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石墨烯材料或引導觸摸屏發(fā)展新方向
2021-09-15
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近日，英國財政大臣喬治?奧斯本宣布，將在未來5年中投資設(shè)立“阿蘭圖靈研究所”、“細胞療法制造中心”以及“石墨烯創(chuàng)新中心”，資助額度分別為4200萬英鎊、5500萬英鎊和1900萬英鎊。這三個領(lǐng)域曾在過去18個月中被奧斯本和大學與科學大臣戴維?威利茨反復(fù)提及，而這三個研究機構(gòu)也將成為英國“彈射中心”網(wǎng)絡(luò)的一部分。
政府此次出資設(shè)立的石墨烯創(chuàng)新中心位于英國的塞奇菲爾德，以過程創(chuàng)新中心為基礎(chǔ)，將致力于向中小企業(yè)提供設(shè)備入口，以支持他們進行石墨烯基產(chǎn)品的研究與開發(fā)。
歐盟在石墨烯材料專利上大幅落后于美國和亞洲。歐盟為此推出了為期10年投資高達10億歐元的旗艦計劃。英國也已在曼徹斯特大學投資3800萬英鎊，建立了國家石墨烯研究所。
雖然在未來兩年中，英國的公共研發(fā)投資并不會發(fā)生顯著增長，但其在科學基礎(chǔ)設(shè)施和建筑方面的投資卻將穩(wěn)步增長。英國政府承諾，在這方面的投資將從2013年的6億英鎊增長到2015年的11億英鎊。
什么是石墨烯？
報道稱，石墨烯是目前已知的硬度最高、最薄的材料。它由碳原子以特殊結(jié)構(gòu)排列而成，比其他任何材料都具備更好的導熱、導電特性。更令人稱奇的是，它不僅是世界上最硬的材料，而且柔韌性也最強。
厚度只有一層碳原子的石墨烯被稱為“奇跡材料”。
石墨烯可以變革電子行業(yè)，催生靈活多變的設(shè)備、超動力的量子計算機、電子服裝及可與身體細胞交流的計算機。
雖然石墨烯早在10年前就被發(fā)現(xiàn)，然而它在2010年才真正獲得關(guān)注。兩名曼徹斯特大學的物理學家因石墨烯實驗而獲得諾貝爾獎。最近，研究人員集中精力研究如何商業(yè)化生產(chǎn)石墨烯。
2012年，美國化學學會稱石墨烯的強度是鋼鐵的200倍，它如此輕薄，以至于1盎司的石墨烯可以覆蓋28個足球場。中國科學家曾合成石墨烯氣凝膠，密度只有空氣的1/6；一立方英寸（約16.39立方厘米）的石墨烯氣凝膠放在一片草葉上，草葉不會變形。
“石墨烯是世界上為數(shù)不多同時具備透明、導電和柔性三大屬性的材料。”曼徹斯特大學講師亞拉文博士（Aravind Vijayaraghavan說道，“這三種屬性很少能在同一個材料上出現(xiàn)?！?/div>
石墨烯能做什么？
那么我們可以用石墨烯來做什么？物理學家和研究人員表示，由于石墨烯可以讓電子產(chǎn)品的屏幕更清晰且具備柔性特質(zhì)，這些產(chǎn)品將比以往采用硅材料的設(shè)備更薄、更快、更便宜。另外，續(xù)航時間長的電池也可具備防水性能。
2011年，美國西北大學的研究人員以石墨烯和硅為原料制造電池，該大學表示這種電池可以讓手機“電池用上一周，每次充電只需15分鐘”。
2012年，美國化學學會表示，石墨烯技術(shù)進步將使得“手機薄如紙張，能夠折疊裝入口袋”。
亞拉文博士正基于石墨烯研制一系列傳感器，包括氣體傳感器、生物傳感器和光傳感器，它們的體型比以往更小。
上周，與韓國成均館大學合作的三星尖端技術(shù)研究所的研究人員稱，三星已找到在硅片上制造高質(zhì)量石墨烯的方法。三星在聲明中表示，這些技術(shù)進步意味著公司可以開始制造“柔性顯示屏、可穿戴產(chǎn)品和其他下一代電子產(chǎn)品”。
科技博客Extreme tech撰稿人塞巴斯蒂安.安東尼（sebastian anthony）表示，三星的突破最終將成為“石墨烯商業(yè)化的救命稻草”。
三星并不是唯一研究石墨烯的科技公司，IBM、諾基亞和SanDisk公司的研究人員都在嘗試用石墨烯材料創(chuàng)造新型傳感器、晶體管和存儲器。
石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域全球研發(fā)概況
目前，在這個領(lǐng)域研究的國家有英美韓中日等，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的公司有四家，分別是韓國三星、日本索尼、輝銳和二維碳素。美英CambriosTechnologies、3M；日本東麗、東芝、索尼、產(chǎn)綜研及信越聚合物；韓國的三星等廠商在石墨烯方面研發(fā)迅速。
1、歐美地區(qū)
歐洲是石墨烯的誕生地，十分注重在這一領(lǐng)域提前布局。
2013年1月，歐盟委員會將石墨烯列為“未來新興技術(shù)旗艦項目”之一，該項目的研究范圍十分廣泛，其中石墨烯的制備是核心。歐盟委員計劃十年提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。
