可用作導(dǎo)電薄膜：石墨烯引發(fā)一場昂貴的圈地運(yùn)動？

一種強(qiáng)度是鋼的200倍、厚度僅為一個原子直徑的物質(zhì)引發(fā)了一場全球科學(xué)淘金熱，令各大公司和大學(xué)紛紛去研究和申請專利，想從這種與普通鉛筆芯“血脈相承”、但更苗條更有魅力的物質(zhì)中獲利。

這種物質(zhì)就是石墨烯。前不久，為了展示它的潛力，安德烈·法拉利(Andrea Ferrari)拿起一片透明塑膠，將其彎曲，然后輕擊上頭無形的按鍵，發(fā)出了叮咚作響的音樂聲。

該鍵盤由法拉利博士所在的劍橋大學(xué)(University of Cambridge)實(shí)驗(yàn)室制作，它是用石墨烯打印出來的。這種物質(zhì)柔韌性極強(qiáng)，科學(xué)家預(yù)測它將實(shí)現(xiàn)有關(guān)折疊電話和能折疊放進(jìn)口袋的電子報(bào)紙的夢想。

它是已知的最薄的物質(zhì)，但卻又極其堅(jiān)硬、輕薄和柔韌。它在導(dǎo)電導(dǎo)熱和吸收光釋放光方面的能力超群。

科學(xué)家十年前才分離出了石墨烯這種物質(zhì)，但有些公司已經(jīng)開始將它納入產(chǎn)品之中：Head NV去年推出了一種注入石墨烯的網(wǎng)球拍。蘋果公司(Apple Inc.)、薩博(Saab AB)和洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin Corp.)最近已經(jīng)申請或獲得了使用石墨烯的專利。

法拉利博士說：“石墨烯就像鋼、塑料和硅一樣，是一種會真正改變社會的物質(zhì)。”他在劍橋大學(xué)帶領(lǐng)著一個約40人的石墨烯研究小組。

石墨烯也面臨著障礙。對于大眾市場來說它還是太過昂貴，它無法應(yīng)用于某些電腦芯片電路中，科學(xué)家依然在試圖找出更好的方法將其變成可用的形式。英國研究公司Cambridge Intellectual Property主席昆廷·坦諾克(Quentin Tannock)說：“石墨烯是一種利用起來很復(fù)雜的技術(shù)。尋找其價(jià)值的比賽是馬拉松而不是短跑。”

對石墨烯的興趣從2010年開始激增，當(dāng)時(shí)有兩名研究員因分離出這種物質(zhì)獲得諾貝爾獎。目前，行業(yè)和學(xué)術(shù)界的科學(xué)家們正忙著為其廣泛的潛在用途申請專利。

休斯頓萊斯大學(xué)(Rice University)石墨烯專家詹姆斯·托爾(James Tour)說：“只要發(fā)現(xiàn)了什么，我就會申請專利。”

蘋果申請了將石墨烯用于制作移動設(shè)備“散熱器”的專利。薩博申請了為飛機(jī)機(jī)翼除冰的石墨烯加熱電路的專利。洛克希德·馬丁今年獲得了美國政府頒發(fā)的利用微型孔隙從海水中過濾鹽分的石墨烯薄膜的專利。

還有的公司申請了將石墨烯用于電腦芯片、電池、彈性觸摸屏、防銹涂層、DNA序列分析設(shè)備以及輪胎的專利。英國的一群科學(xué)家已經(jīng)將石墨烯薄膜用于蒸餾伏特加。

Cambridge Intellectual說，截至今年5月，全球共有9，218項(xiàng)公開的石墨烯專利和專利申請，較一年前增長19%。該機(jī)構(gòu)表示，在過去五年中，石墨烯專利申請累計(jì)數(shù)量增加了五倍多。

Cambridge Intellectual的主席坦諾克說：“這是一場圈地運(yùn)動。”他說，對每一項(xiàng)研究成果都申請專利，“你就可以選擇在以后起訴你的競爭對手，制止他們的研究和使用”。他說，許多石墨烯專利申請看起來都是合法的，但有些只是推測性質(zhì)，有些則可能是誤導(dǎo)對手的誘餌。

石墨烯短期內(nèi)最有可能應(yīng)用于高速電子設(shè)備以及與法拉利博士的鍵盤一樣的彈性電路，因?yàn)闀袑椥噪娮语@示屏使用的需求。韓國三星電子公司(Samsung Electronics Co.)和芬蘭諾基亞公司(Nokia Corp.)等公司已經(jīng)申請了石墨烯在移動設(shè)備中各種用途的專利。

