石墨烯全球?qū)＠暾垜B(tài)勢分析

趙義強(qiáng)，于麗娜，蔣 濤

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京100096)

0 引言

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性質(zhì)迅速獲得科學(xué)界的青睞。這種厚度僅為0.335 nm 的碳材料具有超高的強(qiáng)度、優(yōu)良的導(dǎo)電性能，是能隙為零的半導(dǎo)體，而且還具有良好的導(dǎo)熱性，以及室溫量子霍爾效應(yīng)和室溫鐵磁性等特殊性質(zhì)［1］。因在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能，引起廣泛關(guān)注，世界各國紛紛將石墨烯技術(shù)作為長期戰(zhàn)略發(fā)展方向，以期在由石墨烯材料可能引發(fā)的新一輪產(chǎn)業(yè)革命中占據(jù)先機(jī)。本文選擇國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利檢索與服務(wù)系統(tǒng)，在德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫DWPI 中對世界范圍內(nèi)的石墨烯專利文獻(xiàn)進(jìn)行檢索采集，并且還使用中國專利文獻(xiàn)檢索系統(tǒng)CPRS，對我國受理的石墨烯專利文獻(xiàn)進(jìn)行檢索采集以作為補(bǔ)充。經(jīng)過檢索和人工篩選，共得到7 177項(xiàng)(以專利族計(jì))石墨烯專利文獻(xiàn)(截止2013 年9 月30日)。對這些專利文獻(xiàn)進(jìn)行了技術(shù)分類和詳細(xì)標(biāo)引，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了宏觀統(tǒng)計(jì)分析，獲得全球石墨烯技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢和布局情況。

1 球石墨烯技術(shù)專利申請總體情況

在全球石墨烯相關(guān)專利申請7 177 項(xiàng)中，在華專利申請4 547項(xiàng)。由于2012 ～2013 年的專利申請存在未完全公開的情況，故本文所列圖表中2012 ～2013 年的相關(guān)數(shù)據(jù)不代表該年份的全部申請。

一種技術(shù)的生命周期通常由萌芽、發(fā)展、成熟、衰退幾個(gè)階段構(gòu)成。通過分析一種技術(shù)的專利申請數(shù)量及專利申請人數(shù)量的年度變化趨勢，可以分析該技術(shù)處于生命周期的何種階段，進(jìn)而可為研發(fā)、生產(chǎn)、投資等提供決策參考［2］。

從圖1 可知，從2000 出現(xiàn)第一件石墨烯相關(guān)專利以來，石墨烯技術(shù)研究經(jīng)歷了13 年的發(fā)展歷程，其歷程大致可分為兩個(gè)發(fā)展階段。

1.1 技術(shù)萌芽期

2000 ～2007 年底，這一時(shí)期，石墨烯相關(guān)專利的申請數(shù)量較少，2000 年出現(xiàn)了第一項(xiàng)石墨烯專利。隨后慢慢增多，但申請量維持在較低的水平，且專利申請年增量最大值僅僅為69項(xiàng)，直到2007 年專利申請量才達(dá)到122 項(xiàng)。圖1 中對申請量不足100 項(xiàng)的2000 ～2006 年的申請態(tài)勢做了局部放大(圖1的左下部分)。

1.2 技術(shù)發(fā)展期

2008 年以后，石墨烯申請數(shù)量出現(xiàn)迅猛增長，以每年100項(xiàng)以上的速度遞增;這標(biāo)志著石墨烯技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期。2008 年申請量比上年增長了147 項(xiàng)，總量達(dá)到了269 項(xiàng)，隨后的2009 年申請量比上年增長了347 項(xiàng)，尤其是2010 年和2011年，專利申請量比上年增長了681 項(xiàng)和894 項(xiàng)，可見全球石墨烯專利申請數(shù)量開始急劇增長，并且加速度呈快速上升趨勢。2011 年申請總量達(dá)到了2 191 項(xiàng)。以上數(shù)據(jù)表明石墨烯相關(guān)專利技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展的活躍期，后續(xù)將會(huì)出現(xiàn)更多的專利申請。

