石墨烯、納米銀線(xiàn)等觸控新材料崛起：應用分析

　　為降低原料成本，觸控面板廠(chǎng)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(wǎng)格（Metalmesh）、納米銀線(xiàn)（Agnanowire）、碳納米管（CNT）、石墨烯（Graphene）等替代材料興起，受到各大觸控廠(chǎng)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(chǎn)量集中在中國大陸，因銦錫產(chǎn)量遭限制，導致價(jià)格上漲。因國內限制銦錫產(chǎn)量，觸控面板廠(chǎng)費盡心思開(kāi)發(fā)替代材料，以確保大尺寸觸控面板的價(jià)格競爭力。

　　下面將帶大家一起來(lái)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(chǎng)商爭相布局Metalmesh金屬網(wǎng)格技術(shù)

　　Metal-Mesh是有別于傳統的ITO的觸控導電層，其特點(diǎn)之一是以Film為基礎，目前只是觸控技術(shù)之一，在手機和中尺寸觸控屏中應用比較多。MetalMesh具備以下優(yōu)勢：首先，從工藝制程上來(lái)看，材料不會(huì )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(hù)體驗更完美。

　　2013年開(kāi)始，觸控面板廠(chǎng)搶觸控筆記本商機，紛紛開(kāi)始布局MetalMesh金屬網(wǎng)格技術(shù)，繼大陸觸控廠(chǎng)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(chǎn)。

　　雖然NB市場(chǎng)衰退，不過(guò)一年仍有超過(guò)2億臺的規模，以10~20%的市場(chǎng)滲透率計算，觸控筆記本一年出貨量高達2，000~4，000萬(wàn)臺，數量相當可觀(guān)。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(chǎng)紛紛投入MetalMesh觸控的開(kāi)發(fā)。

　　勝華表示，今年成功開(kāi)發(fā)MetalMesh技術(shù)，利用過(guò)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?。╤overing）的觸控效果。包括手機大廠(chǎng)、以及NB廠(chǎng)都很有興趣，目前已經(jīng)送樣給客戶(hù)驗證中，最快2014年上半年可望導入量產(chǎn)。

　　勝華董事長(cháng)黃顯雄在今年宣布公司正在開(kāi)發(fā)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(chǎn)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(chǎn)比較容易標準化，量產(chǎn)后成本可以快速下降，目前也正在跟客戶(hù)推廣。

　　今年各家觸控面板大廠(chǎng)都積極開(kāi)發(fā)MetalMesh觸控技術(shù)，10月份大陸觸控面板廠(chǎng)歐菲光宣布量產(chǎn)MetalMesh觸控面板，供貨給大陸筆記本大廠(chǎng)。而界面日前發(fā)表全尺寸MetalMesh觸控面板。

　　界面表示，目前已經(jīng)有包括手機以及平板電腦客戶(hù)在接觸，12月可以開(kāi)始小量出貨，隨著(zhù)客戶(hù)的新產(chǎn)品陸續量產(chǎn)，預期2014年第2季就將滿(mǎn)載。界面計劃在2014年第2季擴產(chǎn)。目前MetalMesh觸控面板的產(chǎn)能約5萬(wàn)平方米，明年下半年還將會(huì )擴產(chǎn)，再增加25萬(wàn)平方米。

　　二、觸控巨頭宸鴻進(jìn)攻納米銀

　　納米線(xiàn)是一種納米尺度（1納米=10^-9米）的線(xiàn)。換一種說(shuō)法，納米線(xiàn)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(méi)有限制）的一維結構。這種尺度上，量子力學(xué)效應很重要，因此也被稱(chēng)作“量子線(xiàn)”。根據組成材料的不同，納米線(xiàn)可分為不同的類(lèi)型，包括金屬納米線(xiàn)（如：Ni，Pt，Au等），半導體納米線(xiàn)（如：InP，Si，GaN等）和絕緣體納米線(xiàn)（如：SiO2，TiO2等）。分子納米線(xiàn)由重復的分子元組成，可以是有機的（如：DNA）或者是無(wú)機的（如：Mo6S9-xIx）。作為納米技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，納米線(xiàn)可以被用來(lái)制作超小電路。銀納米線(xiàn)除具有銀優(yōu)良的導電性之外，由于納米級別的尺寸效應，還具有優(yōu)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(shí)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(yáng)能電池。此外由于銀納米線(xiàn)的大長(cháng)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(yōu)勢。

