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中國安防展覽網 企業(yè)關注】雖然“石墨烯”一詞已經出現多時了，但對于大多數人來說，只聞其名，卻不見其形，更不知道有什么用途。從發(fā)展趨勢來看，石墨烯將從工業(yè)“味精”的角色向“主料”轉變，將在柔性電子、智能穿戴、觸摸屏、傳感器、導熱導電材料、功能涂料等領域廣泛應用。
石墨烯的逆襲：未來將在電子產品中大量使用
“觸控屏”已經成為手機、平板電腦的標準配置。作為可以提供簡單、方便、自然的人機交互方式，觸控屏主要應用于電子消費品、公共信息終端、工業(yè)控制、多媒體教學等，其市場持續(xù)增長。目前，市面上常用的觸控屏為電容式，其工作原理為人的手指在觸控屏上接觸后會產生耦合電容，觸控屏的IC控制器可以感知到觸控屏圖形化電極上電流的變化，從而可以獲得觸摸的坐標位置。
一般而言，觸控屏中常用的透明電極材料為氧化銦錫(ITO)，為一種導電氧化物薄膜。ITO透明電極的技術面臨瓶頸：(1)ITO在可見光范圍內表現出不均勻光吸收，因此顏色偏黃，不適合全波段工作。(2)ITO導電率較低，容易造成產品效果不良，而且ITO厚度較厚，不符合觸控市場更薄、更輕的發(fā)展趨勢；(3)ITO材料非常脆，在工業(yè)制備中容易損壞，造成經濟損失和資源浪費，也完全不適合未來柔性觸控屏幕的發(fā)展趨勢；(4)ITO的化學性質不穩(wěn)定，同時散熱性能較差，在大功率器件上的應用受到很大限制。(5)ITO材料具備有毒性，不利于環(huán)保，同時銦是一種稀有元素，儲量低，價格也曰益增長，對資源造成浪費，違背了未來綠色節(jié)能環(huán)保和市場經濟發(fā)展的必然性趨勢。
研究人員一直探尋新的透明導電材料取代ITO材料，例如金屬柵格-金屬納米線、導電聚合物、碳納米管等。這些材料中以碳納米管性能表現相對突出，它在全可見光波段均具有非長高的透過率，但要求碳納米管的密度要超過一定閾值。雖然單個碳納米管導電能力較強，然而不同碳納米管之間結電阻較高，較高的密度導致整個碳納米管膜層電阻增大，限制了其導電能力，因此，迫切需要尋找一種光電性能優(yōu)越的新型透明導電材料。
石墨烯材料在觸控屏中的應用優(yōu)勢
石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型晶格的平面薄膜(圖1)，是僅有一層原子厚度的新型二維材料，在力學、熱學、光學、電學等方面均具有十分優(yōu)異的性質。石墨烯在觸控屏中具有明顯的應用優(yōu)勢，其主要有點包括：(1)石墨烯幾乎是全透明的，單層石墨烯薄膜從紫外、可見到紅外波段的透光率均高達97.7%，因而不會偏色；(2)電導率與透光率的矛盾在石墨烯透明電極中可得到很好的解決。石墨烯材料僅一個碳原子層厚，其載流子遷移率極高，是迄今為止發(fā)現的電導率高的材料；(3)石墨烯薄膜具有極高的力學強度，并且非常柔軟(甚至可以在一定程度折疊)；(4)石墨烯的化學性質穩(wěn)定，性能受環(huán)境的影響較小；(5)石墨烯是單原子層的碳材料，不存在毒性，對環(huán)境也無污染，符合綠色壞保的要求；(6)自然界碳元素含鮮常豐富，因此采用石墨烯作為電極，原材料的限制較小。
2010年，韓國三星公司早將石墨烯膜作為透明電極應用于3.1英寸電阻觸控屏，在國內，中科院重慶研究院致力于石墨烯薄膜的大面積制備與應用技術研究，2013年1月發(fā)布了國內首片15英寸單層石墨烯薄膜，并制備了7英寸柔性墨烯電阻式觸控屏。圖2所示，該石墨烯觸控屏色質純凈、透光性好、觸控靈敏，特別是在彎曲的情況下同樣可以實現良好的觸控和書寫。這種隨意卷曲也不會影響使用效果的觸摸屏將促進柔性智能終端的開發(fā)。
石墨烯在觸控屏中應用的關鍵技術
大面積石墨烯薄膜一般高溫生長于銅箔等金屬襯底表面。對于石墨烯的應用而言，需要將石墨烯從生長襯底轉移到所需基底表面。石墨烯電容式觸摸屏的工藝分為石墨烯的轉移、改性、圖形化及其電容屏模組制備四個過程。
