替代 ITO 石墨烯触摸屏产业化之路还有多远?

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OFweek显示网讯 “触控屏” 已经成为手机、平板电脑的标准配置,主要应用于电子消费品、公共信息终端、工业控制、多媒体教学等, 其市场持续增长。目前,触控屏常用的透明电极材料为氧化铟锡(ITO ),但是有毒性并且资源稀缺,石墨烯由于其高透光率、柔性和强度是触控屏电极的理想材料。

“触控屏” 已经成为手机、平板电脑的标准配置。作为可以提供简单、方便、自然的人机交互方式, 触控屏主要应用于电子消费品、公共信息终端、工业控制、多媒体教学等, 其市场持续增长。目前, 市面上常用的触控屏为电容式, 其工作原理为人的手指在触控屏上接触后会产生耦合电容, 触控屏的IC控制器可以感知到触控屏图形化电极上电流的变化, 从而可以获得触摸的坐标位置。

一般而言, 触控屏中常用的透明电极材料为氧化铟锡(ITO ), 为一种导电氧化物薄膜。ITO透明电极的技术面临瓶颈:

(1)ITO 在可见光范围内表现出不均匀光吸收,因此颜色偏黄, 不适合全波段工作。

(2)ITO导电率较低, 容易造成产品效果不良,而且ITO 厚度较厚, 不符合触控市场更薄、更轻的发展趋势;

(3)ITO材料非常脆,在工业制备中容易损坏, 造成经济损失和资源浪费, 也完全不适合未来柔性触控屏幕的发展趋势;

(4)ITO的化学性质不稳定,同时散热性能较差, 在大功率器件上的应用受到很大限制。

(5)ITO材料具备有毒性, 不利于环保, 同时铟是一种稀有元素,储量低, 价格也曰益增长, 对资源造成浪费,违背了未来绿色节能环保和市场经济发展的必然性趋势。

研究人员一直探寻新的透明导电材料取代ITO材料,例如金属栅格-金属纳米线、导电聚合物、碳纳米管等。这些材料中以碳纳米管性能表现相对突出, 它在全可见光波段均具有非长高的透过率, 但要求碳纳米管的密度要超过一定阈值。虽然单个碳纳米管导电能力较强, 然而不同碳纳米管之间结电阻较高, 较高的密度导致整个碳纳米管膜层电阻增大, 限制了其导电能力,因此, 迫切需要寻找一种光电性能优越的新型透明导电材料。

石墨烯材料在触控屏中的应用优势

石墨烯是由碳原子以sp2 杂化轨道组成六角型晶格的平面薄膜( 图1), 是仅有一层原子厚度的新型二维材料, 在力学、热学、光学、电学等方面均具有十分优异的性质。石墨烯在触控屏中具有明显的应用优势,其主要有点包括:

(1)石墨烯几乎是全透明的,单层石墨烯薄膜从紫外、可见到红外波段的透光率均高达97.7% ,因而不会偏色;

(2)电导率与透光率的矛盾在石墨烯透明电极中可得到很好的解决。石墨烯材料仅一个碳原子层厚, 其载流子迁移率极高, 是迄今为止发现的电导率高的材料;

(3) 石墨烯薄膜具有极高的力学强度, 并且非常柔软( 甚至可以在一定程度折叠) ;

(4)石墨烯的化学性质稳定, 性能受环境的影响较小;

(5)石墨烯是单原子层的碳材料, 不存在毒性, 对环境也无污染, 符合绿色坏保的要求;

(6) 自然界碳元素含鮮常丰富, 因此采用石墨烯作为电极, 原材料的限制较小。

2010年, 韩国三星公司最早将石墨烯膜作为透明电极应用于3.1英寸电阻触控屏,在国内, 中科院重庆研究院致力于石墨烯薄膜的大面积制备与应用技术研究, 2013年1月发布了国内首片15 英寸单层石墨烯薄膜, 并制备了7英寸柔性墨烯电阻式触控屏。图2 所示, 该石墨烯触控屏色质纯净、透光性好、触控灵敏, 特别是在弯曲的情况下同样可以实现良好的触控和书写。这种随意卷曲也不会影响使用效果的触摸屏将促进柔性智能终端的开发。

石墨烯在触控屏中应用的关键技术

大面积石墨烯薄膜一般高温生长于铜箔等金属衬底表面。对于石墨烯的应用而言, 需要将石墨烯从生长衬底转移到所需基底表面。石墨烯电容式触摸屏的工艺分为石墨烯的转移、改性、图形化及其电容屏模组制备四个过程。

