淺析石墨烯在未來觸摸屏市場的應(yīng)用前景

數(shù)據(jù)顯示，2013年全球電子設(shè)備觸摸屏總面積同比將增長兩倍，達(dá)到2550萬平方米，2012年約為1200萬平方米。預(yù)計(jì)到2015年，觸摸屏生產(chǎn)面積將達(dá)到3590萬平方米。
隨著全球電子設(shè)備觸摸屏總面積的不斷增長，生產(chǎn)觸摸屏的稀有金屬銦材料將被耗盡。因?yàn)楝F(xiàn)代觸摸屏的表面都會用到一層銦錫氧化物，具有較好的透明性和導(dǎo)電性，所以廣泛應(yīng)用于顯示產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。然而銦金屬屬于稀有金屬，全球存量非常稀少，隨著智能手機(jī)、平板電腦和其他現(xiàn)代電子設(shè)備需求量大增，未來銦金屬將會告罄，而目前尋找銦金屬的替代性材料成為全球各地?zé)衢T的研發(fā)項(xiàng)目。
在未來幾年內(nèi)，全球觸摸屏市場或許將出現(xiàn)更多的替代材料和技術(shù)，研發(fā)者之間甚至?xí)霈F(xiàn)競爭。除了石墨烯和銀納米線外，其他的透明導(dǎo)電性氧化物和各類聚合薄膜也將逐步進(jìn)入市場。而最有潛力替代氧化銦錫的材料當(dāng)屬石墨烯，作為未來觸摸屏行業(yè)的熱門材料，現(xiàn)在發(fā)展?fàn)顩r如何呢?
由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，適合用來制造透明觸摸屏、光板、太陽能電池等產(chǎn)品，是一種用途非常廣泛地材料。這里，著重介紹替代金屬銦的材料石墨烯在未來觸摸屏市場的應(yīng)用前景。
認(rèn)識石墨烯
石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料。是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈•海姆和康斯坦丁•諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在。他們發(fā)現(xiàn)能用一種非常簡單方法得到越來越薄的石墨薄片，就是石墨薄片兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣的操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯新方法層出不窮，經(jīng)過5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光;石墨烯的電阻率低，比銅和銀還低，而它的電子遷移率很高。常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V•s，遠(yuǎn)高于硅材料晶體管開啟速度，用它做石墨烯晶體管及石墨烯微機(jī)械系統(tǒng)，可以大大提升處理器的時(shí)鐘主頻，麻省理工學(xué)院電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授TomasPalacios曾表示，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，產(chǎn)生4、5GHz以上的頻率難度都相當(dāng)高。而石墨烯倍頻器可以讓系統(tǒng)運(yùn)行在500GHz到1000GHz的范疇內(nèi)。
目前石墨烯材料可以分為兩類，一類是由單層或多層石墨烯構(gòu)成的薄膜，另一類是由多層石墨烯(10層以下)構(gòu)成的微片。石墨烯薄膜又細(xì)分為單晶薄膜和多晶薄膜;其中，單晶薄膜可用于制造集成電路，但距離產(chǎn)業(yè)化的距離還很遙遠(yuǎn)。多晶薄膜則有望在5~10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，可替代ITO玻璃用于制造觸摸屏(特別是柔性電子產(chǎn)品)和其他需要透明導(dǎo)電材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域全球研發(fā)概況
目前，在這個(gè)領(lǐng)域研究的國家有英美韓中日等，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的公司有四家，分別是韓國三星、日本索尼、輝銳和二維碳素。美英CambriosTechnologies、3M;日本東麗、東芝、索尼、產(chǎn)綜研及信越聚合物;韓國的三星等廠商在石墨烯方面研發(fā)迅速。
一、歐美地區(qū)
歐洲是石墨烯的誕生地，十分注重在這一領(lǐng)域提前布局。
