显示用金属铟即将耗尽可替代材料:石墨烯和银纳米线

随着铟金属矿藏的即将耗尽,智能手机、平板电脑和触摸屏笔记本电脑生产商将面临利用其他材料生产触摸屏幕的挑战。

铟与中国显示面板产业

近日平板显示产业专业研究机构NPD DisplaySearch报告预计,到2015年将有八座8代面板厂已建设完成并量产,分别是京东方北京B4、京东方合肥B5、京东方长清B8、中电熊猫南京Gen 8、华星光电深圳Fab #1、华星光电深圳Fab #2、LG Display广州以及Samsung Display 苏州。

NPD DisplaySearch 方面认为, 中国大陆的面板厂之所以积极扩展产能,主要是受到了相关因素驱动:首先,目前Open-Cell (液晶电视面板半成品)的中国进口关税为5%,三年前只有3%;其次,中国国内电视市场正在快速增长;再次,对面板供货商而言,政府的鼓励和补贴也很重要。

从报告上可以看出,面板产业在中国正进入大发展时期,对于产业的上下游形成实质性利好。行业整体的出货目标每年都有两位数以上的增长。

铟由于其独特的透光导电物理特性,使其成为LED显示屏液晶面板的不可或缺的原材料。铟参与显示面板行业,首先是上游企业加工粗铟,之后是提炼精铟,高纯铟,最后是ITO靶材。近年来以信息技术为中心的新产业已经兴起,铟锡氧化物(ITO)做为透明电极,具有可见光透过率95%以上、紫外线吸收率70%以上、对微波衰减率85%以上的优点,且导电和加工性能好、膜层耐磨和耐腐蚀,是目前不可替代的透明导电膜。主要应用各类平板显示器上,该领域对铟的消费量占到了全球铟产量的75%左右。

对于ITO靶材,我国之前一直处于技术弱势的局面,国际高端ITO靶材由JX日矿日石金属、日本三井矿业、日本东曹、韩国三星[微博]、德国及美国的少数几家公司所垄断。在2012年年末,我国在ITO靶材方面取得技术突破。2012年10月,科技部在北京组织召开了“十一五”国家科技支撑计划“铟、铝深加工关键技术攻关与产品开发”重点项目验收会上,烧结法制备ITO靶材新技术,生产出超高密度高性能ITO靶材,建设了一条年产10万吨的试验生产线,打破了国外技术垄断。

国内技术的突破,业内人士表示,会从两方面影响整个面板行业:一、技术的进步促使国产化的逐步应用,带动生产成本下降。二、对于国内的铟上游企业的价格形成利好,摆脱原来只能压价出口的不利情况。

目前全球铟的保有量只有1.6万吨,中国的铟保有量约1万吨,全球占比达到62%。接下来是秘鲁的580吨、加拿大的560吨、美国的450吨,分别占全球保有量的3.6%、3.5%、2.7%,比较可知,铟是中国在储量上占据绝对优势的资源。

从显示面板的出货量看,对于铟在面板领域的需求会有2位数以上的增加。但从产量看,实际上从2007年爆发金融危机以来,由于需求萎缩,中国的铟产量是逐年减少的。国内也已经逐渐认识到了铟作为一种国家战略资源的重要性,从2007年就开始实施出口配额制度。提高行业准入门槛、控制开采总量、实行更严格的出口配额、推动行业整合、并实施战略收储等一系列政策,逐步收紧对铟的供给。

生产商将面临利用其他材料代替铟生产触摸屏幕的挑战

随着铟金属矿藏的即将耗尽,智能手机、平板电脑和触摸屏笔记本电脑生产商将面临利用其他材料生产触摸屏幕的挑战。

未来几年,智能手机、平板电脑和其他现代电子设备生产商将不得不开发新的材料用于触摸屏的生产。因为,用于现代显示器关键元器件生产的金属——铟材料即将耗尽。前不久,在美国旧金山Semicon West(美国西部半导体展)工业研讨会上对这一问题进行了深入讨论。

现代触摸屏的表面都有一层铟锡氧化物,借助该层氧化物,才能对屏幕进行按压。使用铟金属,主要是因为它有较好的透明性和导电性。

GigaOM(美国科技网站)的专家强调,考虑到全球触摸屏设备生产数量不断增长,未来几年,该类产品的生产商将不得不在工业领域开发新的金属替代材料。

NPD DisplaySearch的数据显示,2013年,全球电子设备触摸屏总面积同比将增长两倍,达到2550万平方米,2012年约为1200万平方米。预计到2015年,触摸屏生产面积将达到3590万平方米。

