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        2018年全球石墨烯技術專利分析

        2019-04-17 09:13:06 來源:新材料產業
        石墨烯優異的結構特征賦予其良好的電學、熱學、光學、力學等特性,使其在化工、儲能、電子器件、生物醫藥、航空航天等領域具有廣泛的應用潛能。近年來,與石墨烯相關的專利數量快速增長。

        本文以專利文獻為切入點,采用湯森路透集團的德溫特創新索引(DII)專利數據庫和北京合享智慧科技有限公司的Incopat專利數據庫,數據檢索時間分別截至年8月29日和2018年6月30日,使用TDA、Thomson Innovation和Excel等分析工具,圍繞石墨烯相關技術進行詳細解讀、總結和分析,以研究石墨烯技術的發展情況,為高校、科研機構及企業的技術研發指引方向。
         

        一、石墨烯技術整體專利態勢分析


        1. 石墨烯全球專利申請情況
         

        通過DII專利數據庫進行檢索,共檢索到石墨烯相關專利(族)51 054件。從全球石墨烯專利申請數量的年度分布(圖1)可以看出,早在20世紀末就已經出現了石墨烯相關專利,但隨后十幾年間專利數量增長速度一直十分緩慢。2010年至今,石墨烯相關專利申請數量持續大幅增長,熱度至今不減。
         

         

        2. 技術來源國家/ 地區分布

        同一專利族中作為最早優先權基礎的專利代表了該項技術的起源,對這類專利的申請國家/地區進行分析可以了解專利技術的原創來源。由石墨烯技術專利最早優先國家/地區分布(圖2)可知,在所有技術原創國中,來源于中國的專利占比達到66.57%,大幅領先于其他各國家/地區;其次是韓國、美國、日本,也是石墨烯技術的重要技術原創國。

         

        3. 技術流向分析

        通過對專利申請地域構成的分析,可以了解石墨烯相關專利在不同區域的戰略布局,也可以掌握專利技術的輸入輸出情況。圖3和圖4分別展示了石墨烯技術主要國家專利技術流向和各國在中國申請的專利占本國專利比例,對中國、韓國、美國、日本4個技術原創國之間的技術流動進行分析后可知,中國專利體量大,但國外專利技術布局相對少,以美國為主要技術流向國,美國、日本、韓國近2年不斷加強在中國的專利申請。

         

        4. 石墨烯美國專利重點分析

        在檢索到的51 054件專利(族)中,申請了美國專利的有7 652件,約占15%。由美國專利及商標局(USPTO)受理的石墨烯專利數量的年度變化趨勢(圖5)可以看出,美國石墨烯專利的申請與受理最早出現在20世紀90年代初,但是專利技術發展比較緩慢,直到2008年以后開始出現快速增長局面,2012年以后每年的專利申請數量始終保持在較高水平,2015年專利申請量達到最高點。

         

        通過對美國石墨烯專利申請量居前25位的技術領域及其申請情況的分析可知,美國在石墨烯應用于電子信息領域方面的專利數量居多,具體包括電極、半導體納米材料、數據存儲單元&計算機、顯示器件、晶體管等細分領域,主要申請人有三星集團、IBM公司、東芝株式會社、鴻海精密工業股份有限公司、臺灣積體電路制造股份有限公司,以及本土申請人格羅方德半導體股份有限公司、閃迪公司等。
         

        IBM公司在全球共申請298件石墨烯技術相關專利,其中在中國共申請了52件,在制備領域的專利申請主要集中在薄膜轉移、圖案化生長、摻雜改性等方面;應用領域的專利申請主要集中在電子信息領域。美國納米技術儀器公司主要業務領域為儲能領域,其中石墨烯基超級電容器是其核心業務之一。JANG BZ、ZHAMU A均為美國納米技術儀器公司的重要發明人,同時也是該公司的聯合創始人。3位申請人共申請235件石墨烯技術相關專利,以美國專利申請為主。申請人持有的涉及增強復合材料、鋰離子電池陽極、超級電容器的3件專利被引次數遠高于其他專利,具有較大影響力。
         

