基于全球專利信息的石墨烯技術發展多重維度分析＊

黃寶中，高 揚，賀文愛，黃日昆

（廣西大學高校國家知識產權信息服務中心，廣西 南寧 530004）

石墨烯是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統稱。由于石墨烯具有這些獨特的優異性能，使其在半導體、柔性電子、傳感器、能量存儲與轉換、復合材料、生物醫藥、環保以及熱管理等領域具有廣泛的應用前景。近年來，石墨烯技術成為全球熱點技術之一，受到各國研發人員的高度關注和深度參與，技術成長較為快速。本文專利數據來源于Innography 專利檢索分析平臺。

1 全球石墨烯技術發展趨勢

1.1 全球石墨烯技術發展歷程分析

一般認為第一個石墨烯專利申請于1994 年。從石墨烯專利申請量的增長特征來看，全球石墨烯技術發展經歷了3個階段：①第一階段為1994—2006 年，石墨烯專利申請量較少，每年新增專利申請不超過20 件，且專利申請量波動較明顯，年均增長率為23.34%，在技術上表現為石墨烯技術涉及技術領域窄且技術成長波動明顯；②第二階段為2007—2012 年，石墨烯專利申請量突破100 件且保持高速增長的態勢，2012 年達到4 294 件，年均增長達到102.65%，在技術上表現為石墨烯技術迅猛發展，新技術不斷涌現，涉及技術領域迅速擴展；③第三階段為2013—2018 年，石墨烯專利申請量較大，每年新申請專利數量明顯高于第二階段，但專利申請量增長率與第二階段相比有明顯回落，年均增長率為26.51%，在技術上表現為石墨烯技術快速成長，在技術領域的廣度和深度上均有明顯進展。截至檢索日，2019年石墨烯專利申請量為5 742 件（專利從申請到公示有一定時限，Innography 中的2019 年申請量比實際低，所以本文進行相關分析時不考慮2019 年數據），如圖1 所示。

1.2 石墨烯技術生命周期發展階段分析

通過專利技術生命周期分析，可了解相關技術發展的現狀和所處發展的階段，推測其未來的發展方向和趨勢。一般將技術的生命周期分為4 個階段，即技術萌芽期、技術成長期、技術成熟期、技術衰退期。

圖1 1994—2019 年全球石墨烯專利申請量變化趨勢

在技術萌芽階段，參與專利技術研發的人員較少，專利數量不多，研發的技術領域較窄；在技術成長階段，研發投資主體明顯增多，參與專利技術研發的人員不斷增加，專利數量加速增長，技術呈現快速成長的態勢；在技術成熟階段，由于難以有新的較大技術突破，投資主體對相關技術研發投入的熱情逐步減退，參與專利技術研發的人員逐步減少，專利數量增長趨于平緩，每年保持基本相當的數量，技術成長較為緩慢；在技術衰退階段，參與專利技術研發的人員和專利數量雙雙呈現負增長，各投資主體逐步退出相關技術研發，相關專利技術幾乎不再增加。

可以采用專利數量測算法、圖示法、TCT 計算法等方法進行專利技術生命周期分析，本文采用圖示法分析。圖示法分析用相同時間序列的專利申請人數量作為橫坐標，專利數量作為縱坐標繪制曲線圖，曲線上的每一點對應著相應的年份，此方法繪制完整的技術生命周期，如圖2 所示。

從技術生命周期四個階段的劃分標準比對圖3 所示的全球石墨烯技術專利信息，可以認定1994—2006 年為石墨烯專利技術的萌芽階段，而2007 年至今為石墨烯專利技術的成長階段，表現為研發投資主體明顯增多，參與專利技術研發的人員不斷增加，專利申請機構數量大幅增加，專利數量快速增長，技術呈現快速成長的態勢。說明目前無論是石墨烯技術還是石墨烯產業均處于蓬勃發展階段。

圖 2 圖示法技術生命周期圖

圖3 1994—2018 年石墨烯技術生命周期圖

2 全球石墨烯熱點技術

熱點技術是指在一定時期內某一技術領域或某一技術受到眾多創新主體的重點關注，集中了相當多科技人員參與研究開發，產生了較多的創新性技術成果。通常可以采用專利分類號頻次排序法和主題詞頻次排序法進行分析，頻次越高代表熱度越高，本文采用后一種方法進行分析。

利用Innography 基于全球石墨烯專利文獻中標題和摘要進行主題詞聚類分析，結果如圖4 所示，每一格有唯一的主題詞，每一主題詞對應一個技術領域。餅圖內環代表石墨烯一級技術領域，外環代表二級技術領域，每格大小代表專利申請量的大小，專利申請量越大，主題詞對應的技術領域熱度越高。

