפעילות של מאגד הגרפן הישראלי, ענר שהם, אמר: "המאגד החל לאחר POC ב-2019 ואת פעילות המאגד התחלנו בינואר 2020. מטרתו העיקרית הוא הכנסת גרפן לשיפור מעגלים אלקטרוניים מודפסים. ישנם מחקרים רבים בעולם בתחום הגרפן ומדובר בנושא חם, ישנם תחומי מחקר רבים בתחום ופוטנציאל גבוה בתחומים רבים של הנדסה ומחקר ופיתוח. אנו מאמינים כי לגרפן ב-PCB תהיה השפעה נרחבת בתעשייה, ומאחר ובישראל יש ידע מחקרי רב בנושא, חשבנו שיהיה נכון ליישם ידע זה בתעשייה האלקטרוניקה הישראלית. אנו מתמקדים ב-3 תחומי פעילות: ניהול חום באמצעות שילוב שכבות גרפן דקות ועבות ב-PCB ושימוש בגרפן לציפוי מעגלים מודפסים, תמיכה במהירות גבוהה ותהליך תעשייתי".
גרפן חד שכבתי בקצב גידול גבוה
פרופ' רודני רואוף מהמכון הלאומי למדע וטכנולוגיה באולסן, קוריאה הדרומית (UNIST), וחוקר בעל שם עולמי בתחום הגרפן שהיה הראשון לגדל את החומר בשיטת ה-CVD, פירט על המחקר שהוא מוביל בייצור גרפן ועל ייצור סגסוגות של נחושת וניקל עבור גידול גרפן. הוא ציין כי בתחום רחב של תנאים, ניתן להשיג גרפן חד שכבתי ללא תוספת שכבות וכי קצב הגדילה יכול להיות מהיר מאד. הוא חידד את הקשר שבין תכונות השטח לגידול גרפן. הוא תיאר כיצד גרפן דו שכבתי שגדל ב-CVD הפך לחומר יהלום חד שכבתי.
יו"ר מאגד הגרפן הישראלי וראש קבוצת פיתוח חומרה (Advanced Development Group) ב-NVIDIA, ד"ר אלעד מנטוביץ': "אנחנו חיים כיום בעידן בו צריכת המידע שצומחת בקצב אקספוננציאלי בכל מקום. ככל שאנו מנתחים יותר מידע, ניתן להפיק ממנו יותר תובנות שיכולות לשמש למגוון נרחב של שימושים ומוצרים. כאשר אנו בוחנים את האתגרים טכנולוגיים הקיימים בטכנולוגיות העברת המידע, ניתן לזהות שאחד האתגרים המשמעותיים הוא הפסדים במעגלים מודפסים בתדר גבוה. אחד הפתרונות המובילים עבור מתן מענה לאתגר זה הינו שימוש בגרפן. גרפן מהווה מעין 'גביע קדוש' שיוצר מרחב חדש של פתרונות המאפשרים לשמור על רמת ביצועים גבוהה תוך כדי הגדלת רוחב הפס של הכרטיסים האלקטרוניים – בהתאם לכך אחד הצירים הראשיים במאגד מתמקד בהעברת מידע בקצב גבוה. במסגרת פעילות המאגד אנו מכוונים לספק פתרון כולל אשר מאפשר התייחסות לכלל שרשרת האספקה הנחוצים. מתכנון, לייצור ובדיקת איכות המוצר המוגמר. מתן התייחסות לכלל שרשרת הייצור, מקצה לקצה, יאפשר אינטגרציה פשוטה של הנושא בעתיד לתוך הסביבה הטכנולוגית-עסקית והגעה מהירה לאינטגרציה מלאה של החומר מתקדם זה בתעשייה. אנו שמחים על תמיכתה המתמשכת של רשות החדשנות במאגד הגרפן אשר מאפשרת לקדם בצורה איכותית ומהירה את הטכנולוגיות החדשניות המפותחות במסגרת המאגד".