最熱門的領(lǐng)域是用于制造電路的石墨烯墨水，一些公司已經(jīng)開始銷售這種產(chǎn)品。法拉利博士的實(shí)驗(yàn)室去年申請了一種可用噴墨打印機(jī)打印的石墨烯墨水的專利。巴斯夫(BASF SE)正在實(shí)驗(yàn)用石墨烯墨水打印彈性電路，安裝在可加熱汽車座椅的墊襯內(nèi)，該公司表示這種技術(shù)將會在未來幾年進(jìn)入市場。

巴斯夫石墨烯研究團(tuán)隊(duì)主管馬蒂亞斯·施瓦布(Matthias Schwab)說，“石墨烯結(jié)合了各種不同的效用”，這讓它變得很與眾不同，“沒有其他哪種物質(zhì)可以做到這點(diǎn)”。

實(shí)際上，石墨烯只有兩個維度，微觀結(jié)構(gòu)很像鐵絲網(wǎng)。在五年前發(fā)表的一項(xiàng)研究中，哥倫比亞大學(xué)(Columbia University)的研究員總結(jié)說，石墨烯是可測量的硬度最強(qiáng)的物質(zhì)。他們計(jì)算出，需要一頭大象站在鉛筆末端才能刺破一片保鮮膜厚度的石墨烯。

石墨烯可吸收和釋放的光的波長范圍比任何已知的物質(zhì)都大。它的導(dǎo)電性能比硅強(qiáng)得多。和易碎的硅不同，石墨烯柔韌性好、可伸縮。

石墨烯電路最終有望比銅和銀等傳導(dǎo)材料更便宜，因?yàn)樗梢杂墒?mdash;—普通鉛筆芯的主要成分——制成，而且也可以由一定量的氣體和金屬混合制成，或由固體碳源合成。

萊斯大學(xué)的托爾博士在2011年展示了石墨烯可以用各種不同的碳源合成，包括草、女童子軍曲奇餅干和蟑螂腿。

托爾博士的實(shí)驗(yàn)室申請了多項(xiàng)石墨烯專利，包括增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度的石墨烯條，他說其強(qiáng)度可用于制造高壓天然氣罐，這種氣罐可以直接在汽車內(nèi)鑄模。他說，快速申請專利“讓我們在這種技術(shù)中有了一席之地”。

其中一個拖石墨烯后腿的因素是成本。有些美國供應(yīng)商將銅箔上的石墨烯薄膜定價(jià)為每平方英寸60美元左右。德國Aixtron SE劍橋分公司總監(jiān)肯尼斯·泰奧(Kenneth Teo)估計(jì)：“像高速晶體管這樣的高端電子應(yīng)用應(yīng)該在每平方英寸一美元左右，觸摸顯示屏應(yīng)該每平方英寸低于10美分。”該公司專門制造生產(chǎn)石墨烯的機(jī)器。

通常石墨烯必須與其他材料相結(jié)合才能開發(fā)其屬性，科學(xué)家們依然在嘗試如何才能有效地進(jìn)行開發(fā)。

石墨烯也有一個顯著的缺點(diǎn)：不容易實(shí)現(xiàn)開關(guān)特性。IBM公司(International Business Machines Corp)最初對將石墨烯用于電腦芯片非常樂觀，但后來發(fā)現(xiàn)由于電子在其中的運(yùn)動速度太快，不容易關(guān)掉，因此很難將電流轉(zhuǎn)換為“1”和“0”的數(shù)字碼。

全球的實(shí)驗(yàn)室都在試圖解決這個問題。但I(xiàn)BM研究部門物理科學(xué)負(fù)責(zé)人蘇普拉蒂克·古哈(Supratik Guha)說，目前為止，“我們并沒有看到微處理器中的硅被石墨烯所取代”。他說他依然是石墨烯的強(qiáng)力支持者。IBM也是申請石墨烯相關(guān)專利的大戶。

許多材料曾經(jīng)受到熱捧，但后來都未能實(shí)至名歸。石墨烯也有可能面臨這種命運(yùn)。高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)在1987年獲得了諾貝爾獎，產(chǎn)生了大批專利，人們也紛紛預(yù)測包括磁懸浮高速列車在內(nèi)的各類技術(shù)的出現(xiàn)。如今世界依然在等待。

