2019全球石墨烯技術專利分析

韓雪 馬經博 周旭峰 汪偉 劉兆平

石墨烯具有獨特的單原子層二維晶體結構，并且集多種優(yōu)異特性于一身，如超高的載流子遷移率、電導率、熱導率、透光率、強度等。2010年，石墨烯的發(fā)明者斬獲諾貝爾獎，就此一股石墨烯產業(yè)化熱潮在國內外迅速掀起。石墨烯產業(yè)經過近10年的快速發(fā)展期，積累了大量的研究成果。石墨烯專利文獻作為重要的科技文獻來源之一，對其進行定期梳理，可以更好地了解當前的石墨烯技術發(fā)展方向，進而為產業(yè)化研發(fā)工作提供借鑒。

本文采用北京合享智慧科技有限公司的Incopat專利數據庫作為檢索來源，檢索日期截至2019年8月29日（基于公開/公告日）。國際部分采用其中的原始數據庫，中國部分采用中國發(fā)明申請數據庫。對數據庫中的專利數據均進行簡單同族合并處理，剔除不符合主題的數據，標準化處理申請人信息。

1 石墨烯技術整體專利態(tài)勢分析

1.1 石墨烯技術國際專利申請趨勢

在Incopat原始數據庫中共檢索到92 906件石墨烯相關專利（族）。石墨烯相關專利申請最早出現在2004年，快速增長開始于2010年，近2年，石墨烯專利申請數量增速開始放緩（見圖1）。

1.2 石墨烯專利國家/地區(qū)分布分析

專利申請人所屬國家代表了該項技術的起源，對其進行分析后可以了解專利技術的原創(chuàng)來源。2010年以前，中國申請人每年申請的石墨烯相關專利數量與其他國家相差不大，從2010年開始，中國申請人每年新增專利數量快速增加，2015年以后，美國、韓國等國家/地區(qū)的申請人申請的石墨烯相關專利的年度增長數量開始下降，近2年這種趨勢尤其明顯（見圖2）。

實際上目前中國已經成為全球石墨烯專利的主要貢獻者和申請最為活躍的國家，中國申請人申請的專利總量占全球的71.61%，遠高于其后的美國（9.21%）和韓國（9.07%），并且申請活躍度（2016—2018年申請量占申請總量比例）也遠高于其他國家（見圖3）。

1.3 專利申請集中度分析

2004—2006年，石墨烯相關技術剛剛起步，專利申請數量少，專利申請人較少，申請人集中度（專利申請量排名前10的申請人申請專利數量占全球石墨烯專利總量比例）很高（見圖4）。2007年開始，隨著石墨烯相關技術不斷發(fā)展，越來越多的申請人參與到石墨烯行業(yè)中，申請人集中度下降趨勢十分明顯。到2016—2018年，申請人集中度指數已達到最低點，表明該領域產業(yè)壟斷程度越來越低，準入門檻也越來越低，但是企業(yè)間的競爭十分激烈。實際上，隨著石墨烯規(guī)?；苽浼夹g的不斷完善，已有大量企業(yè)通過在產品中引入石墨烯尤其是石墨烯納米片來改善產品的導電、導熱、增強、抗菌等各方面性能。

1.4 專利申請技術布局

發(fā)明和實用新型專利目前普遍采用國際專利分類（International Patent Classification，IPC）對其進行標識。同一專利可能具有若干個分類號時，其中第一個稱為主分類號，主分類號最能充分代表發(fā)明信息。目前石墨烯專利技術主要集中在C部（化學、冶金）和H部（電學），其他部也有一定的專利申請量（見圖5）。

對比來自中國、歐洲、美國、日本、韓國5個國家/地區(qū)申請的石墨烯相關專利在各IPC主分類號分布的專利數量可知，中國申請人在A部（人類生活必需）、D部（紡織、造紙）和E部（固定建筑物）申請的專利數量遠遠高于其他國家/地區(qū)的申請量（見圖6），這些領域中主要涉及生活及農業(yè)用品、復合纖維、LED燈、電暖器等主題。

對專利文本申請主題深入分析后可知，歐洲、美國、日本、韓國的石墨烯專利技術主要分布在半導體器件（H01L小類）和電化學儲能（H01M小類）領域。中國申請人在有機高分子（C08大類）、電化學儲能（H01M小類）、石墨烯制備（C01B31/02、C01B31/04、C01B32/18、C01B32/19、C01B32/20、C23C16/26小組）領域申請的專利數量最多，其中有機高分子化合物領域申請的石墨烯相關專利數量更是遠高于其他領域，申請量位居第1。

