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石墨烯成為未來觸摸屏行業熱門材料

2013年,全球觸摸屏出貨量19億塊,預測2016年全球将需求30多億塊觸摸屏。對于觸摸屏的使用,智能手機、平闆電腦等已經形成規模化,未來觸控市場的新應用領域要關注車載顯示、可穿戴設備和數字标牌。
随着全球電子設備觸摸屏總面積的不斷增長,生産觸摸屏的稀有金屬铟材料将被耗盡。因為現代觸摸屏的表面都會用到一層铟錫氧化物,具有較好的透明性和導電性,所以廣泛應用于顯示産業領域。然而铟金屬屬于稀有金屬,全球存量非常稀少,随着智能手機、平闆電腦和其他現代電子設備需求量大增,未來铟金屬将會告罄,而目前尋找铟金屬的替代性材料成為全球各地熱門的研發項目。
石墨烯成為未來觸摸屏行業熱門材料
在未來幾年内,全球觸摸屏市場或許将出現更多的替代材料和技術,研發者之間甚至會出現競争。除了石墨烯和銀納米線外,其他的透明導電性氧化物和各類聚合薄膜也将逐步進入市場。而最有潛力替代氧化铟錫的材料當屬石墨烯,作為未來觸摸屏行業的熱門材料,現在發展狀況如何呢?
由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體,适合用來制造透明觸摸屏、光闆、太陽能電池等産品,是一種用途非常廣泛地材料。這裡,着重介紹替代金屬铟的材料石墨烯在未來觸摸屏市場的應用前景。
認識石墨烯
石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料。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,隻有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設性的結構,無法單獨穩定存在,直至2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈?海姆和康斯坦丁 諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,而證實它可以單獨存在。他們發現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,最後,他們得到了僅由一層碳原子構成薄片,這就是石墨烯。這以後,制備石墨烯新方法層出不窮,經過5年的發展,人們發現,将石墨烯帶入工業化生産領域已為時不遠了。兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由,共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料,它幾乎是完全透明的,隻吸收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15000 cm2/V?s,遠高于矽材料晶體管開啟速度,用它做石墨烯晶體管及石墨烯微機械系統,可以大大提升處理器的時鐘主頻,麻省理工學院電子工程和計算機科學系副教授Tomas Palacios曾表示,在現有技術條件下,産生4、5GHz以上的頻率難度都相當高。而石墨烯倍頻器可以讓系統運行在500GHz到1000GHz的範疇内。
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成的薄膜,另一類是由多層石墨烯(10層以下)構成的微片。石墨烯薄膜又細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,但距離産業化的距離還很遙遠。多晶薄膜則有望在5~10年内實現産業化應用,可替代ITO玻璃用于制造觸摸屏(特别是柔性電子産品)和其他需要透明導電材料的應用領域。
石墨烯在觸摸屏領域全球研發概況
目前,在這個領域研究的國家有英美韓中日等,已經産業化的公司有四家,分别是韓國三星、日本索尼、輝銳和二維碳素。美英Cambrios Technologies、3M;日本東麗、東芝、索尼、産綜研及信越聚合物;韓國的三星等廠商在石墨烯方面研發迅速。
石墨烯成為未來觸摸屏行業熱門材料
一、歐美地區
歐洲是石墨烯的誕生地,十分注重在這一領域提前布局。
2013年1月,歐盟委員會将石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一,該項目的研究範圍十分廣泛,其中石墨烯的制備是核心。歐盟委員計劃十年提供10億歐元資助,将石墨烯研究提升至戰略高度。
英國去年底宣布将追加投資2150萬英鎊資助石墨烯研究項目,推進石墨烯的商業化進程,并建立一個國家級研究機構——國家石墨烯研究所(NGI),這也使該機構有望成為世界領先的石墨烯開發和開采中心。
美國輝銳科技是一家石墨烯技術發展公司,率先進軍大面積石墨烯柔性觸控屏市場,并獲專業的科技行業投資基金IDG資本入股成為其股東之一。輝銳科技計劃于未來3年投資共1.5億美元發展石墨烯移動設備市場,能制造大面積的柔性觸控屏,應用于手機﹑平闆計算機及便攜式電子顯示屏等市場。
除輝銳科技外,美國的3M、CVD等企業在石墨烯電子産品方面發展迅速。