自2004 年以來，石墨烯技術(shù)不僅在理論科學(xué)上受到極大關(guān)注，并且由于其特殊的納米結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的物理化學(xué)性能而在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化、儲(chǔ)能和傳感器等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出具有巨大的應(yīng)用潛能，引起了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。世界各國紛紛將石墨烯及其應(yīng)用技術(shù)作為長期戰(zhàn)略發(fā)展方向，以期在由石墨烯引發(fā)的新一輪產(chǎn)業(yè)革命中占據(jù)主動(dòng)和先機(jī)。

圖1 全球石墨烯專利申請趨勢

同時(shí)，從圖1 中申請人數(shù)量走勢上可以看出，申請人數(shù)量的走勢同樣經(jīng)歷了初期較慢增長和近期快速增長兩個(gè)階段。從整體趨勢上看，從2000 ～2007 年，石墨烯領(lǐng)域?qū)＠暾埲藬?shù)量持續(xù)增長，但每年進(jìn)入石墨烯技術(shù)領(lǐng)域的新申請人保持在幾十人;且專利申請數(shù)量大于申請人數(shù)量，這可能由于在技術(shù)發(fā)展初期，技術(shù)研發(fā)力量比較薄弱，技術(shù)應(yīng)用前景不夠明朗，多個(gè)申請人聯(lián)合申請以有效降低研發(fā)和投資風(fēng)險(xiǎn);2008 年之后，專利申請人數(shù)量出現(xiàn)快速增長，介入石墨烯領(lǐng)域研發(fā)領(lǐng)域的申請人以每年幾百人的速度遞增，表明了石墨烯研究作為當(dāng)今技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域受到極大關(guān)注，隨著石墨烯的不斷深入研究，石墨烯材料制備技術(shù)的突破性進(jìn)展使得石墨烯材料的應(yīng)用前景更加清晰，各國的創(chuàng)新主體紛紛參與到石墨烯的制備技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)研究中來，并以驚人的速度進(jìn)行全球目標(biāo)市場布局，以期未來在石墨烯技術(shù)這片具有廣闊發(fā)展前景的領(lǐng)地占有一席之地。

2 石墨烯專利總體分類及其申請趨勢

全球石墨烯專利技術(shù)總體上分為石墨烯的制備相關(guān)技術(shù)和石墨烯應(yīng)用相關(guān)技術(shù)。

在石墨烯制備相關(guān)技術(shù)方面，除石墨烯制備方法外，還包括以下與其緊密相關(guān)的技術(shù)分支:制備石墨烯的設(shè)備、石墨烯產(chǎn)品、以及石墨烯后處理技術(shù)。一方面，研究者積極改進(jìn)石墨烯的各類制備方法，力求在制備工藝上有所突破，另一方面，也期望通過改進(jìn)與各制備方法相對應(yīng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)來獲得更高質(zhì)量、更大面積的石墨烯產(chǎn)品。此外，獲得特定微觀形態(tài)的石墨烯產(chǎn)品也是石墨烯技術(shù)研發(fā)的方向之一;而為了得到特定微觀形態(tài)的石墨烯產(chǎn)品、或者具有特定性能的包含石墨烯的產(chǎn)品，研究者致力于將石墨烯進(jìn)一步進(jìn)行分散、摻雜、刻蝕等后處理，以期通過上述工藝的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)石墨烯的上述用途。

在石墨烯應(yīng)用相關(guān)技術(shù)方面，石墨烯作為新材料主要應(yīng)用在六大類領(lǐng)域:電子器件領(lǐng)域、能源領(lǐng)域、光電器件領(lǐng)域、材料領(lǐng)域、化學(xué)領(lǐng)域、生物醫(yī)用領(lǐng)域，除此之外，還存在一小部分石墨烯材料應(yīng)用于除上述六個(gè)領(lǐng)域之外的其他技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。

圖2 全球石墨烯專利申請制備相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用相關(guān)技術(shù)總體占比

全球石墨烯專利技術(shù)申請制備相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用相關(guān)技術(shù)總體占比參見圖2。制備相關(guān)技術(shù)為1 865 項(xiàng)，占比26%，應(yīng)用相關(guān)技術(shù)為5 865 項(xiàng)，占比81.7%。其中一項(xiàng)專利同時(shí)分入制備相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域和應(yīng)用相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的量為553 項(xiàng)占比7.7%?？傮w應(yīng)用技術(shù)總量為制備相關(guān)技術(shù)總量的3 倍多。

