2017全球石墨烯技術專利分析

王國華 周旭峰 汪偉 劉兆平

石墨烯作為一種新型的二維納米材料，在電子學、光學、磁學、生物醫(yī)學、催化、儲能和傳感器等諸多領域具有巨大的應用潛能。近年來，圍繞石墨烯的專利申請在全球范圍內呈現(xiàn)出高速增長態(tài)勢。本文基于DII數據庫、寧波市科技文獻檢索服務中心的WIPS Global專利數據庫，利用TDA、Thomson Innovation等分析工具，通過對全球石墨烯相關專利進行統(tǒng)計分析，揭示了全球石墨烯相關專利技術的研發(fā)和競爭態(tài)勢。

一、石墨烯技術專利整體態(tài)勢分析

1.國際專利申請量與及申請布局

圖1給出了石墨烯相關專利數量的年度（基于專利申請年）變化趨勢。從圖1可以看出，石墨烯相關專利的申請在20世紀末就已出現(xiàn)，但隨后發(fā)展較為緩慢。從2010年開始，專利申請數量開始持續(xù)大幅增長，熱度至今不減。

2.石墨烯專利國家/地區(qū)分布分析

圖2對石墨烯技術技專利文獻的最早優(yōu)先權國進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，中國處于技術原創(chuàng)國的首位，其專利受理數量大幅領先于隨后其他各國家/地區(qū)，占據了58%的份額；韓國、美國、日本緊隨其后，也是該項技術的主要技術原創(chuàng)國。但是，韓國、美國和日本等的專利申請數量與中國有較大的差距。

圖3為石墨烯技術主要國家專利技術流向進行的統(tǒng)計分析，可以看出，韓國、美國、日本不僅是石墨烯技術的主要技術原創(chuàng)地，也是主要技術保護地。韓國、美國、日本等既重視本土專利申請，也非常重視海外專利布局，美日韓之間互為重要的專利技術來源國。中國近些年也開始加大專利海外布局的力度，目標申請國主要是美國。

3.美國石墨烯專利重點分析

圖4給出了美國（基于申請年）石墨烯專利申請數量的年度分布情況?？梢钥闯?，雖然美國石墨烯專利的申請與受理始于20世紀90年代初，但是增長一直緩慢，直到2008年后，申請數量開始持續(xù)增長，2012年以后，專利申請數量一直相對較高，近70%的專利申請集中在2013-2016年。

在檢索到的5 734件美國石墨烯專利申請中，有3 650件申請來自美國國內，占63.7%；其余2 084件申請來自美國以外的其他國家/地區(qū)，占36.3%，主要來源于以下國家/地區(qū)：世界知識產權組織（1 522件）、歐洲專利局（以下簡稱“歐專局”）（161件）、德國（115件）、中國（103件）、韓國（79件）、法國（45件）、英國（22件）、日本（22件）、加拿大（8件）等。

在美國比較重要的石墨烯專利申請人主要有威廉馬歇萊思大學、德克薩斯大學、IBM公司、JANG B Z&ZHAMU A&美國納米技術儀器公司、沃爾貝克材料公司等。

（1）威廉馬歇萊思大學因其在碳材料研究領域的深厚積淀，尤其是在富勒烯及碳納米管領域中一系列開創(chuàng)性及持續(xù)性深入的研究工作，其在石墨烯制備、石墨烯功能化以及石墨烯在柔性顯示、傳感器及存儲器等方面的工作都有相關專利布局。

（2）德克薩斯大學的技術分布比較分散，德州大學在石墨烯制備技術尤其是氧化石墨烯制備技術、石墨烯薄膜的化學氣相沉積（CVD）制備技術及其相關機理機制方面具有一系列開創(chuàng)性及持續(xù)深入的研究工作，該校申請專利主要集中在氧化石墨烯的制備、CVD制備石墨烯薄膜/單晶、電化學儲能器件，其在催化劑、生物醫(yī)藥、LED&OLED、防腐涂層等領域也有布局。

（3）IBM公司主要從事石墨烯場效應晶體管（FET）和介電層相關研究，其關于石墨烯的專利申請主要集中在石墨烯在集成電路、晶體管、傳感器、信息存儲、LED&OLED等方面的應用。

