石墨烯、納米銀線等觸控新材料崛起：應用分析

作者： Multitouch 時間：2014-03-12 源于：未知總點擊：

【導讀】：為降低原料成本，觸控面板廠積極找新材料，盼取代占成本40%左右的氧化銦錫（ITO）薄膜。在此背景下，金屬網格（Metalmesh）、納米銀線（Agnanowire）、碳納米管（CNT）、石墨烯（Graphene）等替代材料興起，受到各大觸控廠商青睞。

為降低原料成本，觸控面板廠積極找新材料，盼取代占成本40%左右的氧化銦錫（ITO）薄膜。在此背景下，金屬網格（Metalmesh）、納米銀線（Agnanowire）、碳納米管（CNT）、石墨烯（Graphene）等替代材料興起，受到各大觸控廠商青睞。

　　另外，觸控面板用氧化銦錫（ITO）薄膜主要材料為銦錫（Indium），全球58%產量集中在中國大陸，因銦錫產量遭限制，導致價格上漲。因國內限制銦錫產量，觸控面板廠費盡心思開發替代材料，以確保大尺寸觸控面板的價格競爭力。

　　下面將帶大家一起來看看這些替代氧化銦錫（ITO）薄膜的新材料的布局情況。

　　一、各廠商爭相布局Metalmesh金屬網格技術

　　Metal-Mesh是有別于傳統的ITO的觸控導電層，其特點之一是以Film為基礎，目前只是觸控技術之一，在手機和中尺寸觸控屏中應用比較多。MetalMesh具備以下優勢：首先，從工藝制程上來看，材料不會有浪費，材料本身成本也相對更低廉。其次，觸摸屏方阻低，導電性能更高，反應速度快，用戶體驗更完美。

　　2013年開始，觸控面板廠搶觸控筆記本商機，紛紛開始布局MetalMesh金屬網格技術，繼大陸觸控廠歐菲光、界面在今年底推出MetalMesh觸控面板之后，勝華也宣布推MetalMeshOGS面板。

　　針對輕薄化的趨勢，勝華還祭出了GFG可撓式觸控面板，預計2014年上半年量產。

　　雖然NB市場衰退，不過一年仍有超過2億臺的規模，以10~20%的市場滲透率計算，觸控筆記本一年出貨量高達2，000~4，000萬臺，數量相當可觀。由于ITO導電度比金屬差，在屏幕尺寸放大之后，影響到觸控靈敏度，因此觸控面板廠紛紛投入MetalMesh觸控的開發。

　　勝華表示，今年成功開發MetalMesh技術，利用過去TFT面板用的曝光機，把MetalMesh做在OGS單片式觸控面板上，不僅提升了觸控靈敏度，而且因為電阻降低，還可以達到表面懸浮（hovering）的觸控效果。包括手機大廠、以及NB廠都很有興趣，目前已經送樣給客戶驗證中，最快2014年上半年可望導入量產。

　　勝華董事長黃顯雄在今年宣布公司正在開發全新的GFG（GlassFlexibleGlass）觸控面板，也就是外層是一面保護玻璃，搭配一片超薄的flexibleglass可撓式玻璃。雖然是兩片玻璃，但是超薄玻璃厚度僅厚度約0.1~0.2毫米，不僅產品輕薄，而且透光度可達9成以上。

　　勝華表示，GFG觸控面板生產比較容易標準化，量產后成本可以快速下降，目前也正在跟客戶推廣。

　　今年各家觸控面板大廠都積極開發MetalMesh觸控技術，10月份大陸觸控面板廠歐菲光宣布量產MetalMesh觸控面板，供貨給大陸筆記本大廠。而界面日前發表全尺寸MetalMesh觸控面板。

　　界面表示，目前已經有包括手機以及平板電腦客戶在接觸，12月可以開始小量出貨，隨著客戶的新產品陸續量產，預期2014年第2季就將滿載。界面計劃在2014年第2季擴產。目前MetalMesh觸控面板的產能約5萬平方米，明年下半年還將會擴產，再增加25萬平方米。

