浅析石墨烯在未来触摸屏市场的应用前景

　　数据显示，2013年全球电子设备触摸屏总面积同比将增长两倍，达到2550万平方米，2012年约为1200万平方米。预计到2015年，触摸屏生产面积将达到3590万平方米。

　　随着全球电子设备触摸屏总面积的不断增长，生产触摸屏的稀有金属铟材料将被耗尽。因为现代触摸屏的表面都会用到一层铟锡氧化物，具有较好的透明性和导电性，所以广泛应用于显示产业领域。然而铟金属属于稀有金属，全球存量非常稀少，随着智能手机、平板电脑和其他现代电子设备需求量大增，未来铟金属将会告罄，而目前寻找铟金属的替代性材料成为全球各地热门的研发项目。

　　在未来几年内，全球触摸屏市场或许将出现更多的替代材料和技术，研发者之间甚至会出现竞争。除了石墨烯和银纳米线外，其他的透明导电性氧化物和各类聚合薄膜也将逐步进入市场。而最有潜力替代氧化铟锡的材料当属石墨烯，作为未来触摸屏行业的热门材料，现在发展状况如何呢?

　　由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，适合用来制造透明触摸屏、光板、太阳能电池等产品，是一种用途非常广泛地材料。这里，着重介绍替代金属铟的材料石墨烯在未来触摸屏市场的应用前景。

　　认识石墨烯

　　石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在。他们发现能用一种非常简单方法得到越来越薄的石墨薄片，就是石墨薄片两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样的操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产领域已为时不远了。两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

　　石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光;石墨烯的电阻率低，比铜和银还低，而它的电子迁移率很高。常温下其电子迁移率超过15000cm2/V•s，远高于硅材料晶体管开启速度，用它做石墨烯晶体管及石墨烯微机械系统，可以大大提升处理器的时钟主频，麻省理工学院电子工程和计算机科学系副教授TomasPalacios曾表示，在现有技术条件下，产生4、5GHz以上的频率难度都相当高。而石墨烯倍频器可以让系统运行在500GHz到1000GHz的范畴内。

　　目前石墨烯材料可以分为两类，一类是由单层或多层石墨烯构成的薄膜，另一类是由多层石墨烯(10层以下)构成的微片。石墨烯薄膜又细分为单晶薄膜和多晶薄膜;其中，单晶薄膜可用于制造集成电路，但距离产业化的距离还很遥远。多晶薄膜则有望在5~10年内实现产业化应用，可替代ITO玻璃用于制造触摸屏(特别是柔性电子产品)和其他需要透明导电材料的应用领域。

　　石墨烯在触摸屏领域全球研发概况

　　目前，在这个领域研究的国家有英美韩中日等，已经产业化的公司有四家，分别是韩国三星、日本索尼、辉锐和二维碳素。美英CambriosTechnologies、3M;日本东丽、东芝、索尼、产综研及信越聚合物;韩国的三星等厂商在石墨烯方面研发迅速。

　　一、欧美地区

　　欧洲是石墨烯的诞生地，十分注重在这一领域提前布局。

　　2013年1月，欧盟委员会将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一，该项目的研究范围十分广泛，其中石墨烯的制备是核心。欧盟委员计划十年提供10亿欧元资助，将石墨烯研究提升至战略高度。

　　英国去年底宣布将追加投资2150万英镑资助石墨烯研究项目，推进石墨烯的商业化进程，并建立一个国家级研究机构——国家石墨烯研究所(NGI)，这也使该机构有望成为世界领先的石墨烯开发和开采中心。

　　美国辉锐科技是一家石墨烯技术发展公司，率先进军大面积石墨烯柔性触控屏市场，并获专业的科技行业投资基金IDG资本入股成为其股东之一。辉锐科技计划于未来3年投资共1.5亿美元发展石墨烯移动设备市场，能制造大面积的柔性触控屏，应用于手机、平板计算机及便携式电子显示屏等市场。