（4）JANG B Z&ZHAMU A&美國納米技術儀器公司在應用方面的專利主要集中在儲能、散熱、透明導電薄膜、環(huán)氧樹脂增強復合材料等方面，另外還涉及傳感器、潤滑、氣體分離、導電油墨等方面的應用。

（5）沃爾貝克材料公司的專利申請主要集中在導電油墨、印刷電路、太陽能、增強復合材料、運動裝備等應用領域。

4.石墨烯韓國專利重點分析

圖5給出了韓國（基于申請年）石墨烯專利申請數量的年度分布情況?？梢钥闯觯m然韓國早在2001年就開始申請石墨烯技術相關專利，但是增長一直緩慢，直到2010年后，申請數量開始出現(xiàn)大幅增長，60%以上的專利申請都集中在近3年。

在檢索到的5 401件石墨烯韓國專利申請中，有3 537件申請來自韓國國內，占65.5%；其余1 864件申請來自美國以外的其他國家地區(qū)，占34.5%，主要來源于以下國家/地區(qū)：世界知識產權組織（871件）、歐專局（77件）、德國（45件）、法國（21件）、中國（12件）、日本（12件）、英國（11件）、加拿大（4件）等。

在韓國，比較重要的石墨烯專利申請人主要有三星集團、LG集團、成均館大學等。

（1）三星集團作為全世界持有石墨烯專利數量最多的專利權人，目前已初步形成石墨烯上下游之間的產業(yè)鏈布局。在石墨烯制備領域的專利申請主要集中化學氣相沉積法制備石墨烯薄膜、相關設備和石墨烯品質檢測；應用領域的專利申請主要涉及鋰電池、LED和OLED、觸摸屏、液晶顯示、晶體管、傳感器等方面。

（2）LG集團主要致力于以石墨為原料制備石墨烯材料及其在鋰離子電池、導電油墨、散熱、電纜等領域的應用，同時也涉及CVD制備石墨烯及其顯示器件和LED和OLED中的應用。

（3）成均館大學與企業(yè)之間的合作非常活躍，其中最重要的合作伙伴是三星集團，制備技術主要涉及化學氧化還原法和化學氣相沉積法，應用技術涉及領域非常廣泛，主要集中在顯示裝置、傳感器、晶體管、LED和OLED、儲能等方面。

二、中國專利石墨烯布局

利用寧波市科技文獻檢索服務中心的WIPS Global專利數據庫對石墨烯中國專利進行重新檢索，共檢索到石墨烯中國專利申請18 931件，發(fā)明數量17 306，實用新型1 616件，外觀9件。其中PCT發(fā)明專利737件，數據檢索時間為2017年3月1日。

1.中國專利石墨烯數量年度分布分析

圖6給出了我國公開（基于公開/公告年）的石墨烯專利申請數量的年度分布情況?？梢钥闯?，我國石墨烯專利的申請與受理始于20世紀初，自2008年至今，我國石墨烯專利申請數量一直處于在快速增長。中國政府、科研機構以及相關企業(yè)近年來對石墨烯相關技術一直保持高度的重視，國內石墨烯研發(fā)的高潮持續(xù)不減。

2.中國專利石墨烯申請來源地分析

在檢索到的17 306件中國石墨烯發(fā)明專利申請中，國內申請16 569件（包含中國臺灣地區(qū)73件），占95.7%；其余737件為國外申請，占4.3%，主要來源于以下國家/地區(qū)：美國（1.4%）、日本（0.9%）、韓國（0.9%）等。

3.中國專利石墨烯深度分析

石墨烯按照制備方法主要有2大類：①通過Top-Down途徑制備石墨烯，主要涉及以石墨、碳納米管、煤炭等為原料通過機械剝離[2]、化學氧化剝離[3]、電化學剝離[4]等方式制備石墨烯；②通過Bottom-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。主要包括化學氣象沉積[5]、外延生長[6]、有機合成[7]等。

目前以石墨為原料制備石墨烯的發(fā)明專利技術共有14 564件，主要涉及石墨烯原材料、制備技術、生產工藝及檢測技術和石墨烯應用產品。其中涉及石墨烯原材料、制備技術、生產工藝和檢測技術的發(fā)明專利一共有2 152件，原材料包括粉體-漿料、石墨烯膜、石墨烯纖維、宏觀組裝體、量子點、多孔石墨烯等；制備技術劃分為機械剝離、化學氧化還原、電化學制備技術等；生產工藝劃分為分離-提純-分散、功能改性、檢測、設備等。

