從專利申請看石墨烯在觸摸屏領域的最新進展

焦天棟 譚玉靖

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450000）

1 石墨烯材料在觸摸屏中的應用優勢

石墨烯材料是在2004年被英國曼徹斯特大學物理學家康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和安德烈·海姆（Andre Geim）發現，并共同獲得 2010年諾貝爾物理學獎。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，是僅有一層原子厚度的新型二維材料，在力學、熱學、光學、電學等方面具有十分優異的性質。石墨烯在觸控屏中具有明顯的應用優勢，其主要優點包括：（1）石墨烯幾乎是完全透明的，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，是迄今為止發現的電導率最高的材料；（3）石墨烯具有極高的力學強度，并且非常柔軟 （甚至可以在一定程度上折疊）；（4）石墨烯的化學性質穩定，性能受環境的影響較小；（5）石墨烯是單原子層的碳材料，不存在毒性，對環境也無污染，符合綠色環保的要求；（6）自然界碳元素含量非常豐富，因此采用石墨烯作為電極，原材料的限制較小[1]。

2 石墨烯在觸摸屏領域的應用專利申請總體分析

2.1 專利發展趨勢

有關石墨烯在觸摸屏領域的應用的專利申請，筆者在CNABS和VEN專利數據庫中進行了檢索和統計。截止到2017年12月31日，該領域全世界的相關申請共447篇，這447篇申請的時間分布如圖1所示：

由圖1可以看出，石墨烯在觸摸屏領域的應用相關專利的申請從2010年開始出現，而在這一年，韓國三星公司最早將石墨烯薄膜作為透明電極應用于3.1英寸電阻觸控屏。到了2013年，相關領域的專利申請量開始出現快速增長，直到2016年依然保持著較高的年申請量。而圖中顯示2017年申請量的下降主要因為相關申請還未公開，統計數據不完整所致，目前石墨烯在觸摸屏領域的應用相關研發依然是觸摸屏領域的一個熱點。

圖1 石墨烯在觸摸屏領域的應用專利申請量趨勢

2.2 國內外申請人地域分布

通過統計發現石墨烯在觸摸屏領域的應用相關專利申請量最大的前五個國家和地區分別為：中國295件、韓國76件、美國24件、日本14件、臺灣地區4件，其他國家和地區相關專利的申請量比較少。可以看出，在全世界范圍內，石墨烯在觸摸屏領域的應用相關專利在中國的申請量最大，而且在中國最近幾年的專利申請比較多，屬于申請量快速增長的領域，而韓國由于在電子技術以及屏幕制作方面的優勢，在相關領域的研發也非常活躍，申請量僅次于中國。

2.3 國內外重要申請人

通過對447篇專利進行分析，并對其中的重要申請人進行了統計，結果如圖3所示。從圖中可以看出，國外主要的申請人為三星電子，國內的主要申請人有重慶墨希科技有限公司、京東方科技集團股份有限公司、無錫格菲電子薄膜科技有限公司、中國科學院重慶綠色智能研究院、無錫力合光電傳感技術有限公司等。

3 石墨烯應用于觸摸屏領域的最新進展

3.1 石墨烯電容式觸摸屏中的關鍵技術及改進

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，而現階段的研發重點也是針對這四個過程進行改進。

圖2 國內外重要申請人的申請量分布

3.1.1 石墨烯薄膜轉移關鍵技術

石墨烯薄膜的轉移方法很多，目前使用最多的有兩類：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，最后用丙酮去除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/熱釋膠帶與目標基底貼合，最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，熱釋膠帶轉移石墨烯方法更為實用。2016年2月4日，中國科學院金屬研究所的申請號為CN201610080449的專利申請了一種基于光學膠轉移技術制作石墨烯電容式觸摸屏的方法，具體是先在初始基體表面形成石墨烯，再將光學膠膜結合到石墨烯的表面，分離石墨烯與初始基體后獲得以光學膠膜作為基材的石墨烯透明導電薄膜；對石墨烯透明導電薄膜進行圖形化、制作導線和壓合FPC加工后直接與蓋板貼合，從而完成觸摸屏的制作。

3.1.2 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構，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，采用的改性方式包括浸泡、熏蒸、原位復合以及旋涂的方式。2016年6月14日，天津寶興威科技有限公司的申請號為CN201610435617的專利申請一種用石墨烯金屬復合材料制作觸摸屏的方法，具體是將石墨烯與金屬復合材料進行復合得到石墨烯金屬復合材料來制備金屬導電層，進而制備觸摸屏。