圖3 反映了對全球石墨烯專利申請制備相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用相關(guān)技術(shù)申請趨勢。從圖中可以看出，制備相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的申請趨勢與全球石墨烯的申請趨勢整體一致，制備相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用相關(guān)技術(shù)在2007 年前申請量較小，2008 年之后一直到2011 年出現(xiàn)了快速的增長。

應(yīng)用相關(guān)技術(shù)申請量一直大于制備相關(guān)技術(shù)的申請量。出現(xiàn)上述現(xiàn)象可能的原因是:相對于石墨烯材料的制備相關(guān)技術(shù)而言，石墨烯應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的開發(fā)的技術(shù)難度可能要小一些，并且人力、物力和財(cái)力的投入也相對較小，不需像制備相關(guān)技術(shù)那樣投入昂貴的設(shè)備和檢測儀器等，因此，在應(yīng)用相關(guān)技術(shù)上的研發(fā)數(shù)量和專利申請數(shù)量相對較多。同時(shí)，針對石墨烯的獨(dú)有特性，人們可能更急切渴望能將新材料石墨烯盡快的應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域中去，甚至可能改變我們的生活。

圖3 全球石墨烯專利申請制備相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用相關(guān)技術(shù)申請趨勢

3 石墨烯專利區(qū)域分布

全球石墨烯專利區(qū)域分布的研究包括對技術(shù)來源國的專利分析以及對技術(shù)目標(biāo)國的專利分布態(tài)勢分析。技術(shù)來源國分析反映了主要技術(shù)研發(fā)力量的分布情況，有助于了解各國家或區(qū)域的技術(shù)創(chuàng)新能力;而目標(biāo)國分析則體現(xiàn)了各創(chuàng)新主體的全球市場布局意圖。這將有助于從宏觀層面了解世界范圍的技術(shù)和市場變化趨勢，為國家產(chǎn)業(yè)政策制定、行業(yè)技術(shù)方向規(guī)劃、企業(yè)技術(shù)研發(fā)和布局提供幫助。

就全球石墨烯專利申請而言，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析和篩選，專利申請技術(shù)來源國主要為中國、美國、韓國和日本，目標(biāo)市場排名前6 位的分別是中國、美國、WO、韓國、日本和歐洲。

3.1 石墨烯專利技術(shù)來源國分析

從圖4 石墨烯專利技術(shù)來源國區(qū)域分布中可以看出，專利申請技術(shù)來源國主要為中國、美國、韓國和日本。中國(包括臺(tái)灣地區(qū))有4 009 項(xiàng)石墨烯相關(guān)專利，申請數(shù)量位居全球第一，占全球石墨烯相關(guān)專利總量的55.6%，;以下分別為美國、韓國和日本，申請數(shù)量分別占比19.1%、12.9%、以及6.9%。從中明顯可以看出中美韓日為石墨烯技術(shù)的主要來源國，該四國的專利產(chǎn)出量占全球的94%以上。石墨烯技術(shù)來源國前四名中沒有出現(xiàn)歐洲專利局EP 的專利，技術(shù)來源為歐洲專利局的石墨烯專利僅僅為100 項(xiàng)左右，與以上四國相比少很多。綜合歐洲其他各國的情況來看，在石墨烯技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用上歐洲起步早，但發(fā)展速度較慢，而中美韓日相比有較強(qiáng)的技術(shù)力量集中在該新興領(lǐng)域。

作為全球石墨烯專利主要技術(shù)來源國，中國、美國、韓國、日本四國具體的年度申請趨勢和占比如下圖5 所示。

分析圖5 石墨烯專利主要技術(shù)來源國申請趨勢及其占比分析數(shù)據(jù)可知。

1)日本、美國開始石墨烯專利申請年代較早，技術(shù)起步明顯早于中國和韓國。日本和美國分別在2000、2001 年出現(xiàn)了第一件石墨烯技術(shù)相關(guān)申請;而中國和韓國在2007 年才出現(xiàn)。

2)中國自介入石墨烯技術(shù)領(lǐng)域后，專利申請強(qiáng)勢崛起。中國從2007 年出現(xiàn)第一件石墨烯專利后，經(jīng)過2 年的技術(shù)發(fā)展醞釀，2009 年后出現(xiàn)專利申請爆發(fā)式增長，2010 年起中國石墨烯相關(guān)專利申請數(shù)量開始遠(yuǎn)超出其他國家，到2011 年申請數(shù)量甚至超過了美、韓、日三國申請量的總和。