2013年1月，歐盟委員會將石墨烯列為“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一，該項(xiàng)目的研究范圍十分廣泛，其中石墨烯的制備是核心。歐盟委員計(jì)劃十年提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。
英國去年底宣布將追加投資2150萬英鎊資助石墨烯研究項(xiàng)目，推進(jìn)石墨烯的商業(yè)化進(jìn)程，并建立一個(gè)國家級研究機(jī)構(gòu)——國家石墨烯研究所(NGI)，這也使該機(jī)構(gòu)有望成為世界領(lǐng)先的石墨烯開發(fā)和開采中心。
美國輝銳科技是一家石墨烯技術(shù)發(fā)展公司，率先進(jìn)軍大面積石墨烯柔性觸控屏市場，并獲專業(yè)的科技行業(yè)投資基金IDG資本入股成為其股東之一。輝銳科技計(jì)劃于未來3年投資共1.5億美元發(fā)展石墨烯移動(dòng)設(shè)備市場，能制造大面積的柔性觸控屏，應(yīng)用于手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)及便攜式電子顯示屏等市場。
除輝銳科技外，美國的3M、CVD等企業(yè)在石墨烯電子產(chǎn)品方面發(fā)展迅速。
二、韓國
近年來，韓國政府積極支持本國科研機(jī)構(gòu)和公司開展石墨烯技術(shù)研發(fā)及商業(yè)化應(yīng)用研究。在政府的高度重視與支持下，韓國在石墨烯技術(shù)走向市場方面取得了諸多突出的成果。2010年，韓國三星公司和成均館大學(xué)的研究人員在一個(gè)63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，成功制備出電視機(jī)大小的純石墨烯，并用該石墨烯制造了柔性觸摸屏。2011年，韓國研究人員，開發(fā)出基于石墨烯的柔性有機(jī)電致發(fā)光器件。
此外，韓國的石墨烯專利量居全球第三，達(dá)到1160項(xiàng)，遠(yuǎn)高于歐洲其他國家，僅次于美國和中國。
三、日本
在與歐美和韓國相比起步稍晚的石墨烯量產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，日本的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在去年幾乎同時(shí)發(fā)布了領(lǐng)先世界的成果。
索尼制作出了長約120m*寬230mm的石墨烯薄膜，這是目前全球最長的石墨烯薄膜。這種石墨烯應(yīng)用到透明導(dǎo)電膜是目標(biāo)用途之一。索尼通過對化學(xué)氣相沉積(CVD)法加以自主改良取得了此次的成果，CVD法作為合成大面積石墨烯的方法而廣為人知。
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所發(fā)布了以卷對卷方式合成薄膜寬度為594mm的石墨烯的制造裝置。產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所采用以微波等離子為基礎(chǔ)，利用300～400℃的低溫CVD法合成石墨烯的方式。此外，東芝實(shí)現(xiàn)石墨烯與銀納米線復(fù)合透明電極的大面積化;松下已經(jīng)成功將石墨散熱膜的厚度減少到只有10微米(人類紅細(xì)胞直徑僅為5微米)，1微米相當(dāng)于1米的一百萬分之一，薄度相當(dāng)驚人。
石墨烯材料在我國觸摸屏行業(yè)的研發(fā)和應(yīng)用
中國具有發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)得天獨(dú)厚的條件。據(jù)悉我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%，生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%，是我國少有的幾種具有國際競爭優(yōu)勢的礦產(chǎn)之一。截至2012年我國在石墨烯研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)貢獻(xiàn)量已達(dá)5072篇，占全球的石墨烯文獻(xiàn)量的29.2%，超過美國的27.3%位居世界首位。
據(jù)悉,自2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來,如何解決大面積、高質(zhì)量石墨烯制備和快速高效轉(zhuǎn)移兩大關(guān)鍵問題,讓石墨烯應(yīng)用于透明電極中,一直困擾著很多研究者。如果電阻觸摸屏要采用這種材料,需要先在金屬表面上催化生長石墨烯,再把它轉(zhuǎn)移到適合的基底上,才能進(jìn)行應(yīng)用。[!--empirenews.page--]
