2018年全球石墨烯技术专利分析

时间:2019-04-17 08:44   点击:

      石墨烯优异的结构特征赋予其良好的电学、热学、光学、力学等特性,使其在化工、储能、电子器件、生物医药、航空航天等领域具有广泛的应用潜能。近年来,与石墨烯相关的专利数量快速增长。

兴发网页登录187        本文以专利文献为切入点,采用汤森路透集团的德温特创新索引(DII)专利数据库和北京合享智慧科技有限公司的Incopat专利数据库,数据检索时间分别截至年8月29日和2018年6月30日,使用TDA、Thomson Innovation和Excel等分析工具,围绕石墨烯相关技术进行详细解读、总结和分析,以研究石墨烯技术的发展情况,为高校、科研机构及企业的技术研发指引方向。

      一、石墨烯技术整体专利态势分析

      1. 石墨烯全球专利申请情况

       通过DII专利数据库进行检索,共检索到石墨烯相关专利(族)51 054件。从全球石墨烯专利申请数量的年度分布(图1)可以看出,早在20世纪末就已经出现了石墨烯相关专利,但随后十几年间专利数量增长速度一直十分缓慢。2010年至今,石墨烯相关专利申请数量持续大幅增长,热度至今不减。

图1 石墨烯专利申请数量的年度分布

 

      2. 技术来源国家/ 地区分布

      同一专利族中作为最早优先权基础的专利代表了该项技术的起源,对这类专利的申请国家/地区进行分析可以了解专利技术的原创来源。由石墨烯技术专利最早优先国家/地区分布(图2)可知,在所有技术原创国中,来源于中国的专利占比达到66.57%,大幅领先于其他各国家/地区;其次是韩国、美国、日本,也是石墨烯技术的重要技术原创国。

图2 石墨烯技术专利最早优先国家/ 地区分布

 

      3. 技术流向分析

兴发网页登录187       通过对专利申请地域构成的分析,可以了解石墨烯相关专利在不同区域的战略布局,也可以掌握专利技术的输入输出情况。图3和图4分别展示了石墨烯技术主要国家专利技术流向和各国在中国申请的专利占本国专利比例,对中国、韩国、美国、日本4个技术原创国之间的技术流动进行分析后可知,中国专利体量大,但国外专利技术布局相对少,以美国为主要技术流向国,美国、日本、韩国近2年不断加强在中国的专利申请。

 

图3 石墨烯技术主要国家专利技术流向

 

图4 各国在中国申请的专利占本国专利比例

 

      4. 石墨烯美国专利重点分析

兴发网页登录187       在检索到的51 054件专利(族)中,申请了美国专利的有7 652件,约占15%。由美国专利及商标局(USPTO)受理的石墨烯专利数量的年度变化趋势(图5)可以看出,美国石墨烯专利的申请与受理最早出现在20世纪90年代初,但是专利技术发展比较缓慢,直到2008年以后开始出现快速增长局面,2012年以后每年的专利申请数量始终保持在较高水平,2015年专利申请量达到最高点。

图5 USPTO 受理的石墨烯专利数量的年度变化趋势

 

      通过对美国石墨烯专利申请量居前25位的技术领域及其申请情况的分析可知,美国在石墨烯应用于电子信息领域方面的专利数量居多,具体包括电极、半导体纳米材料、数据存储单元&计算机、显示器件、晶体管等细分领域,主要申请人有三星集团、IBM公司、东芝株式会社、鸿海精密工业股份有限公司、台湾积体电路制造股份有限公司,以及本土申请人格罗方德半导体股份有限公司、闪迪公司等。

      IBM公司在全球共申请298件石墨烯技术相关专利,其中在中国共申请了52件,在制备领域的专利申请主要集中在薄膜转移、图案化生长、掺杂改性等方面;应用领域的专利申请主要集中在电子信息领域。美国纳米技术仪器公司主要业务领域为储能领域,其中石墨烯基超级电容器是其核心业务之一。JANG BZ、ZHAMU A均为美国纳米技术仪器公司的重要发明人,同时也是该公司的联合创始人。3位申请人共申请235件石墨烯技术相关专利,以美国专利申请为主。申请人持有的涉及增强复合材料、锂离子电池阳极、超级电容器的3件专利被引次数远高于其他专利,具有较大影响力。

