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从ITO到石墨烯,柔性触摸屏离我们还有多远?
更新时间:2018-05-03 浏览数:
2018-05-03 石墨烯资讯

导读

近几年,随着电子消费品的发展,市场对触摸屏大尺寸、柔性可弯曲、更高清且不易碎等性能需求日渐凸显,而现有导电材料氧化铟锡的使用也逐渐面临着挑战,业界已积极寻觅替代材料。

引言

 

据外媒报道,上个月三星显示器公司的CEO与苹果公司高管就OLED屏幕的供应价格进行了磋商,但双方未能达成一致。触摸屏占手机硬件成本极高,仅次于应用处理器,三星去年为苹果供应的OLED屏幕价格约为每块110~130美元,占到了iPhone X生产成本的1/3。


近几年,在以苹果为首的高端智能电子产品的普及推广带动下,触摸屏行业的发展已经到了从量变到质变的爆发式成长期。全球触摸屏呈现产品及品牌多元化、技术发展突飞猛进,产业规模不断提升,市场需求量蓬勃发展的局面。根据WIND资讯统计数据显示,2015年到2017年连续三年全球智能手机出货量分别为14.37、14.73、14.72亿部,平板电脑出货量为2.07、1.75、1.64亿部。2013~2017年我国触摸屏行业利润状况如图1所示,2013~2015年利润总额呈逐年递减,之后便呈爆发式增长,2016年利润总额为34.18亿元,同比增长847.29%,2017年利润总额为37.32亿元,同比增长9.66%。前景看好的触摸屏市场吸引大批厂商规划格局,扩充产能,兼并收购、投资引进,不遗余力地抢占市场份额。

图1  2013-2017年我国触摸屏行业利润状况

数据来源:方象知产研究院整理

说到触摸屏,就不能不提ITO(氧化铟锡)这种材料。它是一种透明导体,是目前制备液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)、电致发光显示器(EL/OLED)、触摸屏(Touch Panel)的透明电极最常用的导电膜材料之一,然而,再完美的材料也有其自身的不足。ITO内含有约75%的铟金属,铟是自然界中存储量最低的稀有金属之一,其产业可持续性存疑,成本较高,每公斤铟金属价格达800美元。此外,ITO材料本身存在有颜色、易碎裂、毒性大、难回收等问题。同时,ITO材料使用蒸镀工艺,存在设备成本高、材料浪费大,大尺寸成本压力大等一系列问题。

 

随着电子消费品的发展,市场对触摸屏大尺寸、柔性可弯曲、更高清且不易碎等性能需求日渐凸显,而现有导电材料氧化铟锡的使用也逐渐面临着挑战,业界已积极寻觅替代材料。能满足触摸屏上述性能的导电膜材料须同时具备低抗阻值、良好的光学穿透度及柔性可弯曲三个条件。基于目前研究现状,这类材料主要集中在纳米银线、纳米碳管、金属网格、导电聚合物、石墨烯、ITO油墨等,其中纳米银线和金属网格已经进入实用化阶段,是短期内ITO材料的理想替代者。基于行业发展长期来看,石墨烯是最有潜力替代者。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、更透明、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。


方象知产研究院选取ITO(氧化铟锡)及其最有潜力代替者石墨烯在触控屏中的应用作为研究对象,对目前两者触摸屏的发展现状及未来趋势进行分析。

 

1. ITO(氧化铟锡)触摸屏整体态势分析

1.1 全球专利申请趋势及技术生命周期

 

ITO触摸屏领域专利申请量趋势变化如图2所示以及技术生命周期如图3所示,全球专利申请总计14795篇。

图2  ITO触摸屏领域全球专利申请量趋势变化图

数据来源:方象知产研究院整理

图3  ITO触摸屏技术生命周期图

数据来源:方象知产研究院整理


从ITO触摸屏全球专利申请量趋势变化与技术生命周期图综合分析可以看到ITO触摸屏30多年的发展情况,大致分为三个阶段:

 

(1)技术萌芽期(1985~2001年)这一时期专利申请量很少。历史上通常认为第一个手指式触摸屏是由E.A. Johnson于1965年在位于英国马尔文的皇家雷达研究院发明的,也即第一个氧化铟锡(ITO) 电容式触摸屏;直到1982年,多伦多大学的NimishMehta开发出了第一个可操作的多点触摸设备;也即单点到多点触控的技术实现经历了整整17年的时间,直到1984年,贝尔实验室的Bob Boie才正式研究出第一个真正的多点触摸屏;1985年才出现了该领域的第一篇专利申请;紧接着,在1998年 Palm公司推出了它自己的第一代掌上电脑:Pilot; 1993年苹果公司也推出了可触的Newton掌上电脑;2001年Alias/Wavefront为大型设计团队推出了基于手势的Portfolio Wall,意味着多点触摸屏应用的帷幕正式拉开。

