我國(guó)石墨烯技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析

趙振霞 陳紅

摘要：文章采用專利信息分析方法，研究了石墨烯技術(shù)專利申請(qǐng)時(shí)間、技術(shù)領(lǐng)域及申請(qǐng)人分布。發(fā)現(xiàn)：石墨烯技術(shù)專利布局較為廣泛，但大多集中于基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域；專利申請(qǐng)人多為高校和科研機(jī)構(gòu)，且研發(fā)主體之間合作較少。運(yùn)用專利數(shù)量測(cè)算法和Pearl曲線模型預(yù)測(cè)分析石墨烯技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)果顯示：我國(guó)石墨烯技術(shù)處于快速發(fā)展階段，即將進(jìn)入技術(shù)發(fā)展成熟期，需把握發(fā)展機(jī)遇尋求新的技術(shù)突破。

關(guān)鍵詞：專利分析；石墨烯；Pearl模型；發(fā)展趨勢(shì)

Development of Graphane Technology in China： Present and Future

— Based on Patent Statistics

Abstract： By using patent information analysis method， the paper investigates the graphane technologyrelated patents， including the time of application， which technology field the patents belong to and distribution of applicants. It finds out that graphane technology patents are widely distributed， but most of them focus on the field of basic applied technology； most applicants are from high-learning schools and research institutions， and cooperation between research teams is seldom seen. Based on the method for calculating the number of patents and the Pearl curve model， it forecasts and analyzes the developing trend of graphane technology. The result shows that graphane technology is at the rapid development stage in China and it will soon enter into the maturation stage. It suggests that China should seize the chance and make new technological breakthroughs.

Key words： patent analysis； graphane； Pearl curve model； developing trend

近年來，全球范圍內(nèi)對(duì)石墨烯技術(shù)的專利申請(qǐng)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，陳長(zhǎng)益、吳華珠利用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析方法，洪凡采用SCIE分析功能和CiteSpace軟件，王國(guó)華利用Thomson Innovation平臺(tái)文本聚類功能，分別從IPC構(gòu)成、區(qū)域分布、申請(qǐng)人分布等不同角度研究了石墨烯技術(shù)專利的發(fā)展現(xiàn)狀。上述研究方法雖能較好地描繪出該技術(shù)目前的發(fā)展情況，但均為對(duì)技術(shù)專利信息的歸納，缺乏對(duì)石墨烯技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)和分析。本文采用專利數(shù)量測(cè)算法和Pearl曲線模型預(yù)測(cè)石墨烯技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，具有較強(qiáng)的可操作性和準(zhǔn)確性，以為我國(guó)石墨烯領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供一些參考和依據(jù)。

一、中國(guó)石墨烯技術(shù)專利分析

1.申請(qǐng)量年度趨勢(shì)分析

以石墨烯為檢索關(guān)鍵詞，在SooPAT專利數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索統(tǒng)計(jì)。截止到2015年9月15日，共檢索到7 538件中國(guó)石墨烯專利申請(qǐng)，其中發(fā)明專利占94.93%，實(shí)用新型占5.06%，外觀設(shè)計(jì)占0.01%。由于中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)一般在申請(qǐng)日后18個(gè)月公布，因此2014 — 2015年的專利申請(qǐng)量數(shù)據(jù)不完全，僅作參考。對(duì)專利申請(qǐng)的年度數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其逐年分布情況如圖 1 所示，可以清晰地反映出我國(guó)石墨烯技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

從圖 1 可以看出，國(guó)內(nèi)第一件石墨烯的專利申請(qǐng)出現(xiàn)在2001年。2001 — 2008年申請(qǐng)量累計(jì)不到100件，各年申請(qǐng)量均少于50件，彼時(shí)石墨烯技術(shù)仍處于萌芽期；2008年以后專利申請(qǐng)量出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，2011年更突破1 000件，之后一直保持強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭。