2 石墨烯中國專利重點分析

2.1 石墨烯中國專利申請趨勢分析

在Incopat中國發(fā)明申請數據庫中，共檢索到中國國家知識產權局受理的69 645件石墨烯相關專利（族），其中發(fā)明專利60 439件，實用新型專利9 061件，外觀設計專利145件。我國的石墨烯相關專利申請始于2004年，至2010年后開始增長迅速，近2年依然保持快速增長態(tài)勢，但增長速度有所放緩（見圖7）。

2.2 石墨烯中國專利申請來源地分析

在中國申請的石墨烯相關專利中，我國申請人共申請66 524件，占比95.52%，國外申請人申請3 121件，占比4.48%（見圖8）。美國是在中國申請石墨烯相關專利數量最多的國家，共申請專利1 047件，占比1.5%?？梢?，中國受理的石墨烯相關專利絕大多數來自于我國本土申請人。

2.3 專利申請人類型及申請數量趨勢分析

根據專利申請人性質的不同，將專利申請人分為：企業(yè)、高校、科研機構、個人和其他。在2006—2013年期間，高校申請人的石墨烯專利申請量一直高于其他類型申請人，這段時間內高校是國內石墨烯專利申請的主力軍。從2014年開始，企業(yè)成為國內石墨烯專利年申請量最多的申請人，并于2016年起其申請量達到年度申請總量的半數以上（見圖9）。

2.4 技術轉移轉化情況分析

對石墨烯相關專利的轉移轉化情況進行統(tǒng)計分析后發(fā)現，產生專利申請權、專利權轉移的專利共計2 926件，占石墨烯中國專利申請量的4.2%，其中這些轉移活動主要發(fā)生在企業(yè)內母公司與子公司或各子公司之間，可以看出，絕大部分專利技術未能得到有效轉化。此外，對高校、科研機構和個人的專利實施許可進行統(tǒng)計分析后發(fā)現，該類申請人的實施許可專利數量為89件，僅占該類申請人專利申請總量的0.27%，可見，高校、科研機構和個人申請的專利絕大部分被束之高閣，未能得到有效實施。

2.5 石墨烯中國發(fā)明專利深度分析

本文采用人工標注的方法將中國發(fā)明專利分為3類：石墨烯原材料及制備；石墨烯應用技術相關專利；石墨烯終端產品相關專利。近年來，石墨烯原材料制備相關專利申請量增長趨勢相對較緩，且已出現下降趨勢。而石墨烯應用技術相關專利申請一直保持快速增長，如今仍保持增長勢頭。此外，可以看出，石墨烯終端產品相關專利前期增長緩慢，自2014年后增長速度加快（見圖10）。

2.5.1 石墨烯原材料、制備技術、生產工藝及檢測技術專利分析

石墨烯的制備方法可分為Top—Down法、Bottom-up法和其他制備方法[1]。Top—Down法相關專利數量最多，達到4 877件。從專利申請活躍度（指2016—2018年3年某一領域專利申請量占該領域申請總量比例，下同）來看，Top—Down法和其他制備方法這兩種制備方法相關專利近3年申請較為活躍，而Bottom—up法相關專利無論從專利申請總量還是申請活躍度來看，均處于較低位置（見圖11）。

2.5.2 石墨烯應用技術相關專利分析

石墨烯應用技術方面的專利申請共計46 085件?；な悄壳笆眉夹g專利最為集中的領域，已申請22 658件相關專利，占應用技術專利總量的49.2%。儲能領域、電子器件領域的專利申請總量分別位居第2、第3。從專利申請活躍度來看，石墨烯應用技術各領域專利申請活躍度相差不大，專利申請量增長速度齊頭并進（見圖12）。

2.5.3 石墨烯終端產品相關專利分析

目前共有6 635件石墨烯終端產品相關專利，將石墨烯應用于機械設備終端產品的專利最多，專利申請量為1 846件，具體涉及燈具、螺桿、電加熱地板等。其次為生活用品相關專利，具體涉及口罩、服裝鞋帽等，這2個領域也是近3年專利申請最為活躍的終端產品專利申請主題（見圖13）。

2.6 區(qū)域分析

2.6.1 創(chuàng)新資源地圖

石墨烯專利申請量較多的省/市主要集中在中國沿海地區(qū)，其中長三角地區(qū)以江蘇省和浙江省的石墨烯研發(fā)活動最為頻繁，京津冀地區(qū)以北京市專利申請量最多，粵港澳地區(qū)以廣東省石墨烯技術創(chuàng)新資源最為豐富（見表1）。

2.6.2 長三角地區(qū)