但這并不影響科學(xué)家們對石墨烯的極大熱情。據(jù)湯森路透(Thomson Reuters)期刊索引庫Web of Science統(tǒng)計(jì)，2012年，科學(xué)家發(fā)表的有關(guān)石墨烯的論文較2011年增加了45%。

這是一場全球競賽：Cambridge Intellectual說，截至今年5月，累積申請石墨烯專利最多的是中國，美國和韓國緊隨其后。三星申請的專利數(shù)最多，接下來是IBM和韓國首爾成均館大學(xué)(Sungkyunkwan University)。

實(shí)驗(yàn)室里或許是天馬行空，但有些專利已經(jīng)被應(yīng)用到了產(chǎn)品中。馬里蘭州杰瑟普(Jessup)的Vorbeck Materials Corp.公司生產(chǎn)了一種石墨烯墨水，該公司稱這種墨水如今被幾家美國商店用來打印用于防盜包裝的電路。該公司拒絕透露這些商店的名稱。

Head公司申請了一項(xiàng)可將石墨烯用于包括高爾夫球棒和滑雪板固定裝置在內(nèi)的運(yùn)動裝備的專利，其網(wǎng)球拍就是一例應(yīng)用。公司一位代表建議問詢記者參閱公司網(wǎng)站。網(wǎng)站說由于石墨烯強(qiáng)度較大，因此球拍的用料會較少，設(shè)計(jì)師可以重新安排重量分布以增強(qiáng)球拍力量。

紐約州沃平杰斯福爾斯(Wappingers Falls)初創(chuàng)公司Bluestone Global Tech Ltd.生產(chǎn)的石墨烯片據(jù)說會發(fā)貨給來自美國、新加坡和中國的客戶。該公司首席執(zhí)行長Chung-Ping Lai預(yù)測說：“半年內(nèi)石墨烯將會應(yīng)用于可投入商業(yè)使用的手機(jī)的觸摸屏。”

在2003年以前，這種對石墨烯的追捧是不可想象的，當(dāng)時(shí)許多科學(xué)家認(rèn)為原子直徑厚度的任何物質(zhì)都不可能不會分崩離析。

當(dāng)年，安德烈·海姆(Andre Geim)偶然發(fā)現(xiàn)了石墨烯的奇妙特性。他是英國曼徹斯特大學(xué)(University of Manchester)的科學(xué)家，出生在俄羅斯。他想用很薄的石墨烯來研究其電子屬性。一名博士生建議使用透明膠帶。

海姆博士和他的同事們用膠帶從石墨上剝離出薄片，直到獲得薄至透明的石墨層。直到無法再剝離時(shí)，就獲得了石墨烯。石墨烯層不但沒有破碎，反而強(qiáng)度很大、有彈性，而且擁有非凡的電子屬性。

其他科學(xué)家最初表示懷疑。海姆博士說：“沒有多少人相信我們。”但是據(jù)劍橋大學(xué)的法拉利博士回憶，到2006年3月，當(dāng)海姆博士在巴爾的摩一場會議中作報(bào)告時(shí)，會場已是座無虛席。他說：“終于，我明白了這種物質(zhì)的重要性。”

2010年，海姆博士和他的同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)因?yàn)槭┓矫娴呢暙I(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎。當(dāng)時(shí)，各企業(yè)實(shí)驗(yàn)室、萊斯和哈佛等大學(xué)、以及中國的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始加大石墨烯的研究。2010年，日本和韓國科學(xué)家公布了石墨烯觸摸屏原型機(jī)。

三星和韓國成均館大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室因其研究力度尤為引人注目。成均館大學(xué)石墨烯研究員Changgu Lee說：“雖然石墨烯的基礎(chǔ)研究始于歐洲和美國，但商業(yè)應(yīng)用的早期研究始于韓國。我們想保持領(lǐng)先。”

三星發(fā)言人拒絕就公司在石墨烯方面的研究置評。

對石墨烯表現(xiàn)出興趣的還有美國軍方。2011年年末，位于馬里蘭州艾德菲(Adelphi)的美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(U.S. Army Research Laboratory)與波士頓的東北大學(xué)(Northeastern University)簽署了一項(xiàng)研究石墨烯屬性的協(xié)議，資金主要來自美國國防高級研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，簡稱Darpa)30萬美元的撥款。

