纳米科技材料 石墨烯透明电极应用项目
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2012.09
触控屏幕
传统的触控屏幕是利用ITO在感压层的两 端形成导电层，当手指或是笔触控以后， 利用xy方向的四个电阻的比值或是产生的 电容效应的小电流来决定触控的位置。 现在用的透明导电材料ITO因为材质比较 脆，所以在使用年限上有限制，要做成可 弯曲的也有一些技术困难，加上材料用到 日渐昂贵的稀土元素，所以能用发展稳定 的制程石墨烯来取代是技术上一大突破。
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触控屏幕
根据 DisplaySearch 最新出版触控屏市场分析报告， 2011年全球触控屏产值达134亿美元，同时预估6 年后产值将有以倍数成长，2017年营收有机会达 239亿美元。 从出货量来看，全球有三分之二触控屏应用于手机， 是最主要的应用。根据DisplaySearch最新统计， 2011年手机触控屏出货量达8亿6,800万片，年成长 率为68%。 平板计算机是成长最快的应用，2010年出货量约2,600万片；DisplaySearch预计 该市场持续成长，2011年将会超过7,200万片出货规模，到了2012年将超过1亿 片；2011年使用于平板计算机投射电容式触控屏产值将超过10亿美元。同时游戏 市 场 应 用 规 模 也 会 持 续 增 长 ， 无 论 是 像 微 软 的 Kinect 或 是 掌 上 型 游 戏 机 如 Nitendo 3Ds。接下来几年，包括笔记本电脑、AIO PC、与车用显示器也会提高 触控屏的使用率，到时候拥有高穿透率、低功耗、多点触控与较佳手势识别触控 技术将会居于领先地位。
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2
触控屏幕
全球触控屏目前以电阻式为主，约占了60%，其 余有24%为电容式触控屏。电容式可分为表面电 容、投射电容(多点触控电容式)等；由于电容式触 控屏拥有透光率、反应速度、耐用性等优点，胜 过电阻式触控屏。 2008年iPhone采用投射电容式触控屏后，大大提 高了市场接受度。投射电容式触控屏有利于各种 户内、户外及掌上型装置的应用，更具有作为多 点触控平台之条件，因此中小尺寸可携式电子装 置，甚至中大尺寸LCD、数字相框等，在自动贩 卖，教学、工控、博奕、导览、公共信息与军事 的广泛应用。
触控技术所使用的透明基板（主 要是ITO材料）的产量将从2011 年的2080万平方米上升到2014年 的3090万平方米（~50% 增长）。
不过，目前投射电容式触控屏由于ITO层的生产难 度相当高，且容易造成良率不佳，此外控制IC的 演算较复杂，并被不少专利所限制，因此ITO成本 较高是一大缺点。
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透明电极
透明电极泛指在可视光区域内同时具备高 光透过率(85%以上)与低电阻率(1×10-3 Ω-㎝ 以 下 ) 特 性 的 氧 化 简 并 型 (Degenerate)半导体电极。透明电极为主 要应用在须同时兼具
高光透过率与电流输 入/输出特性的平面显示、太阳能电池、 触控面板、透明晶体管等IT产业领域的核 心材料，而透明电极中通过溅射 （Sputter）工艺制作而成的ITO (SnO2doped In2O3)为最被广泛使用。 透明电极目前主要使用在显示领域的LCD, OLED, PDP,透明显示器的电极材料，在触 控面板领域则被使用在电阻及电容式触控 面板的感测器，另外在薄膜型太阳能电池 领域被应用在a-Si, CIGS, CdTe, 染料敏化 (DSSC)的电极材料。
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透明电极
2020年透明电极市场规模有望达到51亿美金
2012年整体透明电极产业达19亿美金的规模，并展望 在2020年市场有望成长到51亿美金的规模，而预计平 面显示与触控面板感测器将是透明电极产业的两大应用 领域。在平面显示市场，预计2019年柔性显示在整体平 面显示市场上所占的比重将增加至11%，届时次世代透 明电极将有望替代ITO与氧化物透明电极。
从制造成本来看，触控面板感测器相较平面显示领域为 次世代透明电极最容易进军的市场。但为了替代目前的 ITO必须具备以低成本技术达到与ITO同等的特性水平， 且需要与品牌制造商进行战略合作才有可能，因此适用 触控面板感测器上的透明电极市场份额要在2020年才会 超过整体比重的10%。就目前而言，如今还没有一种技 术和材料可同时具备如ITO般的特性且又可大量量产的 次世代电极。但如果柔性显示市场的发展速度超乎预期 的话，次世代透明电极替代ITO的速度也将有望进一步 加快。
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5
ITO透明电极的瓶颈
ITO为触控屏之主要组件，触控屏 中占极高成本。
ITO为目前主流透明电极，虽然成 熟，但有许多挑战须克服。
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6
ITO透明电极的瓶颈
ITO
高成本 不可弯曲 化学易腐蚀性
铟乃稀有元素，造 成ITO材料取得成本 持续提高，未来预 期会更加攀升。