圖4 全球石墨烯熱點專利技術主題詞聚類分析圖

顯然，全球石墨烯一級技術領域中，“preparation method（制備方法）”“graphene oxide（氧化石墨烯）”“raw maerial（原材料）”3 個技術領域專利申請量最多，分別為26 177件、11 952 件、10 412 件，說明石墨烯一級技術領域中此3個技術領域熱度最高，此外“electrode material（電極材料）”和“graphene lay（石墨烯層）”技術領域專利申請量分別達到2 956 件、2 486 件。在二級技術領域中，“follwing steps（制備中的跟蹤步驟方法）”“composite material（復合材料）”“manufacturing method（制造方法）”3 個技術領域專利申請量相對較多，分別為10 412 件、7 867 件、3 861件，說明石墨烯二級技術領域中此3 個技術領域熱度最高。此外， “lithium ion（鋰離子）”“preparation process（制備工藝）”“deionized water（去離子水）”“carbon nanotubes（碳納米管）”“lithium ion battery（鋰離子電池）”“graphene film（石墨烯薄膜）”技術領域專利申請量分別為3 075 件、2 689 件、2 639 件、2 569 件、2 440 件、2 167 件。

3 各國和地區石墨烯技術競爭力比較

3.1 主要國家和地區專利申請量比較分析

1994—2019 年，中國、韓國、美國、日本、中國臺灣、德國、英國、法國、俄羅斯、西班牙、印度、加拿大12 個國家和地區的發明人申請的石墨烯專利較多，合計為74 493件，占總量的96.83%，其中中國申請量達到5 3043 件，占總量的69.95%；韓國、美國、日本、中國臺灣申請量均超過 1 000 件，分別為 8 892 件、5 789 件、2 369 件、1 534 件，占總量的比例分別為11.56%、7.52%、3.08%、1.99%；此外，德國、英國、法國、俄羅斯、西班牙、印度、加拿大申請量在234～783 件之間，占總量的比例為0.30%～1.02%，具體如圖5 所示。

圖5 1994—2019 年主要國家和地區發明人石墨烯專利申請量結構圖

3.2 主要國家和地區專利強度比較分析

Innography 專利強度可用于衡量某一專利的潛在價值。Innography 在計算專利強度時考慮了專利權利要求、引證、所屬行業、訴訟和法律保護狀態以及經濟數據等因素。全球申請石墨烯專利前5 名國家和地區的專利強度分布如圖6 所示，其中中國石墨烯技術的專利強度有超過50%的在0～10之間，達到69.12%，除在專利強度60～70 之間的占比高于其他國家外，其他專利強度的區間的占比都低于其他國家；韓國、日本、中國臺灣在專利強度各區間的占比依次遞減；而美國石墨烯全部專利技術的專利強度在0～10 之間的僅有6.48%，在區間10～20、20～30、30～40 占比分別為15.56%、16.41%、11.82%，在專利強度較高區間40～50、50～60、60～70、70～80 的占比遙遙領先，均高于其他國家，分別為9.62%、9.78%、10.36%、8.17%，特別是在專利強度高區間80～90、90～100 之間占比為6.31%、5.49%，分別是中國的28.68 倍、274.5 倍。相對于其他國家和地區，中國發明人申請專利的專利強度絕大多數在低專利強度區間，說明中國石墨烯專利質量偏低，專利價值不高，影響力不大，需要從關注專利數量轉變到切實重視專利質量的軌道上來。

圖6 主要國家和地區發明人申請專利的專利強度分布

4 全球石墨烯技術主要研發機構

4.1 主要研發機構專利申請量分析

1994 年以來，全球共有超過15 153 家機構申請了76 931件石墨烯專利。其中申請量最大的50 家機構共申請了13 887件專利，占總量的18.5%，每一家申請機構的專利申請量都超過了100 件，申請量最大的是中國科學院，共申請專利1 876 件，占這50 家機構總量的13.3%；排名第二的是韓國三星電子有限公司，數量為695 件，占這50 家機構總量的5.2%；第三到第八名都是中國的研究機構，分別是浙江大學、清華大學、深圳海洋王照明科技有限公司、哈爾濱工業大學、江蘇大學、東南大學；第九名是韓國另一家科研機構即韓國科學技術高級研究所。

4.2 主要研究機構地區分布分析

申請量最多的50 家研究機構中有37 家是中國大陸的研究機構，占比74%；1 家為中國臺灣地區，占比2%。12 家國外研究機構中，韓國8 家，占比16%；美國2 家，占比4%；加拿大和日本各1 家，均各占比2%，具體如圖7 所示。

5 小結

1994 年以來，全球石墨烯技術發展經歷了3 個階段，專利申請量增長總體呈現逐年增加的態勢。目前，全球石墨烯技術發展仍處于技術成長期，但全球石墨烯專利量增長速度近年有所趨緩，石墨烯技術成長步伐逐步減慢。而從主題詞聚類法分析結果看，全球石墨烯技術研究熱點主要集中于“preparation method（制備方法）”“graphene oxide（氧化石墨烯）”“raw maerial（原材料）”等技術領域。從全球專利信息看，美國和日本研究石墨烯技術較早，而中國石墨烯專利申請量最多，美國機構石墨烯專利價值總體最高。全球石墨烯專利申請量最多的50 家機構中，中國機構數量最多，達到37 家，占74%。

圖7 全球石墨烯技術前50 位機構按地區分布