      5. 石墨烯韩国专利重点分析

      在检索到的51 054件专利(族)中,申请了韩国专利的有7 015件,约占13.7%。由韩国受理的石墨烯专利数量的年度变化趋势(图6)可以看出,韩国石墨烯相关专利从2010年后申请数量开始出现相对较大幅度的增长,2013-2017年5年中,除2016年专利申请量徒增达到历年最高值以外,其他年份专利数量均趋于平稳。三星集团、LEEYT、延世大学、成均馆大学、韩国科学技术研究院、LG集团和韩国先进技术研究院是在韩国申请石墨烯相关专利数量位列前7的申请人,它们所申请的专利数量占据韩国石墨烯相关专利总量的42%,是韩国石墨烯专利的主要贡献者。三星集团是韩国最大的企业集团,与旗下的三星电子、三星SDI、三星LED、三星康宁等众多子公司共同申请了大量专利,同时与成均馆大学、汉阳大学、博世集团、IBM公司等机构有密切的合作关系。三星集团目前在全球共申请752件石墨烯技术相关专利,其中化学气相沉积法制备石墨烯薄膜的专利引用次数最高,影响力最大。

图6 韩国受理的石墨烯专利数量的年度变化趋势

 

      LG集团是仅次于三星集团之后的韩国第2大集团,事业覆盖化学能源、电子电器、通讯与服务等领域。LG集团在全球共申请409件石墨烯技术相关专利。从各技术分支专利申请的布局情况来看,LG集团专利申请领域广泛,在石墨烯制备领域的专利申请主要集中于化学气相沉积法、氧化还原法、插层剥离法等方面,应用领域的专利申请涉及储能、电子器件、水处理、空气处理、化工。

      6. 石墨烯欧洲专利重点分析

兴发网页登录187       在检索到的51 054件专利(族)中,在欧洲专利局申请专利的有2 368件,约占4.6%。由欧洲专利局受理的石墨烯专利数量的年度变化趋势(图7)可知,石墨烯技术相关专利早在2001年就开始在欧洲地区出现,但是增长速度十分缓慢,直到2010年后,申请数量开始出现大幅增长,2016年时专利申请量达到最高点。欧洲专利局受理的石墨烯相关专利涉及的领域主要包括石墨烯制备、电化学储能、聚合物填料等方面,也有少量电子信息领域专利,主要集中在数据存储单元&计算机、电极等方面。石墨烯制备技术相关专利主要来源于巴斯夫集团、曼彻斯特大学、三星集团、法国国家科学研究中心和马克斯·普朗克学会等机构。在电化学储能领域,LG集团和三星集团是主要专利申请人。

图7 欧洲专利局受理的石墨烯专利数量的年度变化趋势

 

兴发网页登录187       2013年,诺基亚公司加入欧洲石墨烯旗舰计划,并获得来自欧盟的13.5亿美元的资助,用以支持其在未来10年内开展围绕石墨烯应用的相关研究。诺基亚公司在全球共申请84件石墨烯技术相关专利,其中在中国申请有50件,主要集中在电子信息和储能领域,具体涉及传感器、光电探测器、压电谐振器等电子器件,以及锂离子电池、电容器等储能器件。

      曼彻斯特大学在石墨烯研究领域建有3所研发创新中心,包括曼彻斯特国家石墨烯研究所、石墨烯工程创新中心、亨利罗伊斯高等材料研究所(在建)。目前,曼彻斯特大学在全球共申请58件石墨烯技术相关专利,在中国共申请22件,所属领域较为广泛,涵盖储能、电子信息、水处理、医药、化工等领域。

      二、石墨烯中国专利深度分析

      1. 石墨烯中国专利申请趋势及来源地分析

兴发网页登录187       考虑到专利申请的语言问题以及数据收录的及时性等问题,利用incopat专利数据库对在中国申请的石墨烯专利进行了重新检索。截至2018年6月30日(基于公开/公告日),共检索到石墨烯专利46 076件。其中发明专利40 539件,实用新型专利5 479件,外观专利58件。由我国受理的石墨烯专利数量的年度变化趋势(图8)可以看出,在我国,石墨烯专利的申请始于2003年,随后一直呈现持续增长的趋势。由我国本土申请的石墨烯专利始于2006年,并自2010年开始,我国石墨烯专利的申请呈现爆炸式增长。

图8 我国受理的石墨烯专利数量的年度变化趋势

 

兴发网页登录187       在检索到的46 076件由我国受理的石墨烯专利中,国内申请43 586件,占比94.6%;国外申请2 490件,占比5.4%,主要来源于美国、韩国、日本和德国。随着我国本土石墨烯技术的持续发展,我国本土石墨烯专利申请数量已处于绝对优势。

