焦天栋 谭玉靖

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450000）

1 石墨烯材料在触摸屏中的应用优势

石墨烯材料是在2004年被英国曼彻斯特大学物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和安德烈·海姆（Andre Geim）发现，并共同获得 2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型晶格的平面薄膜，是仅有一层原子厚度的新型二维材料，在力学、热学、光学、电学等方面具有十分优异的性质。石墨烯在触控屏中具有明显的应用优势，其主要优点包括：（1）石墨烯几乎是完全透明的，单层石墨烯薄膜从紫外、可见到红外波段的透光率均高达 97.7%，因而不会偏色；（2）电导率与透光率的矛盾在石墨烯透明电极中可得到很好的解决，石墨烯材料仅一个碳原子层厚，其载流子迁移率极高，是迄今为止发现的电导率最高的材料；（3）石墨烯具有极高的力学强度，并且非常柔软 （甚至可以在一定程度上折叠）；（4）石墨烯的化学性质稳定，性能受环境的影响较小；（5）石墨烯是单原子层的碳材料，不存在毒性，对环境也无污染，符合绿色环保的要求；（6）自然界碳元素含量非常丰富，因此采用石墨烯作为电极，原材料的限制较小[1]。

2 石墨烯在触摸屏领域的应用专利申请总体分析

2.1 专利发展趋势

有关石墨烯在触摸屏领域的应用的专利申请，笔者在CNABS和VEN专利数据库中进行了检索和统计。截止到2017年12月31日，该领域全世界的相关申请共447篇，这447篇申请的时间分布如图1所示：

由图1可以看出，石墨烯在触摸屏领域的应用相关专利的申请从2010年开始出现，而在这一年，韩国三星公司最早将石墨烯薄膜作为透明电极应用于3.1英寸电阻触控屏。到了2013年，相关领域的专利申请量开始出现快速增长，直到2016年依然保持着较高的年申请量。而图中显示2017年申请量的下降主要因为相关申请还未公开，统计数据不完整所致，目前石墨烯在触摸屏领域的应用相关研发依然是触摸屏领域的一个热点。

图1 石墨烯在触摸屏领域的应用专利申请量趋势

2.2 国内外申请人地域分布

通过统计发现石墨烯在触摸屏领域的应用相关专利申请量最大的前五个国家和地区分别为：中国295件、韩国76件、美国24件、日本14件、台湾地区4件，其他国家和地区相关专利的申请量比较少。可以看出，在全世界范围内，石墨烯在触摸屏领域的应用相关专利在中国的申请量最大，而且在中国最近几年的专利申请比较多，属于申请量快速增长的领域，而韩国由于在电子技术以及屏幕制作方面的优势，在相关领域的研发也非常活跃，申请量仅次于中国。

2.3 国内外重要申请人

通过对447篇专利进行分析，并对其中的重要申请人进行了统计，结果如图3所示。从图中可以看出，国外主要的申请人为三星电子，国内的主要申请人有重庆墨希科技有限公司、京东方科技集团股份有限公司、无锡格菲电子薄膜科技有限公司、中国科学院重庆绿色智能研究院、无锡力合光电传感技术有限公司等。