专家指出,随着触摸屏笔记本电脑市场的不断扩大,全球市场对触摸屏的需求还将大幅增长。

最有潜力替代氧化铟锡的金属材料是石墨烯,即从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料。Nanotech Biomachines公司首席执行官 Will Martinez在会议现场展示了由石墨烯覆盖的透明片,这一透明薄片在经过反复弯曲后表现出了丝毫不逊于氧化铟锡的抗变形性能。

另一种在未来也有可能应用的替代性材料是银纳米线,它也可以用于柔性显示器的生产。在实验室的条件下,覆盖该种材料的显示面板可以被弯曲10万次左右而没有变形的迹象。

Juniper Research公司专家认为,石墨烯和银纳米线不仅可以替代氧化铟锡,还能用于生产更加耐磨的柔性显示器。该公司专家预计,2013年~2017年,穿戴式电子设备市场规模将增长4.5倍,从1500万部增长到7000万部。

NDP DisplaySearch公司专家认为,关于金属铟矿藏资源即将耗尽的问题在此前也曾讨论过。在未来几年内,全球市场将出现更多的替代材料和技术,研发者之间甚至会出现竞争。除了石墨烯和银纳米线外,其他的透明导电性氧化物和各类聚合薄膜也将逐步进入市场。

可代替材料一:石墨烯

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光”;导热系数高达5300 W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率*超过15000 cm²/V·s,又比纳米碳管或硅晶体*高,而电阻率只约10-6 Ω·cm,比铜或银更低,为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低,电子迁移的速度极快,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

石墨烯另一个特性,是能够在常温下观察到量子霍尔效应。

石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同,是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。

石墨烯的结构非常稳定,碳碳键(carbon-carbon bond)仅为1.42Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使得碳原子不必重新排列来适应外力,从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。

石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元:石墨,木炭,碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的,它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在,则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。

石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管;另外石墨烯还被做成弹道晶体管(ballistic transistor)并且吸引了大批科学家的兴趣 。在2006年3月,佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管,并观测到了量子干涉效应,并基于此结果,研究出以石墨烯为基材的电路。

石墨烯是合适的OLED材料吗?

据美国斯坦福大学研究人员表示,较之目前普遍用于有机LED(OLED)显示器透明电极的稀有且昂贵的氧化铟锡(ITO),石墨烯(graphene)可以提供成本更低、更薄、速度更快的替代方案,从而规避ITO短缺的问题,并为柔性显示器的开发铺平道路。

要在大面积的基板上直接制作石墨烯已证明是十分困难的。然而斯坦福大学的研究团队声称已经成功开发出一种更价廉的、以溶液为基础的旋转涂布(spin-coating)散射技术,可用来制作透明的石墨烯OLED阳极。

现在的有机显示器采用无机ITO制作用于开关像素的透明电极,但由于这种材料同时也运用在LCD平板制造中,故成本高昂,供应不足。而斯坦福的研究人员表示,石墨烯的成本只有ITO的百分之一不到。

此外,与ITO相比,石墨烯的电子迁移率较高,能把电极做得更薄、更透明,导电性也更好。这些优势大大有利于超薄柔性OLED显示器的开发。

为了提升该材料在石英基板上的导电性,这些研究人员使用了真空退火(vacuum annealing)工艺,不过目前他们正在尝试取消这一步骤,因为据称这种改进将有可能实现低温下在柔性塑料基板上制作石墨烯电极。

石墨烯取代铟三星OLED电视量产有望

韩国教育科学技术部(Ministry of Education, Science and Technology)1月发表的最新可挠式透明电极(transparent, flexible electrode)以银奈米线(silver nanowire)取代昂贵且稀有的铟,未来可望藉此开发出表现更优秀、成本更便宜的显示面板。透明电极是OLED(有机发光二极管)的重要元件。

传统的电极采用铟制成透明导电膜,铟属于稀土的一种,不但产量稀少,且其僵硬的材质也难以应用于可挠式面板。教育科学技术部表示,平均每1,000公斤的矿石中只能找到0.05公克的铟。

最新研发出的透明电极是由成均馆大学(Sungkyunkwan University)教授Lee Hyo-young以及三星电机(Samsung Electro-Mechanics)研究团队共同开发而出,采用的是透明且可挠的银奈米线以及能够防止银氧化的石墨烯奈米薄片(graphene oxide nanosheet)。三星电机为三星电子(Samsung Electronics)子公司。

Lee表示,这项研究预料将对市场产生重大影响,主因银奈米线、石墨烯奈米薄片的生产难度都低于铟,同时也能进行量产。

未来这项技术也许能够获得三星电子采用。三星甫于1月在拉斯维加斯消费电子展(CES)展出搭载最新可挠式OLED屏幕“Youm”的智能型手机。AppleInsider、CNET News 1月9日报导,三星展示了一款搭载可挠式Youm屏幕的Windows Phone智能型手机,以及一款屏幕延伸至边框的智能机。