二、韓國
近年來,韓國政府積極支持本國科研機構和公司開展石墨烯技術研發及商業化應用研究。在政府的高度重視與支持下,韓國在石墨烯技術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的研究人員在一個63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯闆上,成功制備出電視機大小的純石墨烯,并用該石墨烯制造了柔性觸摸屏。2011年,韓國研究人員,開發出基于石墨烯的柔性有機電緻發光器件。
此外,韓國的石墨烯專利量居全球第三,達到1160項,遠高于歐洲其他國家,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産技術領域,日本的企業和研究機構在去年幾乎同時發布了領先世界的成果。

石墨烯成為未來觸摸屏行業熱門材料
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。這種石墨烯應用到透明導電膜是目标用途之一。 索尼通過對化學氣相沉積(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。
日本産業技術綜合研究所發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。産業技術綜合研究所采用以微波等離子為基礎,利用300~400℃的低溫CVD法合成石墨烯的方式。此外,東芝實現石墨烯與銀納米線複合透明電極的大面積化;松下已經成功将石墨散熱膜的厚度減少到隻有10微米(人類紅細胞直徑僅為5微米),1微米相當于1米的一百萬分之一,薄度相當驚人。

石墨烯材料在我國觸摸屏行業的研發和應用
中國具有發展石墨烯産業得天獨厚的條件。據悉我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%,生産量占世界總産量的72%,是我國少有的幾種具有國際競争優勢的礦産之一。截至2012年我國在石墨烯研究領域的文獻貢獻量已達5072篇,占全球的石墨烯文獻量的29.2%,超過美國的27.3%位居世界首位。
據悉,自2004年石墨烯被發現以來,如何解決大面積、高質量石墨烯制備和快速高效轉移兩大關鍵問題,讓石墨烯應用于透明電極中,一直困擾着很多研究者。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,再把它轉移到适合的基底上,才能進行應用。
石墨烯的制成需要有尖端的制備工藝,目前業内主要有四種制備方法,分别是機械剝離法、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,目前業内多采用機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方向上,我國都在進行積極探索。
在石墨烯觸摸屏的研發方面,常州二維碳素科技公司的研發團隊已突破了石墨烯薄膜應用于中小尺寸手機的觸摸工藝,實現了石墨烯薄膜材料和現有ITO模組工藝線的對接,正積極聯合上下遊企業、行業協會、各地标準院起草相關行業标準。
業内專家表示,石墨烯薄膜工藝線隻需要對現有ITO模組工藝線進行簡改造就可以完成對接,石墨烯薄膜材料在觸控顯示領域的産業化應用将加速。
二維碳素科技總裁金虎表示石墨烯用于觸摸屏比ITO玻璃有很多優勢,例如ITO要用到铟,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月首先發表了用化學氣相沉積(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量石墨烯薄膜,從而使得大規模生産石墨烯薄膜成為可能。
2010年,于博士提出并實現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,這一成就将推進石墨烯高速電子器件的研究和應用。
一、産業化進程
作為一種技術含量極高的碳材料,石墨烯在半導體、光伏、锂電池、航天、軍工、LED、觸控屏等領域都将帶來一次材料革命,石墨烯一旦實現産業化其規模至少在萬億以上。
2013年7月13日,在召開的2013石墨烯産業發展趨勢及投資論壇上,中國石墨烯産業技術創新戰略聯盟正式宣布對外成立。聯盟發起方中除了多家大學科研單位外,多家上市公司如金路集團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合的優勢,進一步推進石墨烯産業化進程打下了堅實地基礎。
2012年工信部發布《新材料産業十二五發展規劃》,規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驗室向産業過渡的階段。中科院甯波材料所石墨烯研究團隊研究員周旭峰表示,目前國内對石墨烯的應用前景頗為看好,多個領域都準備躍躍欲試。但從實際情況看來,制造工藝不穩定和成本居高不下,仍是石墨烯走向産業化最需要解決的問題,從制造工藝來看,目前業内的四種方法均有各自的優勢和缺陷,産業技術路徑仍在探讨之中。那麼觸摸屏用石墨烯的産業化進程如何呢?
