・ 108・ 材料导报A:综述篇 2013年8月(上)第27卷第8期 基于专利分析的石墨烯技术创新趋势研究 沙建超,赵蕴华,罗 勇,郑佳 (中国科学技术信息研究所,北京100038) 摘要 石墨烯作为一种新型纳米材料已成为物理学、材料科学和化学领域的研究热点,相关专利的申请数量 增长迅速。通过对德温特专利数据库收录的石墨烯相关发明专利数据进行深度标引,分析了全球石墨烯相关技术的 研发热点及发展态势,为我国石墨烯相关领域的技术创新和决策提供了参考。 关键词 石墨烯研发热点发展趋势专利分析 文献标识码:A 中图分类号:TB321;G353.1 Study on the Trends of Global Graphene Tech—innovation Based on Patent Analysis SHA Jianchao,ZHAO Yunhua,LUO Yong,ZHENG Jia (Institute of Scientific and Technical Information of China,Beijing 100038) Abstract As a promising breakthrough of nanomaterial,graphene has been a R&D hotspot in the field of physics,material science and chemistry.Its global patent application increased fast in recent years.Based on patents data collected by Derwent Innovation Index database,this paper figures out the development status and trends of gra— phene technology,through the analysis of deeply processed patent data,the result will provide reference for the tech— nology innovation and strategic development of the graphene technology in China. Key w0rds graphene,developmental focus,development trend,patent analysis 0 引言 石墨烯(Graphene)是由碳六元环组成的二维周期蜂窝 状点阵结构[1],这个曾被认为不能稳定存在的二维晶体,在 2004年由英国曼彻斯特大学两位科学家成功分离,并迅速成 为物理学、材料科学和化学领域的研究热点之一[2 ]。研究 特信息源,能反映最新的科技发明、创造和设计,其所包含的 科技信息中有8O 未被其他媒体公开[11],是重要的科技情 报信息源。通过对专利文献的深入分析,可以对特定技术领 域发展做出趋势预测、对竞争对手做跟踪研究等,从而产生 指导国家、行业、企业生产、经营决策的重要情报[121。本文将 通过分析全球石墨烯相关专利申请,揭示最新石墨烯相关技 术创新现状与发展趋势,从而为我国、科研机构与企业 发现,石墨烯是世界上现存厚度最薄、强度最大、硬度最高的 材料,而且具有非常好的导热和导电性能 ],在电子、信息、 新能源和生物等领域发展潜力巨大 ]。由于其优异的性 能,石墨烯的产业化也成为全球主要国家竞争的重点领域, 制定科技发展计划、开展相关技术研发等提供决策支持与事 实依据。 美、欧盟、日、韩等国家或地区纷纷制定了促进石墨烯产业化 应用的研发计划l7]。 我国在石墨烯技术领域起步较晚,但发展很快,在论文 发表和专利申请方面均有突出表现[8 ]。当前,石墨烯已被 1 数据来源与分析方法 本文数据来源于美国科学情报研究所(ISI)出版的“Der— went Innovation Index”(DII)数据库,用主题检索方法,并保 存跟踪,2013年3月,共获得石墨烯技术相关专利家族2548 列为我国现行产业调整指导目录的鼓励类产品,属战略性新 兴产业一新能源汽车的关键材料,同时也是《国家知识产 权战略纲要》中要求超前部署的新材料。虽然石墨烯的应用 潜力巨大,但石墨烯要想取代已有材料还有很多的技术难题 件,对专利家族数据进行拆分标引,采用TDA、EXCEI 等分 析工具对专利标题、摘要、国家、申请人、申请日、专利分类号 等必要字段进行深度加工与统计分析。由于专利申请到专 利公开有一定的延迟,所以2011年之后的数据仅供参考。 