英國去年底宣布將追加投資2150萬英鎊資助石墨烯研究項目，推進石墨烯的商業(yè)化進程，并建立一個國家級研究機構(gòu)——國家石墨烯研究所（NGI），這也使該機構(gòu)有望成為世界領(lǐng)先的石墨烯開發(fā)和開采中心。
美國輝銳科技是一家石墨烯技術(shù)發(fā)展公司，率先進軍大面積石墨烯柔性觸控屏市場，并獲專業(yè)的科技行業(yè)投資基金IDG資本入股成為其股東之一。輝銳科技計劃于未來3年投資共1.5億美元發(fā)展石墨烯移動設(shè)備市場，能制造大面積的柔性觸控屏，應(yīng)用于手機、平板計算機及便攜式電子顯示屏等市場。
除輝銳科技外，美國的3M、CVD等企業(yè)在石墨烯電子產(chǎn)品方面發(fā)展迅速。
2、韓國
近年來，韓國政府積極支持本國科研機構(gòu)和公司開展石墨烯技術(shù)研發(fā)及商業(yè)化應(yīng)用研究。在政府的高度重視與支持下，韓國在石墨烯技術(shù)走向市場方面取得了諸多突出的成果。2010年，韓國三星公司和成均館大學的研究人員在一個63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，成功制備出電視機大小的純石墨烯，并用該石墨烯制造了柔性觸摸屏。2011年，韓國研究人員，開發(fā)出基于石墨烯的柔性有機電致發(fā)光器件。
此外，韓國的石墨烯專利量居全球第三，達到1160項，遠高于歐洲其他國家，僅次于美國和中國。
3、日本
在與歐美和韓國相比起步稍晚的石墨烯量產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，日本的企業(yè)和研究機構(gòu)在去年幾乎同時發(fā)布了領(lǐng)先世界的成果。
索尼制作出了長約120m*寬230mm的石墨烯薄膜，這是目前全球最長的石墨烯薄膜。這種石墨烯應(yīng)用到透明導電膜是目標用途之一。索尼通過對化學氣相沉積（CVD）法加以自主改良取得了此次的成果，CVD法作為合成大面積石墨烯的方法而廣為人知。
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所發(fā)布了以卷對卷方式合成薄膜寬度為594mm的石墨烯的制造裝置。產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所采用以微波等離子為基礎(chǔ)，利用300～400℃的低溫CVD法合成石墨烯的方式。此外，東芝實現(xiàn)石墨烯與銀納米線復(fù)合透明電極的大面積化；松下已經(jīng)成功將石墨散熱膜的厚度減少到只有10微米（人類紅細胞直徑僅為5微米），1微米相當于1米的一百萬分之一，薄度相當驚人。
4、中國
中國具有發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)得天獨厚的條件。據(jù)悉我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%，生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%，是我國少有的幾種具有國際競爭優(yōu)勢的礦產(chǎn)之一。截至2012年我國在石墨烯研究領(lǐng)域的文獻貢獻量已達5072篇，占全球的石墨烯文獻量的29.2%，超過美國的27.3%位居世界首位。
據(jù)悉，自2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，如何解決大面積、高質(zhì)量石墨烯制備和快速高效轉(zhuǎn)移兩大關(guān)鍵問題，讓石墨烯應(yīng)用于透明電極中，一直困擾著很多研究者。如果電阻觸摸屏要采用這種材料，需要先在金屬表面上催化生長石墨烯，再把它轉(zhuǎn)移到適合的基底上，才能進行應(yīng)用。
石墨烯的制成需要有尖端的制備工藝，目前業(yè)內(nèi)主要有四種制備方法，分別是機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法、和氣相沉積法(CVD)。前三種的原材料均為石墨，CVD法原材料則為甲烷居多。由于制造成本相對較低，目前業(yè)內(nèi)多采用機械剝離法和氧化石墨還原法制造石墨烯。
目前，在石墨烯薄膜和石墨烯微片這兩個方向上，我國都在進行積極探索。
隨著全球電子設(shè)備觸摸屏總面積的不斷增長，生產(chǎn)觸摸屏的稀有金屬銦材料將被耗盡。因為現(xiàn)代觸摸屏的表面都會用到一層銦錫氧化物，具有較好的透明性和導電性，所以廣泛應(yīng)用于顯示產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。然而銦金屬屬于稀有金屬，全球存量非常稀少，隨著智能手機、平板電腦和其他現(xiàn)代電子設(shè)備需求量大增，未來銦金屬將會告罄，而目前尋找銦金屬的替代性材料成為全球各地熱門的研發(fā)項目。
石墨烯實是一種透明、良好的導體，未來將會在觸摸屏領(lǐng)域取得更廣泛的應(yīng)用。
