焦天棟 譚玉靖

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450000）

1 石墨烯材料在觸摸屏中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

石墨烯材料是在2004年被英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和安德烈·海姆（Andre Geim）發(fā)現(xiàn)，并共同獲得 2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等方面具有十分優(yōu)異的性質(zhì)。石墨烯在觸控屏中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其主要優(yōu)點(diǎn)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(jiàn)到紅外波段的透光率均高達(dá) 97.7%，因而不會(huì)偏色；（2）電導(dǎo)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(gè)碳原子層厚，其載流子遷移率極高，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的電導(dǎo)率最高的材料；（3）石墨烯具有極高的力學(xué)強(qiáng)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，性能受環(huán)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(duì)環(huán)境也無(wú)污染，符合綠色環(huán)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(lǐng)域的應(yīng)用專利申請(qǐng)總體分析

2.1 專利發(fā)展趨勢(shì)

有關(guān)石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域的應(yīng)用的專利申請(qǐng)，筆者在CNABS和VEN專利數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行了檢索和統(tǒng)計(jì)。截止到2017年12月31日，該領(lǐng)域全世界的相關(guān)申請(qǐng)共447篇，這447篇申請(qǐng)的時(shí)間分布如圖1所示：

由圖1可以看出，石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域的應(yīng)用相關(guān)專利的申請(qǐng)從2010年開(kāi)始出現(xiàn)，而在這一年，韓國(guó)三星公司最早將石墨烯薄膜作為透明電極應(yīng)用于3.1英寸電阻觸控屏。到了2013年，相關(guān)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量開(kāi)始出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，直到2016年依然保持著較高的年申請(qǐng)量。而圖中顯示2017年申請(qǐng)量的下降主要因?yàn)橄嚓P(guān)申請(qǐng)還未公開(kāi)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不完整所致，目前石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域的應(yīng)用相關(guān)研發(fā)依然是觸摸屏領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

圖1 石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域的應(yīng)用專利申請(qǐng)量趨勢(shì)

2.2 國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人地域分布

通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域的應(yīng)用相關(guān)專利申請(qǐng)量最大的前五個(gè)國(guó)家和地區(qū)分別為：中國(guó)295件、韓國(guó)76件、美國(guó)24件、日本14件、臺(tái)灣地區(qū)4件，其他國(guó)家和地區(qū)相關(guān)專利的申請(qǐng)量比較少。可以看出，在全世界范圍內(nèi)，石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域的應(yīng)用相關(guān)專利在中國(guó)的申請(qǐng)量最大，而且在中國(guó)最近幾年的專利申請(qǐng)比較多，屬于申請(qǐng)量快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域，而韓國(guó)由于在電子技術(shù)以及屏幕制作方面的優(yōu)勢(shì)，在相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)也非常活躍，申請(qǐng)量?jī)H次于中國(guó)。

2.3 國(guó)內(nèi)外重要申請(qǐng)人

通過(guò)對(duì)447篇專利進(jìn)行分析，并對(duì)其中的重要申請(qǐng)人進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，國(guó)外主要的申請(qǐng)人為三星電子，國(guó)內(nèi)的主要申請(qǐng)人有重慶墨希科技有限公司、京東方科技集團(tuán)股份有限公司、無(wú)錫格菲電子薄膜科技有限公司、中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能研究院、無(wú)錫力合光電傳感技術(shù)有限公司等。

3 石墨烯應(yīng)用于觸摸屏領(lǐng)域的最新進(jìn)展

3.1 石墨烯電容式觸摸屏中的關(guān)鍵技術(shù)及改進(jìn)

石墨烯電容式觸摸屏的工藝分為石墨烯的轉(zhuǎn)移、改性、圖形化及其電容屏模組制備四個(gè)過(guò)程，而現(xiàn)階段的研發(fā)重點(diǎn)也是針對(duì)這四個(gè)過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 國(guó)內(nèi)外重要申請(qǐng)人的申請(qǐng)量分布

3.1.1 石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移關(guān)鍵技術(shù)

