基于全球?qū)＠畔⒌氖┘夹g(shù)發(fā)展多重維度分析＊

黃寶中，高 揚(yáng)，賀文愛，黃日昆

（廣西大學(xué)高校國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)信息服務(wù)中心，廣西 南寧 530004）

石墨烯是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。由于石墨烯具有這些獨(dú)特的優(yōu)異性能，使其在半導(dǎo)體、柔性電子、傳感器、能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、復(fù)合材料、生物醫(yī)藥、環(huán)保以及熱管理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，石墨烯技術(shù)成為全球熱點(diǎn)技術(shù)之一，受到各國(guó)研發(fā)人員的高度關(guān)注和深度參與，技術(shù)成長(zhǎng)較為快速。本文專利數(shù)據(jù)來源于Innography 專利檢索分析平臺(tái)。

1 全球石墨烯技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1.1 全球石墨烯技術(shù)發(fā)展歷程分析

一般認(rèn)為第一個(gè)石墨烯專利申請(qǐng)于1994 年。從石墨烯專利申請(qǐng)量的增長(zhǎng)特征來看，全球石墨烯技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段：①第一階段為1994—2006 年，石墨烯專利申請(qǐng)量較少，每年新增專利申請(qǐng)不超過20 件，且專利申請(qǐng)量波動(dòng)較明顯，年均增長(zhǎng)率為23.34%，在技術(shù)上表現(xiàn)為石墨烯技術(shù)涉及技術(shù)領(lǐng)域窄且技術(shù)成長(zhǎng)波動(dòng)明顯；②第二階段為2007—2012 年，石墨烯專利申請(qǐng)量突破100 件且保持高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，2012 年達(dá)到4 294 件，年均增長(zhǎng)達(dá)到102.65%，在技術(shù)上表現(xiàn)為石墨烯技術(shù)迅猛發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，涉及技術(shù)領(lǐng)域迅速擴(kuò)展；③第三階段為2013—2018 年，石墨烯專利申請(qǐng)量較大，每年新申請(qǐng)專利數(shù)量明顯高于第二階段，但專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)率與第二階段相比有明顯回落，年均增長(zhǎng)率為26.51%，在技術(shù)上表現(xiàn)為石墨烯技術(shù)快速成長(zhǎng)，在技術(shù)領(lǐng)域的廣度和深度上均有明顯進(jìn)展。截至檢索日，2019年石墨烯專利申請(qǐng)量為5 742 件（專利從申請(qǐng)到公示有一定時(shí)限，Innography 中的2019 年申請(qǐng)量比實(shí)際低，所以本文進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)不考慮2019 年數(shù)據(jù)），如圖1 所示。

1.2 石墨烯技術(shù)生命周期發(fā)展階段分析

通過專利技術(shù)生命周期分析，可了解相關(guān)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和所處發(fā)展的階段，推測(cè)其未來的發(fā)展方向和趨勢(shì)。一般將技術(shù)的生命周期分為4 個(gè)階段，即技術(shù)萌芽期、技術(shù)成長(zhǎng)期、技術(shù)成熟期、技術(shù)衰退期。

圖1 1994—2019 年全球石墨烯專利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)

在技術(shù)萌芽階段，參與專利技術(shù)研發(fā)的人員較少，專利數(shù)量不多，研發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域較窄；在技術(shù)成長(zhǎng)階段，研發(fā)投資主體明顯增多，參與專利技術(shù)研發(fā)的人員不斷增加，專利數(shù)量加速增長(zhǎng)，技術(shù)呈現(xiàn)快速成長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)；在技術(shù)成熟階段，由于難以有新的較大技術(shù)突破，投資主體對(duì)相關(guān)技術(shù)研發(fā)投入的熱情逐步減退，參與專利技術(shù)研發(fā)的人員逐步減少，專利數(shù)量增長(zhǎng)趨于平緩，每年保持基本相當(dāng)?shù)臄?shù)量，技術(shù)成長(zhǎng)較為緩慢；在技術(shù)衰退階段，參與專利技術(shù)研發(fā)的人員和專利數(shù)量雙雙呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，各投資主體逐步退出相關(guān)技術(shù)研發(fā)，相關(guān)專利技術(shù)幾乎不再增加。

可以采用專利數(shù)量測(cè)算法、圖示法、TCT 計(jì)算法等方法進(jìn)行專利技術(shù)生命周期分析，本文采用圖示法分析。圖示法分析用相同時(shí)間序列的專利申請(qǐng)人數(shù)量作為橫坐標(biāo)，專利數(shù)量作為縱坐標(biāo)繪制曲線圖，曲線上的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的年份，此方法繪制完整的技術(shù)生命周期，如圖2 所示。