需要解决,未来一段时间如何综合有效信息做好石墨烯的发 展规划,将对推动我国石墨烯技术取得竞争优势起到非常重 要的作用lL1 。 2石墨烯技术相关专利申请趋势分析 2.1 专利家族申请量与专利申请量逐年变化情况 专利家族是申请人针对同一个发明创造在不同国家或 专利信息与情报是集技术、商业和法律信息于一体的独 *公益性科研院所基本科研业务费专项资金(ZD2012—4—2) 沙建超:1987年生,硕士生,研究方向为科技与科技情报员,研究方向为信息咨询与信息资源 E-mail:shaic2011@istic.ac.CU赵蕴华:女,1967年生,哥l研究馆 基于专利分析的石墨烯技术创新趋势研究/沙建超等 国际专利组织多次申请、多次公布或批准的内容相同或基本 相同的一组专利文献口 ,专利家族数量可以反映技术创新的 活跃度,专利申请是指专利家族中的每一件申请,可以反映 技术领域的竞争态势n 。由图1专利家族和专利申请量逐 年变化曲线可知,全球石墨烯相关专利家族申请在2006年 以后出现迅速增长,当前,年申请量已经接近千件,反映出石 墨烯技术创新正处于一个比较活跃的阶段。从专利申请量 看,专利家族数量与专利申请量之间差距不大,说明多数申 请人更注重技术创新,并没有对已有的发明创造进行广泛布 局,这也是由于石墨烯技术刚刚兴起,正处于研发期,并没 有强烈的市场竞争。“石墨烯研究取得新进展”在2009年 被Science列为全球1O大科技进展之一l】 ,首次成功分离 石墨烯的科学家在2010年获得诺贝尔物理学奖,使石墨烯 迅速成为全球关注的焦点,全球主要国家也纷纷投入大量 研发力量,如欧盟“未来新兴旗舰技术项目”_】 。因此,尽管 2011年数据并没有全部公开,但从发展趋势可以看出,未来 一段时间石墨烯相关技术的创新发明会继续保持较高的增 长水平。 芒 啦8 O∞∞加∞∞∞∞加 O 0 馋 ‘岳 l999 2001 2003 2005 2007 2009 201 1 优先权年 图l专利家族和专利申请量逐年变化情况 Fig..1 Annual quantity changes of patent applicant 2.2主要国家申请和受理情况分析 图2是全球专利申请量超过100件的国家的专利申请 和受理情况,由于WIPO(世界知识产权组织)和欧盟知识产 权组织是各国进行国际申请的重要途径,所以也对其进行统 计。从专利家族数量看,中国是受理专利家族申请最多的国 家,进一步分析发现中国受理的申请主要为本国申请,说明 中国在石墨烯技术领域研发比较活跃,美国和韩国也是该领 域研发比较活跃的地区。从各国专利申请量看,美国申请量 最高达1421件,说明美国申请人在石墨烯技术布局中更倾 向于对同一个技术发明申请多件专利保护,其国外申请主要 集中在世界知识产权组织、欧盟和中国,中国是唯一申请量 低于受理量的国家,说明中国专利家族中的专利申请较少, 不同的专利申请更倾向于保护不同的技术,韩国和日本的国 外申请量较高,主要集中在美国。世界知识产权组织是各国 进行国际申请的重要途径,从其受理申请达651件看,各国 已经展开了一定的国际竞争,未来一段时间国际竞争会变得 更加激烈。各国专利申请在不同国家的分布见表1(单位: 件),美国是技术竞争最为激烈的地区,尤其是韩国和日本都 在美国进行了大量的专利申请,同时美国也是对外进行技术 布局最多的国家,所以美国的发展值得关注,中国申请人的 国外申请相对较少。 ・ 109 ・ 表1主要国家专利申请国或地区分布情况 Table 1 Patent appl㈣伽瑚咖啪㈣枷瑚。 ication distribution of the top countries 芒 咖{ 糕 0 O 0 0 O 美国中国韩国WIPO日本欧盟德国英国 图2主要国家专利申请和受理情况 Fig.2 Countrise or organizations that receiving patent application and the patent application quantity 2.3各主要国家逐年申请情况 从主要国家逐年申请情况(图3)可知,美国和日本是在 石墨烯技术领域进行技术布局最早的国家,从2004年石墨 烯被首次成功分离以后,美国石墨烯相关专利的申请就出现 了明显增长,中国和韩国对该领域的专利申请起步较晚,但 是,目前中国对石墨烯技术领域的研发表现出极高的活跃 度,为该领域年专利申请量最高的国家,韩国也已经超过美 国排在第二位,预计未来一段时间石墨烯技术领域的专利申 请将主要集中在中国、韩国和美国。 600 500 删400 t ̄300 .