石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法很多，目前使用最多的有兩類：基于PMMA犧牲層的轉(zhuǎn)移方法和熱釋膠帶轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移至目標(biāo)基底上，最后用丙酮去除PMMA，該方法操作簡(jiǎn)單，在實(shí)驗(yàn)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(biāo)基底貼合，最后熱釋膠帶通過(guò)加熱轉(zhuǎn)移釋放石墨烯。熱釋膠帶轉(zhuǎn)移方法方便大面積使用，同時(shí)通過(guò)膠帶的裁剪也方便控制轉(zhuǎn)移石墨烯的形狀，因而對(duì)于石墨烯觸控屏而言，熱釋膠帶轉(zhuǎn)移石墨烯方法更為實(shí)用。2016年2月4日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的申請(qǐng)?zhí)枮镃N201610080449的專利申請(qǐng)了一種基于光學(xué)膠轉(zhuǎn)移技術(shù)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(xué)膠膜結(jié)合到石墨烯的表面，分離石墨烯與初始基體后獲得以光學(xué)膠膜作為基材的石墨烯透明導(dǎo)電薄膜；對(duì)石墨烯透明導(dǎo)電薄膜進(jìn)行圖形化、制作導(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)不同的應(yīng)用需求，石墨烯薄膜還需要進(jìn)行改性增強(qiáng)。對(duì)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(jìn)一步增強(qiáng)薄膜的導(dǎo)電性。在載流子遷移率一定的情況下，通過(guò)摻雜改性提高石墨烯載流子濃度是增強(qiáng)石墨烯導(dǎo)電性的重要途徑。本征石墨烯的價(jià)帶和導(dǎo)帶在布里淵區(qū)中心呈錐形接觸，因此是零帶隙的半導(dǎo)體或半金屬；通過(guò)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(jí)結(jié)構(gòu)，形成與半導(dǎo)體類似的摻雜效應(yīng)。目前，石墨烯摻雜改性劑種類很多，主要有硝酸、氯金酸、導(dǎo)電高分子等，采用的改性方式包括浸泡、熏蒸、原位復(fù)合以及旋涂的方式。2016年6月14日，天津?qū)毰d威科技有限公司的申請(qǐng)?zhí)枮镃N201610435617的專利申請(qǐng)一種用石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料制作觸摸屏的方法，具體是將石墨烯與金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行復(fù)合得到石墨烯金屬?gòu)?fù)合材料來(lái)制備金屬導(dǎo)電層，進(jìn)而制備觸摸屏。

3.1.3 石墨烯薄膜圖形化關(guān)鍵技術(shù)

石墨烯是一種由碳原子組成二維材料，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。一般采用酸和堿很難對(duì)石墨烯實(shí)現(xiàn)腐蝕，因此用石墨烯實(shí)現(xiàn)電容式觸摸屏過(guò)程中，會(huì)遇到一個(gè)很大的難題：在現(xiàn)有的觸控工藝線條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯的刻蝕。要實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯的刻蝕，一般的方法包括兩個(gè)方面：（1）由于石墨烯是一種很薄的材料，只有一個(gè)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(gòu)成，所以可以考慮在特殊條件下與氧氣等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而去除石墨烯?；诖耍┑目涛g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(jiǎn)單，同時(shí)現(xiàn)有工業(yè)化設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)10微米量級(jí)的石墨烯圖形，滿足在工廠規(guī)?；苽涞男枨?。2015年6月29日，重慶墨?？萍加邢薰竞椭袊?guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院的申請(qǐng)?zhí)枮镃N201510366931的專利申請(qǐng)了一種石墨烯觸摸屏的制備方法，其中在刻蝕步驟中通過(guò)激光對(duì)石墨烯導(dǎo)電膜上的銀漿走線及可視區(qū)石墨烯導(dǎo)電膜刻蝕，形成電路圖案。

3.1.4 石墨烯觸控模組關(guān)鍵技術(shù)

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(shí)現(xiàn)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(guò)柔性印刷電路板（FPC）進(jìn)行電氣連接，需要經(jīng)過(guò)綁定及其通過(guò)一定的壓力和高溫條件與ACF膠粘接綁定。2016年12月28日，無(wú)錫格菲電子薄膜科技有限公司的申請(qǐng)?zhí)枮镃N201611232633的專利申請(qǐng)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(kāi)了石墨烯觸控模組的制程。

