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Informe de
Vigilancia
Tecnológica
Aplicación de
nanotubos de
carbono en la
elaboración de
un panel táctil
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Universidad Nacional Autónoma de México
División de Estudios de Posgrado
Inteligencia Competitiva y Vigilancia Tecnológica
2010
Juan Carlos Barajas Navarro
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Índice del Informe 3
Introducción 4
1. Planteamiento del problema 7
2. Metodología 8
3. Análisis de la Información 9
3.1 Análisis de Publicaciones 9
3.2 Análisis de Patentes 13
4. Información de la evolución en el mercado 24
5. Resumen y Conclusiones 25
6. Referencias 26
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Introducción
Los nanotubos de carbono (CNT), son diminutas láminas de grafito enrolladas que
presentan características excepcionales y únicas que permiten su aplicación en diferentes
áreas: electrónica, química, mecánica, etc. En química, se denominan nanotubos a
estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden de un nanómetro (nm). Un nanómetro
equivale en escala a la billonésima parte de un metro (1 nm = 1x10-9 m).
Se caracterizan por presentar una gran complejidad electrónica, si tenemos en cuenta las
reglas cuánticas que rigen la conductividad eléctrica con el tamaño y la geometría de
éstos. Estas estructuras pueden comportarse, desde un punto de vista eléctrico, de
distintas formas, comenzando por el comportamiento semiconductor hasta presentar, en
algunos casos, superconductividad. Este amplio margen de conductividades viene dado
por relaciones fundamentalmente geométricas, es decir, en función de su diámetro,
torsión y el número de capas de su composición.
Diversos estudios han tratado de medir las propiedades mecánicas y la tensión máxima
soportada por un nanotubo, con resultados heterogéneos, si bien se podría asumir que la
tensión máxima podría rondar los 150 GPA (Gigapascal). Este dato implica que un cable de
1 cm² de grosor formado por nanotubos podría aguantar un peso de unas 1,500
toneladas. Por comparación, un cable equivalente del mejor acero conocido puede
soportar 20 toneladas.
Los nanotubos de carbono de pared múltiple (Multiwall Carbon Nanotubes) al igual que
los de simple capa (Single Wall Carbon Nanotubes) tienen como principal característica
una relación longitud/diámetro muy elevada, lo cual da lugar a propiedades
excepcionales. Pueden existir de un diámetro del orden de los nanómetros y una longitud
que puede llegar a centímetros. Los nanotubos de carbono de pared múltiple fueron
descubiertos por Sumio Iijima, un ingeniero japonés de la empresa NEC en 1991 y desde
entonces se ha buscado la forma de producirlos en los laboratorios. Sus aplicaciones las
podemos resumir en los siguientes campos: electrónica (reemplazo del silicio), sensores,
instrumentación científica, fotónica, materiales, biotecnología y química, energía y
mecánica. Algunas de las aplicaciones futuras en las que se aplicará son:
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1. Elevador Espacial. CNT es el único material con
el que se podría construir un elevador cuya
altura pudiera superar la atmosfera terrestre
(más de 22,000 millas) y cuyo costo sería
inferior a enviar un cohete a la atmosfera.
2. Procesadores más rápidos para las
computadoras. Se podrán crear
procesadores que alojen en un área un
nanómetro más de mil millones de
transistores.
3. Celdas solares mejoradas. Por su propiedad de
absorción de energía podrán crearse paneles
solares con mucho más capacidad de
transformación a energía eléctrica.
4. Tratamiento contra el cáncer. CNTs son tan
pequeños que podrían algún día ser utilizadas
para atacar y destruir las células cancerosas
individuales. Mediante el tratamiento de
nanotubos de carbono con ciertas proteínas, los
científicos están desarrollando un método para
unirse específicamente a las células cancerosas.
Una vez unidos, los nanotubos de carbono, que son excelentes conductores de
calor, podría estar expuesto a la luz infrarroja brillaba a través de la piel del
paciente. La luz podría calentar los nanotubos de carbono a una temperatura
suficientemente alta para destruir las células cancerosas dejando el tejido
circundante sin daños.