旺200 100 0 1999 2001 2003 2005 2007 2009 201 1 优先权年 图3各主要国家逐年申请情况 Fig.3 Annual quantity changes of the top countries or organizations 2.4全球申请人和发明人数量逐年变化情况 专利权人数量变化可以反映市场竞争的发展变化,从图 4可以看出,全球涉足石墨烯技术领域的专利申请人在2007 年以后出现明显增长,但是目前增长并不明显,说明该领域 技术还处于研发阶段,近几年内申请人数量并不会出现大的 0 ・ 110 ・ 材料导报A:综述篇 会进一步增加。 2013年8月(上)第27卷第8期 波动。发明人方面,发明人数量变化是反映研发投人情况的 重要指标,从数量变化来看,发明人数量增长迅速,表明全球 表2 IPC技术分类排名前10 Table 2 Top 10 patent IPC subclasses 在该技术领域的投入正迅速增长,这也正是全球申请量迅速 增长的原因。由于研发资源正大量流人,预计未来一段时间 石墨烯技术领域会有更多突破,产业化应用也会有较快的发 展。另外,石墨烯技术领域进行研发的申请人正在加大研发 投入力度,预计未来少数申请人会掌握更多的核心技术。 皿删2 1 < 1999 2001 2003 2005 2007 2009 20l 1 优先权年 图4全球申请人和发明人逐年变化情况 Fig,.4 Annual quantity changes of patent applicant and inventors rel ̄edto graphenetechnology 2.5专利申请相关技术领域分析 IPC国际专利分类体系是世界通用的分类方法,它按照 专利文献的技术主题对专利进行分类,其中IPC小类是对专 利相关技术领域的细分,通过IPC小类可以深入了解相关专 利的技术信息_】 。由表2可知,石墨烯的研究主要集中在石 墨烯的制备;石墨烯在半导体、电池电极及其他电子器件制 造中的应用;石墨烯基纳米材料及其复合材料的制备和应 用。在石墨烯制备方法方面,尤以化学气相沉积方法相关专 利的申请最多,此种制备方法是近年来发展起来的制备石墨 烯薄膜的新方法[1 ,具有产量高,生长面积大等优点。当前, 批量化地制备结构、厚度和尺寸可控的高质量石墨烯仍然是 石墨烯研发的主要方向之一_l 。在应用方面,石墨烯的研发 主要集中在H01L(半导体器件;电固体器件)、HO1M(碳电 极)、HOIB(主要由碳硅化合物、碳或硅组成的导电材料)3个 技术方向,石墨烯具有特殊的电学、光学和力学性能,在微电 芒 删 辍 幕 子领域被认为具有广阔的发展潜力,目前全球主要微电子企 业如三星、IBM和英特尔等都在该领域进行了大量专利申 请[2 。另外,也有较多申请与B82Y(纳米结构的分析、处理) 和B82B(通过操纵单个原子、分子或作为孤立单元的极少量 l999 200l 2003 2005 2007 2009 20¨ 优先年 原子或分子的集合而形成的纳米结构)相关,这两个方向主 要是微纳处理技术。 图5专利申请所在IPC小类前10的逐年变化情况 Fig.5 Annual changes of patent application 2.6全球专利申请所在IPC小类的逐年变化情况 从专利申请所在IPC小类排名前1O的逐年变化情况 (图5)可以看出,早期石墨烯相关专利申请主要集中在石墨 烯制备技术,当前全球石墨烯技术研发正逐渐从相关制备技 术向电子器件制造应用方向转变。尽管,石墨烯制备技术相 quantity(IPC subclass) 2.7主要国家专利申请相关技术领域比较分析 从各国专利的技术领域分布(表3,单位:件)看,美国是 石墨烯技术研发领域发展最全面的国家,与其他国家相比, 其各技术领域的专利申请量都表现出较高水平,当前美国的 石墨烯技术研发主要集中在HOIL(半导体器件;电固体器 件),另外韩国在该技术领域也有较强的表现。中国专利申 关专利申请量最多,但其增长速度正在放缓,相反H01L(半 导体器件;电固体器件)和B82Y(纳米结构的特定用途或应 用;纳米结构的测量或分析;纳米结构的制造或处理)等技术 方向的研发正变得更加活跃。预计未来一段时间,石墨烯制 备技术相关专利申请会进一步减少,石墨烯应用方面的研发 请相关的技术主要是石墨烯制备,在H01M(石墨烯电极)领 域表现突出,在H01L技术领域与美国和韩国差距较大,日 本在各领域的专利申请与中国的相似。 