碳材料透明導電薄膜材料專利分析綜述

羅囡囡，王 卓，高曉薇，岳瑞娟

(國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100166)

摻錫氧化銦薄膜(簡稱ITO)及其它金屬氧化物具有較低的電阻和較高的透光率，是目前主流的透明導電薄膜材料[1]，但由于剛性大、原料昂貴等限制了其在柔性導電薄膜領域的發展，尋找金屬氧化物替代材料是柔性透明導電薄膜領域的迫切需求[2-3]。

碳納米材料是一種具有良好機械性能和光電性能的納米材料，在制備柔性透明導電薄膜方面具有良好的發展前景，其中受關注度最高的是碳納米管和石墨烯導電薄膜材料[4]。

碳納米管是日本科學家Sumio Iijima于1991年發現的。其為管狀的納米級石墨晶體，是由單層或多層石墨烯層圍繞中心軸卷曲而成的一維納米結構，單層碳原子以sp2鍵無縫結合，分為單壁和多壁碳納米管。碳納米管具有優異的導電性、柔韌性以及化學穩定性[5]。

石墨烯是由單層碳原子以sp2雜化軌道構成的六角形蜂巢晶格的平面二維材料，石墨烯的電學性能優異，導電性和透光率是兩個對立的參數，而石墨烯兼具高電導率和高透光率，同時，石墨烯還具有高強度和柔性，其優異的性能使其成為最有潛力和最受期待的導電薄膜材料[6]。

本文章的數據主要利用國家知識產權局專利檢索與服務系統為信息來源進行檢索后與德溫特世界專利索引數據庫檢索出的結果合并、篩選后得到。分析樣本為涉及專利申請共3467件，分析數據截止日期為2019年7月12日。

1 碳材料導電薄膜專利申請總體趨勢

1.1 碳材料導電薄膜全球專利申請趨勢分析

碳材料應用于導電薄膜的發展歷程(見圖1)。

圖1 全球專利申請量趨勢

2004年以前，全球范圍內每年專利申請量在0～20件之間。

自2004年首次出現單層石墨烯以來，申請量以每年20%左右速度增長，到2008年申請量突破了100件，到2010年達到163件。

2011年開始進入迅猛發展期，專利申請量突破200件，之后每年保持在200件以上，到2014年達到了301件。2010年首次大規模制備出石墨烯透明導電薄膜，同年，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛因對石墨烯的開創性研究獲得諾貝爾物理學獎，對于石墨烯及其在導電薄膜材料的方面的應用也進入白熱化階段。

2015年較2014年專利申請量較大幅回落，之后每年專利申請量均有小幅下降，專利數量保持在227～259件/年范圍內。在此階段，碳材料導電薄膜由研發階段逐漸轉向量產階段，研究方向也逐漸轉向對導電薄膜性能的改進和優化。

1.2 碳材料導電薄膜主要國家和地區專利申請區域分布和申請量趨勢

從各個國家申請量的比較來看(見圖2)，申請主要集中在中國、日本、韓國、美國。其中中國專利申請數量居首位，共1127件，占全球申請量的42%；緊隨其后的是韓國和日本，專利申請量和全球專利申請量占比分別為655件/25%，592件/22%；美國專利申請量和全球專利申請量占比分別為218件/8%。

圖2 主要國家和地區申請區域分布

從主要國家和地區的專利申請量趨勢來看(見圖3)，2007年以前，日本專利申請量領先于其它國家和地區；2007年至2012年間，中國、日本、韓國的專利申請量快速提升，遠超美國和歐洲；2012年之后，中國專利申請量迅猛提升，其余國家和地區則呈現出穩中有降的趨勢。

圖3 主要國家和地區專利申請量趨勢

1.3 碳材料導電薄膜技術原創國/地區和目標市場分布

技術原創國/地區是指一項技術的原始產出國/地區，技術目標國體現出原創國對于目標市場的定位。

由圖4可以看出，相對于中國、日本、韓國，美國和歐洲海外專利布局意識較強，海外專利申請與本國申請量相當。值得注意的是，中國的專利申請量遠超其它國家和地區，但是其它國家在華的專利布局數量遠低于其它國家和地區。

圖4 技術原創國/地區和目標市場分布(單位：件)

1.4 碳材料導電薄膜主要國家和地區專利申請人類型

由圖5可以看出，中國、韓國的專利申請人以高校/科研機構、公司/企業為主體，日本、美國、歐洲的專利申請人以公司/企業為主體，其中，日本的公司/企業申請人擁有的專利申請數量與中國的公司/企業申請人相當。

