焦天棟 譚玉靖

（國家知識產(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

石墨烯材料是在2004年被英國曼徹斯特大學(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。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，其主要優(yōu)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(dá) 97.7%，因而不會偏色；（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?。唬?）石墨烯是單原子層的碳材料，不存在毒性，對環(huán)境也無污染，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)用專利申請總體分析

2.1 專利發(fā)展趨勢

有關(guān)石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域的應(yīng)用的專利申請，筆者在CNABS和VEN專利數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行了檢索和統(tǒng)計。截止到2017年12月31日，該領(lǐng)域全世界的相關(guān)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(lǐng)域的應(yīng)用相關(guān)專利的申請從2010年開始出現(xiàn)，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(yīng)用于3.1英寸電阻觸控屏。到了2013年，相關(guān)領(lǐng)域的專利申請量開始出現(xiàn)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(guān)申請還未公開，統(tǒng)計數(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)域的一個熱點。

圖1 石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域的應(yīng)用專利申請量趨勢

2.2 國內(nèi)外申請人地域分布

通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域的應(yīng)用相關(guān)專利申請量最大的前五個國家和地區(qū)分別為：中國295件、韓國76件、美國24件、日本14件、臺灣地區(qū)4件，其他國家和地區(qū)相關(guān)專利的申請量比較少?？梢钥闯觯谌澜绶秶鷥?nèi)，石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域的應(yīng)用相關(guān)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(lǐng)域，而韓國由于在電子技術(shù)以及屏幕制作方面的優(yōu)勢，在相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)也非?；钴S，申請量僅次于中國。

2.3 國內(nèi)外重要申請人

通過對447篇專利進(jìn)行分析，并對其中的重要申請人進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)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(nèi)的主要申請人有重慶墨?？萍加邢薰尽⒕〇|方科技集團(tuán)股份有限公司、無錫格菲電子薄膜科技有限公司、中國科學(xué)院重慶綠色智能研究院、無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過程，而現(xiàn)階段的研發(fā)重點也是針對這四個過程進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 國內(nèi)外重要申請人的申請量分布

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(biāo)基底貼合，最后熱釋膠帶通過加熱轉(zhuǎn)移釋放石墨烯。熱釋膠帶轉(zhuǎn)移方法方便大面積使用，同時通過膠帶的裁剪也方便控制轉(zhuǎn)移石墨烯的形狀，因而對于石墨烯觸控屏而言，熱釋膠帶轉(zhuǎn)移石墨烯方法更為實用。2016年2月4日，中國科學(xué)院金屬研究所的申請?zhí)枮镃N201610080449的專利申請了一種基于光學(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(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?zhí)枮镃N201610435617的專利申請一種用石墨烯金屬復(fù)合材料制作觸摸屏的方法，具體是將石墨烯與金屬復(fù)合材料進(jìn)行復(fù)合得到石墨烯金屬復(fù)合材料來制備金屬導(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石墨烯實現(xiàn)腐蝕，因此用石墨烯實現(xiàn)電容式觸摸屏過程中，會遇到一個很大的難題：在現(xiàn)有的觸控工藝線條件下實現(xiàn)對石墨烯的刻蝕。要實現(xiàn)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(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?，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(xiàn)有工業(yè)化設(shè)備可以實現(xiàn)10微米量級的石墨烯圖形，滿足在工廠規(guī)模化制備的需求。2015年6月29日，重慶墨?？萍加邢薰竞椭袊茖W(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院的申請?zhí)枮镃N201510366931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(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與觸控芯片通過柔性印刷電路板（FPC）進(jìn)行電氣連接，需要經(jīng)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?zhí)枮镃N201611232633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(lǐng)域國內(nèi)外重要申請人分析

根據(jù)石墨烯觸摸屏領(lǐng)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?？萍加邢薰緦ζ浼夹g(shù)發(fā)展進(jìn)行了簡要分析。

（1）韓國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)合作開發(fā)出價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(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，三星不斷對石墨烯電極的制作工藝進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，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?zé)崽幚怼４送?，三星致力于柔性觸摸顯示屏的量產(chǎn)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(wǎng)層和粘附金屬網(wǎng)層構(gòu)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體，由石墨烯或其衍生物重復(fù)排列形成。

（2）國內(nèi)對石墨烯觸摸屏研發(fā)以重慶墨?？萍加邢薰緸榇?，其與中國科學(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，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多點石墨烯手機(jī)工程樣機(jī)，重慶墨希科技有限公司也隨之拉開了石墨烯手機(jī)量產(chǎn)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(jìn)，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(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（CN201610078802，20160204）公開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OCA貼合膠貼合設(shè)有保護(hù)蓋。

通過對三星電子和重慶墨希關(guān)于石墨烯觸摸屏領(lǐng)域的專利申請進(jìn)行梳理發(fā)現(xiàn)，三星電子的重要申請或者高質(zhì)量的專利申請一般都在多個國家申請專利，并且大多數(shù)都在中國有專利申請，而重慶墨?？萍嫉葒鴥?nèi)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(jié)語

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，國內(nèi)外的龍頭企業(yè)早已開始在相關(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)方面還有很多問題需要解決。因此，筆者認(rèn)為，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)只要加大研發(fā)投入，還是很有機(jī)會突破巨頭們的專利封鎖，具體來說，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)，從而加快我國石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。