　　二、觸控巨頭宸鴻進攻納米銀

　　納米線是一種納米尺度(1納米=10^-9米)的線。換一種說法，納米線可以被定義為一種具有在橫向上被限制在100納米以下（縱向沒有限制）的一維結構。這種尺度上，量子力學效應很重要，因此也被稱作"量子線"。根據組成材料的不同，納米線可分為不同的類型，包括金屬納米線（如：Ni，Pt，Au等），半導體納米線（如：InP，Si，GaN等）和絕緣體納米線（如：SiO2，TiO2等）。分子納米線由重復的分子元組成，可以是有機的（如：DNA）或者是無機的（如：Mo6S9-xIx）。作為納米技術的一個重要組成部分，納米線可以被用來制作超小電路。銀納米線除具有銀優良的導電性之外，由于納米級別的尺寸效應，還具有優異的透光性、耐曲撓性。因此被視為是最有可能替代傳統ITO透明電極的材料，為實現柔性、可彎折LED顯示、觸摸屏等提供了可能，并已有大量的研究將其應用于薄膜太陽能電池。此外由于銀納米線的大長徑比效應，使其在導電膠、導熱膠等方面的應用中也具有突出的優勢。

TPK宸鴻與日寫合作：進攻納米銀

　　F-TPK宸鴻與日本寫真宣布策略結盟，聯手進攻納米銀線（SNW）觸控技術，以降低成本，進軍5至6寸的中階智能機觸控市場，共同迎戰大陸競爭對手的價格戰，重回過去高獲利水平。

　　TPK與Cambrios先前合資成立TPKFilm，專門研發SNW技術，目前資本額為1500萬美元，引入日本寫真（日寫）后，將增資到2500萬美元，TPK加碼投資400萬美元，日寫投資625萬美元，TPK、日寫及Cambrios三方的股權比例分別為65%、25%及10%。

　　TPK事長江朝瑞表示，TPK與Cambrios合作開發SNW已逾3年，日寫將導入薄膜制程與滾動條式生產技術，雙方共同制定全球SNW的規格與標準，以樹立專利門檻，阻止對手進入。

　　TPK財務長劉詩亮說，TPKFilm預定第4季打樣，明年第2季量產，2014下半年產能將達200萬片，初期主攻智能手機及平板電腦。

　　納米銀是透明導電材料，可以運用在觸控感測導電圖型結構的制程中，納米銀觸控是目前最新且具成本競爭力的觸控技術，開發有助簡化制程，降低成本。

　　法人分析，宸鴻是整體手機、平板電腦供應鏈中，唯一主打納米銀觸控技術的廠商，納米銀訴求穿透率高等性能優勢，但由于納米銀觸控技術尚未普及，價格偏高，目前觸控裝置以中低價位的智能手機與平板電腦為主要市場，倘若技術不成熟、價格貴，恐怕短時間難打入市場。

　　宸鴻迎戰低價觸控競爭推出低價納米銀解決方案

　　宸鴻總經理孫大明表示，去年遭逢內嵌式（incell）觸控面板興起的沖擊，宸鴻都能迎刃而解，今年迎戰低價觸控面板競爭，宸鴻將加強中低端產品布局，并推出低價的納米銀解決方案，可望順利過關。

　　宸鴻財務長劉詩亮指出，過去宸鴻的基因是做高端產品，從技術演進來看，現在來做低規格的產品，具有技術上的優勢，宸鴻將開發中低端產品，雖然獲利會比較低、毛利降低，但量大時，整體獲利也會不錯。

　　今年以來，觸控筆電銷售未如預期，價格偏高是主因，觸控面板廠紛紛開發低價觸控面板，以利搶進觸控筆電市場。他說，宸鴻推出單片式觸控（OGS）面板，鎖定筆電市場，除既有的高端產品，也將推出低價產品。

　　三、日本開始量產單層碳納米管（CNT）

　　碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學、電學和化學性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應用前景也不斷地展現出來。碳納米管具有高傳熱、高導電性優良、碳納米管具有良好的力學性能，CNTs抗拉強度達到50～200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，至少比常規石墨纖維高一個數量級；它的彈性模量可達1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復合材料，可使復合材料表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復合材料的性能帶來極大的改善。

　　2014年2月，日本終于開始量產單層碳納米管（CNT）了。分離技術也取得了巨大進展，今后有望實現以前無法實現的產品。石墨烯的帶隙問題也出現了解決的希望。

　　什么樣的碳元件能實用化主要取決于CNT和石墨烯等材料的品質及價格。現在，終于能以低成本采購高品質的CNT和石墨烯了，而且還有希望選擇具備特定帶隙的材料。

　 單層CNT：合成和分離均取得進展

　　日本從2014年2月開始量產單層碳納米管（CNT）。單層CNT的量產在全球還比較少見注1）。如果每克高達10多萬日元的單層CNT價格能通過量產降低，利用單層CNT的碳元件就會增加，從而促進單層CNT的價格進一步降低，這樣就有望形成良性循環。

