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從ITO到石墨烯,柔性觸摸屏離我們還有多遠?
更新時間:2018-05-03 瀏覽數:
2018-05-03 石墨烯資訊

導讀

近幾年,隨著電子消費品的發展,市場對觸摸屏大尺寸、柔性可彎曲、更高清且不易碎等性能需求日漸凸顯,而現有導電材料氧化銦錫的使用也逐漸面臨著挑戰,業界已積極尋覓替代材料。

引言

 

據外媒報道,上個月三星顯示器公司的CEO與蘋果公司高管就OLED屏幕的供應價格進行了磋商,但雙方未能達成一致。觸摸屏占手機硬件成本極高,僅次于應用處理器,三星去年為蘋果供應的OLED屏幕價格約為每塊110~130美元,占到了iPhone X生產成本的1/3。


近幾年,在以蘋果為首的高端智能電子產品的普及推廣帶動下,觸摸屏行業的發展已經到了從量變到質變的爆發式成長期。全球觸摸屏呈現產品及品牌多元化、技術發展突飛猛進,產業規模不斷提升,市場需求量蓬勃發展的局面。根據WIND資訊統計數據顯示,2015年到2017年連續三年全球智能手機出貨量分別為14.37、14.73、14.72億部,平板電腦出貨量為2.07、1.75、1.64億部。2013~2017年我國觸摸屏行業利潤狀況如圖1所示,2013~2015年利潤總額呈逐年遞減,之后便呈爆發式增長,2016年利潤總額為34.18億元,同比增長847.29%,2017年利潤總額為37.32億元,同比增長9.66%。前景看好的觸摸屏市場吸引大批廠商規劃格局,擴充產能,兼并收購、投資引進,不遺余力地搶占市場份額。

圖1  2013-2017年我國觸摸屏行業利潤狀況

數據來源:方象知產研究院整理

說到觸摸屏,就不能不提ITO(氧化銦錫)這種材料。它是一種透明導體,是目前制備液晶顯示器(LCD)、等離子顯示器(PDP)、電致發光顯示器(EL/OLED)、觸摸屏(Touch Panel)的透明電極最常用的導電膜材料之一,然而,再完美的材料也有其自身的不足。ITO內含有約75%的銦金屬,銦是自然界中存儲量最低的稀有金屬之一,其產業可持續性存疑,成本較高,每公斤銦金屬價格達800美元。此外,ITO材料本身存在有顏色、易碎裂、毒性大、難回收等問題。同時,ITO材料使用蒸鍍工藝,存在設備成本高、材料浪費大,大尺寸成本壓力大等一系列問題。

 

隨著電子消費品的發展,市場對觸摸屏大尺寸、柔性可彎曲、更高清且不易碎等性能需求日漸凸顯,而現有導電材料氧化銦錫的使用也逐漸面臨著挑戰,業界已積極尋覓替代材料。能滿足觸摸屏上述性能的導電膜材料須同時具備低抗阻值、良好的光學穿透度及柔性可彎曲三個條件?;谀壳把芯楷F狀,這類材料主要集中在納米銀線、納米碳管、金屬網格、導電聚合物、石墨烯、ITO油墨等,其中納米銀線和金屬網格已經進入實用化階段,是短期內ITO材料的理想替代者?;谛袠I發展長期來看,石墨烯是最有潛力替代者。美國斯坦福大學研究人員表示,較之目前普遍用于有機LED(OLED)顯示器透明電極的稀有且昂貴的氧化銦錫(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,從而規避ITO短缺的問題,并為柔性顯示器的開發鋪平道路。


方象知產研究院選取ITO(氧化銦錫)及其最有潛力代替者石墨烯在觸控屏中的應用作為研究對象,對目前兩者觸摸屏的發展現狀及未來趨勢進行分析。

 

1. ITO(氧化銦錫)觸摸屏整體態勢分析

1.1 全球專利申請趨勢及技術生命周期

 

ITO觸摸屏領域專利申請量趨勢變化如圖2所示以及技術生命周期如圖3所示,全球專利申請總計14795篇。

圖2  ITO觸摸屏領域全球專利申請量趨勢變化圖

數據來源:方象知產研究院整理

圖3  ITO觸摸屏技術生命周期圖

數據來源:方象知產研究院整理


從ITO觸摸屏全球專利申請量趨勢變化與技術生命周期圖綜合分析可以看到ITO觸摸屏30多年的發展情況,大致分為三個階段:

 

