石墨烯在柔性电子及可穿戴领域的应用

虽然目前石墨烯的优势并不明显,但它已经开始用于触摸屏领域。随着柔性电子行业的发展,脆性的ITO膜将无法满足未来柔性显示的要求,而基于透明导电性以及柔韧性,石墨烯未来在柔性显示领域将具有无可替代的作用。

柔性显示(Flexible displays)是指一类使用柔性基板,可以制造成超薄、超大、可弯曲的显示器件或显示技术。柔性显示屏具备耐冲击、可卷曲、轻量便携、节能环保等特性,适用于便携式消费电子产品。柔性显示将以更加清晰的画质、低廉的成本和耐强力冲击的屏幕替代现有设备上的玻璃显示屏。屏幕可卷曲的特性将带动可穿戴式设备的产品创新。

柔性电子的市场格局

从全球总体情况看,真正投入市场的柔性显示产品很少,只有三星和LG等少数几家公司有柔性显示器问世。而其产品仅是可实现部分弯曲,仍有很长的路要走。

虽然电子纸已经在数年前实现应用,但是由于其性能较差,目前市场规模正在迅速下降。而柔性显示市场规模正在迅速增加,目前除了三星、LG之外,诺基亚、索尼等公司也相继投入资金进行柔性显示器的研发。

近年来,全球柔性显示市场一直保持快速增长。HIS“柔性显示技术和市场预测报告”指出,柔性显示市场在2016年将达到13亿美元,并快速增长到2023年的677亿美元,如图1所示,约占整个平板显示市场的20%。出货量预计将从2016年的2400万片增长到2023年的18亿片,约占整个平板显示市场的25%。柔性显示的利润也将在7年内从200万美元增长到413亿美元。

石墨烯在柔性电子及可穿戴领域的应用

图1 全球柔性显示市场规模预测  来源:HIS

未来,柔性显示市场不仅取代现有显示市场,还将产生新的显示应用市场。IHS Electronics & Media(E&M)预测报告显示,替代产品市场将从2016年的9000万美元增加到2023年的328亿美元,新型市场将从2016年的4000万美元增加到2023年的349亿美元。

然而,柔性显示发展也面临巨大挑战。一些业内人士指出,柔性显示也面临着可长时间实现完全柔性显示的屏幕、复杂的薄膜封装技术、使用新方法塑料衬底可靠性、高温制造显示屏等在内的诸多挑战。

石墨烯与柔性电子

目前,全世界正在对几种不同的柔性显示技术进行探索,主要包括有机电致发光器件显示(OLED)、有机场效应晶体管(OTFT)和石墨烯。

随着柔性市场规模的不断扩大,人们对柔性显示的要求也将越来越高。由于脆性高,ITO材料已经不能满足人们对柔性显示器件要求,而石墨烯透明导电薄膜的透明性及导电性都优于ITO,并展现出ITO在柔性领域所不具备的特性,因此,石墨烯可作为ITO的完美替代材料,在柔性显示领域有着广泛的应用前景。

英国剑桥石墨烯研究中心主任Andrea Ferrari提出,由于具有薄、轻、柔以及强的特性,单原子层厚的二维石墨烯可广泛应用于柔性显示。 诺基亚已经投资用于石墨烯研发,并参与欧盟石墨烯旗舰计划从事柔性显示领域的研究。韩国三星也与成均馆大学合作研发石墨烯,并成立了专门的石墨烯研究机构。

石墨烯在柔性电子领域的研究成果

目前,英、美、韩、中、日等在石墨烯柔性电子方面的研究及产业化主要集中在触摸屏领域,并且韩国三星、日本索尼、美国辉锐、中国常州二维碳素科技及无锡格菲电子薄膜科技等均有商业化产品。

韩国三星在石墨烯导电薄膜领域的研究成果丰硕。2010年,三星和韩国成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,成功制备出电视机大小的纯石墨烯,并用该石墨烯制造了柔性触摸屏。2011年,韩国研究人员,开发出基于石墨烯的柔性有机电致发光器件。2014年,三星高级技术研究所和韩国成均馆大学共同宣布,他们已经合成了一种可在更大限度内保证导电性的石墨烯晶体,该物质可以称为制造下一代可穿戴设备的“神奇材料”。 此次三星宣布其在石墨烯显示技术上的突破,不仅可以解决很多手机屏幕上的技术难题,同时还可以让智能穿戴设备的屏幕获得满足。

日本索尼于2012年9月制作出了长约120m宽230mm的石墨烯薄膜。这种石墨烯可应用到透明导电膜、柔性显示等领域。索尼通过对化学气相沉积(CVD)法加以自主改良取得了此次的成果。几乎同一时间,日本产业技术综合研究所发布了以卷对卷方式合成薄膜宽度为594mm的石墨烯的制造装置。产业技术综合研究所采用以微波等离子为基础,利用300~400℃的低温CVD法合成石墨烯。