上述屏幕延伸至边框的智能机可让使用者在手机侧面看到最新更新的讯息。三星显示实验室资深副总裁Brian Berkeley指出,Youm技术能让三星的伙伴开发出可曲挠、卷起甚至摺迭的屏幕。

韩国对可挠式装置的发展非常迅速。教育科学技术部甫于1月15日发表全球第一颗可转印(imprintable)、弯曲(bendable)的锂离子电池,能够加快最新可挠式行动装置的发展。这款可充电电池并未采用传统的液体电解质(liquefied electrolytes),而是使用奈米材质(nanomaterials),能够覆盖任何表面,进而创造类似流体的高分子电解质(fluid-like polymer electrolytes)。类似流体的高分子电解质不但可让电池被弯曲,而且还更加稳定。

石墨烯:卷起你的显示屏

看上去很专业的名字石墨烯,其实在我们身边很容易找到。

用铅笔写字时,铅笔痕中就很可能有数十甚至上百层的石墨烯。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度,约为头发的20万分之一。

物理学家一直认为随物质厚度的降低,它变成蒸汽的温度也会急剧减小,当减小到单分子层时就会变得极不稳定,从而断定只有单原子厚度的石墨烯不可能单独存在。

直到2010年,英国科学家海姆(Geim)和诺沃洛夫(Novoselov)凭借在实验中从石墨中分离出石墨烯,证实石墨烯可以单独存在,因此获得当年的诺贝尔物理学奖。组委会曾对二人的研究做出了高度评价,认为这也许能和“爱迪生发明电灯一样伟大”。

两人的获奖让人印象深刻之处在于,他们成功分离出石墨烯的工具,竟然是胶带纸。

海姆和团队成员将石墨片放置在塑料胶带中, 折叠胶带粘住石墨薄片的两侧,撕开胶带,薄片也随之一分为二。不断重复这一过程,就可以得到越来越薄的石墨薄片,而其中部分样品仅由一层碳原子构成——他们制得了石墨烯。

当然,人们欢呼这项成果的原因,是石墨烯特殊的性能和极为宽广的应用前景。石墨烯导电性像铜一样优秀,导热性超过任何材料。它透明,仅有2.3%的垂直入射可见光会被吸收,而绝大部分的光会穿过;它至密,连最小的气体分子氢原子都不能穿过。所以它是做柔软的透明电极、超快光电感应设备的绝佳原材料,可以应用于制造太阳能电池板和手机触摸屏等。

美国加州大学利用石墨烯研制成光学调制解调器,有望将网速提高1万倍;美国NANOTEK仪器公司开发出新的储能设备,可以将充电时间由数小时减为1分钟,有望解决电动汽车的电池充电问题;

韩国三星公司和成均馆大学的研究人员则主要致力于用石墨烯制造柔性触摸屏。据美国麻省理工学院《技术评论》杂志报道,韩国研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维巨制板上,制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。这是迄今为止“块头”最大的石墨烯块,随后,他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。

由于石墨烯这种优异的柔韧性,或许在未来,我们手里的智能手机和上网本可以以另一种方式携带,比如卷起来夹在耳朵上,塞在口袋里,或者围在手腕上。

辉锐科技投资1.5亿美元发展大面积石墨烯柔性触控屏

世界各地不同的顶尖科学研究中心均在开发石墨烯的发展潜力。石墨烯是一种高度灵活的新材料,它比钻石还要强硬,但却柔韧有弹性。石墨烯是目前世界上最好的电导体及热导体,应用范围广泛。自2004年由诺贝尔物理学奖得奖者康斯坦丁.诺沃肖洛夫教授及物理学家安德烈.海姆成功地在实验中分离出石墨烯,石墨烯已嬴得21世纪革命性新材料的美誉。辉锐科技( 公司 )是一家石墨烯技术发展公司,率先进军大面积石墨烯柔性触控屏市场,并获专业的科技行业投资基金IDG资本入股成为其股东之一。辉锐科技营销总裁梁子冲先生指公司计划于未来3年投资共1.5亿美元发展石墨烯移动设备市场。

梁先生表示 石墨烯柔性触控屏较传统的ITO触控屏具有多方面的优势。石墨烯柔性触控屏可以折迭,能适用于所有形状及大小不规则的面板类型,节省用电,并展现出更佳的性能。更重要的是,石墨烯触控屏的成本更低,对制造商及消费者来说都是ITO触控屏的最佳替代品。辉锐科技正迎来一个巨大的市场,拥有庞大的未来发展潜力。

辉锐科技的研发团队由约50名科研专才组成,专注研究石墨烯及其商业应用,并已累积了非常丰富的经验。梁先生续称 我们是石墨烯柔性触控屏市场的先行者,能制造大面积的柔性触控屏。此技术为我们提供无限的发展潜力,包括在手机平板计算机及便携式电子显示屏等市场。目前为止,市场对我们的产品原型反应非常热烈。