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5. Pantallas para computadoras, dispositivos
móviles y de Televisión. Un arreglo de nanotubos
de carbono, lo cuales son excelentes emisores de
electrones, podrían ser utilizados para la creación
de pantallas más brillantes y de alta resolución
que con sólo milímetros de espesor y consumen
menos de energía que las de plasma y pantallas
de cristal líquido.
6. Capacitores que sustituirán baterías. En
lugar de almacenar electricidad
químicamente como una batería, los
capacitores a base de CNT almacenarán
físicamente está energía, manteniéndola
por más tiempo. Esto sustituirá a las
baterías en los dispositivos móviles e incluso de los autos eléctricos.
7. Pantallas flexibles. Las Pantallas de TV podrán enrollarse como papel.
8. Curación y regeneración de huesos. Investigadores de la
Universidad de California-Riverside han descubierto que
los CNT pueden actuar como andamios alrededor de la
cual las células óseas crecerá por atracción de
hidroxiapatitas, cristales de calcio en el cuerpo que son
críticos para la formación ósea.
9. Trajes blindados. 10. Investigadores de la Universidad de
Cambridge han descubierto la manera de hacer girar
muchos diminutos nanotubos de carbono para crear fibras
que superen la fuerza de Kevlar, un material compuesto
utilizado en los chalecos antibalas, pero con un peso
significativamente menor.
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El problema principal hasta ahora con los CNT es el costo y la dificultad para producirlo
aunque últimamente se han ido reduciendo. Según Michael Strano, Han Jae-hee y
Geraldine Paulus del MIT en Boston en un artículo publicado por Nature Materials (2011),
el costo de los nanotubos de carbono se redujo a la mitad en los últimos años, y según
Strano, en un futuro próximo llegará a costar unos pocos centavos por libra (un poco
menos de la mitad de un kilo).
Métodos de Producción: Método del sustrato, Método del Catalizador Flotante, Ablación
Láser, Descarga de arco y CVD (deposición catalítica en fase de vapor), esta última es la
mas utilizada, lo usan actualmente algunas compañías para producir toneladas de
materiales, entre las que se encuentran: Arkema, Bayer, Hyperion Catalysis, Mitsui,
Nanocyl, NanoLab, Nanothinx, y Showa Denko.
1. Planteamiento del problema.
El presente informe de Vigilancia Tecnológica fue realizado con el fin de analizar las
investigaciones y patentes relacionadas con la aplicación de los nanotubos de carbono
(CNT) en la construcción de paneles táctiles para dispositivos electrónicos como Tablets y
Teléfonos celulares, con el objetivo de proporcionar a la empresa NK un informe que le
permita tener elementos para la toma de decisiones para el lanzamiento de sus nuevos
productos y poder tener presencia en la competencia global.
En el mercado de dispositivos móviles que utilizan paneles o pantallas táctiles, el
liderazgo lo llevan las empresas estadounidenses Apple, Google y Amazon y las empresas
sur coreanas: Samsung y LG. Los dispositivos de Apple son en general los de costo más
alto y su liderazgo en este sector lo han podido lograr mediante campañas publicitarias y
lanzamientos de sus productos donde han sabido comunicar sus características y calidad
de sus productos. Las otras empresas compiten agresivamente por precios. Samsung en
particular pelea en ambos frentes por precio en algunos de sus modelos y por
diferenciación contra los productos de Apple. NK por su parte ha ido perdiendo
competitividad por no haber evolucionado en sus teléfonos móviles y al no haber
incursionado en el mercado de las tabletas, por tanto lleva mucha desventaja la cual
necesita recuperar y su estrategia para competir será la diferenciación, al fabricar
dispositivos móviles con pantalla táctil a base de CNT, la cual aumentará el tiempo de
duración de la batería al mismo tiempo que mejorará la nitideces de las imágenes y
durabilidad y resistencia del panel táctil.
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2. Metodología.