 

(2)技术成长期(2002~2013年)基于之前的技术积累、突破及提升,触摸屏技术进入真正兴盛时期,该技术也逐渐被大众所接受和追崇。同时各研究机构、企业及厂商对于市场价值有了认知,竞相投入发展,致使相关领域的专利申请量呈快速增长趋势。这期间的大事件有:2002年索尼的SmartSkin引入了相互的电容接触识别;2004年Andrew D.Wilson研究了可3D成像的触摸屏Touchlight;直到2007年苹果公司推出具有高分辨率、多点触控功能的第一台iPhone,确立了手机触摸屏标准。

 

(3)技术成熟期(2013~2014年): 2013年申请量达到了峰值之后,随着技术的成熟,专利申请数量逐渐减缓趋于平稳,意味着在此期间此领域的技术研究趋于稳定,资源不再扩张,市场趋于饱和。

 

(4)技术瓶颈期(2015~至今):申请专利数量呈明显下降趋势。除了部分数据尚未公开不完整、市场饱和、市场需求的转变,新格局的形成等原因,业界纷纷寻求ITO替代品亦不失为其中一个重要因素。

 

1.2 申请人分析

图4 ITO触摸屏领域全球专利申请量排名前十位的申请人及其申请量

数据来源:方象知产研究院整理

 

从图4中可以看出,三星电子的申请量独占鳌头,其次为LG电子与苹果公司,反映出全球触摸屏生产相关技术工艺及厂商主要集中在韩、美两国。位居第四的电子信息产业巨头京东方科技也积极进行申请和布局,体现了我国在触摸屏领域的快速发展。

 

三星走在了这个领域技术创新的最前沿,是该领域技术专利拥有量最多的公司。这一技术垄断同时也是三星在2017年的市场危机中还能保持利润上涨的根本原因。三星电子基于其技术积累的雄厚,垄断了高端显示屏和中高端存储芯片的定价权,并使得苹果多年以来的去三星化愿景始终未能实现。回到本文开篇谈到的苹果三星议价磋商,不难看出三星的技术优势即是三星在谈判中的底牌所在。可以预测,苹果目前仍难迫使三星让步,因为从行业竞争格局来看,产业链的话语权仍被三星牢牢掌控。

 

然而,在当前互联网+的浪潮下,万物互联时代已经到来,人们对智能化操作的需求迅速提升催生了触控显示更大的市场潜力。随着产业格局不断变化,怎样摆脱垄断,争得一席之地,实现弯道超车,布局未来触摸屏商业大厦,成为从业者首要考虑的命题。不可否认的是,替代材料必会将触控显示潜力无限放大。

 

2.石墨烯触摸屏整体态势分析

2.1 全球专利申请趋势及技术生命周期

 

石墨烯触摸屏领域专利申请量趋势变化如图5所示以及技术生命周期如图6所示,全球专利申请总计954篇。

图5 石墨烯触摸屏领域全球专利申请量趋势变化

数据来源:方象知产研究院整理

图6 石墨烯触摸屏技术生命周期

数据来源:方象知产研究院整理

石墨烯在2004年被发现,2006年即出现了其被用于触控屏领域的专利申请,虽然数量不多,但足以说明这种新型的碳材料一经问世就得到全球研究者的注意,在短短的14年时间里,其发展状况可以大致分为两个阶段:

 

(1)技术萌芽期(2006~2008年):即初期发展阶段,2008年之前,石墨烯的应用处于摸索阶段,对于这种新发现的碳材料,其自身性能及机理还处于尚未被完全研究清楚和熟知时期,对于其在触摸屏的实际领域中的应用更是处于初始尝试研究阶段。因而开始的这四年时间,相关的申请量较少。

 