3 石墨烯应用于触摸屏领域的最新进展

3.1 石墨烯电容式触摸屏中的关键技术及改进

石墨烯电容式触摸屏的工艺分为石墨烯的转移、改性、图形化及其电容屏模组制备四个过程，而现阶段的研发重点也是针对这四个过程进行改进。

图2 国内外重要申请人的申请量分布

3.1.1 石墨烯薄膜转移关键技术

石墨烯薄膜的转移方法很多，目前使用最多的有两类：基于PMMA牺牲层的转移方法和热释胶带转移方法。前一种方法：在石墨烯表面旋涂上聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），用酸液刻蚀铜，然后将石墨烯转移至目标基底上，最后用丙酮去除PMMA，该方法操作简单，在实验室大量使用；后一种方法：将热释胶带与石墨烯/铜箔贴合，用酸液刻蚀铜，然后将石墨烯/热释胶带与目标基底贴合，最后热释胶带通过加热转移释放石墨烯。热释胶带转移方法方便大面积使用，同时通过胶带的裁剪也方便控制转移石墨烯的形状，因而对于石墨烯触控屏而言，热释胶带转移石墨烯方法更为实用。2016年2月4日，中国科学院金属研究所的申请号为CN201610080449的专利申请了一种基于光学胶转移技术制作石墨烯电容式触摸屏的方法，具体是先在初始基体表面形成石墨烯，再将光学胶膜结合到石墨烯的表面，分离石墨烯与初始基体后获得以光学胶膜作为基材的石墨烯透明导电薄膜；对石墨烯透明导电薄膜进行图形化、制作导线和压合FPC加工后直接与盖板贴合，从而完成触摸屏的制作。

3.1.2 石墨烯薄膜改性关键技术

根据不同的应用需求，石墨烯薄膜还需要进行改性增强。对于石墨烯触控屏而言，石墨烯薄膜需要在保持高透光率的条件下进一步增强薄膜的导电性。在载流子迁移率一定的情况下，通过掺杂改性提高石墨烯载流子浓度是增强石墨烯导电性的重要途径。本征石墨烯的价带和导带在布里渊区中心呈锥形接触，因此是零带隙的半导体或半金属；通过表面吸附、晶格空位、晶格替换掺杂等途径可改变其能带能级结构，形成与半导体类似的掺杂效应。目前，石墨烯掺杂改性剂种类很多，主要有硝酸、氯金酸、导电高分子等，采用的改性方式包括浸泡、熏蒸、原位复合以及旋涂的方式。2016年6月14日，天津宝兴威科技有限公司的申请号为CN201610435617的专利申请一种用石墨烯金属复合材料制作触摸屏的方法，具体是将石墨烯与金属复合材料进行复合得到石墨烯金属复合材料来制备金属导电层，进而制备触摸屏。

3.1.3 石墨烯薄膜图形化关键技术

石墨烯是一种由碳原子组成二维材料，具有很好的化学稳定性。一般采用酸和碱很难对石墨烯实现腐蚀，因此用石墨烯实现电容式触摸屏过程中，会遇到一个很大的难题：在现有的触控工艺线条件下实现对石墨烯的刻蚀。要实现对石墨烯的刻蚀，一般的方法包括两个方面：（1）由于石墨烯是一种很薄的材料，只有一个原子层厚度，因此可以采用高能量轰击的方式去掉不需要的石墨烯；（2）石墨烯是由碳原子构成，所以可以考虑在特殊条件下与氧气等物质发生化学反应，从而去除石墨烯。基于此，石墨烯的刻蚀方法有三种：激光刻蚀、氧等离子刻蚀、氧紫外线刻蚀。其中，石墨烯激光刻蚀法，处理方法较为简单，同时现有工业化设备可以实现10微米量级的石墨烯图形，满足在工厂规模化制备的需求。2015年6月29日，重庆墨希科技有限公司和中国科学院重庆绿色智能技术研究院的申请号为CN201510366931的专利申请了一种石墨烯触摸屏的制备方法，其中在刻蚀步骤中通过激光对石墨烯导电膜上的银浆走线及可视区石墨烯导电膜刻蚀，形成电路图案。

3.1.4 石墨烯触控模组关键技术

石墨烯触控模组制程可分为前段sensor工艺和后段的贴合工艺，前段工艺的目的是实现电容式触摸屏的sensor，而后段工艺则是将sensor于触控芯片贴合组成石墨烯电容式触摸屏成品。其中主要的工艺步骤包括：银浆的丝印与刻蚀、石墨烯sensor与触控芯片的贴合、盖板贴合与除泡。其中，石墨烯sensor与触控芯片通过柔性印刷电路板（FPC）进行电气连接，需要经过绑定及其通过一定的压力和高温条件与ACF胶粘接绑定。2016年12月28日，无锡格菲电子薄膜科技有限公司的申请号为CN201611232633的专利申请了一种基于石墨烯的超薄柔性电容式触控传感器及其制备方法，其具体公开了石墨烯触控模组的制程。

