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石墨烯柔性觸摸屏撬動全球萬億產值規模

2004年,兩位俄裔英籍科學家將石墨烯成功從石墨中分離。石墨烯集合世界上最優質的各種材料品質于一身,如果說20世紀是硅的世紀,神奇的石墨烯則是21世紀新材料的寵兒。

石墨烯用途非常廣泛,是一種被科學家寄于厚望的新型材料。在制造業,它不僅被運用在半導體芯片、光子傳感器、太陽能電池等領域,而且在柔性觸摸屏方面上,石墨烯也有相當大的用途。

日前,一種可以隨意卷曲也不會影響使用效果的觸摸屏在重慶研制成功。中科院重慶綠色智能技術研究院表示,他們已經實現了15英寸單層石墨烯的制備,并成功地將石墨烯透明電極應用于電阻觸摸屏上,制備出7英寸石墨烯觸摸屏。該研究院微納制造與系統集成研究中心副主任史浩飛表示,目前該技術在國內居于領先地位。

中科院重慶綠色智能技術研究院的一名研究人員在展示單層石墨烯產品的超強透光性

據了解,觸摸屏是目前最簡單、自然的一種人機交互方式,賦予了多媒體嶄新的面貌。透明電極作為觸摸屏的核心組成部分,成為當前的重要研究領域之一。目前,市場上的主導產品采用的材料為氧化銦錫,不僅價格高,而且易碎。新興的石墨烯觸摸屏,具有原材料獲取方便、制造成本低、制備工藝簡單、低碳環保等優勢,優異的柔韌性更使其具有強大的市場競爭力。

史浩飛表示,廣州、深圳等地的風投機構已對石墨烯產生了濃厚的興趣,正在與中科院重慶研究院洽談合作。研究人員也正積極進行產業化的設備改造,預計年內達到批量生產的能力。2015年后,市場上有望見到能夠卷曲的觸摸屏產品。

石墨烯產業有望形成萬億產值

石墨烯,2004年首次從石墨中分離得出,是目前世界上已知的最薄的材料,幾乎完全透明,具有良好的導熱、導電性能。

為推動石墨烯產業化,中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟日前在京成立。該聯盟由清華大學、中科院金屬研究所、北京現代華清材料科技發展中心等核心單位發起,聯合國內從事石墨烯研發、產業化的22家法人機構。聯盟成員包括6所高校、4家中科院研究所、17家企業,基本囊括了國內石墨烯研發及產業化的主流單位。

作為一種新型的納米材料,石墨烯以其獨特的結構、力學和電子性質,在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術領域有著廣泛的應用前景。它是目前人類已知強度******、韌性******、重量最輕、透光率******、導電性******的材料。

分析認為,首先,石墨烯如果取代硅,有望讓計算機處理器的運行速度快數百倍。其次,石墨烯有望引發觸摸屏和顯示器產品的革命,制造出可折疊、伸縮的顯示器件。再其次,石墨烯可以推動超級電容器發展,使得同等體積的電容擴充5倍以上的容量。此外,石墨烯因超強的光轉換能力,可制成性能更好的激光器。石墨烯因其超出鋼鐵數十倍的強度,也有望被用于制造紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣和“太空電梯”的纜線,在這些領域將引發革命性的突破。

作為一種技術含量極高的碳材料,石墨烯在觸控屏、半導體、光伏、鋰電池、光器件、航天、軍工、LED、激光等領域都將帶來一次材料革命。由于售價高昂,石墨烯目前尚未產業化。有分析認為,作為一種理想的替代型材料,石墨烯一旦實現產業化其產值至少在萬億以上。

中國產業優勢明顯

中國具有發展石墨烯產業得天獨厚的條件。數據顯示,我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%,生產量占世界總產量的72%,是我國少有的幾種具有國際競爭優勢的礦產之一。

論壇上,各科研單位專家和企業代表認為,石墨烯在我國的應用前景十分廣闊,現在行業正處于從技術向商業演變的關鍵時期。但從實際情況來看,成本和工藝問題的存在使得石墨烯短期內無法形成真正的商業規模,在應用領域來看,鋰電池和環保涂層材料有望是國內石墨烯應用領域未來的一大突破口。

石墨烯的制成需要有尖端的制備工藝,目前業內主要有四種制備方法,分別是機械剝離法、外延生長法、氧化石墨還原法和氣相沉積法(CVD)。前三種的原材料均為石墨,CVD法原材料則為甲烷居多。由于制造成本相對較低,目前業內多采用機械剝離法和氧化石墨還原法制造石墨烯。

中科院寧波材料所石墨烯研究團隊研究員周旭峰表示,目前國內對石墨烯的應用前景頗為看好,多個領域都準備躍躍欲試。但從實際情況來看,制造工藝不穩定和成本居高不下,仍是石墨烯走向產業化最需要解決的問題,從制造工藝來看,目前業內的四種方法均有各自的優勢和缺陷,產業技術路徑仍在探討之中。周旭峰認為,由于產業鏈相對較短,環保和儲能領域有望成為率先實現石墨烯商用。