2. 主要技術(shù)領(lǐng)域分析

統(tǒng)計(jì)我國(guó)石墨烯技術(shù)專利IPC小類，分析其涉及的技術(shù)活躍領(lǐng)域和技術(shù)領(lǐng)域的專利分布情況。表 1 列出了排名前 9 位（申請(qǐng)量超過800件）的石墨烯專利技術(shù)領(lǐng)域及申請(qǐng)量。

從表 1 可以看出，中國(guó)石墨烯技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)主要集中在C部（化學(xué)）和H部（電學(xué)）。石墨烯制備是主要的專利技術(shù)生成領(lǐng)域，并向復(fù)合材料、基礎(chǔ)性能利用為主的應(yīng)用領(lǐng)域拓展。具體研究領(lǐng)域主要有：（1）石墨烯制備，如液相剝離、CVD等，主要分類號(hào)包括C01B等，其相關(guān)專利申請(qǐng)量最大；（2）石墨烯納米材料以及復(fù)合材料，例如導(dǎo)電導(dǎo)熱材料、復(fù)合纖維和碳纖維等，主要分類號(hào)包括B82Y、C08K、C08L等；（3）石墨烯在鋰離子、太陽能電池電極材料、光電器件等方面的應(yīng)用，主要分類號(hào)包括H01L、H01M、H01G等。

3.專利申請(qǐng)人分析

（1）申請(qǐng)人合作網(wǎng)絡(luò)分析

運(yùn)用UCINET軟件繪制石墨烯技術(shù)專利申請(qǐng)人合作網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)圖，且采用無向網(wǎng)絡(luò)圖。每一個(gè)結(jié)點(diǎn)代表不同的申請(qǐng)人，節(jié)點(diǎn)之間的連線表示申請(qǐng)人之間的合作次數(shù)。

文章構(gòu)建了365個(gè)申請(qǐng)人的合作網(wǎng)絡(luò)，去除節(jié)點(diǎn)數(shù)小于 3 的申請(qǐng)人。選取了合作申請(qǐng)人在 3 個(gè)以上、合作專利數(shù)量大于10件的研發(fā)主體構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)（圖 2）?？梢园l(fā)現(xiàn)，我國(guó)石墨烯技術(shù)專利申請(qǐng)人合作網(wǎng)絡(luò)整體較為松散，合作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且頻率不高，分散的小團(tuán)體合作明顯，尚未形成具有一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。具體來說有以下特征。

①由兩個(gè)研發(fā)主體合作申請(qǐng)的現(xiàn)象最普遍，合作網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)三角形的有14個(gè)，但合作的頻數(shù)普遍較低，均少于10次。清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、江南大學(xué)等高校均形成包含 4 個(gè)以上節(jié)點(diǎn)的合作結(jié)構(gòu)。合作網(wǎng)絡(luò)密度最大的是常州大學(xué)，呈現(xiàn)出樹狀的網(wǎng)絡(luò)特征，主干部分包含10個(gè)節(jié)點(diǎn)，其他的支干也大多包含 3 個(gè)合作主體。

②以省內(nèi)合作為主，地理位置是高校與企業(yè)進(jìn)行專利合作的重要因素。合作企業(yè)依托所在城市的高校，進(jìn)行科技創(chuàng)新和科技成果的轉(zhuǎn)化。如與常州大學(xué)進(jìn)行專利合作的 7 家企業(yè)均在江蘇省內(nèi)；上海交通大學(xué)的合作企業(yè)為上海驛度數(shù)碼科技有限公司和上海中聚佳華電池科技有限公司。表明高校進(jìn)行技術(shù)專利合作的企業(yè)以省內(nèi)為主，其余主要分布在周圍的省市，即優(yōu)先選擇地緣型合作模式。