石墨烯應用研究方面的專利申請共12 316件（圖7），主要集中在儲能、復合材料、電子信息、水/氣體處理等6大領域，其中申請量較多的主要有儲能（專利申請量2 987件，占總申請量的24.3%）；復合材料（專利申請量6 091件，占總申請量的49.5%）；水/氣體處理（專利申請量1 060件，占總申請量的8.6%）。

化學氣相沉積制備石墨烯領域的相關專利一共有1 973件（圖8），主要涉及石墨烯原材料、制備及檢測技術（660件）、石墨烯改性產品及技術（91件）、石墨烯應用產品（1125件）、石墨烯終端應用產品（97件）。通過該技術途徑得到的石墨烯薄膜具有良好的導電性、透光性和柔韌性，在液晶顯示、觸控、傳感器、激光器、柔性電子器件等領域具有巨大的應用前景。

三、觀點和建議

1.觀點

（1）從全球范圍來看，石墨烯相關技術目前仍處于高速發(fā)展階段，世界各國政府都在大力推動石墨烯的研究和產業(yè)化，石墨烯產業(yè)已經進入開展專利戰(zhàn)略布局的關鍵機遇期。

（2）石墨烯專利技術近年來的研究熱點主要包括石墨烯原材料制備，石墨烯在儲能（電池）、復合材料、熱管理、傳感器、膜分離、透明導電薄膜、觸摸屏、晶體管/集成電路、光纖、通訊、高性能計算機等領域的應用。

（3）目前，我國是石墨烯技術領域專利申請量最多的國家，但多數為本土專利申請，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，但是絕大多數是以美國為目標申請國，專利國際布局缺少整體規(guī)劃，專利質量總體不高，缺乏基礎核心專利；韓國、美國、日本等既重視本土專利申請，也非常重視海外專利布局，3國之間互為重要的專利技術來源國。

（4）從重要專利申請人的國別分布情況來看，專利申請數量不少于60件的共有76個申請人，其中8個來自美國，3個來自日本，16個來自韓國，而來自中國的申請人數量占比最高，多達49個，主要是高校和中科院系統(tǒng)的研究所，企業(yè)僅有5家。

（5）在美國和韓國，其研發(fā)和產業(yè)化主體都以企業(yè)為主，各企業(yè)通過與高?？蒲性核献餮芯繉崿F(xiàn)技術共享，企業(yè)既掌握核心技術，又洞悉市場需求，從而有效推動石墨烯的研發(fā)進程、研發(fā)成果轉化進程和產業(yè)化進程。

（6）從我國區(qū)域來看，石墨烯專利申請有95.7%的數量來自國內，但是，我國專利申請者往往只在國內市場申請保護，在專利布局意識上明顯落后于美韓等國。在我國的石墨烯技術專利申請人中，企業(yè)和個人的專利申請數量高達49.4%，但是申請主體非常分散的，缺少系統(tǒng)的專利布局。

（7）從基于中國境內的石墨烯制備專利來看，目前石墨烯制備技術主要有2個途徑：Top-Down和Bottom-up途徑。

在Top-Down途徑制備石墨烯技術領域：國外申請人的專利主要涉及化學氧化還原法、機械剝離法、插層剝離法、石墨烯分散技術等，雖然總體數量不多，但是申請日絕大多數都在我國申請人之前。從目前來看，國內申請人在石墨烯生產設備以及石墨烯品質檢測方面的專利具有優(yōu)勢。

從應用領域來看，我國在儲能、復合材料、電子信息、水/氣體處理、醫(yī)療健康、傳感器等6大領域都有大量專利申請。在產業(yè)化方面，鋰離子電池、鉛酸電池、導熱材料、散熱膜、發(fā)熱膜等領域企業(yè)參與度較高，但是以中小企業(yè)為主。除此之外，絕大多數技術仍掌握在高校和研究機構手中，技術轉移轉化的效率非常低。而國外的申請人則以企業(yè)為主，關注的主要是石墨烯在鋰電池、燃料電池、散熱材料、透明導電薄膜、生物化學傳感器、導電材料、聚合物增強材料、海水淡化、DNA基因檢測、晶體管、場發(fā)射器件等領域的應用。