在相關政策扶持方面,工信部原材料司副司長高云虎表示,在編制新材料產業“十二五”發展規劃的時候,石墨烯還沒有目前這樣熱門,產業應用前景也并不明朗,因此在規劃文本、產品目錄中沒有把石墨烯作為主要重點,但隨著技術和應用的突破,下一步會統籌研究并予以考慮。

產業化難題待破

業內專家指出,石墨烯目前整體主要還處在研發階段,制備石墨烯的技術工藝還不太成熟,而且成品面積相對較小,不能適應工業化應用。各國對于這個新興材料還處于一個專利布局期,整個產業鏈也還沒有形成。我國在石墨烯基礎研究方面已經十分突出。

有關研究顯示,截至2012年底,我國發表的石墨烯論文數量已經超過美國,名列世界首位,而且部分團隊的研究成果受到了世界各國的高度重視,被引用達數千次之多。飛速發展的還有我國的石墨烯專利數量,無論從專利受理數量,還是優先權專利數量來看,我國都是僅次于美國的世界第二大國。這意味著,一方面我國企業高度重視石墨烯技術開發并積極申請專利保護,另一方面也表明世界其他國家對我國石墨烯市場相當關注。

然而,在石墨烯產業化道路上存在諸多現實問題,一方面尚未具備規模化生產能力,產品成本高;另一方面石墨烯還未真正形成下游的應用和需求。因此現在既要盡可能降低成本實現規模化生產,又要盡快在產業化應用上實現突破。目前進行石墨烯研究的主要是高校院所等研究單位和少數中小企業,研究力量比較分散,要盡快實現石墨烯產業化,必須通過技術創新和產學研協作,建立一條完整的涵蓋石墨烯研發、規模化身材干旱、下游應用等全產業鏈環節的技術路線和公共科技服務平臺和測試平臺,通過全行業的共同努力,共同突破關鍵的技術難題以及在應用領域實現突破,并不斷提高技術水平和管理水平。

石墨烯產業聯盟的組建宗旨是為了整合協調產業資源;以推進低成本石墨烯及裝備的技術進步和產業化為目標,建立上下游、產學研信息、知識產權等資源共享機制;建立與政府溝通的渠道及人才培養、國際合作的平臺;推動標準、評價、質量檢測體系的建立,促進成員單位的自身發展,提升低成本石墨烯的整體競爭力,從而達到推動石墨烯產業發展的目的。

石墨烯作為ITO導電膜的替代性材料曾被觸摸屏行業高度關注。石墨烯技術可以使得顯示屏具有柔性,但由于手機等智能終端的產業鏈太長,產品的成形需要電路板、機身材料等整個供應鏈的配合。理論上講這些東西在實驗室內已經可以實現,但要商用還需要一定的時間,不僅因為成本離譜,良率問題也很不樂觀。業內人士表示,三星電子前期在這方面投入了大量的研發資源,原計劃在今年要推出一款類似的概念。

石墨烯離產業化還有多遠?

“一年之前,我不敢說我的單層石墨烯已經規模化生產,但現在敢說了。”上海交通大學郭守武教授在臺下對記者如是說。

就在之前半小時,郭教授團隊實驗成果在臺上展示PPT時,受到了臺下企業界的追問,“我要5公斤,你能給我嗎?”“簽了合同,幾天就能給你。”“價格多少?”“我成本是0.5元/克,但這是郭老師幾年心血,他肯定不會以這個價賣給你。”

在國際上,單層石墨烯售價是2000元/克。

同樣是石墨烯制備者,中科院寧波材料所劉兆平受到同行的追問,“你9塊錢太貴了,你能做到1元/克嗎?”“當然可以。”“一兩毛錢呢?”“這是商業秘密。”

劉兆平團隊多層石墨烯(比單層制備更容易,成本更低)技術已經賣給了華南家族控股股東南江集團的兄弟單位。據悉,該技術產業化項目預計于11月投產,是全球首條30噸石墨烯生產線。

對于該項目產業化前景,劉兆平稱“關鍵看下游。”

中科院金屬所與金路集團簽訂了技術合作協議。該項目負責人任文才告訴記者,去年該項目已經完成了中試,隨時可以工業化,“關鍵看下游市場。”

石墨烯下游應用廣泛,如鋰電池、涂料、LED等。下游應用市場若沒有成熟,制備就難以量產。一家深圳公司2010年就開始賣石墨烯,但苦于應用市場沒有起來,銷量一直做不起來。

不過,石墨烯下游應用在部分領域可能率先突破。南京科孚納米技術有限公司蕭小月總經理透露,一位做散熱復合材料的海外客戶已經提出計劃,希望逐月實現每月四噸的供貨需求。

劉兆平認為,鋰電池、LED將有望成為國內******利用石墨烯的下游行業。

不過,北京一企業試用了多家科研單位試驗室石墨烯產品,他認為,上游石墨烯品質并不穩定。

石墨烯產業鏈雖然沒有成熟,但投資熱潮已經顯現,劉兆平作為較早掌握該技術的科研人員對此感觸很深,他用“太狂熱了”來形容。

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