　　除辉锐科技外，美国的3M、CVD等企业在石墨烯电子产品方面发展迅速。

　　二、韩国

　　近年来，韩国政府积极支持本国科研机构和公司开展石墨烯技术研发及商业化应用研究。在政府的高度重视与支持下，韩国在石墨烯技术走向市场方面取得了诸多突出的成果。2010年，韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上，成功制备出电视机大小的纯石墨烯，并用该石墨烯制造了柔性触摸屏。2011年，韩国研究人员，开发出基于石墨烯的柔性有机电致发光器件。

　　此外，韩国的石墨烯专利量居全球第三，达到1160项，远高于欧洲其他国家，仅次于美国和中国。

　　三、日本

　　在与欧美和韩国相比起步稍晚的石墨烯量产技术领域，日本的企业和研究机构在去年几乎同时发布了领先世界的成果。

　　索尼制作出了长约120m*宽230mm的石墨烯薄膜，这是目前全球最长的石墨烯薄膜。这种石墨烯应用到透明导电膜是目标用途之一。索尼通过对化学气相沉积(CVD)法加以自主改良取得了此次的成果，CVD法作为合成大面积石墨烯的方法而广为人知。

　　日本产业技术综合研究所发布了以卷对卷方式合成薄膜宽度为594mm的石墨烯的制造装置。产业技术综合研究所采用以微波等离子为基础，利用300～400℃的低温CVD法合成石墨烯的方式。此外，东芝实现石墨烯与银纳米线复合透明电极的大面积化;松下已经成功将石墨散热膜的厚度减少到只有10微米(人类红细胞直径仅为5微米)，1微米相当于1米的一百万分之一，薄度相当惊人。

　　石墨烯材料在我国触摸屏行业的研发和应用

　　中国具有发展石墨烯产业得天独厚的条件。据悉我国石墨矿储量占世界总储量的75%，生产量占世界总产量的72%，是我国少有的几种具有国际竞争优势的矿产之一。截至2012年我国在石墨烯研究领域的文献贡献量已达5072篇，占全球的石墨烯文献量的29.2%，超过美国的27.3%位居世界首位。

　　据悉,自2004年石墨烯被发现以来,如何解决大面积、高质量石墨烯制备和快速高效转移两大关键问题,让石墨烯应用于透明电极中,一直困扰着很多研究者。如果电阻触摸屏要采用这种材料,需要先在金属表面上催化生长石墨烯,再把它转移到适合的基底上,才能进行应用。

　　石墨烯的制成需要有尖端的制备工艺，目前业内主要有四种制备方法，分别是机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法、和气相沉积法(CVD)。前三种的原材料均为石墨，CVD法原材料则为甲烷居多。由于制造成本相对较低，目前业内多采用机械剥离法和氧化石墨还原法制造石墨烯。

　　目前，在石墨烯薄膜和石墨烯微片这两个方向上，我国都在进行积极探索。

　　在石墨烯触摸屏的研发方面，常州二维碳素科技公司的研发团队已突破了石墨烯薄膜应用于中小尺寸手机的触摸工艺，实现了石墨烯薄膜材料和现有ITO模组工艺线的对接，正积极联合上下游企业、行业协会、各地标准院起草相关行业标准。

　　业内专家表示，石墨烯薄膜工艺线只需要对现有ITO模组工艺线进行简改造就可以完成对接，石墨烯薄膜材料在触控显示领域的产业化应用将加速。

　　二维碳素科技总裁金虎表示石墨烯用于触摸屏比ITO玻璃有很多优势，例如ITO要用到铟，这是一种稀土材料，全球存量很少，而且有毒不易回收，而石墨烯材料很简单，也容易回收，更突出的是它的柔性很好，易于弯曲。二维碳素科技的于庆凯博士在2008年4月首先发表了用化学气相沉积(CVD)的方法在镍和铜基底上合成石墨烯的生长方法，并成功生长出了世界上第一块大尺寸的高质量石墨烯薄膜，从而使得大规模生产石墨烯薄膜成为可能。2010年，于博士提出并实现了用生长单晶石墨烯阵列来解决大尺寸石墨烯单晶难以合成的难题，这一成就将推进石墨烯高速电子器件的研究和应用。

