石墨烯制作技術不斷涌現 成為透明導電膜的有力候補

以數十cm見方或數十cm見方以上的大面積，量產碳原子片狀排列的材料——石墨烯的技術不斷亮相。

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

毎分鐘成膜數十cm

日本產業(yè)技術綜合研究所（產綜研）于2012年4月宣布開發(fā)出了可量產大面積石墨烯的技術。這是一種在柔性基板上以卷對卷（R2R）方式對石墨烯進行高速成膜的技術（圖1）。軋輥的卷取速度達到在膜寬30cm的條件下，毎分鐘達到數十厘米。

產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氣相沉積法（SWP-CVD）”方法以及R2R實現的。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”（產綜研納米管應用研究中心納米物質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30cm寬的石墨烯薄膜

（a）是產綜研開發(fā)的石墨烯薄膜量產用SWP-CVD裝置的概要。將內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，由此產生等離子。（b）是產綜研在2012年2月展會上展出的“石墨烯觸摸面板”。

適用于透明導電膜

作為用于多種用途的透明導電膜，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，針對機械彎曲的耐久性也較高。石墨烯非常薄，幾乎不會出現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EL面板封裝所需要的10－6g/m2/日。

關于石墨烯薄膜的薄膜電阻值，“我們制作的產品當光透射率為87％時，薄膜電阻值為500Ω/□”（產綜研的長谷川），雖然還稍微有些大，但“以前的薄膜電阻值卻在1kΩ/□左右。今后計劃進一步降低電阻值”（長谷川）。正在考慮與導電性較高的金屬納米網片（Mesh Sheet）等組合使用的解決方案。

產綜研已經利用通過此次技術制作的石墨烯試制出了觸摸面板等產品，“沒有發(fā)現問題，可以正常工作”（產綜研）。

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量和平坦性，以及從銅箔向PET膜等轉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行一個小時左右的退火（加熱），以提高平坦性。轉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)領域，各國的企業(yè)和研究機構競爭激烈。其中處于全球領先地位的是韓國企業(yè)。

韓國Graphene Square公司雖然是一家2012年1月剛剛成立的風險企業(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，“聽說該設備在韓國已經賣出了100臺”。

圖2：韓國廠商量產制造裝置

（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，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(Seoul National University) 教授Byung Hee Hong成立的企業(yè)。技術人員大部分來自一直從事石墨烯成膜技術研發(fā)的韓國Samsung Techwin。不過，Graphene Square公司與Samsung集團沒有資本關系。

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