(1)技術萌芽期(1985~2001年)這一時期專利申請量很少。歷史上通常認為第一個手指式觸摸屏是由E.A. Johnson于1965年在位于英國馬爾文的皇家雷達研究院發明的,也即第一個氧化銦錫(ITO) 電容式觸摸屏;直到1982年,多倫多大學的NimishMehta開發出了第一個可操作的多點觸摸設備;也即單點到多點觸控的技術實現經歷了整整17年的時間,直到1984年,貝爾實驗室的Bob Boie才正式研究出第一個真正的多點觸摸屏;1985年才出現了該領域的第一篇專利申請;緊接著,在1998年 Palm公司推出了它自己的第一代掌上電腦:Pilot; 1993年蘋果公司也推出了可觸的Newton掌上電腦;2001年Alias/Wavefront為大型設計團隊推出了基于手勢的Portfolio Wall,意味著多點觸摸屏應用的帷幕正式拉開。

 

(2)技術成長期(2002~2013年)基于之前的技術積累、突破及提升,觸摸屏技術進入真正興盛時期,該技術也逐漸被大眾所接受和追崇。同時各研究機構、企業及廠商對于市場價值有了認知,競相投入發展,致使相關領域的專利申請量呈快速增長趨勢。這期間的大事件有:2002年索尼的SmartSkin引入了相互的電容接觸識別;2004年Andrew D.Wilson研究了可3D成像的觸摸屏Touchlight;直到2007年蘋果公司推出具有高分辨率、多點觸控功能的第一臺iPhone,確立了手機觸摸屏標準。

 

(3)技術成熟期(2013~2014年): 2013年申請量達到了峰值之后,隨著技術的成熟,專利申請數量逐漸減緩趨于平穩,意味著在此期間此領域的技術研究趨于穩定,資源不再擴張,市場趨于飽和。

 

(4)技術瓶頸期(2015~至今):申請專利數量呈明顯下降趨勢。除了部分數據尚未公開不完整、市場飽和、市場需求的轉變,新格局的形成等原因,業界紛紛尋求ITO替代品亦不失為其中一個重要因素。

 

1.2 申請人分析

圖4 ITO觸摸屏領域全球專利申請量排名前十位的申請人及其申請量

數據來源:方象知產研究院整理

 

從圖4中可以看出,三星電子的申請量獨占鰲頭,其次為LG電子與蘋果公司,反映出全球觸摸屏生產相關技術工藝及廠商主要集中在韓、美兩國。位居第四的電子信息產業巨頭京東方科技也積極進行申請和布局,體現了我國在觸摸屏領域的快速發展。

 

三星走在了這個領域技術創新的最前沿,是該領域技術專利擁有量最多的公司。這一技術壟斷同時也是三星在2017年的市場危機中還能保持利潤上漲的根本原因。三星電子基于其技術積累的雄厚,壟斷了高端顯示屏和中高端存儲芯片的定價權,并使得蘋果多年以來的去三星化愿景始終未能實現?;氐奖疚拈_篇談到的蘋果三星議價磋商,不難看出三星的技術優勢即是三星在談判中的底牌所在??梢灶A測,蘋果目前仍難迫使三星讓步,因為從行業競爭格局來看,產業鏈的話語權仍被三星牢牢掌控。

 

然而,在當前互聯網+的浪潮下,萬物互聯時代已經到來,人們對智能化操作的需求迅速提升催生了觸控顯示更大的市場潛力。隨著產業格局不斷變化,怎樣擺脫壟斷,爭得一席之地,實現彎道超車,布局未來觸摸屏商業大廈,成為從業者首要考慮的命題。不可否認的是,替代材料必會將觸控顯示潛力無限放大。

 

2.石墨烯觸摸屏整體態勢分析

2.1 全球專利申請趨勢及技術生命周期

 

石墨烯觸摸屏領域專利申請量趨勢變化如圖5所示以及技術生命周期如圖6所示,全球專利申請總計954篇。

圖5 石墨烯觸摸屏領域全球專利申請量趨勢變化

數據來源:方象知產研究院整理

圖6 石墨烯觸摸屏技術生命周期

數據來源:方象知產研究院整理

石墨烯在2004年被發現,2006年即出現了其被用于觸控屏領域的專利申請,雖然數量不多,但足以說明這種新型的碳材料一經問世就得到全球研究者的注意,在短短的14年時間里,其發展狀況可以大致分為兩個階段:

 

(1)技術萌芽期(2006~2008年):即初期發展階段,2008年之前,石墨烯的應用處于摸索階段,對于這種新發現的碳材料,其自身性能及機理還處于尚未被完全研究清楚和熟知時期,對于其在觸摸屏的實際領域中的應用更是處于初始嘗試研究階段。因而開始的這四年時間,相關的申請量較少。

 