2013年,美国西北大学研究人员使用含有微小石墨烯薄片油墨,打印出导电性能提高250倍、折叠时电导率仅有轻微下降的柔性电极,未来有可能生产低廉、大幅、可折叠且精美细致的电子设备。喷墨打印可低成本、大面积的打印出柔性基底,是生产柔性器件一个非常有吸引力的方法。该研究将加速石墨烯在柔性显示中的应用。

纳米线也被视为可应用于未来柔性显示的一种理想材料,但是其存在如易氧化在内的诸多缺点。2015年,美国普渡大学的Mehta等人利用等离子体增强化学气相沉积,将石墨烯包裹在铜纳米线上,如图2所示,有效防止铜线被氧化,并显著提高数据传输速度,降低传导热。研究人员表示,由于该材料只需要很少的量就能达到显示、保持透明的目的,并且它是可弯曲的,因此,这种材料在液晶和柔性显示器中具有很好的应用前景。除石墨烯包裹铜纳米线之外,石墨烯还可以通过自组装的方式包裹金银等金属纳米线。

石墨烯在柔性电子及可穿戴领域的应用

图2 石墨烯包裹铜纳米线示意图

2013年,常州二维碳素科技股份有限公司已突破了石墨烯薄膜应用于中小尺寸手机的触摸工艺,实现了石墨烯薄膜材料和现有ITO模组工艺线的对接,并在2014年5月宣布其第一条年产3万平方米石墨烯透明导电薄膜生产线实现量产。

中科院重庆研究院于2012年12月推出了国内首片15英寸的单层石墨烯。2013年2月,依托中科院重庆研究院的重庆墨希科技有限公司成立,并于2013年年底建成具有自主知识产品的第一代石墨烯薄膜生产线,产能每年100万片。2015年3月,重庆墨希发布首批量产石墨烯触摸屏手机。这也标志着石墨烯触摸屏时代的开启,真正实现柔性显示的前奏。

2015年,北京大学纳米化学研究中心成功制备出高品质石墨烯/PET柔性塑料电极,并在此基础上批量制备了石墨烯/金属纳米线/PET的复合型柔性导电薄膜。其在恶劣的工作环境中显示出优良的耐久性能,在下一代柔性电子和光电子领域有重大的潜在应用价值。此外,他们还创造性的使用卷对卷连续快速生长石墨烯薄膜的方法,并开发了卷对卷热压印—电化学快速鼓泡转移方法(如图3所示),实现了石墨烯从铜箔生长基底直接向工业用PET柔性透明塑料基底的连续化无损转移,从而制备了高品质石墨烯/PET柔性塑料电极。在此基础上,研究人员在石墨烯快速转移过程中,将金属纳米线(银纳米线、铜纳米线等)网络直接封装在石墨烯与柔性塑料基底之间,批量制备了石墨烯/金属纳米线/PET的复合型柔性导电薄膜。

石墨烯在柔性电子及可穿戴领域的应用

图3 高品质石墨烯/PET柔性塑料电极制备流程

石墨烯在柔性电子领域的研究专家

目前,国内外的专家学者都在积极研究石墨烯在柔性电子领域的应用,英国、美国、韩国、及中国的研究比较突出。

即将于9月22日-24日举行的“2016中国国际石墨烯创新大会”(),专门设置了“石墨烯在柔性电子及可穿戴领域的应用”分会场。来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Deji Akinwande教授、英国曼彻斯特大学的Artem Mishchenko研究员、重庆墨西科技有限责任公司的首席科学家史浩飞、首尔国立大学的Byung Hee Hong教授、厦门材料研究院的叶晓慧专员等嘉宾,将针对石墨烯在柔性电子及可穿戴领域的应用技术、研究、成果等内容展开讨论。

石墨烯在柔性电子领域的未来发展趋势

2015年欧盟石墨烯旗舰计划石墨烯技术路线图预测了未来10年石墨烯在电子信息应用的发展。在新技术的推动下,未来10年,电子信息的发展方向将是柔性智能电子产品。同时,柔性电子也将与柔性智能传感相结合,从而最终发展成为柔性智能电子产品,具体时间参照图4。

石墨烯在柔性电子及可穿戴领域的应用

图4 石墨烯类材料在柔性电子和光电领域的应用目标

旗舰计划路线图中也指出了柔性电子应用时间节点。其主要目标为:3年内,石墨烯材料类油墨应用于柔性电子,CVD石墨烯在柔性基板上加工工艺成熟,柔性触摸屏、柔性天线实现商业化;3-7年实现柔性操作界面、柔性无线连接、柔性传感器、柔性能量存储和采集、异质整合;7-10年内实现柔性智能设备的商业化。

虽然目前石墨烯的优势并不明显,但它已经开始用于触摸屏领域。随着柔性电子行业的发展,脆性的ITO膜将无法满足未来柔性显示的要求,而基于透明导电性以及柔韧性,石墨烯未来在柔性显示领域将具有无可替代的作用。

本文来自石墨烯联盟,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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