東北大學(xué)物理學(xué)教授斯里尼瓦斯·斯里達(dá)爾(Srinivas Sridhar)說，該大學(xué)計(jì)劃用石墨烯設(shè)計(jì)更好的夜視鏡及其他探測器。Darpa的一位代表在電子郵件中證實(shí)了該項(xiàng)目。

今年夏天，通過參觀法拉利博士的實(shí)驗(yàn)室，記者初步了解到了石墨烯研究的情況。他的同事費(fèi)利切·托里西(Felice Torrisi)展示了膠帶從一塊石墨上剝離石墨烯的過程。托里西博士說，“這種規(guī)模顯然不足以應(yīng)用于”工業(yè)用途。

這說明了石墨烯競賽中的一個重大目標(biāo)：尋找生產(chǎn)的最佳方法。大量專利申請都描述了制造石墨烯的方法。

接著托里西博士拿起一小瓶裝有石墨烯和水的墨水。旁邊的噴墨打印機(jī)滋滋作響，將墨水印在一片塑料薄片上，形成一個近乎不可見的電路。印在塑料上的墨水就是法拉利博士輕擊鍵盤后附帶的電子儀器會發(fā)出音樂聲的關(guān)鍵。

在其他的劍橋?qū)嶒?yàn)室里，研究員們展示了一個石墨烯激光器的早期原型機(jī)，這款激光器可以發(fā)射出超速光脈沖和石墨烯傳感器，能夠探測到任何波長的光。

石墨烯的導(dǎo)熱屬性顯然是蘋果一項(xiàng)專利申請的核心。這項(xiàng)專利申請包括“可攜帶電子設(shè)備”元件背后的石墨烯“散熱器”的樣圖。蘋果發(fā)言人拒絕置評。

薩博希望利用石墨烯的輕薄和傳導(dǎo)性能，將其植入機(jī)翼用于除冰。薩博航空設(shè)備部門負(fù)責(zé)未來產(chǎn)品的馬茨·帕爾姆貝里(Mats Palmberg)說，這項(xiàng)研究還在初級階段，“但它肯定是我們推出飛行應(yīng)用計(jì)劃的一部分”。

洛克希德在新聞稿中說預(yù)計(jì)其石墨烯薄膜能夠“更有效地進(jìn)行海水淡化”，而成本只會是目前技術(shù)的很小一部分。

諾貝爾獲獎?wù)吆Ｄ凡┦空f，石墨烯的發(fā)現(xiàn)還導(dǎo)致科學(xué)家開始研究其他大量擁有特殊屬性、具有二維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。他說：“石墨烯打開了一個我們不知道的物質(zhì)世界。”

1、中國首條年產(chǎn)3萬平方米石墨烯薄膜生產(chǎn)線投產(chǎn)

2013年5月18日，中國首條年產(chǎn)3萬平方米石墨烯薄膜生產(chǎn)線投產(chǎn)暨石墨烯手機(jī)觸摸屏新品發(fā)布會在常州市江南石墨烯研究院舉行。

石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)，由于其各種電學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械性能已經(jīng)引起國際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的巨大研發(fā)熱情。單層碳原子的石墨烯作為最薄材料，又是導(dǎo)電、導(dǎo)熱最好，比表面積最高的材料，同時(shí)又具有極高的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，以及良好的透光性。因此，石墨烯材料被認(rèn)為在觸控、顯示、儲能、電子、復(fù)合材料等領(lǐng)域，尤其是作為透明導(dǎo)電電極在觸控顯示領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)率先成功地將石墨烯薄膜應(yīng)用于手機(jī)電容式觸摸屏上，成功地實(shí)現(xiàn)了電容式觸摸屏手機(jī)小批量的量產(chǎn)，并完成了功能測試。經(jīng)過第三方測試，石墨烯手機(jī)電容式觸摸屏的性能已達(dá)到了ITO觸摸屏的標(biāo)準(zhǔn)，可靠性能滿足用戶的要求。

行業(yè)專家表示，這次中國首條年產(chǎn)3萬平米石墨烯透明導(dǎo)電薄膜生產(chǎn)線的投產(chǎn)和供應(yīng)用開發(fā)用的石墨烯電容觸摸屏中試線的搭建，標(biāo)志著石墨烯材料在制備和應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化上邁出了關(guān)鍵性一大步。同時(shí)，石墨烯手機(jī)電容式觸摸屏新品的發(fā)布，說明石墨烯透明導(dǎo)電薄膜及石墨烯電容式觸摸屏開始進(jìn)入了市場開拓階段。石墨烯薄膜工藝線只需要對現(xiàn)有ITO模組工藝線進(jìn)行簡單改造，就可以完成對接，這將非常有利于石墨烯薄膜透明電極材料在觸控顯示領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和推廣。