　　除此之外，量產較高品質單層CNT的還有率先推出CNT觸摸面板的中國富納源創。2002年開發出了稱為“Super-AlignedCNTArray”的CVD法。與SG法相似，不過SG法是2004年開發的。

　　采用兩種方法的工廠接連投入運轉

　　目前，量產高品質單層CNT的技術主要可分為兩種。日本最近運轉的量產工廠也采用了隸屬于這兩種分類的技術。首先，2014年2月開始量產的是稱為eDIPS（增強直噴熱解合成）法的技術（圖1）。

　　該技術由日本產業技術綜合研究所開發。名城大學設立的風險企業——名城納米碳公司建設了采用該技術的量產工廠，于2014年2月投入使用。“采用eDIPS法一小時可合成一克單層CNT。包括精煉過程的成品率在內，與我們此前利用的電弧放電法相比，擁有100倍的量產性”（名城納米碳公司代表董事橋本剛）。

　　另一種量產技術稱為超速成長（SG）法，也是由產業技術綜合研究所開發的。SG法已經啟動了長12m的大型驗證工廠。不過，今后才要開始大規模量產。日本瑞翁（Zeon）正考慮2015年啟動年產10噸規模的工廠。

　　根據碳元件的種類區分使用

　　這兩種量產技術相互之間不存在競爭。因為可合成的單層CNT的類型不同。因此，都是根據用途區分利用合成法。

　　首先，eDIPS法是化學氣相法（CVD）的一種，從反應爐上投入碳源和作為催化劑的金屬微顆粒物，在氣相中生長CNT。既不使用基板也不使用固定催化劑的載體。無需清潔車間，能在大氣壓下制造。

　　利用這種方法合成的單層CNT結晶缺陷少，純度高達90～95％，遠遠高于原來的合成方法。CNT的直徑比較細，只有1n～2nm。

　　該方法的最大特點是，“通過控制反應條件，可在約10％的范圍內制作所需的直徑”（產業技術綜合研究所納米管應用研究中心流動氣相成長CNT小組研究組長齋藤毅）。

　　單層CNT的結晶缺陷少有助于載流子遷移率、發光效率和機械強度等都實現高水平。直徑可選意味著如果單層CNT是半導體型，可以選擇帶隙尺寸。因此，利用eDIPS法合成的單層CNT適合用作半導體材料。

　　可以全部分離的技術亮相

　　最近開發出了基本不使用電力就能分離手性各異的單層CNT的方法。那就是“柱分離法”，該方法是產業技術綜合研究所納米系統研究部門首席研究員片浦弘道的研究小組開發的。據片浦介紹，“量產時的成本可降至密度梯度超離心分離法的1/100”。

　　該方法是向加入了醫療領域用于蛋白質分離等的多孔質凝膠的柱體，澆注含手性各異的單層CNT的溶液。這樣一來，溶液中最容易與凝膠吸附的CNT就留在了凝膠中，而其他成分被排出。

　　然后，讓排出的溶液再次通過凝膠，剩余的CNT中最容易吸附凝膠的CNT又留在凝膠中，其余被排出。

　　通過重復這個過程，單層CNT基本可以根據手性的不同全部分離。另外最近，即使手性相同，還可以根據右旋還是左旋等差異進行分離。

　　目前的課題是，凝膠價格非常高。不過，“凝膠的原料比較便宜，因此量產的話就能降低單價”（片浦）。

“玉石混雜”的情況將結束

　　很多CNT碳元件的研究人員都對柱分離法表現出了強烈的興趣。這是因為，以前一直利用半導體型與金屬型混合這種“玉石混雜”的材料制造元件，而現在突然可以利用具備特定帶隙的CNT了。有望實現性能非常高或者全新的元件。

　　順便一提，關于半導體型和金屬型的分離，NEC等也開發出了只使用很少電力的技術（圖2（d））。特點是，CNT分散劑采用不會對晶體管等造成影響的非離子性表面活性劑；而且直徑稍大、帶隙較小的單層CNT可以分離成半導體型和金屬型。

