石墨烯制作技術(shù)不斷涌現(xiàn) 成為透明導(dǎo)電膜的有力候補(bǔ)

以數(shù)十cm見方或數(shù)十cm見方以上的大面積，量產(chǎn)碳原子片狀排列的材料——石墨烯的技術(shù)不斷亮相。

由此，有望將石墨烯薄膜用作觸摸面板、電子紙、有機(jī)EL面板以及太陽能電池等的透明導(dǎo)電膜。

毎分鐘成膜數(shù)十cm

日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（產(chǎn)綜研）于2012年4月宣布開發(fā)出了可量產(chǎn)大面積石墨烯的技術(shù)。這是一種在柔性基板上以卷對卷（R2R）方式對石墨烯進(jìn)行高速成膜的技術(shù)（圖1）。軋輥的卷取速度達(dá)到在膜寬30cm的條件下，毎分鐘達(dá)到數(shù)十厘米。

產(chǎn)綜研此次是通過組合使用此前以制作人工金剛石為目的開發(fā)的“表面波等離子體化學(xué)氣相沉積法（SWP-CVD）”方法以及R2R實(shí)現(xiàn)的。石墨烯薄膜可以高速成膜的最大理由是將基板上的溫度保持在300℃以上，以CVD方式在低溫下保存。成膜所需時間僅在“30秒以下”（產(chǎn)綜研納米管應(yīng)用研究中心納米物質(zhì)涂層小組研究組長長谷川雅考）。原來需要在一個小時左右的時間里，將基板上的溫度保持在1000℃。

圖1：可量產(chǎn)30cm寬的石墨烯薄膜

（a）是產(chǎn)綜研開發(fā)的石墨烯薄膜量產(chǎn)用SWP-CVD裝置的概要。將內(nèi)部插有天線的圓筒狀石英管排列起來，向其中加載2.45GHz的交流電壓，由此產(chǎn)生等離子。（b）是產(chǎn)綜研在2012年2月展會上展出的“石墨烯觸摸面板”。

適用于透明導(dǎo)電膜

作為用于多種用途的透明導(dǎo)電膜，石墨烯的特性非常出色。比如光透射率較高。單層石墨烯的光透射率在理論上為97.5％。由于透射率沒有波長依賴性，因此對于對太陽能電池來說非常重要的近紅外區(qū)電磁波，石墨烯具有較高的透射性。而且，針對機(jī)械彎曲的耐久性也較高。石墨烯非常薄，幾乎不會出現(xiàn)其他薄膜存在的光封存問題。

另外，石墨烯針對水蒸氣的氣體阻隔（Gas Barrier）性在理論上為10－11g/m2/日，可以滿足有機(jī)EL面板封裝所需要的10－6g/m2/日。

關(guān)于石墨烯薄膜的薄膜電阻值，“我們制作的產(chǎn)品當(dāng)光透射率為87％時，薄膜電阻值為500Ω/□”（產(chǎn)綜研的長谷川），雖然還稍微有些大，但“以前的薄膜電阻值卻在1kΩ/□左右。今后計(jì)劃進(jìn)一步降低電阻值”（長谷川）。正在考慮與導(dǎo)電性較高的金屬納米網(wǎng)片（Mesh Sheet）等組合使用的解決方案。

產(chǎn)綜研已經(jīng)利用通過此次技術(shù)制作的石墨烯試制出了觸摸面板等產(chǎn)品，“沒有發(fā)現(xiàn)問題，可以正常工作”（產(chǎn)綜研）。

薄膜電阻值以外的課題包括使石墨烯成膜的銅（Cu）箔要求具有較高的質(zhì)量和平坦性，以及從銅箔向PET膜等轉(zhuǎn)印石墨烯時需要一定的時間。長谷川表示，“銅箔需要在石墨烯成膜前進(jìn)行一個小時左右的退火（加熱），以提高平坦性。轉(zhuǎn)印要在銅箔上粘貼薄膜后，通過蝕刻將銅熔化，因此需要時間”。

韓國企業(yè)開始銷售制造裝置

在石墨烯的研究開發(fā)領(lǐng)域，各國的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)競爭激烈。其中處于全球領(lǐng)先地位的是韓國企業(yè)。

韓國Graphene Square公司雖然是一家2012年1月剛剛成立的風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)，但卻開發(fā)出了大面積石墨烯薄膜的制造裝置，已從2012年春季開始在日本等國家銷售（圖2）注1）。日本總代理商Itrix代表懂事社長長谷川正治表示，“聽說該設(shè)備在韓國已經(jīng)賣出了100臺”。

圖2：韓國廠商量產(chǎn)制造裝置

（a）是Graphene Square公司正在銷售的A4尺寸石墨烯薄膜制造用CVD裝置。先將銅箔卷成卷放入石英管內(nèi)，然后向其中注入甲烷（CH4）氣體，并加熱至1000℃，由此使石墨烯成膜。（b）是以相同方法制造、并轉(zhuǎn)印至PET基板上的30英寸（700mm×400mm）石墨烯薄膜。

注1）Graphene Square公司是由石墨烯研究人員、韓國首爾國立大學(xué)(Seoul National University) 教授Byung Hee Hong成立的企業(yè)。技術(shù)人員大部分來自一直從事石墨烯成膜技術(shù)研發(fā)的韓國Samsung Techwin。不過，Graphene Square公司與Samsung集團(tuán)沒有資本關(guān)系。

采用該裝置制作的石墨烯薄膜的特點(diǎn)是“薄膜電阻值僅為125Ω/□，所以質(zhì)量很高”（產(chǎn)綜研的長谷川）（表1）。不過，產(chǎn)品存在成膜溫度高達(dá)1000℃、成膜耗費(fèi)時間的課題。（源自：《日經(jīng)電子》）