3.2 石墨烯觸摸屏領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外重要申請(qǐng)人分析

根據(jù)石墨烯觸摸屏領(lǐng)域重要申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)量，筆者選取韓國(guó)三星電子和重慶墨?？萍加邢薰緦?duì)其技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

（1）韓國(guó)三星電子在石墨烯觸摸屏領(lǐng)域的研發(fā)最為活躍，其在2010年最早將石墨烯薄膜作為透明電極應(yīng)用于3.1英寸電阻觸控屏，2013年初，三星與成均館大學(xué)合作開(kāi)發(fā)出價(jià)格更低的石墨烯透明導(dǎo)電薄膜有望用于OLED電視的量產(chǎn)。在制備工藝上，三星電子主要通過(guò)氧化還原法在基板上制備石墨烯電極層，專利申請(qǐng)（KR20100010140A，20100203）公開(kāi)了一種在觸摸屏面板的顯示區(qū)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(shè)置掩膜，將掩膜暴露在襯底上的氧化環(huán)境中，移除掩膜從而形成石墨烯電極層；之后，三星不斷對(duì)石墨烯電極的制作工藝進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，專利申請(qǐng)（KR20110108864A，20111024）公開(kāi)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?zé)崽幚?。此外，三星致力于柔性觸摸顯示屏的量產(chǎn)化，專利申請(qǐng)（KR20130102489，20130828）公開(kāi)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(wǎng)層和粘附金屬網(wǎng)層構(gòu)成；專利申請(qǐng)（KR20150158426，20151111）公開(kāi)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體，由石墨烯或其衍生物重復(fù)排列形成。

（2）國(guó)內(nèi)對(duì)石墨烯觸摸屏研發(fā)以重慶墨?？萍加邢薰緸榇?，其與中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能研究院建立了良好的合作關(guān)系，在相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)較為活躍，尤其自2013年以來(lái)，由于突破了石墨烯電極快速圖形化、真空貼合等核心技術(shù)，試制出GF/GFF結(jié)構(gòu)3.5英寸電容式觸摸屏和真實(shí)多點(diǎn)石墨烯手機(jī)工程樣機(jī)，重慶墨希科技有限公司也隨之拉開(kāi)了石墨烯手機(jī)量產(chǎn)的序幕。 專利申請(qǐng)（CN201410054964，20140218）公開(kāi)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(jìn)，專利申請(qǐng)（CN201510366931，20150629）公開(kāi)了一種石墨烯觸摸屏的制備方法，具體為導(dǎo)電膜清洗、銀漿絲印、激光刻蝕、光學(xué)膠貼合以及熱壓蓋板從而制作成觸摸屏感應(yīng)模組；專利申請(qǐng)（CN201610078802，20160204）公開(kāi)了一種互感式石墨烯壓力觸控屏，其中石墨烯導(dǎo)電薄膜與觸摸屏單元的載體通過(guò)OCA貼合膠貼合，且載體與中間彈性體貼合的石墨烯導(dǎo)電薄膜上通過(guò)OCA貼合膠貼合設(shè)有保護(hù)蓋。

通過(guò)對(duì)三星電子和重慶墨希關(guān)于石墨烯觸摸屏領(lǐng)域的專利申請(qǐng)進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)，三星電子的重要申請(qǐng)或者高質(zhì)量的專利申請(qǐng)一般都在多個(gè)國(guó)家申請(qǐng)專利，并且大多數(shù)都在中國(guó)有專利申請(qǐng)，而重慶墨?？萍嫉葒?guó)內(nèi)申請(qǐng)人雖然專利申請(qǐng)總量高，但是在國(guó)外的申請(qǐng)量較少。

4 結(jié)語(yǔ)

石墨烯材料由于其本身具有的特性使得其在觸摸屏領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外的龍頭企業(yè)早已開(kāi)始在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行專利布局，但是由于石墨烯觸摸屏在產(chǎn)品量產(chǎn)方面還有很多問(wèn)題需要解決。因此，筆者認(rèn)為，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)只要加大研發(fā)投入，還是很有機(jī)會(huì)突破巨頭們的專利封鎖，具體來(lái)說(shuō)，要加強(qiáng)與高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)的合作，積極推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，著重在石墨烯的轉(zhuǎn)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(jìn)，從而加快我國(guó)石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。