石墨烯是只有一个原子厚度的碳原子。这种特殊的原子排列使石墨烯拥有独一无二的特性。石墨烯是一流的电导体及热导体,电流在石墨烯的流动速度比在任何其它已知的材料都快。热能在石墨烯的传递迅速,使其成为目前为止最好的热导体。最重要的是,石墨烯是目前世界上最薄及最强硬的材料。

可代替材料二:银纳米线

纳米线是一种纳米尺度(1纳米=10^-9米)的线。 换一种说法,纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下(纵向没有限制)的一维结构。这种尺度上,量子力学效应很重要,因此也被称作”量子线”。根据组成材料的不同,纳米线可分为不同的类型,包括金属纳米线(如:Ni,Pt,Au等),半导体纳米线(如:InP,Si,GaN 等)和绝缘体纳米线(如:SiO2,TiO2等)。分子纳米线由重复的分子元组成,可以是有机的(如:DNA)或者是无机的(如:Mo6S9-xIx)。 作为纳米技术的一个重要组成部分,纳米线可以被用来制作超小电路。 银纳米线除具有银优良的导电性之外,由于纳米级别的尺寸效应,还具有优异的透光性、耐曲挠性。因此被视为是最有可能替代传统ITO透明电极的材料,为实现柔性、可弯折LED显示、触摸屏等提供了可能,并已有大量的研究将其应用于薄膜太阳能电池。此外由于银纳米线的大长径比效应,使其在导电胶、导热胶等方面的应用中也具有突出的优势。

性能:高比表面积,导电性,导热性 ,纳米光学性质

1、表面等离子体效应:表面等离子体(Surface Plasmons,SPs)是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。

2、银是电的良导体,其电阻率低,导电率高,将纳米银线应用于导电层将收集的电流导出,与TCO半导体相比可以降低能损。

3、如果用粒径小于可见光的入射波长的纳米银线,可以使银线排列的非常密集,该技术能增加太阳能电池的银电极的集流面积。且不阻挡光的透过,同时还能利用光的衍射等特性,充分吸收光能。

银纳米线抢占大尺寸触控导电膜地盘

银纳米线(Silver Nanowire)正逐步瓜分铟锡氧化物(ITO)在大尺寸触控面板导电膜材料市占。个人电脑(PC)品牌商为提供更好的人机操作界面,纷纷在超轻薄笔电(Ultrabook)与一体成型(AIO)电脑中导入触控屏幕,但却面临极大的成本考验,遂让更具成本优势的银纳米线趁势崛起,与ITO在中大尺寸触控面板导电膜材料市场互别苗头。

Cambrios总裁暨执行长John LeMoncheck表示,在微软(Microsoft)力推Windows 8作业系统之下,Ultrabook和AIO PC品牌商正加速展开配备中大尺寸触控屏幕的产品线部署,藉此支援更多元化的人机界面功能,突显旗下产品的差异化,壮大市场版图。

Cambrios总裁暨执行长John LeMoncheck表示,由于Ultrabook及AIO PC所配备的中大尺寸触控屏幕占整体成本比重较高,因此银纳米线导电膜在中大尺寸触控面板市场,将较小尺寸触控屏幕更易突显成本竞争力。

LeMoncheck进一步指出,随着触控屏幕的尺寸加大,Ultrabook及AIO PC品牌商所须负担的触控面板BOM成本亦跟着上涨,成为Ultrabook与AIO PC品牌商及其触控面板供应商面临的一大开发难题。

然而,现今在触控面板中已被广泛应用的ITO导电膜材料,价格已难再有下降空间,也因此,具更高成本竞争力的银纳米线正在中大尺寸触控面板市场异军突起,与ITO角逐中大尺寸触控屏幕导电膜材料市场主流宝座。

LeMoncheck强调,银纳米线导电膜材料采用卷对卷(R2R)涂布(Coating)制程,以及材料本身价格便宜且无需真空设备,因此具备低生产成本且量大的效益。

银纳米线除具备价格优势之外,亦兼顾高导电率、轻薄及高透光性,LeMoncheck认为,相较于小尺寸触控屏幕,中大尺寸触控屏幕对于触控的精准度要求更加严苛,预期搭载高导电率导电膜的比重将逐渐攀升。Cambrios生产的银纳米线导电膜材料ClearOhm导电率高达每平方10?300欧姆(Ohm),因此可助力整合银纳米线导电膜的触控感测器,提供回应更快的触控界面。

此外,由于银纳米线透光度高,背光源的亮度可降低,因此可为触控面板达成省电效益。目前乐金(LG)、中南创发等PC品牌商采用ClearOhm的终端产品已面市。

本文来自OFweek光电显示网,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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