        5. 石墨烯韓國專利重點分析
         

        在檢索到的51 054件專利(族)中,申請了韓國專利的有7 015件,約占13.7%。由韓國受理的石墨烯專利數量的年度變化趨勢(圖6)可以看出,韓國石墨烯相關專利從2010年后申請數量開始出現相對較大幅度的增長,2013-2017年5年中,除2016年專利申請量徒增達到歷年最高值以外,其他年份專利數量均趨于平穩。三星集團、LEEYT、延世大學、成均館大學、韓國科學技術研究院、LG集團和韓國先進技術研究院是在韓國申請石墨烯相關專利數量位列前7的申請人,它們所申請的專利數量占據韓國石墨烯相關專利總量的42%,是韓國石墨烯專利的主要貢獻者。三星集團是韓國最大的企業集團,與旗下的三星電子、三星SDI、三星LED、三星康寧等眾多子公司共同申請了大量專利,同時與成均館大學、漢陽大學、博世集團、IBM公司等機構有密切的合作關系。三星集團目前在全球共申請752件石墨烯技術相關專利,其中化學氣相沉積法制備石墨烯薄膜的專利引用次數最高,影響力最大。

         

        LG集團是僅次于三星集團之后的韓國第2大集團,事業覆蓋化學能源、電子電器、通訊與服務等領域。LG集團在全球共申請409件石墨烯技術相關專利。從各技術分支專利申請的布局情況來看,LG集團專利申請領域廣泛,在石墨烯制備領域的專利申請主要集中于化學氣相沉積法、氧化還原法、插層剝離法等方面,應用領域的專利申請涉及儲能、電子器件、水處理、空氣處理、化工。
         

        6. 石墨烯歐洲專利重點分析
         

        在檢索到的51 054件專利(族)中,在歐洲專利局申請專利的有2 368件,約占4.6%。由歐洲專利局受理的石墨烯專利數量的年度變化趨勢(圖7)可知,石墨烯技術相關專利早在2001年就開始在歐洲地區出現,但是增長速度十分緩慢,直到2010年后,申請數量開始出現大幅增長,2016年時專利申請量達到最高點。歐洲專利局受理的石墨烯相關專利涉及的領域主要包括石墨烯制備、電化學儲能、聚合物填料等方面,也有少量電子信息領域專利,主要集中在數據存儲單元&計算機、電極等方面。石墨烯制備技術相關專利主要來源于巴斯夫集團、曼徹斯特大學、三星集團、法國國家科學研究中心和馬克斯·普朗克學會等機構。在電化學儲能領域,LG集團和三星集團是主要專利申請人。

         

        2013年,諾基亞公司加入歐洲石墨烯旗艦計劃,并獲得來自歐盟的13.5億美元的資助,用以支持其在未來10年內開展圍繞石墨烯應用的相關研究。諾基亞公司在全球共申請84件石墨烯技術相關專利,其中在中國申請有50件,主要集中在電子信息和儲能領域,具體涉及傳感器、光電探測器、壓電諧振器等電子器件,以及鋰離子電池、電容器等儲能器件。
         

        曼徹斯特大學在石墨烯研究領域建有3所研發創新中心,包括曼徹斯特國家石墨烯研究所、石墨烯工程創新中心、亨利羅伊斯高等材料研究所(在建)。目前,曼徹斯特大學在全球共申請58件石墨烯技術相關專利,在中國共申請22件,所屬領域較為廣泛,涵蓋儲能、電子信息、水處理、醫藥、化工等領域。
         

        二、石墨烯中國專利深度分析

        1. 石墨烯中國專利申請趨勢及來源地分析

        考慮到專利申請的語言問題以及數據收錄的及時性等問題,利用incopat專利數據庫對在中國申請的石墨烯專利進行了重新檢索。截至2018年6月30日(基于公開/公告日),共檢索到石墨烯專利46 076件。其中發明專利40 539件,實用新型專利5 479件,外觀專利58件。由我國受理的石墨烯專利數量的年度變化趨勢(圖8)可以看出,在我國,石墨烯專利的申請始于2003年,隨后一直呈現持續增長的趨勢。由我國本土申請的石墨烯專利始于2006年,并自2010年開始,我國石墨烯專利的申請呈現爆炸式增長。

         

        在檢索到的46 076件由我國受理的石墨烯專利中,國內申請43 586件,占比94.6%;國外申請2 490件,占比5.4%,主要來源于美國、韓國、日本和德國。隨著我國本土石墨烯技術的持續發展,我國本土石墨烯專利申請數量已處于絕對優勢。
         