3)美國和韓國近年申請態(tài)勢趨同，均表現(xiàn)出穩(wěn)健快速增長的態(tài)勢。

4)日本專利申請數(shù)量以及增長速度明顯落后于中、美、韓，與上述三國相比技術(shù)研發(fā)整體投入相對較低。

圖4 石墨烯專利技術(shù)來源國區(qū)域分布

圖5 石墨烯專利主要技術(shù)來源國-申請趨勢及其占比分析圖

3.2 石墨烯專利技術(shù)流向分析

圖6 采用雷達(dá)圖的形式，直觀的展示出了四大技術(shù)來源國中國、美國、韓國、日本在其他5 局中的目標(biāo)市場布局具體狀況，體現(xiàn)了各主要技術(shù)來源國的技術(shù)流向。

圖6 石墨烯專利技術(shù)主要技術(shù)來源國目標(biāo)市場布局圖

從技術(shù)輸出的目標(biāo)國分析:

與技術(shù)目標(biāo)國的分析結(jié)果相吻合，中、韓、日均將美國作為最重要的海外技術(shù)目標(biāo)國，特別是韓國申請人對美國市場的興趣濃厚，在美國的專利數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在其他國家在美的專利布局?jǐn)?shù)量。分析其原因，在于韓國國內(nèi)市場相對來說無論是地域上還是人口數(shù)量都比較小，其研發(fā)處于領(lǐng)先地位的石墨烯電子領(lǐng)域技術(shù)，必然會(huì)尋找國際上的大市場，如電子技術(shù)研發(fā)實(shí)力雄厚、市場成熟且容量大、蘊(yùn)藏巨大商機(jī)的美國市場等。

3.2.1 從技術(shù)輸出的數(shù)量上分析

1)美國最為重視在全球市場的專利布局，為向外國技術(shù)輸出的第一大國。美國向歐洲專利局輸出212 項(xiàng)，向WO、KR、JP、CN 分別輸出了 765、102、151、288 項(xiàng)，總和達(dá)到了 1 518 項(xiàng)。其數(shù)量之多相當(dāng)于韓、日、中海外布局?jǐn)?shù)量的總和。這與美國一貫重視拓展海外市場、在石墨烯研究重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域具備很強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力、注重海外市場知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)等多方面因素有關(guān)。

2)日、韓重視在國外的專利布局。日本共有510 項(xiàng)石墨烯相關(guān)專利在海外進(jìn)行了布局;韓國共有758 項(xiàng)石墨烯相關(guān)專利在海外進(jìn)行了布局。除了將美國最為最主要的輸出國外，日本和韓國均有大量專利通過WO 向全球進(jìn)行布局;日本向韓國輸出51 項(xiàng)、韓國向日本輸出84 項(xiàng)，相比較而言韓國比日本更重視向?qū)Ψ竭M(jìn)行專利輸出。

3)中國向國外技術(shù)輸出落后于美、韓、日，海外布局相對薄弱。中國雖然為石墨烯技術(shù)領(lǐng)域全球第一技術(shù)來源大國(4 009項(xiàng))，但其向其他5 局布局的專利相對于其他產(chǎn)出大國是最小的，遠(yuǎn)落后于美、韓，甚至低于申請量遠(yuǎn)小于中國的日本，其中向EP、WO、KR、JP 輸出的的數(shù)量均不足百項(xiàng)，而向US輸出數(shù)量最高才僅僅105 項(xiàng)。這一方面反映了國內(nèi)創(chuàng)新主體在海外知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識和保護(hù)力度亟需加強(qiáng);另一方面也反映了中國石墨烯專利申請的質(zhì)量與美、韓仍存在差距，在核心技術(shù)研發(fā)、搶占技術(shù)制高點(diǎn)的道路上還有很長的路要走。

3.2.2 從技術(shù)輸出渠道上分析

各國均重視以PCT 進(jìn)行石墨烯技術(shù)的專利申請，尤以美國最為突出。美國有765 項(xiàng)石墨烯技術(shù)的PCT 申請，韓國171項(xiàng)、日本153 項(xiàng)，這些申請進(jìn)入目標(biāo)國后將進(jìn)一步加強(qiáng)上述三國在海外市場的技術(shù)布局。而中國通過PCT 途徑的申請有86項(xiàng)，同樣為中國進(jìn)行海外知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的主要途徑。