③合作頻率普遍不高，少數(shù)合作次數(shù)較多的申請(qǐng)人屬于親緣型合作模式。在構(gòu)建的申請(qǐng)人合作網(wǎng)絡(luò)中，合作次數(shù)大于10件的有 6 組。其中清華大學(xué)與鴻富錦精密工業(yè)（深圳）有限公司合作專利數(shù)57件，中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院與重慶墨希科技有限公司合作專利數(shù)34件，北師大與北師大科技園科技發(fā)展有限公司合作專利17件。以上申請(qǐng)人之間的合作特點(diǎn)是高校、科研院所與企業(yè)之間建立了固定持續(xù)的合作關(guān)系，屬于典型的親緣型合作模式。而節(jié)點(diǎn)間聯(lián)系頻數(shù)最高的是海洋王照明科技股份有限公司、深圳市海洋王照明工程有限公司與照明技術(shù)有限公司之間的合作，共同申請(qǐng)的專利數(shù)最多，但全都集中在母公司與其子公司之間，不具有合作的代表性。

（2）主要專利申請(qǐng)人技術(shù)主題分析

統(tǒng)計(jì)排名前10位的主要專利申請(qǐng)人的IPC小類，分析其專利申請(qǐng)的重點(diǎn)技術(shù)主題。選取申請(qǐng)量排名前 9 的IPC小類（圖 3），彩色柱形代表各個(gè)專利申請(qǐng)人的IPC小類，柱形上不同顏色占比的大小表示不同專利申請(qǐng)人各個(gè)IPC小類的專利申請(qǐng)數(shù)量?？梢钥闯?，我國(guó)石墨烯技術(shù)專利申請(qǐng)人在石墨烯制備技術(shù)、納米材料、儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的布局較為普遍，但技術(shù)研發(fā)主題各有側(cè)重。如海洋王照明科技股份有限公司所申請(qǐng)專利集中在石墨烯的制備（C01B）、電容器（H01G）等領(lǐng)域。浙江大學(xué)的專利申請(qǐng)主要在電池組電極（H01M）等領(lǐng)域，電子科技大學(xué)在半導(dǎo)體器件（H01L）領(lǐng)域的申請(qǐng)專利數(shù)最多。

二、石墨烯技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

1. 專利數(shù)量測(cè)算法

本文采用陳燕、黃迎燕等提出的專利數(shù)量測(cè)算法進(jìn)行技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析，計(jì)算了石墨烯技術(shù)的技術(shù)成熟系數(shù)（γ）、技術(shù)成長(zhǎng)率（V）和新技術(shù)特征系數(shù)（N）的值。其中，技術(shù)成熟系數(shù)γ=a/（a+b），a為當(dāng)年發(fā)明專利申請(qǐng)數(shù)，b為當(dāng)年實(shí)用新型專利申請(qǐng)數(shù)；技術(shù)成長(zhǎng)率V=a/A（A為過去 5 年該技術(shù)領(lǐng)域發(fā)明專利的申請(qǐng)總量），體現(xiàn)石墨烯技術(shù)的發(fā)展階段。新技術(shù)特征系數(shù)N=γ+V2，體現(xiàn)了石墨烯技術(shù)的新穎程度。2005 — 2013年新技術(shù)特征N和技術(shù)成長(zhǎng)率V的計(jì)算結(jié)果如表 2 所示。

從表 2 可以看出，2005 — 2009年的V值、N值雖存在一定程度的波動(dòng)，但總體上呈增加趨勢(shì)，表明石墨烯技術(shù)處于萌芽發(fā)展階段，新技術(shù)特征在加強(qiáng)，呈現(xiàn)出較大的發(fā)展?jié)摿Γ?009年以后，V值逐年遞減，石墨烯技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段，此階段N值也呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，表明石墨烯突破性技術(shù)創(chuàng)新開始趨緩。

2. Pearl曲線擬合及分析

SerkanAltuntas等指出Pearl曲線模型可以有效預(yù)測(cè)技術(shù)的生命周期。根據(jù)已有的專利數(shù)據(jù)，應(yīng)用Pearl曲線模型預(yù)測(cè)模擬石墨烯的技術(shù)成長(zhǎng)曲線，具體方程如下：

P（t）=M/（1+e（α-βt））或（t）=M/（1+Ae（-βt））

其中，P（t）表示技術(shù)專利的累計(jì)個(gè)數(shù)；t是時(shí)間；A是曲線的斜率，A=eα；M是增長(zhǎng)極限值，表示成長(zhǎng)的飽和水平，即專利數(shù)量的最大值。