　　TPK宸鴻與日寫(xiě)合作：進(jìn)攻納米銀

　　F-TPK宸鴻與日本寫(xiě)真宣布策略結盟，聯(lián)手進(jìn)攻納米銀線(xiàn)（SNW）觸控技術(shù)，以降低成本，進(jìn)軍5至6寸的中階智能機觸控市場(chǎng)，共同迎戰大陸競爭對手的價(jià)格戰，重回過(guò)去高獲利水平。

　　TPK與Cambrios先前合資成立TPKFilm，專(zhuān)門(mén)研發(fā) SNW技術(shù)，目前資本額為1500萬(wàn)美元，引入日本寫(xiě)真（日寫(xiě)）后，將增資到2500萬(wàn)美元，TPK加碼投資400萬(wàn)美元，日寫(xiě)投資625萬(wàn)美元，TPK、日寫(xiě)及Cambrios三方的股權比例分別為65%、25%及10%。

　　TPK事長(cháng)江朝瑞表示，TPK與Cambrios合作開(kāi)發(fā)SNW已逾3年，日寫(xiě)將導入薄膜制程與滾動(dòng)條式生產(chǎn)技術(shù)，雙方共同制定全球SNW的規格與標準，以樹(shù)立專(zhuān)利門(mén)檻，阻止對手進(jìn)入。

　　TPK財務(wù)長(cháng)劉詩(shī)亮說(shuō)，TPKFilm預定第4季打樣，明年第2季量產(chǎn)，2014下半年產(chǎn)能將達200萬(wàn)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(shù)，開(kāi)發(fā)有助簡(jiǎn)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(shù)的廠(chǎng)商，納米銀訴求穿透率高等性能優(yōu)勢，但由于納米銀觸控技術(shù)尚未普及，價(jià)格偏高，目前觸控裝置以中低價(jià)位的智能手機與平板電腦為主要市場(chǎng)，倘若技術(shù)不成熟、價(jià)格貴，恐怕短時(shí)間難打入市場(chǎng)。

　　宸鴻迎戰低價(jià)觸控競爭推出低價(jià)納米銀解決方案

　　宸鴻總經(jīng)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(jià)觸控面板競爭，宸鴻將加強中低端產(chǎn)品布局，并推出低價(jià)的納米銀解決方案，可望順利過(guò)關(guān)。

　　宸鴻財務(wù)長(cháng)劉詩(shī)亮指出，過(guò)去宸鴻的基因是做高端產(chǎn)品，從技術(shù)演進(jìn)來(lái)看，現在來(lái)做低規格的產(chǎn)品，具有技術(shù)上的優(yōu)勢，宸鴻將開(kāi)發(fā)中低端產(chǎn)品，雖然獲利會(huì )比較低、毛利降低，但量大時(shí)，整體獲利也會(huì )不錯。

　　今年以來(lái)，觸控筆電銷(xiāo)售未如預期，價(jià)格偏高是主因，觸控面板廠(chǎng)紛紛開(kāi)發(fā)低價(jià)觸控面板，以利搶進(jìn)觸控筆電市場(chǎng)。他說(shuō)，宸鴻推出單片式觸控（OGS）面板，鎖定筆電市場(chǎng)，除既有的高端產(chǎn)品，也將推出低價(jià)產(chǎn)品。

