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未来显示:石墨烯触摸屏你应该知道的一些事

作者:时间:2014-05-26来源:OFweek 电子工程网

  近日,中国产业技术创新战略联盟秘书长李义春表示,继中国标准化委员会成立后,联盟又专设了技术委员会,负责设计与制定中国产业研发与发展路线图。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/247347.htm

  李义春介绍说,中国石墨烯产业联盟目前正与国家标准委接洽,届时联盟发布的行业标准将上升为国家标准。目前世界上除中国以外,还没有任何国家存在石墨烯行业组织,中国石墨烯行业标准有望取得国际行业主导权。

  目前中国制造业诸多产业均以国外标准为指引,而在石墨烯方面却大不相同。作为一种新型材料,各国研发起点大致相同。中国率先成立石墨烯产业联盟,在组织上具备优势。李义春透露,2014年将中国将组织召开国际石墨烯创新大会,多个国家的石墨烯产业界人士有意向参加,并建议由中国发起成立国际石墨烯联盟。

  李义春介绍说,目前石墨烯研发进展极快,产业化应用大大超出预期。此前预计2020年才能完成的应用,极有可能在2015年就能实现。而标准的制定,将引导行业的健康发展轨道。他透露,标准将严格规定石墨烯及石墨烯材料的定义,同时在石墨烯产品、战略、发展等多个方面都将有所设定。

  李义春强调,中国石墨烯产业的发展与此前光伏产业的发展大不相同。我国光伏产业所走的是“进口设备-组建生产线-大规模生产-产能过剩”的路径,低水平重复建设问题严重;而石墨烯产业由于全球都没有现成的技术和经验,各国均从研发做起,通过研发突破形成核心竞争能力,而后根据企业自身的特色实现与本地的产业衔接与落地。

  各地石墨烯产业化对接呈现提速迹象。以无锡为例,12月18日《无锡石墨烯产业发展规划纲要》发布,同时“无锡石墨烯产业发展示范区”、“无锡市石墨烯技术及应用研发中心”、“江苏省石墨烯检测技术重点实验室”也正式揭牌。《无锡石墨烯产业发展规划纲要》明确,无锡将规划形成惠山经济开发区为无锡石墨烯产业发展示范区核心。惠山经济开发区规划占地面积1100-1300亩,重点建设“一区二中心”。“一区”即无锡石墨烯产业发展示范区,分为研发孵化区、加速发展区、产业应用区和综合配套区四个功能区。“二中心”即“无锡市石墨烯技术及应用研发中心”和已获批筹建的“江苏省石墨烯检测重点实验室”。

  惠山经济开发区管委会副主任沈伟良表示,无锡石墨烯研发生产企业格菲薄膜、第六元素、力合光电、爱维特等在最新研发成果方面进展很快,并且已有国内首款双层玻璃石墨烯手机问世。

  目前格菲电子研发的国内首条石墨烯传感器生产线正式投产,年产石墨烯透明导电薄膜8万平方米,各类触屏达1000万片。格菲电子已自行研发成功适用于石墨烯薄膜量产的生产设备及工艺,成为国内乃至全球首家拥有独立知识产权、实现石墨烯规模化应用于的企业。第六元素具有年产50吨石墨烯粉体的生产能力。力合光电已形成年产1000万部的4英寸手机、手机盖板生产线、SENSOR传感器生产线。由于无锡和江苏其他城市上市公司在电缆、电子等诸多领域均有较强实力,无锡石墨烯产业的发展将主要与上述产业对接。

  李义春介绍,还有多个地方的石墨烯应用做到了与本地特色产业的战略融合。以青岛为例,石墨烯产业的发展很大程度上依托海洋工程。石墨烯在当地海水淡化、防腐涂料等下游产业领域应用推进速度迅速。

  在贵州,贵州新碳高科完成柔性石墨烯散热薄膜的研发并成功实现规模化量产。柔性石墨烯散热薄膜散热效果比铜要提高2-4倍,且具有良好的可加工性能。

  一、国内首款石墨烯触控手机无锡发布

  石墨烯是目前最薄、最坚硬的纳米材料,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。今年初,石墨烯产业被联合国认定为人类未来两大领军产业之一。由于石墨烯材料的优异特性及环保、高效、应用面广的特征,南韩三星,美国IBM等世界级行业巨头已纷纷投入巨资加紧对石墨烯的研发,力图尽早将石墨烯产业化并应用于市场。

  在此大背景下,无锡丽格光电公司等单位经过反覆实验,终于在去年1月宣布全球首款手机用石墨烯电容触摸屏研制成功,使石墨烯材料商用化迈出一大步。今天推出的国内首款双层多点石墨烯触控手机系无锡爱维特信息技术公司研制,该通信终端产品采用全新的石墨烯材料作为显示屏,具有低碳环保、材质纤硬、清晰通透及触控灵敏的特点。与市面上热销的智能机相比,该款机型也具有4.5寸高清彩屏、9.7mm至薄机身、高清双摄像头,且支持双模双待。

  据悉,该终端使用安卓系统,其触摸感良好,重点是显示屏呈像清晰、反应速度较快。无锡爱维特相关人员介绍,与现有手机触摸屏材料氧化铟锡相比,石墨烯具有低成本、高性能、更柔韧、更环保的特色。

  业内专家介绍,价格只是石墨烯材料的优越性之一,石墨烯应用的范围十分广泛,如果顺利实现产业化,必然导致整个人类工业体系的变革。未来石墨烯材料还将在电子书、电脑、家用电器等更多的电子产品领域广泛应用,太阳能电池、LED显示、电子纸、生物感测器、电脑集成电路晶元等产品的研发、制造中,都将会有石墨烯材料的“身影”。

  二、石墨烯:改变世界的神奇材料?