在Bottom-up途徑制備石墨烯技術領域，我國企業(yè)參與較多，在石墨烯薄膜制備、轉移、設備、檢測等領域都具有數量上的優(yōu)勢，國外申請人的專利主要集中在石墨烯薄膜制備和轉移方面，涉及少量石墨烯薄膜檢測專利，并且申請時間相對較早。從應用領域來看，國外的企業(yè)主要關注的是氣體分離、集成電路、LED&OLED、傳感器等高端應用技術領域；我國的中小企業(yè)主要關注的是觸摸屏、加熱膜、遠紅外理療產品等領域；我國的大企業(yè)如華為公司有機太陽能電池、光調制器領域，中芯國際在晶體管、半導體器件領域；京東方集團在傳感器、顯示裝置、有機電致發(fā)光器件、晶體管等石墨烯高端應用技術領域已經展開布局。

2.建議

從全球和我國專利分析以及目前石墨烯產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，各國的石墨烯產業(yè)起步時間相當但我國推進速度很快，主要得益于資本的推動和政府的頂層布局。但中國系統(tǒng)性的基礎研發(fā)不足，缺乏后勁。應用領域的專利申請多數集中在中低端產品的應用上，缺乏針對高端應用的專利申請和布局。

當前國內對石墨烯材料的應用，主要集中在2大領域：一類是將石墨烯作為添加劑應用在已有產品中，用以改良和提升產品性能，比如添加石墨烯散熱涂層的LED燈、石墨烯暖墻、石墨烯地板、石墨烯防腐涂料、石墨烯內暖纖維制成的服裝、石墨烯防靜電輪胎、加熱片、石墨烯動力電池等產品；另一類是將石墨烯薄膜用于加熱膜、智能手環(huán)、觸摸屏、遠紅外理療產品等。

目前我國在上述領域的商業(yè)化應用已經取得了很好的成績。但是創(chuàng)新主體多為中小企業(yè)，高?？蒲性核膶＠夹g轉移轉化程度很低，導致國內石墨烯相關專利布局較為松散，為此，我國企業(yè)一方面要立足本土市場，積極組建產學研之間的專利聯(lián)盟，整合上下游資源，建立石墨烯全產業(yè)鏈的知識產權保護體系，避免國內企業(yè)之間專利糾紛，抵御國外專利技術威脅，保護國內石墨烯產業(yè)；另一方面也要瞄準海外市場，加強全球專利布局，積極參與國際競爭，助力中國石墨烯產品走向世界。

在傳感器、晶體管、集成電路等石墨烯高端應用技術領域需要大量資金投入，而且風險很高，美日韓等發(fā)達國家的大企業(yè)都已經開始提前進行專利布局，為未來石墨烯高端應用技術跑馬圈地。反觀我國，不管是高?？蒲性核€是大企業(yè)在石墨烯高端應用領域的關注都遠遠不夠。如果不改變當前情況，石墨烯產業(yè)在高端應用技術領域將會面臨被國外大型跨國公司壟斷的局面。因此需要國家從戰(zhàn)略層面高度重視，設立石墨烯專項產業(yè)扶持基金，鼓勵國內大企業(yè)與高校/科研院所之間建立長期深入的合作關系，著眼于石墨烯技術未來的國際競爭制高點，積極開展能夠引領未來市場的高端核心技術研究，提前進行技術儲備和專利戰(zhàn)略布局。

目前石墨烯產業(yè)已經到了開展專利布局的關鍵戰(zhàn)略機遇期，需要從國家層面統(tǒng)籌規(guī)劃。一方面積極引導和扶持石墨烯產業(yè)發(fā)展，推動石墨烯材料示范應用，構建石墨烯應用產業(yè)鏈，整體進行專利技術布局，同時加強石墨烯標準體系建設，保障我國石墨烯產業(yè)的健康有序發(fā)展；另一方面，加強石墨烯技術的國際知識產權研究，為我國石墨烯產業(yè)界制定國際專利布局策略提供參考，同時積極參與石墨烯國際標準研究和制定，為我國石墨烯材料產業(yè)界參與國際競爭提供支持。

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