　　四、石墨烯制法新突破：將得到廣泛應用

　　石墨烯是世界上最薄、導熱性最高、導電性最好、柔軟并透明、化學穩定性最強、最堅韌的材料將在手機顯示屏、電池、傳感器、元器件等方面給手機產業帶來革命性應用。

　　它是一個只有原子厚的碳片，它類似于鉛筆芯的材料─石墨，同時它也是地球上已知的最薄、但卻比鋼還要堅固200倍的新型材料。石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯具有與銅相當的導電效率，又有優于其他材料的導熱性能。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，只吸收2.3%的光；導熱系數高達5300W/m？K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率比納米碳管或硅晶體高，而電阻率比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料第一：石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，據測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；第二：石墨烯是世界上導電性最好的材料。由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。

　　而今年，兩位俄裔英籍科學家將石墨烯成功從石墨中分離。如果說20世紀是硅的世紀，神奇的石墨烯則是21世紀新材料的寵兒。

　　去年，來自國外的部分研究機構發現，石墨烯這種材料擁有難以置信的光吸收能力，并且還能把吸收的光波迅速轉化為波長更短、頻率更高的激光，持續時間為幾飛秒。科學家們表示，利用這個新發現，未來他們可以發明更耐高溫的激光發射武器（石墨烯超耐高溫）。當然，這個發現目前僅存在于實驗室，如果科學家們建立出實體模型，將能夠增加激光發射器的使用壽命和發射功率。

　　不僅是在國外，中國在發展石墨烯激光器的道路上同樣取得令人矚目的進展。

　　日前，泰州巨納新能源有限公司研制的商用石墨烯飛秒光纖激光器（Fiphene）問世，這也是全球首臺商用石墨烯飛秒光纖激光器。同時，該激光器還創造了脈沖寬度最短（105fs）和峰值功率最高（70kW）兩項石墨烯飛秒光纖激光器世界紀錄。

　　該產品被命名為Fiphene，取Fiber（光纖）和Graphene（石墨烯）兩個詞的組合。泰州巨納新能源有限公司計劃以Fiphene為平臺，推出更多石墨烯光纖激光器產品，將石墨烯的應用發展向前推進。

　　飛秒光纖激光器的應用領域非常廣闊，包括激光成像、全息光譜及超快光子學等科研應用，以及激光材料精細加工、激光醫療（如眼科手術）、激光雷達等領域。傳統的飛秒光纖激光器核心器件——半導體飽和吸收鏡（SESAM）采用半導體生長工藝制備，成本很高，且技術由國外壟斷。

　　在飛秒光纖激光器領域，石墨烯被認為是取代SESAM的最佳材料。2010年諾貝爾物理學獎獲得者撰文預測石墨烯飛秒光纖激光器有望在2018年左右產業化。要實現真正的產業化，需要解決高質量石墨烯制備、大規模低成本石墨烯轉移、石墨烯與光場強相互作用、石墨烯飽和吸收體封裝以及激光功率穩定控制等一系列關鍵技術。泰州巨納新能源有限公司經過多年持續研究，成功攻克了這些關鍵技術，率先實現了石墨烯飛秒光纖激光器的產品化，主要性能指標均高于同類產品，具有很高的性價比和很強的市場競爭能力。

　　近日，一支由法、美、德三國研究機構和大學組成的國際研究團隊利用新方法合成了高質量石墨烯納米帶，并成功在室溫下驗證了其非凡的導電性能。這種納米帶為新型電子設備的研發開創了新的發展空間。

　　石墨烯是一種由單層碳原子組成的材料，擁有眾多極為特殊的物理特性，室溫下電子在石墨烯材料中的移動速度是硅導體的200倍。此前的研究已經證實，碳納米管（由石墨烯卷曲而成的圓筒結構）具有極好的導電性能，然而結構較為復雜的碳納米管難以安裝在電子芯片內部。因此，科研人員將研究轉向石墨烯的另外一種形式——扁平的石墨烯納米帶。

該研究團隊設計出一套巧妙的辦法，成功制備出寬度僅為40納米的高質量石墨烯納米帶。此前的石墨烯納米帶邊緣較為粗糙，這嚴重影響了其導電性，是阻礙石墨烯納米帶電子傳輸的一大障礙。為解決這一問題，研究人員在碳化硅晶體上切割出邊緣整齊的帶狀凹槽，并直接在這些凹槽上制備石墨烯納米帶。在測試新制備納米帶導電性的實驗中，常溫下的電子遷移率超過了100萬cm2/Vs（每單位電場下電子的遷移速率），是應用于計算機內存的硅半導體的1000倍（通常低于1700cm2/Vs）。

　　此外，新的制備方法適用于大批量規模生產，并能夠保證石墨烯納米帶的結構質量，這使得石墨烯在電子領域的廣泛應用成為可能。