  2010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,两位最早发现并揭示石墨烯独特性质的科学家获得当年诺贝尔物理学奖。石墨烯从此进入大众视野,成为材料家族中光芒四射的新星。

  石墨烯不是一种天然存在的材料。人们常见的石墨是由可以机械剥离的石墨片组成。由于石墨片层与层之间作用力较弱,当石墨被剥离至单层,仅有一个碳原子的厚度时,这层石墨片就是石墨烯。它是由碳原子紧密排列而成的蜂窝状结构的二维材料,看上去近似一张六边形网格构成的平面。

  在材料大家族中,石墨烯只是个晚辈。2004年,海姆和诺沃肖洛夫领导的研究小组,将石墨片黏在两片特殊的胶带之间,撕开胶带,石墨片就被减薄,一分为二。如此反复操作,薄片越来越薄,最终在显微镜下发现了石墨烯。人们发现,它的厚度只有0.34纳米,一片1毫米厚的石墨片由近300万层石墨烯堆垛而成。

  石墨烯的发现及其独特性质刺激了全球研究者的神经,更有人将其称之为“改变21世纪的材料”。

  性能超强

  石墨烯具有非凡的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极佳的透光特性

  石墨烯具有完美的二维平面结构,它蕴含的丰富而新奇物理现象的奥秘就来源于此。

  石墨烯拥有完美的对称正六边形结构,非常稳定,而且各个碳原子之间的连接很柔韧,即使受到外力冲击,也可以通过弯曲变形来维持稳定。

  这一独特结构使石墨烯几乎集合了世界上众多材料的最优质品质。据测试,它是迄今为止自然界中最强的二维材料,强度通常为普通钢材料的数十倍。有人曾测算,一块1平方米的石墨烯吊床足以承受一只4公斤重的猫,而该吊床的重量仅为0.77毫克,比猫的腮须还轻,肉眼根本看不到。

  最让科学界瞩目的,是它超强的导电性能。中国科学院半导体研究所研究员谭平恒介绍,石墨烯具有独特的线性电子能带结构,其传导电子是无质量的狄拉克费米子。电子在石墨烯中运动几乎没有阻力,迁移速度极快,是世上已知的电阻率最小的材料。因为这一特点,石墨烯被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。

  石墨烯还有优异的室温导热性和透光性。它的导热性能优于碳纳米管和金刚石,且几乎完全透明,只吸收2.3%的光。透明、良好的导电特性,使它极适合制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

  应用广阔

  在电子、航天军工、新能源等领域有广泛的应用潜力,有望引发现代电子科技新革命

  石墨烯“出道”虽短,但其高强度、高导电性、极轻薄等优势,使产业界迅速嗅到了其在电子、航天军工、生物、新能源、半导体等领域可能的应用潜力。

  目前的电子器件工业中,硅是主流的材料,而石墨烯的特性使其有望在很多方面代替硅。中国科学院物理研究所研究员、中国科学院院士高鸿钧表示,石墨烯在未来电子器件上具有诱人的应用前景,被看作是石墨烯研究最可能突破、实现产业化的领域,成为国际上的研究热点和竞争焦点。

  韩国三星公司是石墨烯研究的最大投资者之一。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。这是石墨烯在柔性电子应用上的首次成功尝试。

  高鸿钧说,三星公司的成果展示了石墨烯在未来柔性电子上广泛应用的可能性,很大程度上影响了当年诺贝尔物理学奖的归属。

  在能源领域,石墨烯有望在超级电容器和锂离子电池发展上一展抱负。超级电容器是一个高效存储和传递能量的体系,而石墨烯拥有大的比表面积、规范的多孔结构、高电导率和热稳定性,使其成为最有潜力的电极材料。据悉,美国科学家在今年上半年研发出一种以石墨烯技术为基础的“超级电容器”,其充电速率远高于普通电池,一部iPhone手机充满电仅需5秒钟。而用石墨烯制备的锂离子电池,在增加电极储能的同时,可以减少锂离子的扩散距离,提高锂电池的充放电效率和稳定性。

  石墨烯在食品加工等生物领域也有用武之地。科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损,人们可以利用这一特点做绷带、食品包装等。

  三、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。

  1、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。

  2、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。

  3、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。

  四、我国触摸屏行业石墨烯材料的应用与研发

  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。

  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。

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关键词: 石墨烯 触摸屏

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