　　三、日本開(kāi)始量產(chǎn)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(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近些年隨著(zhù)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(lái)。碳納米管具有高傳熱、高導電性?xún)?yōu)良、碳納米管具有良好的力學(xué)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(gè)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(lái)極大的改善。

　　2014年2月，日本終于開(kāi)始量產(chǎn)單層碳納米管（CNT）了。分離技術(shù)也取得了巨大進(jìn)展，今后有望實(shí)現以前無(wú)法實(shí)現的產(chǎn)品。石墨烯的帶隙問(wèn)題也出現了解決的希望。

　　什么樣的碳元件能實(shí)用化主要取決于CNT和石墨烯等材料的品質(zhì)及價(jià)格?，F在，終于能以低成本采購高品質(zhì)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(jìn)展

　　日本從2014年2月開(kāi)始量產(chǎn)單層碳納米管（CNT）。單層CNT的量產(chǎn)在全球還比較少見(jiàn)注1）。如果每克高達10多萬(wàn)日元的單層CNT價(jià)格能通過(guò)量產(chǎn)降低，利用單層CNT的碳元件就會(huì )增加，從而促進(jìn)單層CNT的價(jià)格進(jìn)一步降低，這樣就有望形成良性循環(huán)。

　　除此之外，量產(chǎn)較高品質(zhì)單層CNT的還有率先推出CNT觸摸面板的中國富納源創(chuàng )。2002年開(kāi)發(fā)出了稱(chēng)為“Super-AlignedCNTArray”的CVD法。與SG法相似，不過(guò)SG法是2004年開(kāi)發(fā)的。

　　采用兩種方法的工廠(chǎng)接連投入運轉

　　目前，量產(chǎn)高品質(zhì)單層CNT的技術(shù)主要可分為兩種。日本最近運轉的量產(chǎn)工廠(chǎng)也采用了隸屬于這兩種分類(lèi)的技術(shù)。首先，2014年2月開(kāi)始量產(chǎn)的是稱(chēng)為eDIPS（增強直噴熱解合成）法的技術(shù)（圖1）。

　　該技術(shù)由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開(kāi)發(fā)。名城大學(xué)設立的風(fēng)險企業(yè)——名城納米碳公司建設了采用該技術(shù)的量產(chǎn)工廠(chǎng)，于2014年2月投入使用。“采用eDIPS法一小時(shí)可合成一克單層CNT。包括精煉過(guò)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(chǎn)性”（名城納米碳公司代表董事橋本剛）。

　　另一種量產(chǎn)技術(shù)稱(chēng)為超速成長(cháng)（SG）法，也是由產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開(kāi)發(fā)的。SG法已經(jīng)啟動(dòng)了長(cháng)12m的大型驗證工廠(chǎng)。不過(guò)，今后才要開(kāi)始大規模量產(chǎn)。日本瑞翁（Zeon）正考慮2015年啟動(dòng)年產(chǎn)10噸規模的工廠(chǎng)。

　　根據碳元件的種類(lèi)區分使用

　　這兩種量產(chǎn)技術(shù)相互之間不存在競爭。因為可合成的單層CNT的類(lèi)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(xué)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(cháng)CNT。既不使用基板也不使用固定催化劑的載體。無(wú)需清潔車(chē)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(lái)的合成方法。CNT的直徑比較細，只有1n～2nm。

　　該方法的最大特點(diǎn)是，“通過(guò)控制反應條件，可在約10％的范圍內制作所需的直徑”（產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所納米管應用研究中心流動(dòng)氣相成長(cháng)CNT小組研究組長(cháng)齋藤毅）。

　　單層CNT的結晶缺陷少有助于載流子遷移率、發(fā)光效率和機械強度等都實(shí)現高水平。直徑可選意味著(zhù)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(shù)亮相