        2. 重要申請人及合作關系分析
         

        在我國石墨烯技術的研發中,企業申請專利的總量已超過其他各類申請人,專利申請量占比高達48.0%,這表明石墨烯技術的產業化發展正逐漸深入。國內的高校和研究機構在石墨烯領域中產出豐富,但其單獨申請的專利數量占比較高,絕大部分專利技術未能進行有效轉化。值得關注的是,國內規模較大的企業如鴻海集團、國家電網、京東方集團、華為技術有限公司(以下簡稱“華為”)等不僅自身在石墨烯領域作了大量的專利布局,其與各大高校及研究機構也具有密切的合作關系。如鴻海集團與清華大學,國家電網與其子公司、清華大學、北京化工大學,華為與浙江大學、中國科學技術大學、上海大學等就石墨烯相關技術已共同申請了較多數量的專利。
         

        中國科學院近幾年在技術轉移方面一直走在國內的前列,比如中國科學院重慶綠色智能技術研究院與重慶墨??萍加邢薰局g,中國科學院寧波材料技術與工程研究所與寧波墨西科技有限公司之間都建立起了長期緊密的合作關系。對石墨烯的產業化起到了積極的推動作用。
         

        3. 石墨烯中國發明專利深度分析
         

        本文對檢索到的40 539件石墨烯中國發明專利進行詳細解讀,將其分為3類:石墨烯原材料及制備相關專利、石墨烯應用技術相關專利、石墨烯終端產品相關專利。如分領域專利申請數量的年度變化趨勢(圖9)所示,近幾年,石墨烯原材料及制備相關專利申請量的增幅逐漸放緩,應用技術相關專利申請量持續增加,終端產品相關專利申請量漲幅明顯。

         

        (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劃分為Top-Down法、Bottom-up法和其他制備方法。其中:
         

        ①Top - Down途徑制備石墨烯主要涉及以石墨為原料通過化學氧化還原、機械剝離、插層剝離等方式制備石墨烯;
         

        ②Bottom-up途徑制備石墨烯一般是在一定條件下使含碳物質分解,形成碳基碎片甚至碳原子,最后形成石墨烯晶格結構。目前使用最廣泛的是將甲烷等含碳氣體在銅、鎳等金屬表面催化形成石墨烯,也有通過在碳化硅(SiC)等晶體表面外延生長石墨烯或含碳有機物在一定條件下形成石墨烯;
         

        ③其他途徑制備石墨烯一般是采用碳納米管、煤炭、有機化合物、生物質等為原料通過熱分解、化學氧化還原等方式形成石墨烯。Top-Down法制備石墨烯相關專利共計3 755件,石墨烯宏觀組裝體構筑及石墨烯膜制備技術,化學氧化還原、液相剝離及機械剝離等制備技術,石墨烯功能及摻雜改性技術是目前在原材料等方面的研究熱點?;贐ottom - up法制備石墨烯的專利共有1 457件,石墨烯薄膜、石墨烯單晶、三維宏觀體的制備,石墨烯的轉移、摻雜、圖案化技術及相關設備是目前在原材料等方面的研究熱點。
         

        (2)石墨烯應用專利分析
         

        石墨烯應用技術專利類型構成如(圖10)所示,石墨烯應用技術方面的專利申請共31 431件,主要集中在儲能、電子器件、水處理、氣體處理、化工、醫療、檢測、航空航天等領域。專利申請數量較高的有化工、儲能、電子器件、水處理。在儲能領域,石墨烯方面的專利申請共7 610件,主要集中在鋰離子電池、超級電容器、燃料電池、太陽能、硫基電池等方面,其中申請量較多的主要有鋰離子電池、超級電容器、燃料電池。在鋰離子電池方面,浙江大學、中國科學院寧波材料技術與工程研究所、韓國LG集團申請了較多相關專利。

         

        從電子器件領域來看,石墨烯方面的專利申請共計5 813件,主要集中在顯示屏&面板、傳感器、集成電路、LED&OLED等領域。其中專利數量占比較多有傳感器、顯示屏&面板、集成電路。專利申請主要集中在企業。其中,國內的京東方科技集團股份有限公司、TCL集團在該領域申請有大量專利,遠遠多于國內其他企業;韓國的三星集團、LG集團在中國也申請了一定數量的相關專利。
         