ITO为脆性材料,并 无可挠曲性，未来 无法用于软性电子 产品。
特定颜色光吸 收不均
石墨烯透明电极可用以解决现有技术与制造的瓶颈，提 高效能并发展新的应用，其经济潜力及价值无可限量。
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7
纳米科技材料 - 石墨烯
石墨烯（Graphene）
• 石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构，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。 石墨烯目前是世上最薄、最坚硬的纳米材料，只吸收 2.3% 的 光 ， 几 乎 是 完 全 透 明 的 ； 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15000cm2/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。因为电子迁移的速度极快，因
此被期待取 代硅用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子组件 或晶体管。 石墨烯具有出色的电特性、热特性及机械特性，可弯曲 且透明度高，在十二五国家战略性新兴产业的高速晶体 管、触控屏、太阳能电池导电膜、传感器等方面的应用 有巨大前景。
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•
•
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石墨烯的应用远景
• 石墨烯拥有许多独特的物理性质，被认 为在2020年前可能取代硅，用来制作 前所未有的高速晶体管。目前在高速晶 体管开发上最积极的企业是美国IBM公 司，在2008年已开发出第一个石墨烯 晶体管，在相关研发一直处于领先地位。 韩国三星集团已制定利用石墨烯的产品 群开发蓝图，第一个研发目标即是石墨 烯在透明电极的触控屏。
•
•
石墨烯还被寄予厚看的应用之一是转换 效率非常高的新一代太阳能电池的透明 导电膜，用以取代对透射率较低的铟锡 氧化物（ITO, Indium Tin Oxide）。
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透明电极技术比较
ITO 石墨烯 纳米碳管 纳米银
材料成本
薄膜电阻@
T=90%550nm (ohm/sq)
高
低
100-400 高 高 低 (Roll-to-roll) 高 高
中等
100-400 低 低 不明 高 高
高
大尺寸可行性 均匀性 大量制造成本 可撓曲性 抗腐蚀性(酸或碱)
• 在成本及使用范围上，石墨烯有许多优势。 • 石墨烯虽然目前仍无法达到ITO导电度，但已可以满足触控面板的 需求；
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为什么用石墨烯
纳米科技材料: 石墨烯在2004即 被发现，大量的 研究让我们对此 材料的特性非常 了解,大尺寸、低 成本材料合成已 可达成。 高效能: 石墨烯具高电子 迁移率，非常导 电，可以低成本 达到触摸屏所需 之透光度及导电 性.，石墨烯并有 远优于ITO的红 外光穿透率。 与现有制程相容: 符合传统的topdown制程，许多 制造步骤与现有 之流程兼容，大 幅降低成本及导 入时间。 高可挠曲性: 石墨烯具备极佳 之可挠曲性，非 常符合未来软性 电子产品之应用 (电子纸,可曲折 平板计算机或手 机…)。
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Karsy et al., ACSNano, 4, 7, 3839, 2010
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相关资料
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太阳能电池
据 《 科 学 日 报 》 （ ScienceDaily ） 2012年5月24日报导，美国的研究 人员，在他们的实验室中创建一种 新型掺杂石墨烯太阳能电池，获得 了前所未有8.6%太阳能转换效率。 肖特基结（Schottky junction）是 由在半导体材料上形成金属分层而 构成的，是光电转换的区域。科学 家发现石墨烯这种半金属性材料和 硅结合到一起时，较金属更适合作 为形成肖特基结的材料。
石墨烯又不同于传统的金属，它可 弯曲，又是透明的，在未来作为太 阳能电池的关键材料具有很大的潜
力。
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太阳能电池
对于石墨烯制透明导电膜，太阳能电池厂商的期待相当高。这是因为石墨烯不仅 在代替ITO方面的性能或其柔性较高，而且只有石墨烯透明导电膜才能实现对于 太阳能电池来说非常重要的特性，这个特性就是对于包括中远红外线在内的所有 红外线的高透明性。尽管红外线占据了相当一部分的太阳辐射能量，但现有的大 部分太阳能电池都无法把红外线作为能量源来有效利用。这是因为除了有效的光 电转换本身不易实现之外，迄今多用于透明电极的ITO和FTO对红外线的透射率 实际上也比较低。 当然提高转化效率，降低太阳能电 池的生产成本是未来推广应用的关 键所在。如果石墨烯的太阳能电池 能够达到10％的转换效率，生产成 本能够进一步降低，未来使用石墨 烯太阳能电池大有希望。