　　一、产业化进程

　　作为一种技术含量极高的碳材料，石墨烯在半导体、光伏、锂电池、航天、军工、LED、触控屏等领域都将带来一次材料革命，石墨烯一旦实现产业化其规模至少在万亿以上。

　　2013年7月13日，在召开的2013石墨烯产业发展趋势及投资论坛上，中国石墨烯产业技术创新战略联盟正式宣布对外成立。联盟发起方中除了多家大学科研单位外，多家上市公司如金路集团以及中国宝安的子公司深圳贝特瑞新能源材料公司等名列其中，具有科研与资金相结合的优势，进一步推进石墨烯产业化进程打下了坚实地基础。

　　2012年工信部发布《新材料产业十二五发展规划》，规划中的前沿新材料就包括石墨烯。目前，我国的石墨烯正处于从实验室向产业过渡的阶段。中科院宁波材料所石墨烯研究团队研究员周旭峰表示，目前国内对石墨烯的应用前景颇为看好，多个领域都准备跃跃欲试。但从实际情况看来，制造工艺不稳定和成本居高不下，仍是石墨烯走向产业化最需要解决的问题，从制造工艺来看，目前业内的四种方法均有各自的优势和缺陷，产业技术路径仍在探讨之中。那么触摸屏用石墨烯的产业化进程如何呢?

　　石墨烯作为ITO导电膜的替代性材料曾被触摸屏行业高度关注。北京墨烯控股一位技术高管表示，石墨烯技术可以使得显示屏具有柔性，但由于手机等智能终端的产业链太长，产品的成形需要电路板、机身材料等整个供应链的配合。理论上讲这些东西在实验室内已经可以实现，但要商用还需要一定的时间，不仅因为成本离谱，良率问题也很不乐观。该人士表示，三星电子前期在这方面投入了大量的研发资源，原计划在今年要推出一款类似的概念产品，但目前三星已经推迟了该计划的发布，显示出该领域的技术仍有很长的路要走。

　　近两年，石墨烯在触摸屏领域的研发推进较快。2012年1月8日，江南石墨烯研究院对外宣称，手机用石墨烯电容触摸屏在常州研制成功。这种透明的薄膜可以满足智能手机触摸屏的基本功能。江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技有限公司联合无锡丽格光电科技有限公司和深圳力合光电传感器技术有限公司共同研发的手机用石墨烯电容触摸屏项目，成功制成电容触摸屏手机样机，并完成了功能测试。这款透明到几乎用肉眼无法辨析的超级薄膜，具有现有智能手机触摸屏的基本功能，电容屏传感器整个触摸区域可以识别单指和双指触摸及进行画线动作，实现图片单指手势左右拖动及双指手势放大和旋转，而这只是石墨烯材料产品之一。

　　今年初，中科院重庆研究院推出了国内首片15英寸单层石墨烯7英寸的石墨烯触摸屏，可用于手机、电脑等电子产品。中科院重庆研究院与广东地区的风投机构商谈,力争让石墨烯在一年内实现量产。此外，中科院重庆研究院已经在铜箔衬底上生长出15英寸的均匀单层石墨烯,并成功将其完整地转移到柔性PET衬底上和其他基底表面,并且通过进一步应用,还制备出了7英寸的石墨烯触摸屏。上海南江集团将与中科院重庆研究院共同推进“大面积单层石墨烯产业化项目”，前期投资达2.67亿元。日前，石墨烯产业基地已成功落户重庆，将力争在一年内建成首期生产线并投产，形成1000万片石墨烯产能。