Se realizó un monitoreo tecnológico en las diferentes publicaciones que se tienen
en la “Web of science”, analizando los resultados con Mathéo Analyzer 3.1, así
como también un búsqueda de con 2 buscadores WIPO (PATENTSCOPE) y USPTO
(Oficina de Patentes de los Estados Unidos de Norteamérica), analizando la
información de esté ultimo con Mathéo Analyzer 3.1 y Sc2. Elaborando un informe
y conclusiones.
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3. Análisis de la Información
3.1 Análisis de Publicaciones
Busqueda de publicaciones científicas desde la Web of Science con los siguientes
criterios de búsqueda:
Desde el 01/01/2002 al 31/10/2012, buscando en Titles: “CARBON NANOTUBES” AND
“DISPLAY” OR “TOUCH PANEL”:
Encontramos 38 publicaciones realizadas.
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Analizando el archivo (“plain text”) generado desde la “Web of Science” con Mathéo
Analyzer 3.1
Se observa que el país con más publicaciones es China con 11, seguida por Corea del Sur
con 6, Japón, India y USA con 4, Taiwán con 3 y Francia con 2 principalmente.
Por año de publicación se distingue el 2007 con 6 publicaciones, el 2012 y 2008 con 5.
Red asimétrica combinando los campos de Autor (AU) y País (C1)
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Se observa que China sobresale con los autores: Tian CH y Zhu CC los cuales participan en
3 de ellas, así como otros con 17 autores con 2 publicaciones, por lo que se deduce que
mucha de la investigación publicada en China, siendo el país con más publicaciones,
proviene de los mismos autores, a diferencia por ejemplo de Corea del Sur, Japón o USA
que aparecen muchos autores con solo una publicación en la que participan.
Red simétrica por palabras clave (ID)
Encontramos las palabras “CHEMICAL-VAPOR-DEPOSITION” ó CDV con 4 publicaciones
que hablan y confirman el método de obtención más utilizado para la obtención de CNT.
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Red asimétrica por categoría temática (SC) y palabras clave (ID)
Encontramos que “Physics” y “Materials Science” son las áreas que más se hacen
referencias en las publicaciones con 19 y 18 respectivamente, así como las palabras clave
CHEMICAL-VAPOR-DEPOSITION, GROWTH, CATHODE, LIQUID-CHRYSTAL, principalmente.
En cuanto a universidades o laboratorios se tiene una publicación por cada uno de ellos, lo
cual nos indica que no se tiene una concentración en las publicaciones.
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3.2 Análisis de Patentes
Desde WIPO (PATENTSCOPE) http://patentscope.wipo.int/search/en/search.jsf
Aplicando el siguiente criterio de búsqueda por combinación de campos:
Title = “CARBON NANOTUBES” y Abstract = “DISPLAY”
Se obtuvo como resultado 138 patentes:
Encabezando la lista la Corea con 72 patentes registradas, la PCT (Patent Cooperation
Treaty) con 27, la oficina de Patentes Europea con 25, Japón con 9, México con 2, Rusia
con 2 y Singapure con 1.
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Observamos también que las empresas con más patentes registradas son las empresas
coreanas: Samsung con 24, LG con 9, Iljinnanotech inc con 7, etc. Por lo que se puede
decir hasta ahora que Corea es el país con más avances en esta tecnología aún cuando
China ha tenido más publicaciones referentes al tema objeto de estudio.
Y en cuanto a los años en que se realizaron se observa que en el 2005 se registraron 21
patentes, en el 2008 fueron 18, en el 2007 con 14, en 2011 solamente 5 y en lo que va el
2012 únicamente 5 patentes, lo cual nos indica que el avance en el desarrollo de esta
tecnología no ha ido creciendo progresivamente.
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Revisando algunas patentes de WIPO:
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Al revisar el contenido de algunas patentes encontramos que están relacionadas ya sea
con la construcción de pantallas a base de CNT, con los métodos de fabricación de CNT o
para en la fabricación de dispositivos emisores de campo a base de CNT, principalmente.
Buscando desde la oficina de patentes de los Estados Unidos, la USPTO
http://patft.uspto.gov/netahtml/PTO/search-adv.htm
Con el siguiente filtro: ttl/("CARBON NANOTUBE" and ("DISPLAY" or "TOUCH PANEL"))
or abst/("CARBON NANOTUBE" and ("DISPLAY" or "TOUCH PANEL"))
Se obtuvieron en la búsqueda 98 patentes.