פתרונות הולכת חום
ה-CTO של חברת PCB Technologies, יעד אליה, דיבר על פתרונות הולכת חום עם גרפן ושילובו במעגלים מודפסים: "שני יתרונות משמעותיים ניתן להשיג בשימוש בגרפן בעיצוב מעגלים מודפסים. גרפן רב שכבתי הוא בעל מנגנון פיזור חום שיכול להוריד טמפרטורת רכיבים שמגיעה לרמה קריטית, וגרפן בשימוש מהיר ביישומים דיגיטליים יכול להפחית אובדן". עוד אמר אליה: "חברת PCB Technologies המתמחה בתכנון וייצור מעגלים מודפסים מתוחכמים, מרובי טכנולוגיות וזיוודם ברכיבים, לוקחת חלק פעיל במאגד גרפן של רשות החדשנות. הטמעת גרפן במעגלים מודפסים, תיתן מענה ייחודי למעגלים מהירים, HSD, ולמעגלי הספק לצורך פינוי ופיזור חום, בשל תכונותיו הייחודיות". אליה הציג סקירה רחבה לצורך הבנת האפליקציות, התהליכים וחומרי הגלם המיוחדים, בכדי לתת מענה לאותן מגבלות: פינוי חום ותדר גבוה. הסקירה כללה פתרונות ייחודיים לתעשיית התעופה והמכ"'מים "PCB Technologies רואה חשיבות בהטמעת הגרפן במעגלי HSD, בכדי לשפר ביצועים, ולהפחית מגברים במעגלים ומערכות מורכבות", אמר אליה.
עוד במושב הראשון של הכנס, פרופ' אריאל ישמח מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב דיבר על המעבר של עבודה עם גרפן מהמעבדה לתעשייה.
במושב השני שנערך, פרופ' אנדריאה פרארי, מומחה עולמי ממרכז הגרפן של אוניברסיטת קיימברידג', דיבר על גרפן וחומרים שכבתיים בתחומי פוטוניקה ואופטו-אלקטרוניקה. הוא דיבר על צרכי תקשורת עתידיים, אפשרויות אופטיות, מודולטורים, חיישנים ועוד. פרופ' פרארי ציין כי עד 2025 טכנולוגיית 5G תהווה 45% מכלל הדאטה הניידת ו-74% מהמנויים הסלולאריים בצפון אמריקה. תנועה צפויה לגדול ב-31% בכל שנה בין 2019 ל-2025. הוא ציין כי לאחר ה—5G ה-6G ישלב בין 5G, בינה מלאכותית, ניתוח דאטה ו-IOT. הוא דיבר על התגברות מרכזי דאטה וצווארי בקבוק של אנטנות 5G על האתגרים ועל התפקיד של גרפן שיוכל להציג מגוון שיפורי ביצוע.
ד"ר משה בן-שלום מביה"ס לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב דיבר במושב על מערכת פרו-אלקטרית המבוססת על החומר השכבתי בורון-ניטריד; ראש אגף PCB ב-NVIDIA, בועז אטיאס, דיבר על אתגרי עיצוב בורדים עם גרפן במעגלים מודפסים ופרופ' ארנסטו יוסלביץ' ממכון ויצמן למדע דיבר על אלקטרו-מכניקה של ננו-צינוריות פחמן.
ייצור המוני של גרפן למעגלים מודפסים
פרופ' דורון נוה מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן נעל את המושב ודיבר על ייצור המוני של גרפן עבור יישומי מעגלים מודפסים: "מאגד הגרפן הישראלי הציג את הכניסה של התעשייה הישראלית לטכנולוגיה המתקדמת המבוססת על גרפן, בתחום המעגלים המודפסים לתדר גבוהה". ההרצאה של פרופ׳ נוה סקרה את התקדמות המאגד בתחומים של פיתוח יכולת ייצור תעשייתית מקומית של גרפן באיכות גבוהה ואת השילוב של גרפן במעגלים מודפסים: "הגרפן מיועד להגביר את המוליכות החשמלית בתדר גבוהה של מעגלים וכן, את המוליכות התרמית – כדי לייעל את פינוי החום ואת פעולת המעגלים המודפסים. לשם כך, המאגד מפתח טכנולוגיות המבוססות על ציפוי בעובי גרפן חד-אטומי על נחושת וגם שכבות עבות של גרפן".
במושב השלישי, המנהלת המדעית של חברת Graphenea – מהחברות המובילות בתחום הגרפן בעולם ופועלת מספרד ומבוסטון, ד"ר אמאיה זורוטוזה, שדיברה על ייצור גרפן והשימוש בו בגלאים. בנוגע למעבר של ייצור גרפן מהמעבדה לתעשייה, אמרה: "תהליך ייצור בקנה מידה מדרגי הוא קריטי לשילוב המסחרי של גרפן. על הזרז שמזרז את ייצורו להיות בעל תכונות של מסיסות בפחמן, טהור, שטוח, חד-קריסטלי, ובעל אוריינטציה מועדפת". היא סקרה את שיטות ייצור הגרפן בהן נעשה שימוש בחברה, שיטות הניקוי בהן נעשה שימוש ועוד. בנוסף סקרה את השימוש בגרפן בטכנולוגיית חיישנים והאופן בו הוא מבוצע בחברה בין השאר ב-MEMS, פוטו-סנסורים, ביו-סנסורים ועוד. היא ציינה כי לגרפן יש פוטנציאל אדיר בתחומי הטלקומוניקציה, בריאות, מצלמות לילה ועוד.