      2. 重要申请人及合作关系分析

      在我国石墨烯技术的研发中,企业申请专利的总量已超过其他各类申请人,专利申请量占比高达48.0%,这表明石墨烯技术的产业化发展正逐渐深入。国内的高校和研究机构在石墨烯领域中产出丰富,但其单独申请的专利数量占比较高,绝大部分专利技术未能进行有效转化。值得关注的是,国内规模较大的企业如鸿海集团、国家电网、京东方集团、华为技术有限公司(以下简称“华为”)等不仅自身在石墨烯领域作了大量的专利布局,其与各大高校及研究机构也具有密切的合作关系。如鸿海集团与清华大学,国家电网与其子公司、清华大学、北京化工大学,华为与浙江大学、中国科学技术大学、上海大学等就石墨烯相关技术已共同申请了较多数量的专利。

      中国科学院近几年在技术转移方面一直走在国内的前列,比如中国科学院重庆绿色智能技术研究院与重庆墨希科技有限公司之间,中国科学院宁波材料技术与工程研究所与宁波墨西科技有限公司之间都建立起了长期紧密的合作关系。对石墨烯的产业化起到了积极的推动作用。

      3. 石墨烯中国发明专利深度分析

      本文对检索到的40 539件石墨烯中国发明专利进行详细解读,将其分为3类:石墨烯原材料及制备相关专利、石墨烯应用技术相关专利、石墨烯终端产品相关专利。如分领域专利申请数量的年度变化趋势(图9)所示,近几年,石墨烯原材料及制备相关专利申请量的增幅逐渐放缓,应用技术相关专利申请量持续增加,终端产品相关专利申请量涨幅明显。

图9 分领域专利申请数量的年度变化趋势

 

      (1)石墨烯原材料、制备技术、生产工艺及检测技术专利分析石墨烯的制备方法可划分为Top-Down法、Bottom-up法和其他制备方法。其中:

兴发网页登录187       ①Top - Down途径制备石墨烯主要涉及以石墨为原料通过化学氧化还原、机械剥离、插层剥离等方式制备石墨烯;

      ②Bottom-up途径制备石墨烯一般是在一定条件下使含碳物质分解,形成碳基碎片甚至碳原子,最后形成石墨烯晶格结构。目前使用最广泛的是将甲烷等含碳气体在铜、镍等金属表面催化形成石墨烯,也有通过在碳化硅(SiC)等晶体表面外延生长石墨烯或含碳有机物在一定条件下形成石墨烯;

兴发网页登录187       ③其他途径制备石墨烯一般是采用碳纳米管、煤炭、有机化合物、生物质等为原料通过热分解、化学氧化还原等方式形成石墨烯。Top-Down法制备石墨烯相关专利共计3 755件,石墨烯宏观组装体构筑及石墨烯膜制备技术,化学氧化还原、液相剥离及机械剥离等制备技术,石墨烯功能及掺杂改性技术是目前在原材料等方面的研究热点。基于Bottom - up法制备石墨烯的专利共有1 457件,石墨烯薄膜、石墨烯单晶、三维宏观体的制备,石墨烯的转移、掺杂、图案化技术及相关设备是目前在原材料等方面的研究热点。

      (2)石墨烯应用专利分析

      石墨烯应用技术专利类型构成兴发网页登录187(图10)所示,石墨烯应用技术方面的专利申请共31 431件,主要集中在储能、电子器件、水处理、气体处理、化工、医疗、检测、航空航天等领域。专利申请数量较高的有化工、储能、电子器件、水处理。在储能领域,石墨烯方面的专利申请共7 610件,主要集中在锂离子电池、超级电容器、燃料电池、太阳能、硫基电池等方面,其中申请量较多的主要有锂离子电池、超级电容器、燃料电池。在锂离子电池方面,浙江大学、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、韩国LG集团申请了较多相关专利。

图10 石墨烯应用技术专利类型构成

 

兴发网页登录187       从电子器件领域来看,石墨烯方面的专利申请共计5 813件,主要集中在显示屏&面板、传感器、集成电路、LED&OLED等领域。其中专利数量占比较多有传感器、显示屏&面板、集成电路。专利申请主要集中在企业。其中,国内的京东方科技集团股份有限公司、TCL集团在该领域申请有大量专利,远远多于国内其他企业;韩国的三星集团、LG集团在中国也申请了一定数量的相关专利。

      石墨烯在水处理方面的专利申请共1 899件,以催化降解和吸附过滤相关的专利占比最高。专利申请人主要集中在高校,其次是中国科学院,此外,美国洛克希德马丁公司、英国曼彻斯特大学等国外机构在中国也有多项专利申请。