從技術(shù)生命周期四個(gè)階段的劃分標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)圖3 所示的全球石墨烯技術(shù)專利信息，可以認(rèn)定1994—2006 年為石墨烯專利技術(shù)的萌芽階段，而2007 年至今為石墨烯專利技術(shù)的成長(zhǎng)階段，表現(xiàn)為研發(fā)投資主體明顯增多，參與專利技術(shù)研發(fā)的人員不斷增加，專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)數(shù)量大幅增加，專利數(shù)量快速增長(zhǎng)，技術(shù)呈現(xiàn)快速成長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。說明目前無論是石墨烯技術(shù)還是石墨烯產(chǎn)業(yè)均處于蓬勃發(fā)展階段。

圖 2 圖示法技術(shù)生命周期圖

圖3 1994—2018 年石墨烯技術(shù)生命周期圖

2 全球石墨烯熱點(diǎn)技術(shù)

熱點(diǎn)技術(shù)是指在一定時(shí)期內(nèi)某一技術(shù)領(lǐng)域或某一技術(shù)受到眾多創(chuàng)新主體的重點(diǎn)關(guān)注，集中了相當(dāng)多科技人員參與研究開發(fā)，產(chǎn)生了較多的創(chuàng)新性技術(shù)成果。通常可以采用專利分類號(hào)頻次排序法和主題詞頻次排序法進(jìn)行分析，頻次越高代表熱度越高，本文采用后一種方法進(jìn)行分析。

利用Innography 基于全球石墨烯專利文獻(xiàn)中標(biāo)題和摘要進(jìn)行主題詞聚類分析，結(jié)果如圖4 所示，每一格有唯一的主題詞，每一主題詞對(duì)應(yīng)一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。餅圖內(nèi)環(huán)代表石墨烯一級(jí)技術(shù)領(lǐng)域，外環(huán)代表二級(jí)技術(shù)領(lǐng)域，每格大小代表專利申請(qǐng)量的大小，專利申請(qǐng)量越大，主題詞對(duì)應(yīng)的技術(shù)領(lǐng)域熱度越高。

圖4 全球石墨烯熱點(diǎn)專利技術(shù)主題詞聚類分析圖

顯然，全球石墨烯一級(jí)技術(shù)領(lǐng)域中，“preparation method（制備方法）”“graphene oxide（氧化石墨烯）”“raw maerial（原材料）”3 個(gè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量最多，分別為26 177件、11 952 件、10 412 件，說明石墨烯一級(jí)技術(shù)領(lǐng)域中此3個(gè)技術(shù)領(lǐng)域熱度最高，此外“electrode material（電極材料）”和“graphene lay（石墨烯層）”技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量分別達(dá)到2 956 件、2 486 件。在二級(jí)技術(shù)領(lǐng)域中，“follwing steps（制備中的跟蹤步驟方法）”“composite material（復(fù)合材料）”“manufacturing method（制造方法）”3 個(gè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量相對(duì)較多，分別為10 412 件、7 867 件、3 861件，說明石墨烯二級(jí)技術(shù)領(lǐng)域中此3 個(gè)技術(shù)領(lǐng)域熱度最高。此外， “l(fā)ithium ion（鋰離子）”“preparation process（制備工藝）”“deionized water（去離子水）”“carbon nanotubes（碳納米管）”“l(fā)ithium ion battery（鋰離子電池）”“graphene film（石墨烯薄膜）”技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量分別為3 075 件、2 689 件、2 639 件、2 569 件、2 440 件、2 167 件。

3 各國(guó)和地區(qū)石墨烯技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力比較

3.1 主要國(guó)家和地區(qū)專利申請(qǐng)量比較分析

1994—2019 年，中國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)、日本、中國(guó)臺(tái)灣、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、西班牙、印度、加拿大12 個(gè)國(guó)家和地區(qū)的發(fā)明人申請(qǐng)的石墨烯專利較多，合計(jì)為74 493件，占總量的96.83%，其中中國(guó)申請(qǐng)量達(dá)到5 3043 件，占總量的69.95%；韓國(guó)、美國(guó)、日本、中國(guó)臺(tái)灣申請(qǐng)量均超過 1 000 件，分別為 8 892 件、5 789 件、2 369 件、1 534 件，占總量的比例分別為11.56%、7.52%、3.08%、1.99%；此外，德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、西班牙、印度、加拿大申請(qǐng)量在234～783 件之間，占總量的比例為0.30%～1.02%，具體如圖5 所示。