פרופ' קוסטב בנרג'י מהמחלקה להנדסת חשמל באוניברסיטת קליפורניה, מומחה עולמי בהתקני ננו-אלקטרוניקה דיבר על הדור הבא של אינטגרציית חומרים שכבתיים באלקטרוניקה: "מאד חשוב, בכל משפחה חדשה של חומרים, למצוא שימושים. זה נכון גם לחומרים דו-ממדיים". פרופ' בנרג'י דיבר על התפתחות המהפכה התעשייתית הרביעית המתמקדת ב-IOT, וציין כי יצירת אנרגיה יעילה בעתיד תתבסס על חומרים דו-ממדיים. הוא סקר את מקומו של הגרפן במשפחת החומרים בזו כפי שעשה במחקרו מ-2016 וציין כי מדובר בחומר שמעורר התרגשות רבה. הוא ציין כי חומרים מוליכים למחצה דו-ממדיים מציעים מראש ערוצים דקים, עם מסה אפקטיבית, פער אנרגטי אסור יחסית גדול ועוד. הוא דימה חומרים תלת ממדיים לתפוחי אדמה וחומרים דו-ממדיים לבצל שמבחינת מבנה הם יותר שכבתיים, ותיאר את יתרונותיהם מבחינת מבנה, אלקטרוסטטיקה ווריאציות.
פרופ' ארן רגב מהמחלקה להנדסה כימית באוניברסיטת בן-גוריון בנגב דיבר על פתירת בעיות של נקודות חמות במעגלים ע"י שילוב ציפויים מבוססי גרפן; פרופ' אלעד קורן מהפקולטה להנדסת חומרים בטכניון דיבר על ננו-מניפולציה של מגעי גרפן דו-שכבתיים; פרופ' עילם ילון מהפקולטה להנדסת חשמל בטכניון דיבר על היבטים תרמיים של ננו-חומרים שכבתיים ופרופ' אלכסנדר באלנדין מהפקולטה להנדסת חשמל וחומרים באוניברסיטת קליפורניה ומומחה עולמי בהולכת חום בננו-חומרים דיבר על תכונות הולכת חום ייחודיות בגרפן לתרמיקה.
סמנכ"ל תשתית טכנולוגית ברשות החדשנות, אביב זאבי: "מאגד הגרפן נתמך על ידי רשות החדשנות כחלק מאסטרטגיית הרשות לתמיכה במו"פ בסיכון גבוה של טכנולוגיות עתידיות פורצות דרך. הפיתוח המשותף של האקדמיה הישראלית והתעשייה תקדמנה את תעשיית השבבים, המעגלים המודפסים והרכיבים החכמים הישראלית, לעבר העשור הבא, עם מוצרים טכנולוגיים מתקדמים שיוכלו להתחרות באיכותם בשוק העולמי".
הכנס בהובלת מאגד הגרפן הישראלי של רשות החדשנות התקיים בשיתוף PCB Technologies, NVIDIA, אלביט מערכות, אלישרא, סימטל, אוניברסיטת בר-אילן, הטכניון, אוניברסיטת בן-גוריון בנגב ואוניברסיטת תל אביב. המאגד הוקם ב-2019 בתמיכת רשות החדשנות וכחלק מתכנית "מגנ"ט" בהובלתה. המאגד פועל לקדם טכנולוגיות חדשניות ופורצות דרך המשלבות את החומר גרפן, שעל גילויו וגילוי התכונות המשויכות לו זכו החוקרים אנדריי גיים וקונסטנסטין נובוסלוב בפרס נובל לפיזיקה ב-2010. המאגד מבצע מחקר בחומרים ובתהליכים תעשייתיים חדשניים לטובת ייצור, העברה ושימוש בגרפן, בייצור תעשייתי בר קיימא. במאגד הגרפן הישראלי שותפות מובילות מהתעשייה והאקדמיה בישראל, הפועלות ביחד על מנת לפתח ולבחון טכנולוגיות מבוססות גרפן.