1、石墨烯薄膜转移关键技术

石墨烯薄膜的转移方法很多, 目前使用最多的有两类: 基于PMMA 牺牲层的转移方法和热释胶带转移方法。前一种方法: 在石墨烯表面旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA), 用酸液刻蚀铜, 然后将石墨烯转移至目标基底上, 最后用丙酮去除PMMA,该方法操作简单, 在实验室大量使用; 后一种方法: 将热释胶带与石墨烯/铜箔贴合,用酸液刻蚀铜, 然后将石墨烯/ 热释胶带与用酸液刻蚀铜, 然后将石墨烯/ 热释胶带与目标基底贴合, 最后热释胶带通过加热转移释放石墨烯。热释胶带转移方法方便大面积使用, 同时通过胶带的裁剪也方便控制转移石墨烯的形状, 因而对于石墨烯触控屏而言,热释胶带转移石墨稀方法更为实用。

2、石墨烯薄膜改性关键技术

根据不同的应用需求, 石墨烯薄膜还需要进行改性增强。对于石墨烯触控屏而言,石墨烯薄膜需要在保持高透光率的条件下进一步增强薄膜的导电性。在载流子迁移率一定的情况下, 通过掺杂改性提高石墨烯载流子浓度是增强石墨烯导电性的重要途径。本征石墨烯的价带和导带在布里渊区中心呈锥形接触, 因此是零带隙的半导体或半金属; 通过表面吸附、晶格空位晶格替换掺杂等途径可改变其能带能级结形成与半导体类似的掺杂效应。目前,石墨烯掺杂改性剂种类很多, 主要有硝酸氯金酸、导电高分子等, 采用的改性方法包括浸泡、熏蒸、原位复合以及旋涂的方式。

3、石墨烯薄膜图形化关键技术

石墨烯是一种由碳原子组成二维材料,具有很好的化学稳定性。一般采用酸和碱很难对石墨烯实现腐蚀, 因此用石墨烯实现电容式触摸屏过程中, 会遇到一个很大的难题: 在现有的触控工艺线条件下实现对石墨烯的刻蚀。要实现对石墨烯的刻蚀— 般的方法包括两个方面:

(1) 由于石墨烯是一种很薄的材料, 只有一个原子层厚,因此可以采用高能量轰击的方式去掉不需要的石墨烯;

( 2) 石墨烯是由碳原子构成,所以可以考虑在特殊条件下与氧气等物质发生化学反应, 从而去除石墨烯。基于此,石墨烯刻蚀方法有三种: 激光刻蚀、氧等离子刻蚀、氧紫外线刻蚀。其中, 石墨烯激光刻蚀法,处理方法较为简单, 同时现有工业化设备可以实现10微米量级的石墨烯图形, 满足在工厂规模化制备的需求。

4、石墨烯触控模组关键技术

石墨烯触控模组制程可分为前段sensor工艺和后段的贴合工艺, 前段工艺

的目的是实现电容式触摸屏的sensor, 而后段工艺则是将sensor与触控芯片贴合组成石墨烯电容式触摸屏成品。其中主要的工艺步骤包括: 银浆的丝印与刻浊、石墨烯sensor与触控芯片的贴合、盖板贴合于除泡。其中, 石墨烯sensor与触控芯片通过柔性印刷电路版(FPC) 进行电气连接,需要经过绑定机器通过一定的压力和高温( 约180℃) 条件与ACF胶粘接绑定。

石墨烯触控屏产业化应用前景

自从石墨烯发现者于2010年获得诺贝尔物理学奖以来, 国内外石墨烯产业开始兴起, 但前期石墨烯产业化的重点为石墨烯原材料的规模化生产, 市场上还缺少一款可供销售的石墨烯薄膜应用商品。

2013年以来, 由于突破了石墨烯电极快速图形化、真空贴合等核心技术,试制出GF/GFE 结构3.5英寸至6 英寸电容式触摸屏和真实多点石墨烯手机工程样机,重庆墨希科技有限公司也随之拉开了石墨烯手机量产的序幕。2015年3月,全球首批3万部5.5英寸量产石墨烯手机在重庆面世, 如图4 所示。在不久的未来, 石墨烯触控屏将应用到更多种类的智能终端中,如平板电脑、电子阅读器、智能穿戴产品等消费类电子产品。

未来, 石墨烯触摸屏技术将在柔性电子产品中大量使用。基于石墨烯薄膜的柔性触摸屏, 能够很好地克服现今的材料与技术限制, 使得触摸屏具有更多的可能性和更好的性能。手机或者电脑等智能电子产品将变得柔软且可折叠,更便于携带。

来源:《高科技与产业化》,基于石墨烯薄膜的触摸屏技术,作者魏大鹏(中国科学院重庆绿色智能技术研究院)

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