圖5 1994—2019 年主要國(guó)家和地區(qū)發(fā)明人石墨烯專利申請(qǐng)量結(jié)構(gòu)圖

3.2 主要國(guó)家和地區(qū)專利強(qiáng)度比較分析

Innography 專利強(qiáng)度可用于衡量某一專利的潛在價(jià)值。Innography 在計(jì)算專利強(qiáng)度時(shí)考慮了專利權(quán)利要求、引證、所屬行業(yè)、訴訟和法律保護(hù)狀態(tài)以及經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等因素。全球申請(qǐng)石墨烯專利前5 名國(guó)家和地區(qū)的專利強(qiáng)度分布如圖6 所示，其中中國(guó)石墨烯技術(shù)的專利強(qiáng)度有超過50%的在0～10之間，達(dá)到69.12%，除在專利強(qiáng)度60～70 之間的占比高于其他國(guó)家外，其他專利強(qiáng)度的區(qū)間的占比都低于其他國(guó)家；韓國(guó)、日本、中國(guó)臺(tái)灣在專利強(qiáng)度各區(qū)間的占比依次遞減；而美國(guó)石墨烯全部專利技術(shù)的專利強(qiáng)度在0～10 之間的僅有6.48%，在區(qū)間10～20、20～30、30～40 占比分別為15.56%、16.41%、11.82%，在專利強(qiáng)度較高區(qū)間40～50、50～60、60～70、70～80 的占比遙遙領(lǐng)先，均高于其他國(guó)家，分別為9.62%、9.78%、10.36%、8.17%，特別是在專利強(qiáng)度高區(qū)間80～90、90～100 之間占比為6.31%、5.49%，分別是中國(guó)的28.68 倍、274.5 倍。相對(duì)于其他國(guó)家和地區(qū)，中國(guó)發(fā)明人申請(qǐng)專利的專利強(qiáng)度絕大多數(shù)在低專利強(qiáng)度區(qū)間，說明中國(guó)石墨烯專利質(zhì)量偏低，專利價(jià)值不高，影響力不大，需要從關(guān)注專利數(shù)量轉(zhuǎn)變到切實(shí)重視專利質(zhì)量的軌道上來。

圖6 主要國(guó)家和地區(qū)發(fā)明人申請(qǐng)專利的專利強(qiáng)度分布

4 全球石墨烯技術(shù)主要研發(fā)機(jī)構(gòu)

4.1 主要研發(fā)機(jī)構(gòu)專利申請(qǐng)量分析

1994 年以來，全球共有超過15 153 家機(jī)構(gòu)申請(qǐng)了76 931件石墨烯專利。其中申請(qǐng)量最大的50 家機(jī)構(gòu)共申請(qǐng)了13 887件專利，占總量的18.5%，每一家申請(qǐng)機(jī)構(gòu)的專利申請(qǐng)量都超過了100 件，申請(qǐng)量最大的是中國(guó)科學(xué)院，共申請(qǐng)專利1 876 件，占這50 家機(jī)構(gòu)總量的13.3%；排名第二的是韓國(guó)三星電子有限公司，數(shù)量為695 件，占這50 家機(jī)構(gòu)總量的5.2%；第三到第八名都是中國(guó)的研究機(jī)構(gòu)，分別是浙江大學(xué)、清華大學(xué)、深圳海洋王照明科技有限公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)、東南大學(xué)；第九名是韓國(guó)另一家科研機(jī)構(gòu)即韓國(guó)科學(xué)技術(shù)高級(jí)研究所。

4.2 主要研究機(jī)構(gòu)地區(qū)分布分析

申請(qǐng)量最多的50 家研究機(jī)構(gòu)中有37 家是中國(guó)大陸的研究機(jī)構(gòu)，占比74%；1 家為中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，占比2%。12 家國(guó)外研究機(jī)構(gòu)中，韓國(guó)8 家，占比16%；美國(guó)2 家，占比4%；加拿大和日本各1 家，均各占比2%，具體如圖7 所示。

5 小結(jié)

1994 年以來，全球石墨烯技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了3 個(gè)階段，專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)總體呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢(shì)。目前，全球石墨烯技術(shù)發(fā)展仍處于技術(shù)成長(zhǎng)期，但全球石墨烯專利量增長(zhǎng)速度近年有所趨緩，石墨烯技術(shù)成長(zhǎng)步伐逐步減慢。而從主題詞聚類法分析結(jié)果看，全球石墨烯技術(shù)研究熱點(diǎn)主要集中于“preparation method（制備方法）”“graphene oxide（氧化石墨烯）”“raw maerial（原材料）”等技術(shù)領(lǐng)域。從全球?qū)＠畔⒖?，美?guó)和日本研究石墨烯技術(shù)較早，而中國(guó)石墨烯專利申請(qǐng)量最多，美國(guó)機(jī)構(gòu)石墨烯專利價(jià)值總體最高。全球石墨烯專利申請(qǐng)量最多的50 家機(jī)構(gòu)中，中國(guó)機(jī)構(gòu)數(shù)量最多，達(dá)到37 家，占74%。

圖7 全球石墨烯技術(shù)前50 位機(jī)構(gòu)按地區(qū)分布