石墨烯的制成需要有尖端的制備工藝，目前業(yè)內(nèi)主要有四種制備方法，分別是機(jī)械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法、和氣相沉積法(CVD)。前三種的原材料均為石墨，CVD法原材料則為甲烷居多。由于制造成本相對較低，目前業(yè)內(nèi)多采用機(jī)械剝離法和氧化石墨還原法制造石墨烯。
目前，在石墨烯薄膜和石墨烯微片這兩個(gè)方向上，我國都在進(jìn)行積極探索。
在石墨烯觸摸屏的研發(fā)方面，常州二維碳素科技公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)已突破了石墨烯薄膜應(yīng)用于中小尺寸手機(jī)的觸摸工藝，實(shí)現(xiàn)了石墨烯薄膜材料和現(xiàn)有ITO模組工藝線的對接，正積極聯(lián)合上下游企業(yè)、行業(yè)協(xié)會、各地標(biāo)準(zhǔn)院起草相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
業(yè)內(nèi)專家表示，石墨烯薄膜工藝線只需要對現(xiàn)有ITO模組工藝線進(jìn)行簡改造就可以完成對接，石墨烯薄膜材料在觸控顯示領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用將加速。
二維碳素科技總裁金虎表示石墨烯用于觸摸屏比ITO玻璃有很多優(yōu)勢，例如ITO要用到銦，這是一種稀土材料，全球存量很少，而且有毒不易回收，而石墨烯材料很簡單，也容易回收，更突出的是它的柔性很好，易于彎曲。二維碳素科技的于慶凱博士在2008年4月首先發(fā)表了用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法在鎳和銅基底上合成石墨烯的生長方法，并成功生長出了世界上第一塊大尺寸的高質(zhì)量石墨烯薄膜，從而使得大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯薄膜成為可能。2010年，于博士提出并實(shí)現(xiàn)了用生長單晶石墨烯陣列來解決大尺寸石墨烯單晶難以合成的難題，這一成就將推進(jìn)石墨烯高速電子器件的研究和應(yīng)用。
一、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
作為一種技術(shù)含量極高的碳材料，石墨烯在半導(dǎo)體、光伏、鋰電池、航天、軍工、LED、觸控屏等領(lǐng)域都將帶來一次材料革命，石墨烯一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化其規(guī)模至少在萬億以上。
2013年7月13日，在召開的2013石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢及投資論壇上，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟正式宣布對外成立。聯(lián)盟發(fā)起方中除了多家大學(xué)科研單位外，多家上市公司如金路集團(tuán)以及中國寶安的子公司深圳貝特瑞新能源材料公司等名列其中，具有科研與資金相結(jié)合的優(yōu)勢，進(jìn)一步推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程打下了堅(jiān)實(shí)地基礎(chǔ)。
2012年工信部發(fā)布《新材料產(chǎn)業(yè)十二五發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中的前沿新材料就包括石墨烯。目前，我國的石墨烯正處于從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)過渡的階段。中科院寧波材料所石墨烯研究團(tuán)隊(duì)研究員周旭峰表示，目前國內(nèi)對石墨烯的應(yīng)用前景頗為看好，多個(gè)領(lǐng)域都準(zhǔn)備躍躍欲試。但從實(shí)際情況看來，制造工藝不穩(wěn)定和成本居高不下，仍是石墨烯走向產(chǎn)業(yè)化最需要解決的問題，從制造工藝來看，目前業(yè)內(nèi)的四種方法均有各自的優(yōu)勢和缺陷，產(chǎn)業(yè)技術(shù)路徑仍在探討之中。那么觸摸屏用石墨烯的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程如何呢?