      石墨烯在气体处理方面的专利申请量共计318件,其中以空气净化-吸附方面的专利占比最高,高校和企业拥有的专利数量相比较多。在化工领域,石墨烯方面的专利申请共14 669件,其中申请量较多的主要有橡胶塑料、涂料油墨、催化、热界面材料和纤维。石墨烯应用于纤维领域主要起到导热、导电、增强增韧、抗菌、抗静电等作用,高校和企业均申请了大量相关专利,东华大学、圣泉集团、杭州高烯科技有限公司专利数量较多。

      (3)石墨烯终端产品专利分析

      如石墨烯终端应用产品专利类型构成(图11)所示,在终端产品领域,石墨烯广泛应用于储能、水气体处理、电子信息设备及系统、健康医疗、化工、机械设备及零部件、生活用品中。其中专利申请量较多的主要有机械设备及零部件、生活用品和电子信息设备及系统。在健康理疗领域,石墨烯主要作为发热体应用于理疗护具、日常用品中,通过产生远红外光对人体产生理疗效果,青岛大学和烯旺集团申请的专利数量较多。

图11 石墨烯终端应用产品专利类型构成

 

      三、观点

兴发网页登录187       通过以上分析,笔者提出如下观点:

      ①放眼全球,从数量上来看,石墨烯专利目前仍处于高速增长阶段,中国是最主要的专利来源国,也是全球石墨烯专利增长的主要贡献国。

      ②近年来,石墨烯领域的技术研发和专利申请热点主要集中在石墨烯原材料制备,石墨烯在电化学、聚合物等领域的应用,其中与石墨烯原材料制备相关的专利申请的活跃度近几年开始下降。

      ③从中国境内的石墨烯专利所涉及的领域来看,目前国内石墨烯终端产品相关专利申请最为活跃,应用技术相关专利的申请量依旧持续快速增长,石墨烯原材料及制备相关的专利申请量增速放缓。

兴发网页登录187       ④在石墨烯技术领域,中国目前虽然在专利总量上占据优势,但主要集中在国内申请,国外专利技术布局相对薄弱,近年来虽然也开始重视专利海外申请,但是在区域选择上缺少整体规划,专利质量总体偏低,缺乏基础核心专利。反观美国、日本、韩国等国家,它们掌握了大量重要专利,在石墨烯领域已经开始加强在中国的专利布局。

      ⑤ 从合作申请专利的情况来看,虽然企业拥有的专利数量已超过高校和研究机构,但缺乏高质量专利。高校和研究机构掌握了较多的具有高影响力的专利,依旧是中国石墨烯的研发主体。高校、科研机构与企业之间缺乏深度融合的动力和机制,企业之间由于存在激烈的市场竞争,也难以达成合作共识。多方因素导致研发主体和产业化主体之间,以及产业化主体之间难以建立紧密的合作关系。解决这一问题切实可行的方法是从国家层面上建立产业化转换平台,连接研发主体和产业化主体,推动石墨烯研发成果向产业化应用转化。

      四、建议

      石墨烯涉及领域广泛,各领域的产业化进程各有不同,路径和模式还不明确,如何基于国内已有技术和人才资源,通过整合全球知识产权,推动石墨烯产业发展,是目前亟需解决的问题。传统行业,如服装纺织、建筑建材行业,应该关心专利风险防范与化解,高端产业领域如电子信息、航空航天,要更加关注专利战略谋划与布局。

      企业应当成为石墨烯领域未来创新的引领者。在政府引领和市场经济规律调节下,企业应避免在低端产品领域的同质化竞争,通过技术创新由竞争较为激烈的“红海”转向“蓝海”,在材料制备、应用产品和市场需求反馈之间建立良好的循环机制,形成产业链上下游企业的协同联动和良性互动。企业应利用好科技情报分析,及时调整技术研发方向,把握市场动态,在市场竞争中保持自身竞争力。另一方面,高校、科研机构以及企业之间应加强技术的转移转化,解决技术创新链条断裂问题,形成具有良好市场前景的高价值专利组合。
 

兴发网页登录187       文/ 王国华 刘兆平 周旭峰 汪 伟 韩 雪 马经博

兴发网页登录187       单位:1. 中国科学院宁波材料技术与工程研究所

      2. 浙江省石墨烯制造业创新中心

      DOI:10.19599/j.issn.1008-892x.2018.11.003
兴发网页登录187       (文章系转载,如涉及版权等方面的问题,请及联系我们以便处理)

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