石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高、韌性最好、質(zhì)量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料，正是因?yàn)槭﹥?yōu)異的物理特性，不少手機(jī)廠商將其視為未來(lái)科技領(lǐng)域的重要材料。近幾年來(lái)，不少企業(yè)已將石墨烯應(yīng)用到手機(jī)不同元件中，且在手機(jī)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化正逐漸成熟。

1、散熱

隨著智能手機(jī)時(shí)代的到來(lái)，手機(jī)處理能力越來(lái)越強(qiáng)大，集成功能越來(lái)越多，對(duì)CPU性能要求也越來(lái)越高，而性能的強(qiáng)悍意味著耗電量的增高和散熱量的加大。石墨烯散熱膜具有很高的理論熱導(dǎo)率（高達(dá)5300W/m·K），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨、碳納米管等其他碳材料的熱導(dǎo)率，能最大限度提高手機(jī)的散熱性能，讓CPU維持在最佳狀態(tài)，大大改善用戶體驗(yàn)。

2018年10月華為公司Mate 20 X手機(jī)產(chǎn)品采用的石墨烯液冷散熱技術(shù)，正式標(biāo)志著石墨烯散熱材料商業(yè)化的開(kāi)始。華為將石墨烯與均熱液冷技術(shù)（Vapor Chamber）融合在一起打造出SuperCool超強(qiáng)散熱系統(tǒng)，通過(guò)VC(Vapor Chamber)液冷系統(tǒng)，可以將熱源的熱量快速?gòu)臒嵩葱酒瑐鞒?，并且依靠石墨烯散熱膜將芯片傳?dǎo)到后殼的熱量均攤給整個(gè)背殼以達(dá)到整機(jī)均溫散熱的目的。

圖1 華為Mate 20 X手機(jī)散熱系統(tǒng)

2019年華為兩個(gè)系列手機(jī)再次搭載石墨烯技術(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證石墨烯散熱的可實(shí)用性。榮耀系列中，榮耀Magic 2 3D感光版手機(jī)內(nèi)置石墨烯散熱技術(shù)，新材料“黑金”石墨烯，讓手機(jī)散熱能力大幅度提升；Mate系列中，Mate 30 Pro和Mate 30 Pro 5G手機(jī)搭載HUAWEI SuperCool立體散熱系統(tǒng)，改善傳熱通路，采用超強(qiáng)導(dǎo)熱的石墨烯膜，輔以AI熱管理感知機(jī)身溫度，散熱效率顯著提升，令手機(jī)持續(xù)低溫。

圖2 華為Mate 30 Pro系列手機(jī)散熱系統(tǒng)

類似的，2020年2月發(fā)布的小米10系列通過(guò)超大面積VC、石墨烯、多層石墨組成立體散熱系統(tǒng)，配合多點(diǎn)熱敏電阻監(jiān)控，有效緩解手機(jī)散熱問(wèn)題。

圖3 小米10立體散熱系統(tǒng)

該款手機(jī)采用雙層主板堆疊結(jié)構(gòu)，在兩塊主板之間加入了石墨烯散熱層，幾乎完全覆蓋了兩款主板之間的接觸空間，大大提升了雙層主板間的導(dǎo)熱性能；內(nèi)部采用了大量的銅箔和導(dǎo)熱凝膠，散熱能力覆蓋到機(jī)器內(nèi)部的每一處小細(xì)節(jié)，配合超大面積VC均熱板、石墨烯以及6層石墨結(jié)構(gòu)，對(duì)主板形成了上下包夾的三明治結(jié)構(gòu)，組成立體高效的全方位散熱系統(tǒng)，大大提升了小米10的整機(jī)散熱能力。