(2)技術成長期(2009~至今)2009年、2010年這兩年的時間,申請量有了一定的增長;2010年,瑞典皇家科學院將諾貝爾物理學獎授予了石墨烯的兩位發明者,曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫。再次使石墨烯成為了物理學和材料學關注和研究熱點。從而推動了其在觸摸屏應用領域的研究。另外,隨著智能手機、平板電腦、車載移動終端及商業化信息查詢系統等智能終端產品的快速發展,市場在需求增長的同時對觸摸屏提出了更高的要求,而石墨烯觸摸屏為實現大尺寸、柔性可彎曲及高清不易碎等性能突破帶來了潛在的可能性,從而使得石墨烯觸摸屏的研究掀起了新一輪的研究熱潮。在這一時期,相關專利申請迅速增長,僅2013年申請量就達到了433項。2013年之后的申請量呈下降回落趨勢以及短短一年后的快速增長趨勢,這是一個短期的共性技術瓶頸期,從石墨烯的制備、轉移及應用工藝的難點技術突破期。參考ITO觸摸屏發展歷程,石墨烯觸摸屏發展只是剛剛開始而已。而此時也是對整個產業鏈的全面布局和保護的關鍵時期。

 

2.2 申請人分析

圖7 石墨烯觸摸屏領域全球專利申請量排名前十位的申請人及其申請量

數據來源:方象知產研究院整理

如圖7所示,三星電子是觸摸屏的巨頭,在石墨烯觸摸屏上也毫不落后的搶奪技術先機,專利申請量仍占據首位,說明其對石墨烯觸摸屏的研究高度重視,并兼備創新優勢、研究實力和競爭力。在2010年,三星最早將石墨烯膜作為透明電極應用于3.1英寸電阻觸控屏。隨著可穿戴設備對柔性屏的需求,三星先進技術研究院與韓國成均館大學聯合宣布,它們已經合成一種能在更大尺度內保持導電性的石墨烯晶體。三星表示,此次技術突破,同時解決了手機屏與智能穿戴設備的技術難題。

 

以三星電子的一篇高價值專利為例,該專利分別在美國(US9892821)(已授權)、歐洲(EP3187473)(申請)、中國(CN106941019)都有布局,該專利涉及以石墨烯替代ITO作為第一導電層、導電金屬納米線分別作為第二導電層的電導體的制造發明,該電導體可用于柔性電子裝置(平板顯示器、觸屏面板、太陽能電池、電子窗、電致變色鏡、熱鏡、透明晶體管、或柔性顯示器),具體內容為:石墨烯為通過兩種摻雜劑(功函數≥4.52eV)的無機酸摻雜與金屬鹵化物摻雜改性的P型摻雜單層石墨烯或是大于1層的納米片(≤10層)作為第一導電層,導電金屬納米線(平均d≤50nm,平均L≥1μm)為第二導電層,通過不同的組合方式制造了一種可用于柔性電子裝置的電導體發明方法。通過對該專利的分析可以看出,提前的專利布局和預先的風險規避,將可以幫助企業在全球市場規避侵權風險并搶占競爭先機,這一點尤其應該引起石墨烯領域初創公司的重視。石墨烯技術的特性決定了石墨烯初創公司在發展伊始便需具備全球競爭意識和風險意識,應針對市場前景和技術前沿動向,及時進行以專利布局和風險規避為核心組成的全球綜合布局。

 

視線回到我國石墨烯研究事業,我國電子信息產業巨頭京東方科技在石墨烯觸摸屏領域也進行了積極的布局。此外,中科院重慶研究院則致力于石墨烯薄膜的大面積制備與應用技術研究, 于2013年1月發布了國內首片15 英寸單層石墨烯薄膜,并制備了7英寸柔性墨烯電阻式觸控屏。該石墨烯觸控屏色質純凈、透光性好、觸控靈敏,特別是在彎曲的情況下同樣可以實現良好的觸控和書寫。這種隨意卷曲也不會影響使用效果的觸摸屏將促進柔性智能終端的開發。

 

3.建議

在經歷早期幾年的探索性研究之后,全球石墨烯觸摸屏呈快速增長趨勢,短期的申請量回落只是屬于共性技術難題的攻克期,一旦技術突破,申請量便會迅速上升。專利布局以三星電子、LG電子、半導體能源研究所、京東方科技和深圳歐菲光等為主,石墨烯觸摸屏的專利從2006年的2件,經過7年的發展,迅速增加到了2013年的433件,整體呈現出迅速上升的態勢。2013年以來,石墨烯觸摸屏的專利申請繼續保持了穩定增長。

 

在石墨烯研究領域,中外研究機構仍同處于起跑階段。提高我國石墨烯研究的創新能力,需要國家政策扶持,同時也離不開石墨烯科研機構和產業園區所在的當地政府的積極支持。既要加大對基礎研發的投入,關注高校、科研院所的技術創新,也要關注企業專利的創新與綜合管理。以產學研結合的方式加快對石墨烯技術的專利布局和產業轉化,提高石墨烯專利的先進性、實用性和利用率,真正掌握激烈競爭中的主動權和話語權并確立競爭優勢。

 

資料來源:方象知產研究院,石墨烯資訊編輯整理,轉載請注明出處


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