本次成果由常州二維碳素科技有限公司、無錫格菲電子薄膜科技有限公司、深圳力合光電傳感股份有限公司聯(lián)合江南石墨烯研究院共同發(fā)布。

2、石墨烯觸摸屏商用還有多久？

在智能手機(jī)領(lǐng)域，觸控技術(shù)幾乎已成標(biāo)配。據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)ABI Research報(bào)告稱，2006年僅7%的智能手機(jī)采用觸摸屏，而到2016年97%的智能手機(jī)將采用觸摸屏。隨著Phablet和超極本的份額擴(kuò)展，大尺寸觸摸屏的需求也將不斷增長。

從電阻屏到電容屏，從G+G到OGS、In-cell、On-cell，智能手機(jī)及平板電腦用戶體驗(yàn)的飛速發(fā)展，得益于觸控技術(shù)的變革和應(yīng)用形式的豐富。除了觸控芯片的技術(shù)推陳出新，石墨烯、納米銀等各種觸摸新材料的出現(xiàn)也推動了觸控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

目前市場上觸摸屏的ITO導(dǎo)電薄膜材料主要為氧化銦錫，這種材料主要來自稀土，不僅價(jià)格高，而且易碎。目前越來越多的廠商開始采用石墨烯、納米銀、碳納米管等新興材料來取代傳統(tǒng)的氧化銦錫，不僅原材料獲取方便、制造成本低，而且制備工藝簡單。

常州二維碳素科技有限公司總經(jīng)理金虎表示，石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度，其材料擁有非常優(yōu)異的性能，可應(yīng)用到多種產(chǎn)業(yè)中。

用石墨烯材料做的導(dǎo)電薄膜，相比傳統(tǒng)的ITO具有許多優(yōu)勢。首先是原材料的取得比較容易，ITO原材料為稀有金屬銦，全世界儲量很低，隨著各國對稀土資源的保護(hù)性政策，其成本已經(jīng)不斷飚升，從02年$92/kg到現(xiàn)在的$930/kg，據(jù)2008年美國礦業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，目前已發(fā)現(xiàn)的銦礦儲量僅能使用到2028年，而2010年以來銦的使用量在快速放大。另外ITO廢舊電子產(chǎn)品也不易回收，銦有毒性，且回收成本高昂。

相對來說石墨烯的原材料（石墨，氫氣，甲烷，氬氣，可回收的金屬基底材料，以及化學(xué)腐蝕藥劑），廢舊電子產(chǎn)品處理容易。從原材料成本來看，石墨烯遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)ITO材料。此外，石墨烯觸摸屏sensor加工工序相對簡單，對生產(chǎn)設(shè)備、需求場地等投資要求低，可進(jìn)一步降低模組成本。

此外，ITO是陶瓷材料，柔韌性差，加工過程中因彎折而破碎，是重要的成本增加因素，同時(shí)在未來的柔性顯示趨勢中，ITO材料也不適合。相對來說柔性是石墨烯的重要特性，其彎折性能主要為其基底PET材料的彎折極限。

除了成本優(yōu)勢外，單層石墨烯還具有透光率好，只吸收2.3%光；理論電阻率低，比銅/銀電阻率還要低；同時(shí)耐高溫、防水、堿、鹽腐蝕等多種優(yōu)異性能。金虎認(rèn)為，未來石墨烯觸摸屏取代傳統(tǒng)ITO觸摸屏將是大勢所趨。

據(jù)金虎介紹，2012年，常州二維碳素科技有限公司與石墨烯研究院、力合光電在常州發(fā)布了世界首款手機(jī)用石墨烯電容式觸摸屏，領(lǐng)先于三星、Sony等國際大廠。金虎表示，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(jī)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。其中三星采用的工藝路線是管式爐，計(jì)劃2015年在美國推出石墨烯觸摸屏手機(jī)，而據(jù)傳蘋果的iphone 6也將使用石墨烯材料。

目前來看，石墨烯觸摸屏的發(fā)展還處在行業(yè)初級階段，但除了上游材料以外，下游供應(yīng)鏈的發(fā)展還比較遲緩，良率也有待提高。所以距離大規(guī)模商用還有一段時(shí)間，但相信隨著三星、蘋果等企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域，這一時(shí)間將很快到來。