Procedimientos para el análisis de patentes:
1. Copiar la URL de la página de USPTO con el resultado de la búsqueda:
http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-
Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-
adv.htm&r=0&p=1&f=S&l=50&Query=ttl%2F%28%22CARBON+NANOTUBE%22+an
d+%28%22DISPLAY%22+or+%22TOUCH+PANEL%22%29%29+or+abst%2F%28%22C
ARBON+NANOTUBE%22+and+%28%22DISPLAY%22+or+%22TOUCH+PANEL%22%2
9%29&d=PTXT
2. Se agrega en www.pattools.com en la opción de “Search Results”
3. Los números de las 98 patentes aparecen en un archivo en Excel y copiando de 50
en 50 en la página www.pattools.com en la opción “Table Generator” se obtienen
el contenido de las patentes en formato de excel. Se consolidad los 98 resultados
y de ahí se copian hacia el archivo newPatentMasterfile_CNT.xlsx (anexo a este
informe) con el fin de generar un archivo, exportando como texto delimitado por
comas para poder analizarlo ahora con la herramienta.
Nota: Se abre el archivo desde word eliminando encabezado y comillas.
4. Desde Mathéo Analyzer 3.1 se importa el archivo con la regla de importación
patentText_tab-del_0.6.ri (anexa a este informe), obteniendo los siguientes
resultados:
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Observamos que hay diferencias contra lo encontrado en WIPO ya que la entidad que
más patentes ha registrado en la USPTO, es la Universidad Tsinghua (China) con 45,
seguida por la empresa Samsung (Corea) con 14.
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Se confirma que los autores de origen chino son los que más han registrado más patentes
en la USPTO con 48, seguido por los coreanos con 26, de Taiwán 9 y de E.U. con 9, de
Japón 5 y de Francia 1.
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El campo de aplicación de patentes es el correspondiente “Electrical Machinery,
apparatus, energy) con 44 patentes, seguida por “Computer Technology” con 24, “Optics”
con 8, “Semiconductors” con 7 principalmente.
Principales autores por título representativo de la patente
Observamos que el autor con más patentes es Jiang Kai-li (China) con 26 patentes y de
estas los títulos más representativos corresponden a “display device”, “Touch panel
display”, “liquid crystal display”, “panel display device”, seguido por su compatriota Liu
Liang con 6 patentes que tratan principalmente “Liquid crystal display” y otras sobre la
fabricación de CNT. Observamos en 3er lugar al coreano Chon Jun-Hee con 4 patentes
sobre emisores de campo, “emission display device” y “field emision display”.
5. Se exporta en formato .csv la hoja de patentes y se analiza con Sci2. El primer
análisis es por año de expedición de la patente y el campo de investigación
obteniendo el siguiente resultado:
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Observamos en la gráfica, los primeros años, del 2000 al 2005, las patentes se
enfocaban en campos de investigación tanto de materiales como de desarrollo de
aparatos y en los últimos años a las telecomunicaciones, tecnología de la
computación y la óptica. Al analizar algunas patentes vemos que la clasificación
por campo de investigación nos da como tal una tendencia ya que a los autores de
patentes clasifican con criterios diversos sus patentes.
Analizando en los títulos de patentes los elementos emergentes que más se
mencionan, encontramos:
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Los elementos más mencionados del año 2000 al 2007 fueron “emission” y “field”.
Del 2000 al 2004 fueron “carbon”, “nanotube” y “method”. Del 2007 al 2010
“device”, “touch”,”panel”, “cristal” y “liquid”. Por lo que se puede deducir por
esto que los primeros años fueron patentes relacionadas con los dispositivos
emisores de campo y en los últimos años fueron patentes sobre pantallas táctiles
de cristal líquido a base de CNT.
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4. Información de la evolución en el mercado.