長三角地區(qū)的石墨烯產業(yè)興起較早， 常州市和寧波市是長三角地區(qū)石墨烯產業(yè)發(fā)展較為成熟的2個典型代表地區(qū)。長三角地區(qū)的產學研合作方面地區(qū)聯(lián)動并不明顯，合作研發(fā)的對象主要集中在本省范圍內，常州大學和江南石墨烯研究院最為明顯，其專利合作研發(fā)對象和轉讓許可對象均為本省企業(yè)。

整理相關專利后發(fā)現，常州市目前已形成了較為完整的石墨烯產業(yè)鏈條，中游產業(yè)主要圍繞Top—Down方法制備的石墨烯（即石墨烯納米片）開展相關應用研發(fā)，涉及改性塑料、改性復合纖維、儲能等領域，同時涉及少量等光電產品（見圖14）。下游應用則主要集中在生活用品方面，如座椅內飾織物、保溫服裝、電加熱產品等。從企業(yè)類型來看，代表性企業(yè)絕大多數為中小型企業(yè)，其中規(guī)模較大的為常州第六元素材料科技股份有限公司和常州二維碳素科技股份有限公司。

目前，寧波市的石墨烯產業(yè)分布主要集中在上游和中游，儲能是目前寧波市石墨烯技術應用最為集中的領域（見圖15）。

2.6.3 京津冀地區(qū)

京津冀地區(qū)匯集了全國數量最多的一流高校和科研機構，以及在基礎研究領域成果卓越的大批專家學者。在石墨烯技術產學研合作方面，科研機構在京津冀區(qū)域內協(xié)同效果并不明顯，即使是匯集大量科研機構的北京地區(qū)，其科研機構與河北、天津地區(qū)的企業(yè)合作次數也屈指可數。

北京市是京津冀地區(qū)石墨烯專利申請量最多的地區(qū)。除氣體凈化、水過濾、改性復合材料、儲能等領域外，北京市在顯示面板、壓力傳感器、觸控裝置、場效應晶體管等半導體領域聚集了一批企業(yè)（見圖16）。

2.6.4 粵港澳地區(qū)

粵港澳地區(qū)是我國開放程度最高、經濟活力最強的區(qū)域之一。華南理工大學、中山大學等在產學研方面較為活躍，其合作企業(yè)絕大多數為廣東省本土企業(yè)。位于粵港澳地區(qū)的深圳市其石墨烯產業(yè)在Top—Down方法制備石墨烯、儲能、生活用品、理療產品4個領域較為集中（見圖17）。另外，在熱界面材料、RFID、觸摸屏及顯示面板領域聚集了一些代表性企業(yè)。

3 發(fā)展建議

自2010年石墨烯產業(yè)開始興起以來，石墨烯產業(yè)化道路已走過近10年光景。以單層石墨烯為代表的各類二維納米材料由于其多樣的理化性質，以及在器件、傳感、催化、醫(yī)藥和能源等領域的的廣泛應用前景而備受關注。新材料作為國民經濟先導產業(yè)和高端制造及國防工業(yè)的重要保障，未來將成為各國戰(zhàn)略競爭的焦點。當前在新一輪科技革命和產業(yè)變革大勢下，全球新材料產業(yè)格局發(fā)生重大調整。在此背景下，石墨烯這種新興材料得到了各國政府的高度重視。

通過上述分析，得到如下結論：

①從石墨烯專利技術分布重點發(fā)展方向上看，歐、美、日、韓等地區(qū)和國家將發(fā)展重點瞄準為以單層石墨烯（采用化學氣相沉積或外延生長法制備）應用為主的半導體器件領域，同時關注石墨烯納米片（一般以石墨為制備原料并采用剝離、氧化還原等方法制備）在電化學儲能領域的應用。在中國，則主要將石墨烯納米片應用于改性有機高分子材料、電化學儲能、涂料油墨等領域，同時中國在產業(yè)鏈下游也申請了不少專利，主要涉及遠紅外理療產品、電加熱產品、LED燈散熱等。

②從石墨烯專利申請總量和活躍度來看，目前中國已成為全球石墨烯專利的主要貢獻者，在近3年歐、美、日、韓等國石墨烯專利增長速度已放緩甚至出現負增長的情況下，中國每年的石墨烯專利數量增長速度依然高居不下，來源于中國的石墨烯專利總量占比達到全球的71.61%。

實際上，目前雖然中國已將石墨烯產業(yè)發(fā)展推向中下游領域，但石墨烯在應用過程中遇到的技術難題，如石墨烯的分散等并未取得突破，其優(yōu)異性能也并沒有得到充分發(fā)揮，石墨烯尚無法取代現有材料。從近10年的產業(yè)化探索來看，石墨烯技術目前仍屬于漸進性技術，尋求應用其產生顛覆性效應的領域依然是擺在行業(yè)從業(yè)者面前的最大難題。歐、美、日、韓將目標鎖定在了半導體和儲能領域，經歷了多年產業(yè)化探索后，已進入了技術冷靜期。諾基亞、巴斯夫、IBM、東芝、三星等掌握大量石墨烯專利的跨國企業(yè)，近3年來專利申請活動也有所減弱。

