「石墨烯觸控屏」專利發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢分析！

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供稿：方象知產(chǎn)研究院

原標(biāo)題：柔性可彎曲、高清不碎屏離你還遠(yuǎn)嗎？

隨著電子消費品的發(fā)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。能滿足觸摸屏上述性能的導(dǎo)電膜材料須同時具備低抗阻值、良好的光學(xué)穿透度及柔性可彎曲三個條件?；谀壳把芯楷F(xiàn)狀，這類材料主要集中在納米銀線、納米碳管、金屬網(wǎng)格、導(dǎo)電聚合物、石墨烯、ITO油墨等，其中納米銀線和金屬網(wǎng)格已經(jīng)進(jìn)入實用化階段，是短期內(nèi)ITO材料的理想替代者?；谛袠I(yè)發(fā)展長期來看，石墨烯是最有潛力替代者。筆者所在研究院選取ITO（氧化銦錫）及其最有潛力代替者石墨烯在觸控屏中的應(yīng)用作為研究對象，對目前兩者觸摸屏的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢進(jìn)行分析。

引言

據(jù)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(yīng)價格進(jìn)行了磋商，但雙方未能達(dá)成一致。觸摸屏占手機(jī)硬件成本極高，僅次于應(yīng)用處理器，三星去年為蘋果供應(yīng)的OLED屏幕價格約為每塊110~130美元，占到了iPhone X生產(chǎn)成本的1/3。

近幾年，在以蘋果為首的高端智能電子產(chǎn)品的普及推廣帶動下，觸摸屏行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)到了從量變到質(zhì)變的爆發(fā)式成長期。全球觸摸屏呈現(xiàn)產(chǎn)品及品牌多元化、技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷提升，市場需求量蓬勃發(fā)展的局面。根據(jù)WIND資訊統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2015年到2017年連續(xù)三年全球智能手機(jī)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(yè)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(fā)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(guī)劃格局，擴(kuò)充產(chǎn)能，兼并收購、投資引進(jìn)，不遺余力地?fù)屨际袌龇蓊~。

圖1  2013-2017年我國觸摸屏行業(yè)利潤狀況

數(shù)據(jù)來源：方象知產(chǎn)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(dǎo)體，是目前制備液晶顯示器（LCD）、等離子顯示器（PDP）、電致發(fā)光顯示器（EL/OLED）、觸摸屏（Touch Panel）的透明電極最常用的導(dǎo)電膜材料之一，然而，再完美的材料也有其自身的不足。ITO內(nèi)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(chǎn)業(yè)可持續(xù)性存疑，成本較高，每公斤銦金屬價格達(dá)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(shè)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(fā)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(xiàn)有導(dǎo)電材料氧化銦錫的使用也逐漸面臨著挑戰(zhàn)，業(yè)界已積極尋覓替代材料。能滿足觸摸屏上述性能的導(dǎo)電膜材料須同時具備低抗阻值、良好的光學(xué)穿透度及柔性可彎曲三個條件?；谀壳把芯楷F(xiàn)狀，這類材料主要集中在納米銀線、納米碳管、金屬網(wǎng)格、導(dǎo)電聚合物、石墨烯、ITO油墨等，其中納米銀線和金屬網(wǎng)格已經(jīng)進(jìn)入實用化階段，是短期內(nèi)ITO材料的理想替代者?；谛袠I(yè)發(fā)展長期來看，石墨烯是最有潛力替代者。美國斯坦福大學(xué)研究人員表示，較之目前普遍用于有機(jī)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(guī)避ITO短缺的問題，并為柔性顯示器的開發(fā)鋪平道路。

筆者所在研究院選取ITO（氧化銦錫）及其最有潛力代替者石墨烯在觸控屏中的應(yīng)用作為研究對象，對目前兩者觸摸屏的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢進(jìn)行分析。