如今，智能手機(jī)的性能越來(lái)越高，而在工藝沒(méi)有大跨步的情況下，大功率帶來(lái)的散熱問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。當(dāng)前手機(jī)內(nèi)部散熱主要以石墨散熱片為主，而華為和小米手機(jī)創(chuàng)新性的將石墨烯技術(shù)應(yīng)用到散熱中，并帶來(lái)出眾的急速冷卻性能，使手機(jī)整體性能大幅度提升。此次散熱技術(shù)的嘗試，代表石墨烯技術(shù)已逐漸得到市場(chǎng)的認(rèn)可，成為推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的加速器。

2、觸摸屏

近年來(lái)，得益于智能手機(jī)和平板顯示市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，觸摸顯示屏有了飛躍式發(fā)展。石墨烯具有良好的導(dǎo)電性、高光學(xué)透過(guò)性，能夠用于制成可折疊、伸縮的顯示器。與傳統(tǒng)的氧化銦錫ITO導(dǎo)體材料相比，不僅機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性優(yōu)良，而且制備過(guò)程環(huán)境友好，所需資源少。此外，隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，石墨烯生產(chǎn)成本有望大大低于傳統(tǒng)氧化銦錫觸摸屏。

2012年1月，常州二維碳素科技有限公司等4家單位率先成功將石墨烯薄膜應(yīng)用于手機(jī)觸摸屏上，成功制作出電容觸摸屏手機(jī)樣機(jī)，并完成了功能測(cè)試，推出了可以實(shí)現(xiàn)全部基本功能的石墨烯電容觸摸屏手機(jī)。

2015年3月，重慶墨?？萍加邢薰荆ㄒ韵潞?jiǎn)稱“重慶墨希”）與嘉樂(lè)派（影馳）科技有限公司聯(lián)合發(fā)布了全球首批3萬(wàn)部石墨烯手機(jī)。嘉樂(lè)派SETTLER α石墨烯手機(jī)采用一塊5.5英寸AUO原廠石墨烯觸控屏，分辨率為1920X1080像素的FHD級(jí)別，透光率高達(dá)97.7%，顯示效果非常出眾。

圖 嘉樂(lè)派（影馳）SETTLER α

2017年12月，重慶墨希研制開(kāi)發(fā)出石墨烯柔性觸控屏，研究如何將OLED的柔性顯示屏與石墨烯的柔性觸控屏貼合，生產(chǎn)出能夠完全彎曲的柔性手機(jī)。2018年2月，這款柔性觸控顯示原理樣機(jī)還入選參加了工信部“國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展－2017成果匯報(bào)展”。

美國(guó)輝銳科技公司開(kāi)展石墨烯移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)，研發(fā)并制造出大面積柔性觸控屏，應(yīng)用于手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)及便攜式電子顯示屏等市場(chǎng)，并獲專業(yè)的科技行業(yè)投資基金IDG資本入股成為其股東之一。

盡管當(dāng)前石墨烯在手機(jī)觸摸屏領(lǐng)域尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，市場(chǎng)沒(méi)有形成對(duì)石墨烯的規(guī)模化需求，但不少科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已著手該領(lǐng)域的研究，并取得大量成果，隨著石墨烯薄膜技術(shù)的不斷完善，未來(lái)石墨烯在觸摸屏領(lǐng)域?qū)⒋笥凶鳛椤?/p>

3、電池

5G時(shí)代來(lái)臨，人們迫切需要手機(jī)電池能夠做到快速充電、熱傳導(dǎo)快、能量密度高等性能。而將石墨烯應(yīng)用到鋰離子電池中可以顯著提升電池相關(guān)性能和循環(huán)壽命。三星、華為等正在加大對(duì)石墨烯-鋰電池的資金和研究投入，以期望率先占領(lǐng)該行業(yè)的市場(chǎng)高地。