石墨烯作為ITO導(dǎo)電膜的替代性材料曾被觸摸屏行業(yè)高度關(guān)注。北京墨烯控股一位技術(shù)高管表示，石墨烯技術(shù)可以使得顯示屏具有柔性，但由于手機(jī)等智能終端的產(chǎn)業(yè)鏈太長，產(chǎn)品的成形需要電路板、機(jī)身材料等整個(gè)供應(yīng)鏈的配合。理論上講這些東西在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但要商用還需要一定的時(shí)間，不僅因?yàn)槌杀倦x譜，良率問題也很不樂觀。該人士表示，三星電子前期在這方面投入了大量的研發(fā)資源，原計(jì)劃在今年要推出一款類似的概念產(chǎn)品，但目前三星已經(jīng)推遲了該計(jì)劃的發(fā)布，顯示出該領(lǐng)域的技術(shù)仍有很長的路要走。
近兩年，石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域的研發(fā)推進(jìn)較快。2012年1月8日，江南石墨烯研究院對外宣稱，手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏在常州研制成功。這種透明的薄膜可以滿足智能手機(jī)觸摸屏的基本功能。江南石墨烯研究院、常州二維碳素科技有限公司聯(lián)合無錫麗格光電科技有限公司和深圳力合光電傳感器技術(shù)有限公司共同研發(fā)的手機(jī)用石墨烯電容觸摸屏項(xiàng)目，成功制成電容觸摸屏手機(jī)樣機(jī)，并完成了功能測試。這款透明到幾乎用肉眼無法辨析的超級薄膜，具有現(xiàn)有智能手機(jī)觸摸屏的基本功能，電容屏傳感器整個(gè)觸摸區(qū)域可以識別單指和雙指觸摸及進(jìn)行畫線動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)圖片單指手勢左右拖動(dòng)及雙指手勢放大和旋轉(zhuǎn)，而這只是石墨烯材料產(chǎn)品之一。
今年初，中科院重慶研究院推出了國內(nèi)首片15英寸單層石墨烯7英寸的石墨烯觸摸屏，可用于手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品。中科院重慶研究院與廣東地區(qū)的風(fēng)投機(jī)構(gòu)商談,力爭讓石墨烯在一年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。此外，中科院重慶研究院已經(jīng)在銅箔襯底上生長出15英寸的均勻單層石墨烯,并成功將其完整地轉(zhuǎn)移到柔性PET襯底上和其他基底表面,并且通過進(jìn)一步應(yīng)用,還制備出了7英寸的石墨烯觸摸屏。上海南江集團(tuán)將與中科院重慶研究院共同推進(jìn)“大面積單層石墨烯產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”，前期投資達(dá)2.67億元。日前，石墨烯產(chǎn)業(yè)基地已成功落戶重慶，將力爭在一年內(nèi)建成首期生產(chǎn)線并投產(chǎn)，形成1000萬片石墨烯產(chǎn)能。
在石墨烯薄膜量產(chǎn)方面。2013年5月18日，常州二維碳素科技有限公司、無錫格菲電子薄膜科技有限公司、深圳力合光電傳感股份有限公司聯(lián)合江南石墨烯研究院在常州宣布，國內(nèi)首條年產(chǎn)3萬平方米的石墨烯薄膜生產(chǎn)線正式投產(chǎn)。常州二維碳素科技公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)率先成功地將石墨烯薄膜應(yīng)用于手機(jī)電容式觸摸屏，并實(shí)現(xiàn)4英寸石墨烯觸摸屏手機(jī)小批量生產(chǎn)。
無錫格菲電子薄膜科技有限公司高層并透露，今年年底前，公司計(jì)劃生產(chǎn)50萬件石墨烯手機(jī)觸摸屏。公司計(jì)劃融資逾1億元，擴(kuò)大石墨烯手機(jī)觸摸屏生產(chǎn)規(guī)模。目前已有數(shù)家投資公司擬加入其石墨烯觸摸屏項(xiàng)目。格菲電子致力于石墨烯薄膜的商業(yè)化應(yīng)用。目前已開發(fā)出規(guī)?；a(chǎn)石墨烯薄膜及其手機(jī)觸摸屏的生產(chǎn)工藝和設(shè)備。