1、ITO（氧化銦錫）觸摸屏整體態(tài)勢分析

1.1全球?qū)＠暾堏厔菁凹夹g(shù)生命周期

ITO觸摸屏領(lǐng)域?qū)＠暾埩口厔葑兓鐖D2所示以及技術(shù)生命周期如圖3所示，全球?qū)＠暾埧傆?4795篇。

圖2  ITO觸摸屏領(lǐng)域全球?qū)＠暾埩口厔葑兓瘓D

數(shù)據(jù)來源：方象知產(chǎn)研究院整理

圖3  ITO觸摸屏技術(shù)生命周期圖

數(shù)據(jù)來源：方象知產(chǎn)研究院整理

從ITO觸摸屏全球?qū)＠暾埩口厔葑兓c技術(shù)生命周期圖綜合分析可以看到ITO觸摸屏30多年的發(fā)展情況，大致分為三個階段：

（1）技術(shù)萌芽期（1985~2001年）：這一時期專利申請量很少。歷史上通常認(rèn)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(dá)研究院發(fā)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(xué)的NimishMehta開發(fā)出了第一個可操作的多點觸摸設(shè)備；也即單點到多點觸控的技術(shù)實現(xiàn)經(jīng)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(xiàn)了該領(lǐng)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(shè)計團(tuán)隊推出了基于手勢的Portfolio Wall，意味著多點觸摸屏應(yīng)用的帷幕正式拉開。

（2）技術(shù)成長期（2002~2013年）：基于之前的技術(shù)積累、突破及提升，觸摸屏技術(shù)進(jìn)入真正興盛時期，該技術(shù)也逐漸被大眾所接受和追崇。同時各研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)及廠商對于市場價值有了認(rèn)知，競相投入發(fā)展，致使相關(guān)領(lǐng)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(jī)觸摸屏標(biāo)準(zhǔn)。

（3）技術(shù)成熟期（2013~2014年）： 2013年申請量達(dá)到了峰值之后，隨著技術(shù)的成熟，專利申請數(shù)量逐漸減緩趨于平穩(wěn)，意味著在此期間此領(lǐng)域的技術(shù)研究趨于穩(wěn)定，資源不再擴(kuò)張，市場趨于飽和。

（4）技術(shù)瓶頸期（2015~至今）：申請專利數(shù)量呈明顯下降趨勢。除了部分?jǐn)?shù)據(jù)尚未公開不完整、市場飽和、市場需求的轉(zhuǎn)變，新格局的形成等原因，業(yè)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(lǐng)域全球?qū)＠暾埩颗琶笆坏纳暾埲思捌渖暾埩?br/>

數(shù)據(jù)來源：方象知產(chǎn)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(chǎn)相關(guān)技術(shù)工藝及廠商主要集中在韓、美兩國。位居第四的電子信息產(chǎn)業(yè)巨頭京東方科技也積極進(jìn)行申請和布局，體現(xiàn)了我國在觸摸屏領(lǐng)域的快速發(fā)展。

三星走在了這個領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的最前沿，是該領(lǐng)域技術(shù)專利擁有量最多的公司。這一技術(shù)壟斷同時也是三星在2017年的市場危機(jī)中還能保持利潤上漲的根本原因。三星電子基于其技術(shù)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(quán)，并使得蘋果多年以來的去三星化愿景始終未能實現(xiàn)?；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(shù)優(yōu)勢即是三星在談判中的底牌所在?？梢灶A(yù)測，蘋果目前仍難迫使三星讓步，因為從行業(yè)競爭格局來看，產(chǎn)業(yè)鏈的話語權(quán)仍被三星牢牢掌控。

然而，在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)+的浪潮下，萬物互聯(lián)時代已經(jīng)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(chǎn)業(yè)格局不斷變化，怎樣擺脫壟斷，爭得一席之地，實現(xiàn)彎道超車，布局未來觸摸屏商業(yè)大廈，成為從業(yè)者首要考慮的命題。不可否認(rèn)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(tài)勢分析

2.1 全球?qū)＠暾堏厔菁凹夹g(shù)生命周期

石墨烯觸摸屏領(lǐng)域?qū)＠暾埩口厔葑兓鐖D5所示以及技術(shù)生命周期如圖6所示，全球?qū)＠暾埧傆?54篇。

圖5 石墨烯觸摸屏領(lǐng)域全球?qū)＠暾埩口厔葑兓?br/>

數(shù)據(jù)來源：方象知產(chǎn)研究院整理

圖6 石墨烯觸摸屏技術(shù)生命周期

數(shù)據(jù)來源：方象知產(chǎn)研究院整理

石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)，2006年即出現(xiàn)了其被用于觸控屏領(lǐng)域的專利申請，雖然數(shù)量不多，但足以說明這種新型的碳材料一經(jīng)問世就得到全球研究者的注意，在短短的14年時間里，其發(fā)展?fàn)顩r可以大致分為兩個階段：

（1）技術(shù)萌芽期（2006~2008年）：即初期發(fā)展階段，2008年之前，石墨烯的應(yīng)用處于摸索階段，對于這種新發(fā)現(xiàn)的碳材料，其自身性能及機(jī)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(lǐng)域中的應(yīng)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(guān)的申請量較少。

