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石墨烯材料或引导触摸屏发展新方向

  近日,英国财政大臣乔治•奥斯本宣布,将在未来5年中投资设立“阿兰图灵研究所”、“细胞疗法制造中心”以及“石墨烯创新中心”,资助额度分别为4200万英镑、5500万英镑和1900万英镑。这三个领域曾在过去18个月中被奥斯本和大学与科学大臣戴维•威利茨反复提及,而这三个研究机构也将成为英国“弹射中心”网络的一部分。
  
  政府此次出资设立的石墨烯创新中心位于英国的塞奇菲尔德,以过程创新中心为基础,将致力于向中小企业提供设备入口,以支持他们进行石墨烯基产品的研究与开发。
  
  欧盟在石墨烯材料专利上大幅落后于美国和亚洲。欧盟为此推出了为期10年投资高达10亿欧元的旗舰计划。英国也已在曼彻斯特大学投资3800万英镑,建立了国家石墨烯研究所。
  
  虽然在未来两年中,英国的公共研发投资并不会发生显著增长,但其在科学基础设施和建筑方面的投资却将稳步增长。英国政府承诺,在这方面的投资将从2013年的6亿英镑增长到2015年的11亿英镑。
  
  什么是石墨烯?
  
  报道称,石墨烯是目前已知的硬度最高、最薄的材料。它由碳原子以特殊结构排列而成,比其他任何材料都具备更好的导热、导电特性。更令人称奇的是,它不仅是世界上最硬的材料,而且柔韧性也最强。
  
  厚度只有一层碳原子的石墨烯被称为“奇迹材料”。
  
  石墨烯可以变革电子行业,催生灵活多变的设备、超动力的量子计算机、电子服装及可与身体细胞交流的计算机。
  
  虽然石墨烯早在10年前就被发现,然而它在2010年才真正获得关注。两名曼彻斯特大学的物理学家因石墨烯实验而获得诺贝尔奖。最近,研究人员集中精力研究如何商业化生产石墨烯。
  
  2012年,美国化学学会称石墨烯的强度是钢铁的200倍,它如此轻薄,以至于1盎司的石墨烯可以覆盖28个足球场。中国科学家曾合成石墨烯气凝胶,密度只有空气的1/6;一立方英寸(约16.39立方厘米)的石墨烯气凝胶放在一片草叶上,草叶不会变形。
  
  “石墨烯是世界上为数不多同时具备透明、导电和柔性三大属性的材料。”曼彻斯特大学讲师亚拉文博士(Aravind Vijayaraghavan说道,“这三种属性很少能在同一个材料上出现。”
  
  石墨烯能做什么?
  
  那么我们可以用石墨烯来做什么?物理学家和研究人员表示,由于石墨烯可以让电子产品的屏幕更清晰且具备柔性特质,这些产品将比以往采用硅材料的设备更薄、更快、更便宜。另外,续航时间长的电池也可具备防水性能。
  
  2011年,美国西北大学的研究人员以石墨烯和硅为原料制造电池,该大学表示这种电池可以让手机“电池用上一周,每次充电只需15分钟”。
  
  2012年,美国化学学会表示,石墨烯技术进步将使得“手机薄如纸张,能够折叠装入口袋”。
  
  亚拉文博士正基于石墨烯研制一系列传感器,包括气体传感器、生物传感器和光传感器,它们的体型比以往更小。
  
  上周,与韩国成均馆大学合作的三星尖端技术研究所的研究人员称,三星已找到在硅片上制造高质量石墨烯的方法。三星在声明中表示,这些技术进步意味着公司可以开始制造“柔性显示屏、可穿戴产品和其他下一代电子产品”。
  
  科技博客Extreme tech撰稿人塞巴斯蒂安.安东尼(sebastian anthony)表示,三星的突破最终将成为“石墨烯商业化的救命稻草”。
  
  三星并不是唯一研究石墨烯的科技公司,IBM、诺基亚和SanDisk公司的研究人员都在尝试用石墨烯材料创造新型传感器、晶体管和存储器。
  
  石墨烯在触摸屏领域全球研发概况
  
  目前,在这个领域研究的国家有英美韩中日等,已经产业化的公司有四家,分别是韩国三星、日本索尼、辉锐和二维碳素。美英CambriosTechnologies、3M;日本东丽、东芝、索尼、产综研及信越聚合物;韩国的三星等厂商在石墨烯方面研发迅速。
  