根據(jù)石墨烯技術(shù)年度專利申請(qǐng)量數(shù)據(jù)，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)曲線模型進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)，確定石墨烯技術(shù)專利數(shù)量的增長(zhǎng)極限M為4 222，經(jīng)過計(jì)算得出α、β分別為8.73、0.97。代入上述模型，得到我國(guó)石墨烯技術(shù)的Pearl曲線（圖 4），模型方程為P（t）=4 222/（1+6 205e-0.97t）。其中R2=0.997，擬合度較好。

我國(guó)石墨烯領(lǐng)域的技術(shù)專利申請(qǐng)從2001年開始出現(xiàn)，到2004年專利數(shù)分別為1、1、0、1件，故選取2004年以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)擬合預(yù)測(cè)分析。對(duì)P（t）=4 222/（1+6 205e-0.97t）的速度函數(shù)求二階導(dǎo)，并令其等于零，解之可得：t1=7，t2=10。t1=7，即2001 — 2009年間我國(guó)石墨烯技術(shù)處于初始增長(zhǎng)階段，該階段石墨烯專利申請(qǐng)量較少，處于技術(shù)發(fā)展的萌芽期；t2=10，即2009 — 2013年石墨烯專利技術(shù)處于快速發(fā)展階段，該階段石墨烯專利申請(qǐng)量的增長(zhǎng)率急劇上升。

由（t）=0 可解得：t*=9為增長(zhǎng)曲線的唯一極值點(diǎn)，此時(shí)技術(shù)增長(zhǎng)最快，處于高峰期，即在2012年我國(guó)石墨烯技術(shù)的增長(zhǎng)速度達(dá)到高峰期。2013年以后，相關(guān)專利總量依舊增加，但速度減慢，進(jìn)入飽和增長(zhǎng)階段，預(yù)計(jì)在2020年左右達(dá)到飽和水平。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，目前我國(guó)石墨烯技術(shù)正處于快速發(fā)展的成長(zhǎng)期，即將進(jìn)入技術(shù)發(fā)展的成熟期。

三、結(jié)論與建議

本文利用專利信息分析方法，從年度申請(qǐng)量、申請(qǐng)人合作、技術(shù)領(lǐng)域分布等角度，分析了我國(guó)石墨烯技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。并運(yùn)用專利數(shù)量測(cè)算以及Pearl曲線模型，預(yù)測(cè)了模擬石墨烯技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)。研究認(rèn)為：近年來我國(guó)石墨烯技術(shù)專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)十分迅速，在專利申請(qǐng)總量方面具有較大優(yōu)勢(shì)。運(yùn)用專利數(shù)量測(cè)算法以及Pearl曲線模型擬合的結(jié)果來看，石墨烯技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，在2013年以后逐步進(jìn)入緩增期。目前尚處于尋求高端應(yīng)用技術(shù)突破的階段，亟需把握發(fā)展機(jī)遇。

另外，主要專利申請(qǐng)人大多為高校和科研院所，申請(qǐng)人之間合作強(qiáng)度較小，研發(fā)主體相對(duì)分散且相互的合作局限于單一的技術(shù)性合作。整體來看仍側(cè)重于技術(shù)研發(fā)，科研成果的轉(zhuǎn)化問題需要加以重視。我國(guó)應(yīng)鼓勵(lì)企業(yè)與高校、科研機(jī)構(gòu)的合作，積極推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，加強(qiáng)研發(fā)主體間的合作強(qiáng)度，形成緊密的合作網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)相關(guān)專利技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。專利申請(qǐng)從石墨烯的制備到電極、電容器、石墨烯納米材料、傳感器、生物醫(yī)藥、復(fù)合材料等應(yīng)用領(lǐng)域均有涉及，但多數(shù)專利集中于石墨烯的制備等少數(shù)幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。需要進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)我國(guó)石墨烯技術(shù)領(lǐng)域的全面創(chuàng)新發(fā)展。

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