（2）技術(shù)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(xué)院將諾貝爾物理學(xué)獎授予了石墨烯的兩位發(fā)明者，曼徹斯特大學(xué)科學(xué)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(xué)和材料學(xué)關(guān)注和研究熱點。從而推動了其在觸摸屏應(yīng)用領(lǐng)域的研究。另外，隨著智能手機(jī)、平板電腦、車載移動終端及商業(yè)化信息查詢系統(tǒng)等智能終端產(chǎn)品的快速發(fā)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(xiàn)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(guān)專利申請迅速增長，僅2013年申請量就達(dá)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(shù)瓶頸期，從石墨烯的制備、轉(zhuǎn)移及應(yīng)用工藝的難點技術(shù)突破期。參考ITO觸摸屏發(fā)展歷程，石墨烯觸摸屏發(fā)展只是剛剛開始而已。而此時也是對整個產(chǎn)業(yè)鏈的全面布局和保護(hù)的關(guān)鍵時期。

2.2 申請人分析

圖7 石墨烯觸摸屏領(lǐng)域全球?qū)＠暾埩颗琶笆坏纳暾埲思捌渖暾埩?br/>

數(shù)據(jù)來源：方象知產(chǎn)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(shù)先機(jī)，專利申請量仍占據(jù)首位，說明其對石墨烯觸摸屏的研究高度重視，并兼?zhèn)鋭?chuàng)新優(yōu)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(yīng)用于3.1英寸電阻觸控屏。隨著可穿戴設(shè)備對柔性屏的需求，三星先進(jìn)技術(shù)研究院與韓國成均館大學(xué)聯(lián)合宣布，它們已經(jīng)合成一種能在更大尺度內(nèi)保持導(dǎo)電性的石墨烯晶體。三星表示，此次技術(shù)突破，同時解決了手機(jī)屏與智能穿戴設(shè)備的技術(shù)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(quán)）、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(dǎo)電層、導(dǎo)電金屬納米線分別作為第二導(dǎo)電層的電導(dǎo)體的制造發(fā)明，該電導(dǎo)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(nèi)容為：石墨烯為通過兩種摻雜劑（功函數(shù)≥4.52eV）的無機(jī)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(dǎo)電層，導(dǎo)電金屬納米線（平均d≤50nm，平均L≥1μm）為第二導(dǎo)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(dǎo)體發(fā)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(yù)先的風(fēng)險規(guī)避，將可以幫助企業(yè)在全球市場規(guī)避侵權(quán)風(fēng)險并搶占競爭先機(jī)，這一點尤其應(yīng)該引起石墨烯領(lǐng)域初創(chuàng)公司的重視。石墨烯技術(shù)的特性決定了石墨烯初創(chuàng)公司在發(fā)展伊始便需具備全球競爭意識和風(fēng)險意識，應(yīng)針對市場前景和技術(shù)前沿動向，及時進(jìn)行以專利布局和風(fēng)險規(guī)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(yè)，我國電子信息產(chǎn)業(yè)巨頭京東方科技在石墨烯觸摸屏領(lǐng)域也進(jìn)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(yīng)用技術(shù)研究， 于2013年1月發(fā)布了國內(nèi)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(zhì)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(xiàn)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(jìn)柔性智能終端的開發(fā)。

3、建議

在經(jīng)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(shù)難題的攻克期，一旦技術(shù)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(dǎo)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(jīng)過7年的發(fā)展，迅速增加到了2013年的433件，整體呈現(xiàn)出迅速上升的態(tài)勢。2013年以來，石墨烯觸摸屏的專利申請繼續(xù)保持了穩(wěn)定增長。

在石墨烯研究領(lǐng)域，中外研究機(jī)構(gòu)仍同處于起跑階段。提高我國石墨烯研究的創(chuàng)新能力，需要國家政策扶持，同時也離不開石墨烯科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)園區(qū)所在的當(dāng)?shù)卣姆e極支持。既要加大對基礎(chǔ)研發(fā)的投入，關(guān)注高校、科研院所的技術(shù)創(chuàng)新，也要關(guān)注企業(yè)專利的創(chuàng)新與綜合管理。以產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的方式加快對石墨烯技術(shù)的專利布局和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，提高石墨烯專利的先進(jìn)性、實用性和利用率，真正掌握激烈競爭中的主動權(quán)和話語權(quán)并確立競爭優(yōu)勢。

發(fā)布：IPRdaily中文網(wǎng)（IPRdaily.cn）

供稿：方象知產(chǎn)研究院

編輯：IPRdaily趙珍          校對：IPRdaily縱橫君

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