　　在石墨烯薄膜量产方面。2013年5月18日，常州二维碳素科技有限公司、无锡格菲电子薄膜科技有限公司、深圳力合光电传感股份有限公司联合江南石墨烯研究院在常州宣布，国内首条年产3万平方米的石墨烯薄膜生产线正式投产。常州二维碳素科技公司的研发团队率先成功地将石墨烯薄膜应用于手机电容式触摸屏，并实现4英寸石墨烯触摸屏手机小批量生产。

　　无锡格菲电子薄膜科技有限公司高层并透露，今年年底前，公司计划生产50万件石墨烯手机触摸屏。公司计划融资逾1亿元，扩大石墨烯手机触摸屏生产规模。目前已有数家投资公司拟加入其石墨烯触摸屏项目。格菲电子致力于石墨烯薄膜的商业化应用。目前已开发出规模化生产石墨烯薄膜及其手机触摸屏的生产工艺和设备。

　　二、国内各厂商的研发与应用

　　目前，国内的学术界和产业界正在紧锣密鼓推进石墨烯的产业化，随着石墨烯产业技术创新战略联盟的成立，这一速度有望提升。

　　金路集团与中科院金属研究所联合开发电池级石墨烯技术已于2012年11月11日对共同完成的“石墨烯材料的规模化制备技术”通过了成果鉴定。公司截止2012年12月31日，共计投入资金600余万元，获得财政补助1300余万元。另外，公司在研石墨烯透明导电薄膜、石墨烯基三位网络散热材料、石墨烯基动力电池项目。在石墨烯透明导电膜方面，金属研究所能制备出4英寸的石墨烯透明导电薄膜。

　　中国宝安旗下的深圳贝特瑞的特色则是产业链完备和客户雄厚。贝特瑞是目前全球唯一一家拥有完整的石墨烯价值产业链的企业，公司在2011年11月完成石墨烯中试线建设并投入生产。据了解，贝特瑞向国家提交了与石墨烯相关的4项专利申请，其中“制备球状石墨烯的方法”已在今年4月28日收到发明专利证书。根据公开资料显示，贝特瑞目前在锂电池负极材料方面占据了全球市场三成左右的份额，三星、LG、松下、比亚迪等都是贝特瑞的客户。

　　常州二维碳素科技有限公司今年五月宣布其第一条年产3万平方米石墨烯透明导电薄膜生产线实现量产。这条石墨烯透明导电薄膜生产线的投产和供应用的石墨烯电容触摸屏中试线的成功搭建，标志着石墨烯材料在制备和应用的产业化上迈出了关键性一大步。

　　乐通股份今年初与宁波墨西签署了《石墨烯油墨项目合作协议》，商定组建合资公司从事石墨烯油墨的研发和生产，计划总投资1亿元人民币，合资公司的注册资金为3000万元人民币，公司以现金出资人民币2400万元(占80%股权);乙方以石墨烯油墨的相关技术作价出资600万元(占20%股权)。宁波墨西承诺将以最优惠的价格向合资公司稳定提供石墨烯原料，双方将利用自身的营销网络帮助合资公司推广石墨烯油墨产品。

　　华丽家族去年7月披露控股股东南江集团及皙哲投资、中科院宁波材料所、刘兆平研发团队于2012年4月组建宁波墨西科技有限公司，该公司投建的世界上第一条量产石墨烯生产线预计将于2013年建成投产。石墨烯属于高科技新材料，石墨烯产品的成熟并走向产业化还需后续大量的研发和投入。而南江集团暂无将石墨烯项目转让或指定给上市公司的计划。

　　方大炭素将建成全球最大的特种石墨生产基地，针状焦及超高功率石墨电极的综合产能也将位居全球炭素企业首位。2013年5月，公司收到了国家知识产权局对“以石灰石为原料制备石墨烯的方法”授予的发明专利权通知书。