石墨烯作為ITO導電膜的替代性材料曾被觸摸屏行業高度關注。北京墨烯控股一位技術高管表示,石墨烯技術可以使得顯示屏具有柔性,但由于手機等智能終端的産業鍊太長,産品的成形需要電路闆、機身材料等整個供應鍊的配合。理論上講這些東西在實驗室内已經可以實現,但要商用還需要一定的時間,不僅因為成本離譜,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資源,原計劃在今年要推出一款類似的概念産品,但目前三星已經推遲了該計劃的發布,顯示出該領域的技術仍有很長的路要走。
近兩年,石墨烯在觸摸屏領域的研發推進較快。2012年1月8日,江南石墨烯研究院對外宣稱,手機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有限公司共同研發的手機用石墨烯電容觸摸屏項目,成功制成電容觸摸屏手機樣機,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,具有現有智能手機觸摸屏的基本功能,電容屏傳感器整個觸摸區域可以識别單指和雙指觸摸及進行畫線動作,實現圖片單指手勢左右拖動及雙指手勢放大和旋轉,而這隻是石墨烯材料産品之一。
今年初,中科院重慶研究院推出了國内首片15英寸單層石墨烯7英寸的石墨烯觸摸屏,可用于手機、電腦等電子産品。中科院重慶研究院與廣東地區的風投機構商談,力争讓石墨烯在一年内實現量産。此外,中科院重慶研究院已經在銅箔襯底上生長出15英寸的均勻單層石墨烯,并成功将其完整地轉移到柔性PET襯底上和其他基底表面,并且通過進一步應用,還制備出了7英寸的石墨烯觸摸屏。上海南江集團将與中科院重慶研究院共同推進“大面積單層石墨烯産業化項目”,前期投資達2.67億元。日前,石墨烯産業基地已成功落戶重慶,将力争在一年内建成首期生産線并投産,形成1000萬片石墨烯産能。
在石墨烯薄膜量産方面。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合江南石墨烯研究院在常州宣布,國内首條年産3萬平方米的石墨烯薄膜生産線正式投産。常州二維碳素科技公司的研發團隊率先成功地将石墨烯薄膜應用于手機電容式觸摸屏,并實現4英寸石墨烯觸摸屏手機小批量生産。
無錫格菲電子薄膜科技有限公司高層并透露,今年年底前,公司計劃生産50萬件石墨烯手機觸摸屏。公司計劃融資逾1億元,擴大石墨烯手機觸摸屏生産規模。目前已有數家投資公司拟加入其石墨烯觸摸屏項目。格菲電子緻力于石墨烯薄膜的商業化應用。目前已開發出規模化生産石墨烯薄膜及其手機觸摸屏的生産工藝和設備。
二、國内各廠商的研發與應用
目前,國内的學術界和産業界正在緊鑼密鼓推進石墨烯的産業化,随着石墨烯産業技術創新戰略聯盟的成立,這一速度有望提升。
金路集團與中科院金屬研究所聯合開發電池級石墨烯技術已于2012年11月11日對共同完成的“石墨烯材料的規模化制備技術”通過了成果鑒定。公司截止2012年12月31日,共計投入資金600餘萬元,獲得财政補助1300餘萬元。另外,公司在研石墨烯透明導電薄膜、石墨烯基三位網絡散熱材料、石墨烯基動力電池項目。在石墨烯透明導電膜方面,金屬研究所能制備出4英寸的石墨烯透明導電薄膜。
中國寶安旗下的深圳貝特瑞的特色則是産業鍊完備和客戶雄厚。貝特瑞是目前全球唯一一家擁有完整的石墨烯價值産業鍊的企業,公司在2011年11月完成石墨烯中試線建設并投入生産。據了解,貝特瑞向國家提交了與石墨烯相關的4項專利申請,其中“制備球狀石墨烯的方法”已在今年4月28日收到發明專利證書。根據公開資料顯示,貝特瑞目前在锂電池負極材料方面占據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。
常州二維碳素科技有限公司今年五月宣布其第一條年産3萬平方米石墨烯透明導電薄膜生産線實現量産。這條石墨烯透明導電薄膜生産線的投産和供應用的石墨烯電容觸摸屏中試線的成功搭建,标志着石墨烯材料在制備和應用的産業化上邁出了關鍵性一大步。
樂通股份今年初與甯波墨西簽署了《石墨烯油墨項目合作協議》,商定組建合資公司從事石墨烯油墨的研發和生産,計劃總投資1億元人民币,合資公司的注冊資金為3000萬元人民币,公司以現金出資人民币2400萬元(占80%股權);乙方以石墨烯油墨的相關技術作價出資600萬元(占20%股權)。甯波墨西承諾将以最優惠的價格向合資公司穩定提供石墨烯原料,雙方将利用自身的營銷網絡幫助合資公司推廣石墨烯油墨産品。
華麗家族去年7月披露控股股東南江集團及皙哲投資、中科院甯波材料所、劉兆平研發團隊于2012年4月組建甯波墨西科技有限公司,該公司投建的世界上第一條量産石墨烯生産線預計将于2013年建成投産。石墨烯屬于高科技新材料,石墨烯産品的成熟并走向産業化還需後續大量的研發和投入。而南江集團暫無将石墨烯項目轉讓或指定給上市公司的計劃。
方大炭素将建成全球最大的特種石墨生産基地,針狀焦及超高功率石墨電極的綜合産能也将位居全球炭素企業首位。2013年5月,公司收到了國家知識産權局對“以石灰石為原料制備石墨烯的方法”授予的發明專利權通知書。

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