        石墨烯在水處理方面的專利申請共1 899件,以催化降解和吸附過濾相關的專利占比最高。專利申請人主要集中在高校,其次是中國科學院,此外,美國洛克希德馬丁公司、英國曼徹斯特大學等國外機構在中國也有多項專利申請。
         

        石墨烯在氣體處理方面的專利申請量共計318件,其中以空氣凈化-吸附方面的專利占比最高,高校和企業擁有的專利數量相比較多。在化工領域,石墨烯方面的專利申請共14 669件,其中申請量較多的主要有橡膠塑料、涂料油墨、催化、熱界面材料和纖維。石墨烯應用于纖維領域主要起到導熱、導電、增強增韌、抗菌、抗靜電等作用,高校和企業均申請了大量相關專利,東華大學、圣泉集團、杭州高烯科技有限公司專利數量較多。
         

        (3)石墨烯終端產品專利分析
         

        如石墨烯終端應用產品專利類型構成(圖11)所示,在終端產品領域,石墨烯廣泛應用于儲能、水氣體處理、電子信息設備及系統、健康醫療、化工、機械設備及零部件、生活用品中。其中專利申請量較多的主要有機械設備及零部件、生活用品和電子信息設備及系統。在健康理療領域,石墨烯主要作為發熱體應用于理療護具、日常用品中,通過產生遠紅外光對人體產生理療效果,青島大學和烯旺集團申請的專利數量較多。

         

        三、觀點

        通過以上分析,筆者提出如下觀點:
         

        ①放眼全球,從數量上來看,石墨烯專利目前仍處于高速增長階段,中國是最主要的專利來源國,也是全球石墨烯專利增長的主要貢獻國。
         

        ②近年來,石墨烯領域的技術研發和專利申請熱點主要集中在石墨烯原材料制備,石墨烯在電化學、聚合物等領域的應用,其中與石墨烯原材料制備相關的專利申請的活躍度近幾年開始下降。
         

        ③從中國境內的石墨烯專利所涉及的領域來看,目前國內石墨烯終端產品相關專利申請最為活躍,應用技術相關專利的申請量依舊持續快速增長,石墨烯原材料及制備相關的專利申請量增速放緩。
         

        ④在石墨烯技術領域,中國目前雖然在專利總量上占據優勢,但主要集中在國內申請,國外專利技術布局相對薄弱,近年來雖然也開始重視專利海外申請,但是在區域選擇上缺少整體規劃,專利質量總體偏低,缺乏基礎核心專利。反觀美國、日本、韓國等國家,它們掌握了大量重要專利,在石墨烯領域已經開始加強在中國的專利布局。
         

        ⑤ 從合作申請專利的情況來看,雖然企業擁有的專利數量已超過高校和研究機構,但缺乏高質量專利。高校和研究機構掌握了較多的具有高影響力的專利,依舊是中國石墨烯的研發主體。高校、科研機構與企業之間缺乏深度融合的動力和機制,企業之間由于存在激烈的市場競爭,也難以達成合作共識。多方因素導致研發主體和產業化主體之間,以及產業化主體之間難以建立緊密的合作關系。解決這一問題切實可行的方法是從國家層面上建立產業化轉換平臺,連接研發主體和產業化主體,推動石墨烯研發成果向產業化應用轉化。
         

        四、建議


        石墨烯涉及領域廣泛,各領域的產業化進程各有不同,路徑和模式還不明確,如何基于國內已有技術和人才資源,通過整合全球知識產權,推動石墨烯產業發展,是目前亟需解決的問題。傳統行業,如服裝紡織、建筑建材行業,應該關心專利風險防范與化解,高端產業領域如電子信息、航空航天,要更加關注專利戰略謀劃與布局。
         

        企業應當成為石墨烯領域未來創新的引領者。在政府引領和市場經濟規律調節下,企業應避免在低端產品領域的同質化競爭,通過技術創新由競爭較為激烈的“紅海”轉向“藍海”,在材料制備、應用產品和市場需求反饋之間建立良好的循環機制,形成產業鏈上下游企業的協同聯動和良性互動。企業應利用好科技情報分析,及時調整技術研發方向,把握市場動態,在市場競爭中保持自身競爭力。另一方面,高校、科研機構以及企業之間應加強技術的轉移轉化,解決技術創新鏈條斷裂問題,形成具有良好市場前景的高價值專利組合。

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