　　最近開(kāi)發(fā)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(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所納米系統研究部門(mén)首席研究員片浦弘道的研究小組開(kāi)發(fā)的。據片浦介紹，“量產(chǎn)時(shí)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(lǐng)域用于蛋白質(zhì)分離等的多孔質(zhì)凝膠的柱體，澆注含手性各異的單層CNT的溶液。這樣一來(lái)，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(guò)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(guò)重復這個(gè)過(guò)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(jìn)行分離。

　　目前的課題是，凝膠價(jià)格非常高。不過(guò)，“凝膠的原料比較便宜，因此量產(chǎn)的話(huà)就能降低單價(jià)”（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(shí)現性能非常高或者全新的元件。

　　順便一提，關(guān)于半導體型和金屬型的分離，NEC等也開(kāi)發(fā)出了只使用很少電力的技術(shù)（圖2（d））。特點(diǎn)是，CNT分散劑采用不會(huì )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(xué)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(chǎn)業(yè)帶來(lái)革命性應用。

　　它是一個(gè)只有原子厚的碳片，它類(lèi)似于鉛筆芯的材料─石墨，同時(shí)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(zhì)，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(yōu)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(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導體，也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽(yáng)能電池。

　　而今年，兩位俄裔英籍科學(xué)家將石墨烯成功從石墨中分離。如果說(shuō)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(lái)自國外的部分研究機構發(fā)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(cháng)更短、頻率更高的激光，持續時(shí)間為幾飛秒?？茖W(xué)家們表示，利用這個(gè)新發(fā)現，未來(lái)他們可以發(fā)明更耐高溫的激光發(fā)射武器（石墨烯超耐高溫）。當然，這個(gè)發(fā)現目前僅存在于實(shí)驗室，如果科學(xué)家們建立出實(shí)體模型，將能夠增加激光發(fā)射器的使用壽命和發(fā)射功率。

　　不僅是在國外，中國在發(fā)展石墨烯激光器的道路上同樣取得令人矚目的進(jìn)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(wèn)世，這也是全球首臺商用石墨烯飛秒光纖激光器。同時(shí)，該激光器還創(chuàng )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(chǎn)品被命名為Fiphene，取Fiber（光纖）和Graphene（石墨烯）兩個(gè)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(chǎn)品，將石墨烯的應用發(fā)展向前推進(jìn)。

　　飛秒光纖激光器的應用領(lǐng)域非常廣闊，包括激光成像、全息光譜及超快光子學(xué)等科研應用，以及激光材料精細加工、激光醫療（如眼科手術(shù)）、激光雷達等領(lǐng)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(cháng)工藝制備，成本很高，且技術(shù)由國外壟斷。

　　在飛秒光纖激光器領(lǐng)域，石墨烯被認為是取代SESAM的最佳材料。 2010年諾貝爾物理學(xué)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(chǎn)業(yè)化。要實(shí)現真正的產(chǎn)業(yè)化，需要解決高質(zhì)量石墨烯制備、大規模低成本石墨烯轉移、石墨烯與光場(chǎng)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(guān)鍵技術(shù)。泰州巨納新能源有限公司經(jīng)過(guò)多年持續研究，成功攻克了這些關(guān)鍵技術(shù)，率先實(shí)現了石墨烯飛秒光纖激光器的產(chǎn)品化，主要性能指標均高于同類(lèi)產(chǎn)品，具有很高的性?xún)r(jià)比和很強的市場(chǎng)競爭能力。

　　近日，一支由法、美、德三國研究機構和大學(xué)組成的國際研究團隊利用新方法合成了高質(zhì)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(fā)開(kāi)創(chuàng )了新的發(fā)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(dòng)速度是硅導體的200倍。此前的研究已經(jīng)證實(shí)，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(zhì)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(wèn)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(shí)驗中，常溫下的電子遷移率超過(guò)了100萬(wàn)cm2/Vs（每單位電場(chǎng)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(chǎn)，并能夠保證石墨烯納米帶的結構質(zhì)量，這使得石墨烯在電子領(lǐng)域的廣泛應用成為可能。