(2)技术成长期(2009~至今)2009年、2010年这两年的时间,申请量有了一定的增长;2010年,瑞典皇家科学院将诺贝尔物理学奖授予了石墨烯的两位发明者,曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。再次使石墨烯成为了物理学和材料学关注和研究热点。从而推动了其在触摸屏应用领域的研究。另外,随着智能手机、平板电脑、车载移动终端及商业化信息查询系统等智能终端产品的快速发展,市场在需求增长的同时对触摸屏提出了更高的要求,而石墨烯触摸屏为实现大尺寸、柔性可弯曲及高清不易碎等性能突破带来了潜在的可能性,从而使得石墨烯触摸屏的研究掀起了新一轮的研究热潮。在这一时期,相关专利申请迅速增长,仅2013年申请量就达到了433项。2013年之后的申请量呈下降回落趋势以及短短一年后的快速增长趋势,这是一个短期的共性技术瓶颈期,从石墨烯的制备、转移及应用工艺的难点技术突破期。参考ITO触摸屏发展历程,石墨烯触摸屏发展只是刚刚开始而已。而此时也是对整个产业链的全面布局和保护的关键时期。

 

2.2 申请人分析

图7 石墨烯触摸屏领域全球专利申请量排名前十位的申请人及其申请量

数据来源:方象知产研究院整理

如图7所示,三星电子是触摸屏的巨头,在石墨烯触摸屏上也毫不落后的抢夺技术先机,专利申请量仍占据首位,说明其对石墨烯触摸屏的研究高度重视,并兼备创新优势、研究实力和竞争力。在2010年,三星最早将石墨烯膜作为透明电极应用于3.1英寸电阻触控屏。随着可穿戴设备对柔性屏的需求,三星先进技术研究院与韩国成均馆大学联合宣布,它们已经合成一种能在更大尺度内保持导电性的石墨烯晶体。三星表示,此次技术突破,同时解决了手机屏与智能穿戴设备的技术难题。

 

以三星电子的一篇高价值专利为例该专利分别在美国(US9892821)(已授权)、欧洲(EP3187473)(申请)、中国(CN106941019)都有布局,该专利涉及以石墨烯替代ITO作为第一导电层、导电金属纳米线分别作为第二导电层的电导体的制造发明,该电导体可用于柔性电子装置(平板显示器、触屏面板、太阳能电池、电子窗、电致变色镜、热镜、透明晶体管、或柔性显示器),具体内容为:石墨烯为通过两种掺杂剂(功函数≥4.52eV)的无机酸掺杂与金属卤化物掺杂改性的P型掺杂单层石墨烯或是大于1层的纳米片(≤10层)作为第一导电层,导电金属纳米线(平均d≤50nm,平均L≥1μm)为第二导电层,通过不同的组合方式制造了一种可用于柔性电子装置的电导体发明方法。通过对该专利的分析可以看出,提前的专利布局和预先的风险规避,将可以帮助企业在全球市场规避侵权风险并抢占竞争先机,这一点尤其应该引起石墨烯领域初创公司的重视。石墨烯技术的特性决定了石墨烯初创公司在发展伊始便需具备全球竞争意识和风险意识,应针对市场前景和技术前沿动向,及时进行以专利布局和风险规避为核心组成的全球综合布局。

 

视线回到我国石墨烯研究事业,我国电子信息产业巨头京东方科技在石墨烯触摸屏领域也进行了积极的布局。此外,中科院重庆研究院则致力于石墨烯薄膜的大面积制备与应用技术研究, 于2013年1月发布了国内首片15 英寸单层石墨烯薄膜,并制备了7英寸柔性墨烯电阻式触控屏。该石墨烯触控屏色质纯净、透光性好、触控灵敏,特别是在弯曲的情况下同样可以实现良好的触控和书写。这种随意卷曲也不会影响使用效果的触摸屏将促进柔性智能终端的开发。

 

3.建议

在经历早期几年的探索性研究之后,全球石墨烯触摸屏呈快速增长趋势,短期的申请量回落只是属于共性技术难题的攻克期,一旦技术突破,申请量便会迅速上升。专利布局以三星电子、LG电子、半导体能源研究所、京东方科技和深圳欧菲光等为主,石墨烯触摸屏的专利从2006年的2件,经过7年的发展,迅速增加到了2013年的433件,整体呈现出迅速上升的态势。2013年以来,石墨烯触摸屏的专利申请继续保持了稳定增长。

 

在石墨烯研究领域,中外研究机构仍同处于起跑阶段。提高我国石墨烯研究的创新能力,需要国家政策扶持,同时也离不开石墨烯科研机构和产业园区所在的当地政府的积极支持。既要加大对基础研发的投入,关注高校、科研院所的技术创新,也要关注企业专利的创新与综合管理。以产学研结合的方式加快对石墨烯技术的专利布局和产业转化,提高石墨烯专利的先进性、实用性和利用率,真正掌握激烈竞争中的主动权和话语权并确立竞争优势。

 

资料来源:方象知产研究院,石墨烯资讯编辑整理,转载请注明出处