3.1.3 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，一般的方法包括兩個方面：（1）由于石墨烯是一種很薄的材料，只有一個原子層厚度，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生化學反應，從而去除石墨烯。基于此，石墨烯的刻蝕方法有三種：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，同時現有工業化設備可以實現10微米量級的石墨烯圖形，滿足在工廠規模化制備的需求。2015年6月29日，重慶墨希科技有限公司和中國科學院重慶綠色智能技術研究院的申請號為CN201510366931的專利申請了一種石墨烯觸摸屏的制備方法，其中在刻蝕步驟中通過激光對石墨烯導電膜上的銀漿走線及可視區石墨烯導電膜刻蝕，形成電路圖案。

3.1.4 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于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：銀漿的絲印與刻蝕、石墨烯sensor與觸控芯片的貼合、蓋板貼合與除泡。其中，石墨烯sensor與觸控芯片通過柔性印刷電路板（FPC）進行電氣連接，需要經過綁定及其通過一定的壓力和高溫條件與ACF膠粘接綁定。2016年12月28日，無錫格菲電子薄膜科技有限公司的申請號為CN201611232633的專利申請了一種基于石墨烯的超薄柔性電容式觸控傳感器及其制備方法，其具體公開了石墨烯觸控模組的制程。

3.2 石墨烯觸摸屏領域國內外重要申請人分析

根據石墨烯觸摸屏領域重要申請人的專利申請量，筆者選取韓國三星電子和重慶墨希科技有限公司對其技術發展進行了簡要分析。

（1）韓國三星電子在石墨烯觸摸屏領域的研發最為活躍，其在2010年最早將石墨烯薄膜作為透明電極應用于3.1英寸電阻觸控屏，2013年初，三星與成均館大學合作開發出價格更低的石墨烯透明導電薄膜有望用于OLED電視的量產。在制備工藝上，三星電子主要通過氧化還原法在基板上制備石墨烯電極層，專利申請（KR20100010140A，20100203）公開了一種在觸摸屏面板的顯示區域上制備石墨烯電極層的方法，具體為在石墨烯層的上表面設置掩膜，將掩膜暴露在襯底上的氧化環境中，移除掩膜從而形成石墨烯電極層；之后，三星不斷對石墨烯電極的制作工藝進行調整和改進，專利申請（KR20110108864A，20111024）公開了電容式觸摸屏上的石墨烯透明電極的制備方法，具體為將石墨烯氧化物溶液涂覆在玻璃基底上，還原石墨烯氧化物，然后用高溫熱處理。此外，三星致力于柔性觸摸顯示屏的量產化，專利申請（KR20130102489，20130828）公開了一種可折疊的顯示裝置及其制造方法，其中的觸控電極采用石墨烯層、金屬網層和粘附金屬網層構成；專利申請（KR20150158426，20151111）公開了一種透明電極和包括其的電子器件，其電極層是一種石墨烯網狀結構體，由石墨烯或其衍生物重復排列形成。

（2）國內對石墨烯觸摸屏研發以重慶墨希科技有限公司為代表，其與中國科學院重慶綠色智能研究院建立了良好的合作關系，在相關領域的研發較為活躍，尤其自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/GFF結構3.5英寸電容式觸摸屏和真實多點石墨烯手機工程樣機，重慶墨希科技有限公司也隨之拉開了石墨烯手機量產的序幕。 專利申請（CN201410054964，20140218）公開了一種基于石墨烯的集成OLED觸摸屏顯示器，其減少了一層基底厚度，并使得觸摸屏顯示器可折疊；而在石墨烯觸控模組制程尤其是后段的貼合工藝上，重慶墨希也一直在研究和改進，專利申請（CN201510366931，20150629）公開了一種石墨烯觸摸屏的制備方法，具體為導電膜清洗、銀漿絲印、激光刻蝕、光學膠貼合以及熱壓蓋板從而制作成觸摸屏感應模組；專利申請（CN201610078802，20160204）公開了一種互感式石墨烯壓力觸控屏，其中石墨烯導電薄膜與觸摸屏單元的載體通過OCA貼合膠貼合，且載體與中間彈性體貼合的石墨烯導電薄膜上通過OCA貼合膠貼合設有保護蓋。

通過對三星電子和重慶墨希關于石墨烯觸摸屏領域的專利申請進行梳理發現，三星電子的重要申請或者高質量的專利申請一般都在多個國家申請專利，并且大多數都在中國有專利申請，而重慶墨希科技等國內申請人雖然專利申請總量高，但是在國外的申請量較少。

4 結語

石墨烯材料由于其本身具有的特性使得其在觸摸屏領域具有廣闊的應用前景，國內外的龍頭企業早已開始在相關領域進行專利布局，但是由于石墨烯觸摸屏在產品量產方面還有很多問題需要解決。因此，筆者認為，國內相關企業只要加大研發投入，還是很有機會突破巨頭們的專利封鎖，具體來說，要加強與高校或科研機構的合作，積極推進產學研相結合，著重在石墨烯的轉移、改性、圖形化及其電容屏模組制備等制備工藝中尋求有意義的改進，從而加快我國石墨烯在觸摸屏領域應用的產業化進程。