2016年7月東旭光電推出了石墨烯基鋰離子電池—“烯王”，該產(chǎn)品不僅可在5C條件下，實(shí)現(xiàn)15分鐘內(nèi)的快速充電，而且可在-30℃—80℃的環(huán)境下工作，循環(huán)壽命更高達(dá)3500次，充電效率是普通充電產(chǎn)品的24倍。2017年4月，東旭光電攜手倍斯特發(fā)售石墨烯基鋰離子電池產(chǎn)品“烯王”第二代。

圖 烯王二代產(chǎn)品圖

江蘇紅東科技有限公司量產(chǎn)的石墨烯改性鋰電池具有快速充放電、更安全、高能量密度等優(yōu)越性能。用60A的電流充放電時(shí)，9分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)98%以上充電容量。這類電池首先被應(yīng)用于移動(dòng)電源中。

圖 紅東科技石墨烯快速充電寶

一家來(lái)自美國(guó)洛杉磯的公司Real Graphene宣布，他們?yōu)槭謾C(jī)開(kāi)發(fā)了商用的石墨烯電池。其采用的方法是用涂有薄層石墨烯的電極代替石墨電極，可以調(diào)節(jié)電解質(zhì)的組成。據(jù)了解，借助60W的充電器，3000mAh的石墨烯電池只需20分鐘即可充滿，比當(dāng)前同等容量手機(jī)電池節(jié)省多達(dá)一個(gè)小時(shí)，且充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)1500次，而普通電池多為300~500次。

早在2017年，三星就宣稱開(kāi)發(fā)出了石墨烯電池技術(shù)，在提高電池容量的同時(shí)能夠把充電速度提升到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的5倍，但石墨烯電池研發(fā)已經(jīng)推進(jìn)了很長(zhǎng)時(shí)間，三星至今還未能把他們的產(chǎn)品應(yīng)用到手機(jī)上；同樣地，華為一直大力投入“石墨烯電池”的研發(fā)，但日前官方辟謠P40系列將搭載石墨烯電池謠言。作為行業(yè)領(lǐng)先者的三星和華為尚未能將石墨烯實(shí)際應(yīng)用到手機(jī)電池中，表明石墨烯電池技術(shù)細(xì)節(jié)仍需不斷探索，商用價(jià)值需經(jīng)市場(chǎng)不斷檢驗(yàn)，但這種產(chǎn)品一旦商業(yè)化并大規(guī)模應(yīng)用，必將帶來(lái)巨大的產(chǎn)業(yè)提升。

4、耳機(jī)

石墨烯可使耳機(jī)和揚(yáng)聲器的能量更高效和更小，同時(shí)產(chǎn)生更好的聲音。可利用石墨烯制造出高性能的薄膜，以耳機(jī)為媒介提供高質(zhì)量的聲音質(zhì)感，讓耳朵感受高質(zhì)量的視聽(tīng)效果。

2016年11月，小米發(fā)布小米圈鐵耳機(jī)Pro，本款耳機(jī)獨(dú)創(chuàng)雙“動(dòng)圈”+“動(dòng)鐵”單元，將三個(gè)單元共同融入到同一個(gè)耳機(jī)中，可以真正實(shí)現(xiàn)高、中、低三頻均衡。其中，采用了石墨烯振膜的雙“動(dòng)圈”單元，中低頻更扎實(shí)，兼具豐富細(xì)節(jié)表現(xiàn)力；高頻延展性能更好，更富穿透力?！皠?dòng)鐵”的高音透亮，穩(wěn)定自然，感受三頻均衡的本色聲音。

2017年6月，ORA GrapheneQ石墨烯耳機(jī)登陸眾籌平臺(tái) Kickstarter，一天之內(nèi)便完成了原定10萬(wàn)美元的目標(biāo)。加拿大蒙特利爾初創(chuàng)公司Ora Sound 研發(fā)的這款ORA GrapheneQ耳機(jī)，是由98%石墨烯材料和氧及其它混合物構(gòu)成的振膜，不僅降低了成本，而且可以大大降低的產(chǎn)品研發(fā)的難度。而石墨烯在能量上具有高效吸收與轉(zhuǎn)換能力，這是傳統(tǒng)揚(yáng)聲器還無(wú)法企及的，因此也需要更多的電力來(lái)驅(qū)動(dòng)，Ora GrapheneQ耳機(jī)的續(xù)航能力可延長(zhǎng)70%，而且還能提供更好的音質(zhì)和隔音效果。