二、國內(nèi)各廠商的研發(fā)與應(yīng)用
目前，國內(nèi)的學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界正在緊鑼密鼓推進(jìn)石墨烯的產(chǎn)業(yè)化，隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的成立，這一速度有望提升。
金路集團(tuán)與中科院金屬研究所聯(lián)合開發(fā)電池級石墨烯技術(shù)已于2012年11月11日對共同完成的“石墨烯材料的規(guī)?；苽浼夹g(shù)”通過了成果鑒定。公司截止2012年12月31日，共計(jì)投入資金600余萬元，獲得財(cái)政補(bǔ)助1300余萬元。另外，公司在研石墨烯透明導(dǎo)電薄膜、石墨烯基三位網(wǎng)絡(luò)散熱材料、石墨烯基動(dòng)力電池項(xiàng)目。在石墨烯透明導(dǎo)電膜方面，金屬研究所能制備出4英寸的石墨烯透明導(dǎo)電薄膜。
中國寶安旗下的深圳貝特瑞的特色則是產(chǎn)業(yè)鏈完備和客戶雄厚。貝特瑞是目前全球唯一一家擁有完整的石墨烯價(jià)值產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)，公司在2011年11月完成石墨烯中試線建設(shè)并投入生產(chǎn)。據(jù)了解，貝特瑞向國家提交了與石墨烯相關(guān)的4項(xiàng)專利申請，其中“制備球狀石墨烯的方法”已在今年4月28日收到發(fā)明專利證書。根據(jù)公開資料顯示，貝特瑞目前在鋰電池負(fù)極材料方面占據(jù)了全球市場三成左右的份額，三星、LG、松下、比亞迪等都是貝特瑞的客戶。[!--empirenews.page--]
常州二維碳素科技有限公司今年五月宣布其第一條年產(chǎn)3萬平方米石墨烯透明導(dǎo)電薄膜生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。這條石墨烯透明導(dǎo)電薄膜生產(chǎn)線的投產(chǎn)和供應(yīng)用的石墨烯電容觸摸屏中試線的成功搭建，標(biāo)志著石墨烯材料在制備和應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化上邁出了關(guān)鍵性一大步。
樂通股份今年初與寧波墨西簽署了《石墨烯油墨項(xiàng)目合作協(xié)議》，商定組建合資公司從事石墨烯油墨的研發(fā)和生產(chǎn)，計(jì)劃總投資1億元人民幣，合資公司的注冊資金為3000萬元人民幣，公司以現(xiàn)金出資人民幣2400萬元(占80%股權(quán));乙方以石墨烯油墨的相關(guān)技術(shù)作價(jià)出資600萬元(占20%股權(quán))。寧波墨西承諾將以最優(yōu)惠的價(jià)格向合資公司穩(wěn)定提供石墨烯原料，雙方將利用自身的營銷網(wǎng)絡(luò)幫助合資公司推廣石墨烯油墨產(chǎn)品。
華麗家族去年7月披露控股股東南江集團(tuán)及皙哲投資、中科院寧波材料所、劉兆平研發(fā)團(tuán)隊(duì)于2012年4月組建寧波墨西科技有限公司，該公司投建的世界上第一條量產(chǎn)石墨烯生產(chǎn)線預(yù)計(jì)將于2013年建成投產(chǎn)。石墨烯屬于高科技新材料，石墨烯產(chǎn)品的成熟并走向產(chǎn)業(yè)化還需后續(xù)大量的研發(fā)和投入。而南江集團(tuán)暫無將石墨烯項(xiàng)目轉(zhuǎn)讓或指定給上市公司的計(jì)劃。
方大炭素將建成全球最大的特種石墨生產(chǎn)基地，針狀焦及超高功率石墨電極的綜合產(chǎn)能也將位居全球炭素企業(yè)首位。2013年5月，公司收到了國家知識產(chǎn)權(quán)局對“以石灰石為原料制備石墨烯的方法”授予的發(fā)明專利權(quán)通知書。