圖5 主要國家和地區專利申請人類型

1.5 碳材料導電薄膜核心專利申請分布

主要國家和地區核心專利申請如圖6所示。

圖6 主要國家和地區核心專利數量與總量

核心專利的確定應當綜合考慮其技術價值、經濟價值以及受重視程度等多方面因素，選擇因素包括專利被引頻次、同族專利成員計數、同族專利國家/地區計數。由圖3～圖6可以看出，核心專利申請擁有量最高的是日本，數量達到276件；中國、韓國、美國擁有的核心專利申請量相當。在核心專利申請所占專利申請量百分比方面，歐洲以90.8%占居首位，美國和日本也分別達到了75.7%和46.6%，韓國為29.0%，中國僅以16.5%居于末位。由此可見，日本、歐洲、美國的專利布局與市場的發展和需求匹配度高，專利申請具有較高的綜合價值，研發投入產出比較高；中國和韓國雖然擁有較多數量的核心專利申請，但仍有大量的專利申請沒有被關注，研發投入產出比較低。

2 碳材料導電薄膜的專利申請技術類型分析

2.1 主要類型碳材料導電薄膜全球專利申請趨勢

由圖7可以看出， 2011年之前，碳納米管導電薄膜專利申請量遠超石墨烯導電薄膜；2011年至今，石墨烯導電薄膜專利申請量飛速增長，并且以絕對的增長優勢超過碳納米管。其它碳材料在2005年之前與碳納米管、石墨烯專利申請數量相當，2005年之后也僅保持著每年少量的專利申請量。在碳納米管、石墨烯出現以前，包括碳納米纖維、富勒烯、石墨等在導電薄膜領域的應用僅僅局限在作為導電填料使用。在2004年至2010年之間，碳納米管導電薄膜專利申請量飛速增長。當石墨烯出現后，業界把關注更多投向石墨烯。石墨烯不僅具有更好的導電性，其制備、分離、成膜工藝也更簡單，克服了碳納米管容易聚集、難以分散的缺陷，尤其是自2010年首次大規模制備出石墨烯導電薄膜以來，石墨烯就成為碳材料家族中最有潛力和價值的導電薄膜材料。

圖7 主要類型碳材料導電薄膜全球專利申請趨勢

2.2 主要類型碳材料導電薄膜國內專利申請趨勢

由圖8可以看出，在2010年之前，各個類型碳材料導電薄膜的專利申請量均不高。從2010年至今，碳納米管導電薄膜和石墨烯導電薄膜專利申請量迅猛增長，2011年專利申請量比2010年翻了一倍。一方面與中國導電薄膜領域的快速發展水平相吻合，另一方面是由于石墨烯導電薄膜的出現引起了業界的廣泛關注，也帶動了對碳納米管作為導電薄膜的關注。

圖8 主要類型碳材料導電薄膜國內專利申請趨勢

2.3 主要國家和地區主要類型碳材料導電薄膜專利申請量

由圖9可以看出，中國石墨烯導電薄膜專利申請量約為碳納米管專利申請量的1.8倍左右，韓國、美國的石墨烯專利申請量與碳納米管專利申請量相當，日本碳納米管導電薄膜專利申請量是石墨烯專利申請量的2.3倍左右。碳納米管首次在日本出現，日本對于碳納米管的研究較為成熟，是碳納米管世界第一大國。自2001年以來，在日本已經公開碳納米管制造專利的企業有東芝公司、索尼公司、NEC、伊勢電子工業公司等，成熟的制備技術為其作為導電薄膜材料的應用奠定了基礎。

圖9 主要國家和地區主要類型碳材料導電薄膜專利申請量

3 結 語

在碳材料導電薄膜領域，我國在專利申請量方面在全球遙遙領先，但在海外專利申請量遠低于國內專利申請量，美國、日本、韓國等主要國家在華專利布局數量低于其它主要國家和地區，另外，我國核心專利數量少，低于其它主要國家和地區，一方面反映出我國在該領域投入了大量研發成本，具有較高的研發實力，另一方面也反映出部分專利申請應用價值不高，不能將創新成果進行有效的市場轉化。

我國的創新主體在專利布局、專利挖掘等發面的意識仍需加強，其次，企業應加強與科研機構合作，讓創新服務于市場，讓市場推動創新進步，另外，放眼全球，關注行業領軍企業的專利成果和專利布局，了解行業先進技術，尋找突破壁壘和發展自身的機會。