2020年2月，Wristbuds在Kickstarter眾籌平臺(tái)發(fā)布了智能手表，該手表與無(wú)線耳機(jī)結(jié)合，手表也是耳機(jī)充電盒，可為耳機(jī)充電兩次。Wristbuds團(tuán)隊(duì)在耳機(jī)中內(nèi)置噪聲消除功能，并采用石墨烯涂層驅(qū)動(dòng)器，以此可以提高保真度。

除此之外，Ghostek、Zolo、JBL等均發(fā)布石墨烯驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，石墨烯增強(qiáng)型音頻逐漸得到市場(chǎng)的認(rèn)可，這也意味著在不久的將來(lái)，石墨烯技術(shù)必將引發(fā)高端耳機(jī)與音箱市場(chǎng)的又一次深刻變革。

5、芯片

石墨烯極高的載流子遷移率、良好的導(dǎo)熱性等使得其有望取代硅，成為下一代芯片的主要材料。有研究表明，石墨烯技術(shù)可使芯片的速率提升百萬(wàn)倍。這項(xiàng)技術(shù)在轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，可使芯片的計(jì)算能力提升至一個(gè)極高的水平。晶圓是制造半導(dǎo)體芯片的基本材料，因此以快速、可批量化、與晶圓制程兼容的方式制備高質(zhì)量石墨烯單晶晶圓，是石墨烯作為電子級(jí)材料規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵。

2019年4月，彭海琳教授及劉忠范院士團(tuán)隊(duì)與合作者實(shí)現(xiàn)了單批次25片4英寸石墨烯單晶晶圓的制備，設(shè)備年產(chǎn)能可達(dá)1萬(wàn)片，在世界范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了石墨烯單晶晶圓的可規(guī)模化制備。同年，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所謝曉明研究團(tuán)隊(duì)首次在較低溫度（750℃）條件下采用化學(xué)氣相沉積外延成功制備6英寸無(wú)褶皺高質(zhì)量石墨烯單晶晶圓。

美國(guó)石墨烯和二維材料生產(chǎn)商Grolltex宣布其在加利福尼亞州圣地亞哥的CVD單層石墨烯制造廠每年可生產(chǎn)30,000個(gè)8英寸石墨烯晶圓（在不同基底上）產(chǎn)品。緊隨美國(guó)，劍橋大學(xué)衍生公司Paragraf宣布正在生產(chǎn)石墨烯“晶圓”和基于石墨烯的電子器件，可用于晶體管，其中基于石墨烯的芯片可提供比硅芯片快十倍的速度。

單晶硅是微電子技術(shù)發(fā)展的基石，而單晶石墨烯晶圓的批量化制備則是其在電子學(xué)領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用的前提。通過(guò)低溫外延制備晶圓級(jí)石墨烯單晶對(duì)于推動(dòng)石墨烯在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

6、其他應(yīng)用

石墨烯潛力巨大，除了上述應(yīng)用方向外，石墨烯還可用于天線和通信中，將光數(shù)據(jù)通信提高到前所未有的速率，同時(shí)減少能耗和傳輸誤差；石墨烯良好的導(dǎo)電性、優(yōu)異透光性和柔性表明石墨烯可應(yīng)用到手機(jī)柔性屏幕中，改善電極的透光特性，提高器件的可靠性……盡管石墨烯在這些領(lǐng)域尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但隨著華為、三星、蘋果、小米等手機(jī)廠商的深入研究，其在手機(jī)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值必會(huì)得到進(jìn)一步展現(xiàn)。