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纳米科技材料 石墨烯透明电极应用项目
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2012.09
触控屏幕
传统的触控屏幕是利用ITO在感压层的两 端形成导电层，当手指或是笔触控以后， 利用xy方向的四个电阻的比值或是产生的 电容效应的小电流来决定触控的位置。 现在用的透明导电材料ITO因为材质比较 脆，所以在使用年限上有限制，要做成可 弯曲的也有一些技术困难，加上材料用到 日渐昂贵的稀土元素，所以能用发展稳定 的制程石墨烯来取代是技术上一大突破。
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触控屏幕
根据 DisplaySearch 最新出版触控屏市场分析报告， 2011年全球触控屏产值达134亿美元，同时预估6 年后产值将有以倍数成长，2017年营收有机会达 239亿美元。 从出货量来看，全球有三分之二触控屏应用于手机， 是最主要的应用。根据DisplaySearch最新统计， 2011年手机触控屏出货量达8亿6,800万片，年成长 率为68%。 平板计算机是成长最快的应用，2010年出货量约2,600万片；DisplaySearch预计 该市场持续成长，2011年将会超过7,200万片出货规模，到了2012年将超过1亿 片；2011年使用于平板计算机投射电容式触控屏产值将超过10亿美元。同时游戏 市 场 应 用 规 模 也 会 持 续 增 长 ， 无 论 是 像 微 软 的 Kinect 或 是 掌 上 型 游 戏 机 如 Nitendo 3Ds。接下来几年，包括笔记本电脑、AIO PC、与车用显示器也会提高 触控屏的使用率，到时候拥有高穿透率、低功耗、多点触控与较佳手势识别触控 技术将会居于领先地位。
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触控屏幕
全球触控屏目前以电阻式为主，约占了60%，其 余有24%为电容式触控屏。电容式可分为表面电 容、投射电容(多点触控电容式)等；由于电容式触 控屏拥有透光率、反应速度、耐用性等优点，胜 过电阻式触控屏。 2008年iPhone采用投射电容式触控屏后，大大提 高了市场接受度。投射电容式触控屏有利于各种 户内、户外及掌上型装置的应用，更具有作为多 点触控平台之条件，因此中小尺寸可携式电子装 置，甚至中大尺寸LCD、数字相框等，在自动贩 卖，教学、工控、博奕、导览、公共信息与军事 的广泛应用。
触控技术所使用的透明基板（主 要是ITO材料）的产量将从2011 年的2080万平方米上升到2014年 的3090万平方米（~50% 增长）。
不过，目前投射电容式触控屏由于ITO层的生产难 度相当高，且容易造成良率不佳，此外控制IC的 演算较复杂，并被不少专利所限制，因此ITO成本 较高是一大缺点。
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透明电极
透明电极泛指在可视光区域内同时具备高 光透过率(85%以上)与低电阻率(1×10-3 Ω-㎝ 以 下 ) 特 性 的 氧 化 简 并 型 (Degenerate)半导体电极。透明电极为主 要应用在须同时兼具
高光透过率与电流输 入/输出特性的平面显示、太阳能电池、 触控面板、透明晶体管等IT产业领域的核 心材料，而透明电极中通过溅射 （Sputter）工艺制作而成的ITO (SnO2doped In2O3)为最被广泛使用。 透明电极目前主要使用在显示领域的LCD, OLED, PDP,透明显示器的电极材料，在触 控面板领域则被使用在电阻及电容式触控 面板的感测器，另外在薄膜型太阳能电池 领域被应用在a-Si, CIGS, CdTe, 染料敏化 (DSSC)的电极材料。
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透明电极
2020年透明电极市场规模有望达到51亿美金
2012年整体透明电极产业达19亿美金的规模，并展望 在2020年市场有望成长到51亿美金的规模，而预计平 面显示与触控面板感测器将是透明电极产业的两大应用 领域。在平面显示市场，预计2019年柔性显示在整体平 面显示市场上所占的比重将增加至11%，届时次世代透 明电极将有望替代ITO与氧化物透明电极。
从制造成本来看，触控面板感测器相较平面显示领域为 次世代透明电极最容易进军的市场。但为了替代目前的 ITO必须具备以低成本技术达到与ITO同等的特性水平， 且需要与品牌制造商进行战略合作才有可能，因此适用 触控面板感测器上的透明电极市场份额要在2020年才会 超过整体比重的10%。就目前而言，如今还没有一种技 术和材料可同时具备如ITO般的特性且又可大量量产的 次世代电极。但如果柔性显示市场的发展速度超乎预期 的话，次世代透明电极替代ITO的速度也将有望进一步 加快。
AppCapital.
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ITO透明电极的瓶颈
ITO为触控屏之主要组件，触控屏 中占极高成本。
ITO为目前主流透明电极，虽然成 熟，但有许多挑战须克服。
AppCapital.