Se buscaron aplicaciones que incorporan nanotubos de carbono en pantallas o paneles
táctiles que ya estén presentes en el mercado. Como se verá en la tabla expuesta a
continuación, sólo se han encontrado algunas aplicaciones. Hay otras empresas que en
algún momento han anunciado el desarrollo de prototipos de productos; en estos casos
falta superar ciertas limitaciones que impiden dar el salto a la producción industrial para
hacerlos comerciales. Esto demuestra que la revolución de los nanotubos todavía no ha
llegado al mercado, aunque las investigaciones pronostican que irán apareciendo
paulatinamente dadas las importantes mejoras que aportarán en todos los casos.
País Empresa Producto Estatus
Japón Ise Electronic Co. Pantalla de emisión de campo Disponible
Taiwan Chi Mei Optoelectronics CNT touch panel Disponible
E.U. Motorola Labs Pantalla de emisión de campo Prototipo desarrollado en 2005
E.U. Applied Nanotech Pantalla de emisión de campo Prototipo desarrollado en 2005
Corea Samsung Pantalla de emisión de campo Prototipo desarrollado en 1999
Corea Iljinnanotech CNT Material Disponible
El precio de los nanotubos de carbono es muy variado, oscilando desde los $10 por gramo
hasta los $2,000 por gramo, dependiendo del tipo de nanotubo, su pureza y calidad. Como
ejemplo, pueden consultarse distintos precios según las características en la página web
http://www.cheaptubesinc.com.
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5. Resumen y Conclusiones
Los paneles o pantallas táctiles a base de CNT (Carbon Nanotubes) por sus ventajas y
futuras posibilidades se han estado investigando, desarrollando y registrando sus
patentes principalmente en China, Corea del Sur, los E.U. y Taiwán.
De acuerdo a publicaciones sobre el tema destacan China, Corea y E.U.
En cuanto al registro de patentes destaca particularmente la universidad de Tsinghua en
Beiging, China, que tiene 45 patentes, lo cual representa prácticamente el 50% de todas
las patentes registradas en la USPTO (Oficina de Patentes de los E.U.) y de estas el 60%
corresponden al profesor de física Jiang Kai-li.
Revisando a las empresas que están haciendo investigación y fabricación de pantallas a
base de CNT destacan las coreanas Iljinnanotech , Samsung y LG que juntas totalizan 34
patentes de las 138 patentes encontradas en la WIPO (Organización mundial de la
propiedad intelectual), es decir representan el 25%.
Por último en cuanto a productos disponibles en el mercado, destaca la pantalla de
emisión de campo fabricada por Ise Electronic Co. De Japón y el CNT touch panel que
comercializa la empresa Chi Mei Optoelectronics de Taiwan.
De acuerdo a esta conclusiones, recomendamos a la empresa NK tener acercamiento con
las empresas que cuentan con patentes, prototipos o incluso aquellas que ya
comercializan estas pantallas con el objetivo de establecer alianzas estratégicas para la
fabricación e incorporación de los CNT Touch panels en su nueva línea de dispositivos
móviles, aunque por ser algunas de ellas competidores directos, pudieran no llevarse a
cabo, recordemos por ejemplo la alianza que tuvo Sony con Samsung en el 2006 y que al
final no fructificó.
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6. Referencias
1. Web of Science.
http://apps.webofknowledge.com.pbidi.unam.mx:8080/WOS_GeneralSearch_inpu
t.do?product=WOS&search_mode=GeneralSearch&SID=4D2e6AHfC8Ah1P48je3&p
referencesSaved=
2. WIPO (PATENTSCOPE) (Organización mundial de la propiedad intelectual)
http://patentscope.wipo.int/search/en/search.jsf
3. USPTO (Oficina de Patentes de los Estados Unidos de Norteamerica)
http://patft.uspto.gov/netahtml/PTO/search-adv.htm
4. Patent Tools
www.pattools.com
5. Perlan, Bearn (2011). 10 Uses for Carbon Nanotubes. Discovery. Recuperado de:
http://dsc.discovery.com/technology/tech-10/carbon-nanotubes-uses.html
6. Nature Materials Journal. (2011) Recuperado de:
http://www.nature.com/nmat/index.html
7. Precios de CNT:
http://www.cheaptubesinc.com/