③相比于其他國家，中國在石墨烯產業(yè)發(fā)展上具有其突出特點。

中小型企業(yè)在中國石墨烯產業(yè)發(fā)展中表現最為活躍。由于石墨烯規(guī)?；苽浼夹g的突破，使得石墨烯原材料成本大幅下降，進入石墨烯行業(yè)的門檻下降，同時在各級政府的層層助推和資本市場的擁抱之下，涌入該行業(yè)的中小型企業(yè)快速增長。

大型企業(yè)是中國石墨烯產業(yè)發(fā)展的中堅力量。電子信息行業(yè)的京東方、新能源行業(yè)的國軒高科等大型企業(yè)也在試圖通過石墨烯材料的研發(fā)提高自身產品競爭力，但目前仍然處于技術攻關階段，真正實現產業(yè)化尚需時日。東旭光電、華麗家族等上市企業(yè)則跨越其原有領域，期望通過涉足石墨烯領域獲得新的利潤增長點。

高校和科研機構是中國石墨烯產業(yè)發(fā)展的技術推手。高校及科研機構掌握了大量石墨烯相關專利，清華大學、中國科學院寧波材料技術與工程研究所、江南石墨烯研究院是在石墨烯領域實現產學研融合較為成功的代表性機構，對石墨烯產業(yè)的發(fā)展也起到了積極的推動作用。然而這些也僅僅是少數案例，從專利合作申請及專利權/申請權轉移情況可以看出，在學術界仍然有大量的實驗室成果沒有進入產業(yè)界，并且無法與市場需求對接。同時，高校和科研機構在技術擴散方面地域性明顯，絕大部分合作對象為本地企業(yè)，對整個區(qū)域的石墨烯產業(yè)發(fā)展帶動性不強。

從石墨烯創(chuàng)新主體的區(qū)域分布來看，長三角、京津冀、粵港澳地區(qū)的部分地市已初步形成產業(yè)鏈完整的創(chuàng)新集群，并形成較為完善的產業(yè)鏈分布。但這種集群效應通常也僅存在于地市范圍內，缺乏整個區(qū)域內部跨地市聯(lián)動，同時各集群間的產業(yè)技術布局重合較為嚴重，在目前石墨烯技術未取得重要突破的情況下，這種情況進一步惡化了各集群中企業(yè)的生存環(huán)境。

為此，提出如下建議：

第一，在政府層面，應保持戰(zhàn)略信心，創(chuàng)新管理模式。面對目前石墨烯產業(yè)發(fā)展困境，政府應保持培育發(fā)展的信心和決心，通過適時適當的政策干預來助推產業(yè)發(fā)展。政府層面應以戰(zhàn)略眼光識別有可能改變未來產業(yè)格局的石墨烯技術領域，對重點企業(yè)給予政策和資金的重點支持，協(xié)助其渡過技術創(chuàng)新過程中遭遇的“死亡之谷”，實現關鍵核心領域的技術突破和商業(yè)化。國家層面應全面統(tǒng)籌，打破目前產業(yè)界和學術界之間需求對接嚴重失調的僵局，聚焦產業(yè)上中下游的企業(yè)、高校、科研院所的技術開發(fā)，以國家級石墨烯創(chuàng)新中心為著力點，促進產、學之間的高度交叉融合。

第二，在企業(yè)層面，一是應優(yōu)化產業(yè)生態(tài)環(huán)境，行業(yè)內部協(xié)同發(fā)展。石墨烯行業(yè)的各企業(yè)間應形成良好的競爭協(xié)作關系，努力構建行業(yè)內部健康的生態(tài)環(huán)境，避免產品同質化嚴重、惡性競爭等資源內耗現象。各企業(yè)應注重原始技術開發(fā)，在石墨烯產品研發(fā)方向和研發(fā)領域的選擇上要做到充分聚焦。二是應提升專利質量，加強專利情報利用。在石墨烯領域，高價值專利的培育勢在必行，使專利在市場競爭中真正發(fā)揮其應有的價值。

專利導航工作可以為技術研發(fā)提供更為客觀、全面、準確的引導，石墨烯聯(lián)盟及石墨烯創(chuàng)新中心作為石墨烯企業(yè)合作的紐帶，可以整合資源，以專題形式開始細分領域的專利導航工作，同時培育一批石墨烯領域知識產權人才。