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ITO透明电极的瓶颈
ITO
高成本 不可弯曲 化学易腐蚀性
铟乃稀有元素，造 成ITO材料取得成本 持续提高，未来预 期会更加攀升。
ITO为脆性材料,并 无可挠曲性，未来 无法用于软性电子 产品。
特定颜色光吸 收不均
石墨烯透明电极可用以解决现有技术与制造的瓶颈，提 高效能并发展新的应用，其经济潜力及价值无可限量。
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纳米科技材料 - 石墨烯
石墨烯（Graphene）
• 石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构，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。 石墨烯目前是世上最薄、最坚硬的纳米材料，只吸收 2.3% 的 光 ， 几 乎 是 完 全 透 明 的 ； 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15000cm2/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。因为电子迁移的速度极快，因
此被期待取 代硅用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子组件 或晶体管。 石墨烯具有出色的电特性、热特性及机械特性，可弯曲 且透明度高，在十二五国家战略性新兴产业的高速晶体 管、触控屏、太阳能电池导电膜、传感器等方面的应用 有巨大前景。
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石墨烯的应用远景
• 石墨烯拥有许多独特的物理性质，被认 为在2020年前可能取代硅，用来制作 前所未有的高速晶体管。目前在高速晶 体管开发上最积极的企业是美国IBM公 司，在2008年已开发出第一个石墨烯 晶体管，在相关研发一直处于领先地位。 韩国三星集团已制定利用石墨烯的产品 群开发蓝图，第一个研发目标即是石墨 烯在透明电极的触控屏。
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石墨烯还被寄予厚看的应用之一是转换 效率非常高的新一代太阳能电池的透明 导电膜，用以取代对透射率较低的铟锡 氧化物（ITO, Indium Tin Oxide）。
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透明电极技术比较
ITO 石墨烯 纳米碳管 纳米银
材料成本
薄膜电阻@
T=90%550nm (ohm/sq)
高
低
100-400 高 高 低 (Roll-to-roll) 高 高
中等
100-400 低 低 不明 高 高
高
大尺寸可行性 均匀性 大量制造成本 可撓曲性 抗腐蚀性(酸或碱)
• 在成本及使用范围上，石墨烯有许多优势。 • 石墨烯虽然目前仍无法达到ITO导电度，但已可以满足触控面板的 需求；
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为什么用石墨烯
纳米科技材料: 石墨烯在2004即 被发现，大量的 研究让我们对此 材料的特性非常 了解,大尺寸、低 成本材料合成已 可达成。 高效能: 石墨烯具高电子 迁移率，非常导 电，可以低成本 达到触摸屏所需 之透光度及导电 性.，石墨烯并有 远优于ITO的红 外光穿透率。 与现有制程相容: 符合传统的topdown制程，许多 制造步骤与现有 之流程兼容，大 幅降低成本及导 入时间。 高可挠曲性: 石墨烯具备极佳 之可挠曲性，非 常符合未来软性 电子产品之应用 (电子纸,可曲折 平板计算机或手 机…)。
11
Karsy et al., ACSNano, 4, 7, 3839, 2010
AppCapital.
相关资料
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太阳能电池
据 《 科 学 日 报 》 （ ScienceDaily ） 2012年5月24日报导，美国的研究 人员，在他们的实验室中创建一种 新型掺杂石墨烯太阳能电池，获得 了前所未有8.6%太阳能转换效率。 肖特基结（Schottky junction）是 由在半导体材料上形成金属分层而 构成的，是光电转换的区域。科学 家发现石墨烯这种半金属性材料和 硅结合到一起时，较金属更适合作 为形成肖特基结的材料。
石墨烯又不同于传统的金属，它可 弯曲，又是透明的，在未来作为太 阳能电池的关键材料具有很大的潜
力。
AppCapital.
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太阳能电池
对于石墨烯制透明导电膜，太阳能电池厂商的期待相当高。这是因为石墨烯不仅 在代替ITO方面的性能或其柔性较高，而且只有石墨烯透明导电膜才能实现对于 太阳能电池来说非常重要的特性，这个特性就是对于包括中远红外线在内的所有 红外线的高透明性。尽管红外线占据了相当一部分的太阳辐射能量，但现有的大 部分太阳能电池都无法把红外线作为能量源来有效利用。这是因为除了有效的光 电转换本身不易实现之外，迄今多用于透明电极的ITO和FTO对红外线的透射率 实际上也比较低。 当然提高转化效率，降低太阳能电 池的生产成本是未来推广应用的关 键所在。如果石墨烯的太阳能电池 能够达到10％的转换效率，生产成 本能够进一步降低，未来使用石墨 烯太阳能电池大有希望。
AppCapital.
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