基于专利分析的石墨烯技术创新趋势研究/沙建超等 ・ 11l ・ 表3各主要国家专利申请在IPC技术分类排名前10的分布 Table 3 Patent application distrihution of the top countries in top 10 IPC subclasses 美国 93 48 58 53 中国 65 28 48 61 韩国 7 7 8 2 粼 ∞ 匏 49 124 74 47 日本 65 37 39 43 德国 23 3 15 11 英国 8 4 4 3 m , 2 2 3 6 法国 6 6 8 2 2.8全球申请人获得授权专利量排名前1O 盯 4 可以发现,全球石墨烯技术相关研发工作正处于快速发展 在全球石墨烯技术专利申请人获得授权专利量排名前 期,研发投入和专利申请数量增长迅速,我国在该领域的申 10中(表4,单位:件),有6个为亚洲申请人,排在第一位的 请量全球第一,且遥遥领先于其他国家,但我国申请人的国 是日本科立思(DSI),获得的授权申请为32件,印 加8 该公司设有 外专利申请较少;石墨烯技术研发主要集中在石墨烯制备和 纳米技术事业部,该部门主要业务就是纳米碳的研究,其前 电子固体器件的制造,中国在石墨烯制备技术和石墨烯电极 期在碳纳米管先端应用方面进行了大量的研发,目前在石墨 制造方面研发活跃,但是在石墨烯半导体和其他固体器件等 烯电池电极和复合材料方面比较活跃。韩国科技研究院和 融 4 方面的应用研发相对较少。 韩国三星集团研发比较活跃,韩国三星是该领域专利申请最 石墨烯是一种具有广阔市场前景的材料,目前正处于快 多的企业,2013年初,三星与成均馆大学合作开发出价格更 ∞ 2 速发展阶段。在专利对比分析中,我国在该技术领域的相关 低的石墨烯薄膜显示屏,之前还成功制得柔性透明触摸屏, 研发中展现出了一定的优势,同时也有一些需要注意的地 韩国科技研究院是韩国纳米技术领先的研究机构,而且三星 方,对此提出以下几点建议: 和韩国科技研究院都在碳纳米管技术领域表现突出。美国 (1)继续加大鼓励创新力度。随着研发的深入和市场竞 申请人中IBM申请量全球排名第二,IBM是美国申请量最 争的加剧,我国未来要想维持高速增长,需要加大鼓励创新, 高的企业,IBM以技术创新为主导,在石墨烯薄膜晶体管、芯 在重点领域投入更多的研发资源。 片开发、电池电极等方面都有广泛的研究。我国获得授权量 (2)保持现有技术领域的研发优势,拓展石墨烯相关技 较高的主要为高校,北京大学、天津大学和上海交通大学进 术的研发范围。当前,全球申请趋势已经向石墨烯相关电子 入前10名,其中天津大学和上海交通大学的专利申请主要 固体器件的开发倾斜,因此,我国研发活动要加强产品开发 集中在石墨烯制备,北京大学申请的专利主要集中在电子固 方面的工作。 体器件的开发方面。 (3)鼓励企业加大研发投人力度,发挥企业在技术创新 表4全球授权专利申请人排名前1O 中的积极作用。本研究在对全球申请人排名和各国主要权 Table 4 Global top 10 patent assignees 人分析中发现,中国表现突出的申请人主要为高校。而技术 拼 #NOON). 国家 要想转化成产品就必须经过企业,所以我国应鼓励企业与高 校或科研机构的合作,积极推进产学研相结合,加快我国石 墨烯技术的产业化进程。 总之,石墨烯是一种国际广泛认可的重要材料,在过去 几年中我国已经在该领域取得了一定的成果,未来要继续加 大投入力度,扩展研发范围,力争在这个新材料所带来的全 球市场中取得竞争优势。 参考文献 1 Geim A K,Novoselov K S.The rise of graphene[J].Nat Mater,2007,6(3):183 2 Barth A,Marx W.Graphene--A rising star in view of scien- tometrics[J/OL].http://arXiv:0808.3320v3,2008 3 Etxebarria G,Gomez U M,Barrutia J.Tendencies in scien— 3结语 tific output on carbon nanotubes and grapheme in global cen— 通过分析全球和主要国家申请的石墨烯技术相关专利 ters of excellence for nanotechnology EJ].Scientometrics, ・ 112 ・ 2Ol2,91(1):253 材料导报A:综述篇 2013年8月(上)第27卷第8期 情报开发与经济,2007,17(4):107 13 Catalina Martinez.Patent families:When do different defi— 4 Alien M J,Tung V C,Kaner R B.Honeycomb carbon:a re- view of 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