3.2 石墨烯触摸屏领域国内外重要申请人分析

根据石墨烯触摸屏领域重要申请人的专利申请量，笔者选取韩国三星电子和重庆墨希科技有限公司对其技术发展进行了简要分析。

（1）韩国三星电子在石墨烯触摸屏领域的研发最为活跃，其在2010年最早将石墨烯薄膜作为透明电极应用于3.1英寸电阻触控屏，2013年初，三星与成均馆大学合作开发出价格更低的石墨烯透明导电薄膜有望用于OLED电视的量产。在制备工艺上，三星电子主要通过氧化还原法在基板上制备石墨烯电极层，专利申请（KR20100010140A，20100203）公开了一种在触摸屏面板的显示区域上制备石墨烯电极层的方法，具体为在石墨烯层的上表面设置掩膜，将掩膜暴露在衬底上的氧化环境中，移除掩膜从而形成石墨烯电极层；之后，三星不断对石墨烯电极的制作工艺进行调整和改进，专利申请（KR20110108864A，20111024）公开了电容式触摸屏上的石墨烯透明电极的制备方法，具体为将石墨烯氧化物溶液涂覆在玻璃基底上，还原石墨烯氧化物，然后用高温热处理。此外，三星致力于柔性触摸显示屏的量产化，专利申请（KR20130102489，20130828）公开了一种可折叠的显示装置及其制造方法，其中的触控电极采用石墨烯层、金属网层和粘附金属网层构成；专利申请（KR20150158426，20151111）公开了一种透明电极和包括其的电子器件，其电极层是一种石墨烯网状结构体，由石墨烯或其衍生物重复排列形成。

（2）国内对石墨烯触摸屏研发以重庆墨希科技有限公司为代表，其与中国科学院重庆绿色智能研究院建立了良好的合作关系，在相关领域的研发较为活跃，尤其自2013年以来，由于突破了石墨烯电极快速图形化、真空贴合等核心技术，试制出GF/GFF结构3.5英寸电容式触摸屏和真实多点石墨烯手机工程样机，重庆墨希科技有限公司也随之拉开了石墨烯手机量产的序幕。 专利申请（CN201410054964，20140218）公开了一种基于石墨烯的集成OLED触摸屏显示器，其减少了一层基底厚度，并使得触摸屏显示器可折叠；而在石墨烯触控模组制程尤其是后段的贴合工艺上，重庆墨希也一直在研究和改进，专利申请（CN201510366931，20150629）公开了一种石墨烯触摸屏的制备方法，具体为导电膜清洗、银浆丝印、激光刻蚀、光学胶贴合以及热压盖板从而制作成触摸屏感应模组；专利申请（CN201610078802，20160204）公开了一种互感式石墨烯压力触控屏，其中石墨烯导电薄膜与触摸屏单元的载体通过OCA贴合胶贴合，且载体与中间弹性体贴合的石墨烯导电薄膜上通过OCA贴合胶贴合设有保护盖。

通过对三星电子和重庆墨希关于石墨烯触摸屏领域的专利申请进行梳理发现，三星电子的重要申请或者高质量的专利申请一般都在多个国家申请专利，并且大多数都在中国有专利申请，而重庆墨希科技等国内申请人虽然专利申请总量高，但是在国外的申请量较少。

4 结语

石墨烯材料由于其本身具有的特性使得其在触摸屏领域具有广阔的应用前景，国内外的龙头企业早已开始在相关领域进行专利布局，但是由于石墨烯触摸屏在产品量产方面还有很多问题需要解决。因此，笔者认为，国内相关企业只要加大研发投入，还是很有机会突破巨头们的专利封锁，具体来说，要加强与高校或科研机构的合作，积极推进产学研相结合，着重在石墨烯的转移、改性、图形化及其电容屏模组制备等制备工艺中寻求有意义的改进，从而加快我国石墨烯在触摸屏领域应用的产业化进程。