1、石墨烯薄膜轉移關鍵技術
石墨烯薄膜的轉移方法很多，目前使用多的有兩類：基于PMMA犧牲層的轉移方法和熱釋膠帶轉移方法。前一種方法：在石墨烯表面旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，用酸液刻蝕銅，然后將石墨烯轉移至目標基底上，后用丙酮去除PMMA，該方法操作簡單，在實驗室大量使用；后一種方法：將熱釋膠帶與石墨烯/銅箔貼合，用酸液刻蝕銅，然后將石墨烯/熱釋膠帶與用酸液刻蝕銅，然后將石墨烯/熱釋膠帶與目標基底貼合，后熱釋膠帶通過加熱轉移釋放石墨烯。熱釋膠帶轉移方法方便大面積使用，同時通過膠帶的裁剪也方便控制轉移石墨烯的形狀，因而對于石墨烯觸控屏而言，熱釋膠帶轉移石墨稀方法更為實用。
2、石墨烯薄膜改性關鍵技術
根據不同的應用需求，石墨烯薄膜還需要進行改性增強。對于石墨烯觸控屏而言，石墨烯薄膜需要在保持高透光率的條件下進一步增強薄膜的導電性。在載流子遷移率一定的情況下，通過摻雜改性提高石墨烯載流子濃度是增強石墨烯導電性的重要途徑。本征石墨烯的價帶和導帶在布里淵區(qū)中心呈錐形接觸，因此是零帶隙的半導體或半金屬；通過表面吸附、晶格空位晶格替換摻雜等途徑可改變其能帶能級結形成與半導體類似的摻雜效應。目前，石墨烯摻雜改性劑種類很多，主要有硝酸氯金酸、導電高分子等，采用的改性方法包括浸泡、熏蒸、原位復合以及旋涂的方式。
3、石墨烯薄膜圖形化關鍵技術
石墨烯是一種由碳原子組成二維材料，具有很好的化學穩(wěn)定性。一般采用酸和堿很難對石墨烯實現腐蝕，因此用石墨烯實現電容式觸摸屏過程中，會遇到一個很大的難題：在現有的觸控工藝線條件下實現對石墨烯的刻蝕。要實現對石墨烯的刻蝕—般的方法包括兩個方面：(1)由于石墨烯是一種很薄的材料，只有一個原子層厚，因此可以采用高能量轟擊的方式去掉不需要的石墨烯；(2)石墨烯是由碳原子構成，所以可以考慮在特殊條件下與氧氣等物質發(fā)生化學反應，從而去除石墨烯。基于此，石墨烯刻蝕方法有三種：激光刻蝕、氧等離子刻蝕、氧紫外線刻蝕。其中，石墨烯激光刻蝕法，處理方法較為簡單，同時現有工業(yè)化設備可以實現10微米量級的石墨烯圖形，滿足在工廠規(guī)?；苽涞男枨?。
4、石墨烯觸控模組關鍵技術
石墨烯觸控模組制程可分為前段sensor工藝和后段的貼合工藝，前段工藝的目的是實現電容式觸摸屏的sensor，而后段工藝則是將sensor與觸控芯片貼合組成石墨烯電容式觸摸屏成品。其中主要的工藝步驟包括：銀漿的絲印與刻濁、石墨烯sensor與觸控芯片的貼合、蓋板貼合于除泡。其中，石墨烯sensor與觸控芯片通過柔性印刷電路版(FPC)進行電氣連接，需要經過綁定機器通過一定的壓力和高溫(約180℃)條件與ACF膠粘接綁定。
石墨烯觸控屏產業(yè)化應用前景
自從石墨烯發(fā)現者于2010年獲得諾貝爾物理學獎以來，國內外石墨烯產業(yè)開始興起，但前期石墨烯產業(yè)化的重點為石墨烯原材料的規(guī)?；a，市場上還缺少一款可供銷售的石墨烯薄膜應用商品。
2013年以來，由于突破了石墨烯電極快速圖形化、真空貼合等核心技術，試制出GF/GFE結構3.5英寸至6英寸電容式觸摸屏和真實多點石墨烯手機工程樣機，重慶墨?？萍加邢薰疽搽S之拉開了石墨烯手機量產的序幕。2015年3月，首批3萬部5.5英寸量產石墨烯手機在重慶面世，如圖4所示。在不久的未來，石墨烯觸控屏將應用到更多種類的智能終端中，如平板電腦、電子閱讀器、智能穿戴產品等消費類電子產品。
未來，石墨烯觸摸屏技術將在柔性電子產品中大量使用?；谑┍∧さ娜嵝杂|摸屏，能夠很好地克服現今的材料與技術限制，使得觸摸屏具有更多的可能性和更好的性能。手機或者電腦等智能電子產品將變得柔軟且可折疊，更便于攜帶。
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