3.3 技術(shù)目標(biāo)國分析

從圖7 石墨烯專利技術(shù)目標(biāo)國區(qū)域分布中可以看出，技術(shù)目標(biāo)國主要集中在中國、美國、韓國、日本和歐洲。其中中國為最大的技術(shù)目標(biāo)國，其次為美國、韓國及日本。

圖7 石墨烯專利技術(shù)目標(biāo)國區(qū)域占比分析

由于通常專利申請人傾向于首先在本國獲得專利保護(hù)，因而本國申請的數(shù)量將顯著影響各技術(shù)目標(biāo)國的專利布局。為了更加客觀反應(yīng)全球市場布局趨勢，我們研究了中、美、韓、日、歐五個(gè)目標(biāo)市場排除了本國/本地區(qū)申請后，來自國外申請的數(shù)量和布局情況。

表1 石墨烯專利技術(shù)主要目標(biāo)國/地區(qū)申請數(shù)量與國外申請占比

如表1 所示，分析石墨烯專利技術(shù)主要目標(biāo)國/地區(qū)申請數(shù)量與國外申請占比可知。

1)美國和中國是全球各國爭相布局的重要目標(biāo)市場國。從專利布局?jǐn)?shù)量來看，進(jìn)入美國的國外申請數(shù)量最多，其次為中國、歐洲、日本和韓國。美國匯集了當(dāng)今的先進(jìn)技術(shù)，具有良好的投資融資環(huán)境，其強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力吸引全球其他各國在美國進(jìn)行專利布局。而中國的巨大市場潛力則為各國技術(shù)研發(fā)和投資者所看好。

2)各國重視在歐洲和日本市場的專利布局。雖然歐洲國家以及日本作為技術(shù)來源國專利申請量并不占優(yōu)勢，但國外在歐洲和日本布局專利數(shù)量分別位居全球第三位和第四位，表明其他歐洲各國以外的其他國家同樣關(guān)注石墨烯技術(shù)在歐洲市場和日本市場的應(yīng)用前景，并進(jìn)行相當(dāng)?shù)耐度胍员ＷC在未來技術(shù)的競爭中在全球市場的控制力。

3)韓國以技術(shù)輸出為主，并非市場布局熱點(diǎn)區(qū)域。韓國自開始出現(xiàn)石墨烯技術(shù)以來，以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢迅速崛起，與美國并駕齊驅(qū)，成為繼中國、美國之后的第三大技術(shù)來源國;但由于其客觀經(jīng)濟(jì)和市場條件的限制，相對于美中日歐四國地區(qū)來說并非技術(shù)目標(biāo)市場熱點(diǎn)區(qū)域。

4 結(jié)語

通過本文的分析，可以看出:石墨烯專利申請最早出現(xiàn)于2000 年，之后幾年申請量一直處于較低水平。2008 年后，隨著石墨烯制備和應(yīng)用技術(shù)的蓬勃發(fā)展，申請量進(jìn)入快速增長階段，截止到2013 年9 月30 日，全球申請總量達(dá)到7 177 項(xiàng)。日本、美國較早提出專利申請，韓國、中國相對較晚，但從2007 年中國提出首件申請后，中國申請量迅速增長，2010 年起申請量大大超過其他國家，申請總量達(dá)到4 009 項(xiàng)，占全球申請總量的55.6%，成為石墨烯技術(shù)創(chuàng)新最活躍的地區(qū)。美國、韓國和日本近年申請量穩(wěn)健增長，總量分列第二至四名?？傊?，全球石墨烯技術(shù)快速發(fā)展，從申請趨勢來看，我國后來居上，申請量超越美國、韓國和日本。希望在專利分析、專利導(dǎo)航的數(shù)據(jù)支持基礎(chǔ)上，加強(qiáng)石墨烯行業(yè)的引導(dǎo)和布局，實(shí)現(xiàn)我國石墨烯技術(shù)的突破和真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

［1］劉欣欣. 石墨烯的研究進(jìn)展［J］. 材料導(dǎo)報(bào)，2011，25(12):92 -97.

［2］陳燕.專利信息采集與分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.