  1、欧美地区
  
  欧洲是石墨烯的诞生地,十分注重在这一领域提前布局。
  
  2013年1月,欧盟委员会将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一,该项目的研究范围十分广泛,其中石墨烯的制备是核心。欧盟委员计划十年提供10亿欧元资助,将石墨烯研究提升至战略高度。
  
  英国去年底宣布将追加投资2150万英镑资助石墨烯研究项目,推进石墨烯的商业化进程,并建立一个国家级研究机构——国家石墨烯研究所(NGI),这也使该机构有望成为世界领先的石墨烯开发和开采中心。
  
  美国辉锐科技是一家石墨烯技术发展公司,率先进军大面积石墨烯柔性触控屏市场,并获专业的科技行业投资基金IDG资本入股成为其股东之一。辉锐科技计划于未来3年投资共1.5亿美元发展石墨烯移动设备市场,能制造大面积的柔性触控屏,应用于手机、平板计算机及便携式电子显示屏等市场。
  
  除辉锐科技外,美国的3M、CVD等企业在石墨烯电子产品方面发展迅速。
  
  2、韩国
  
  近年来,韩国政府积极支持本国科研机构和公司开展石墨烯技术研发及商业化应用研究。在政府的高度重视与支持下,韩国在石墨烯技术走向市场方面取得了诸多突出的成果。2010年,韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,成功制备出电视机大小的纯石墨烯,并用该石墨烯制造了柔性触摸屏。2011年,韩国研究人员,开发出基于石墨烯的柔性有机电致发光器件。
  
  此外,韩国的石墨烯专利量居全球第三,达到1160项,远高于欧洲其他国家,仅次于美国和中国。
  
  3、日本
  
  在与欧美和韩国相比起步稍晚的石墨烯量产技术领域,日本的企业和研究机构在去年几乎同时发布了领先世界的成果。
  
  索尼制作出了长约120m*宽230mm的石墨烯薄膜,这是目前全球最长的石墨烯薄膜。这种石墨烯应用到透明导电膜是目标用途之一。索尼通过对化学气相沉积(CVD)法加以自主改良取得了此次的成果,CVD法作为合成大面积石墨烯的方法而广为人知。
  
  日本产业技术综合研究所发布了以卷对卷方式合成薄膜宽度为594mm的石墨烯的制造装置。产业技术综合研究所采用以微波等离子为基础,利用300~400℃的低温CVD法合成石墨烯的方式。此外,东芝实现石墨烯与银纳米线复合透明电极的大面积化;松下已经成功将石墨散热膜的厚度减少到只有10微米(人类红细胞直径仅为5微米),1微米相当于1米的一百万分之一,薄度相当惊人。
  
  4、中国
  
  中国具有发展石墨烯产业得天独厚的条件。据悉我国石墨矿储量占世界总储量的75%,生产量占世界总产量的72%,是我国少有的几种具有国际竞争优势的矿产之一。截至2012年我国在石墨烯研究领域的文献贡献量已达5072篇,占全球的石墨烯文献量的29.2%,超过美国的27.3%位居世界首位。
  
  据悉,自2004年石墨烯被发现以来,如何解决大面积、高质量石墨烯制备和快速高效转移两大关键问题,让石墨烯应用于透明电极中,一直困扰着很多研究者。如果电阻触摸屏要采用这种材料,需要先在金属表面上催化生长石墨烯,再把它转移到适合的基底上,才能进行应用。
  
  石墨烯的制成需要有尖端的制备工艺,目前业内主要有四种制备方法,分别是机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法、和气相沉积法(CVD)。前三种的原材料均为石墨,CVD法原材料则为甲烷居多。由于制造成本相对较低,目前业内多采用机械剥离法和氧化石墨还原法制造石墨烯。
  
  目前,在石墨烯薄膜和石墨烯微片这两个方向上,我国都在进行积极探索。
  
  随着全球电子设备触摸屏总面积的不断增长,生产触摸屏的稀有金属铟材料将被耗尽。因为现代触摸屏的表面都会用到一层铟锡氧化物,具有较好的透明性和导电性,所以广泛应用于显示产业领域。然而铟金属属于稀有金属,全球存量非常稀少,随着智能手机、平板电脑和其他现代电子设备需求量大增,未来铟金属将会告罄,而目前寻找铟金属的替代性材料成为全球各地热门的研发项目。
  
  石墨烯实是一种透明、良好的导体,未来将会在触摸屏领域取得更广泛的应用。