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基于专利分析的全球石墨烯技术发展现状及趋势研究

发布时间:2018-08-11

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作为技术信息最有效的载体,专利比一般技术刊物提供的信息早5-6年,涵盖了全球90%以上的最新技术信息,而且,专利透漏的技术信息有80%-94%在其他地方无法获得。

自Narin把专利计量作为一个独立的领域进行研究以本文选择德温特专利数据库(DII)作为专利数据来源数据库,以“石墨烯”为主题词,选定时间段为2001年至2015年, 从技术生命周期、技术领域分布、专利权人的技术实力及高被引专利等方面进行分析,研究石墨烯技术的发展及为专利战略的制定提供参考。

1.1 石墨烯专利技术的发展趋势

石墨烯的研究发展起步较晚,最早与此相关专利为1995年UCAR Carbon Technology公司申请的关于石墨颗粒改性的技术,从2001年开始逐步出现有关石墨烯的专利申请。如图1所示,2001-2008年期间,有关石墨烯的专利技术发展较为缓慢,2009年则开始呈现爆发性的上升趋势。2015年度的专利申请数量达到了6803条,占近15年总专利数量的35.3%。

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为更好地了解石墨烯相关专利技术所处的发展阶段,推测石墨烯技术的发展方向,结合专利权人绘制了专利技术生命周期图。专利技术生命周期理论上存在5个阶段,即萌芽期、发展期、成熟期、衰退期、复苏期。石墨烯专利技术的专利申请数量和专利权数量人均呈现出了快速上涨趋势。

从当前发展趋势看,石墨烯的相关专利技术仍处于成长期,有大量的专利权人涌入该技术市场,前景良好。石墨烯专利技术在2004年出现过转折点,这可能与2004年NOVOSELOV KS 及GEIM AK在Nature上发表的《Electric field effect in atomically thin carbon films》有关,NOVOSELOV KS及 GEIM AK通过剥离高定向石墨的方法首次成功制备出石墨烯晶体。

1.2 石墨烯专利的技术分布分析

如图3所示为石墨烯相关专利的技术分布情况。目前,石墨烯领域的主要技术集中点为 C01B-031/04(石墨的制备),共计3298篇,占专利总数的17.11%。其次为C01B- 031/02(碳的制备(使用纯高压);纯化),C08K-003/04(使用碳元素作为配料),B82Y-030/00(超微技术 :用于材料和表面科学的纳米技术,例如 :纳米复合材料)分别为1832篇 ,1514篇,1452篇。

从三阶IPC分类看,石墨烯专利技术集中于B部 : B82B(通过操纵单个原子、分子或作为孤立单元的极少量原子或分子的集合而形成的纳米结构;其制造或处理)、 B82Y(纳米结构的特定用途或应用;测量或分析 ;制造或处理)。

C部 :C01B(非金属元素 ;其化合物)、C08K(使用无机物或非高分子有机物作为配料)、C23C(对金属材料的镀覆 ;用金属材料对材料的镀覆 ;表面扩散法,化学转化或置换法的金属材料表面处理 ;真空蒸发法、溅射法、离子注入法或化学气相沉积法的一般镀覆)。

以及H部 :H01B(电缆 ;导体 ;绝缘体 ;导电、绝缘或介电材料的选择)、H01G(电容器 ;电解型的电容器、整流器、检波器、开关器件、光 敏器件或热敏器件)、H01L(半导体器件 ;其他类目中不包 括的电固体器件)、H01M(用于直接转变化学能为电能的 方法或装置,例如电池组)。

从历年不同技术分布的专利数量变化来看(图 2),C01B-031/04、C08K-003/04、H01M-004/62、H01M- 004/36呈显著的上升趋势,尤其是C01B-031/04、C08K- 003/04自2009年开始呈现飞速的增长,其研究热潮一直持续到现在。C01B-031/02和 B82B-003/00 则开始呈现较为明显的下降趋势,且自2014年开始,C08K-003/04、 B82Y-030/00的研究已经超越 C01B-031/02 的研究。

通过选取被引频次最高的10件专利分析高被引专利的技术分布,得出高被引专利中研究最多的是C01B-031/04,共计5件相关专利。无论从高被引专利还是从申请数量及其 趋势看,C01B-031/04是目前石墨烯技术研究的中心,且其研究仍处于不断上升的阶段。

1.3 专利申请机构及研究热点分析

企业专利申请数量的多少,在某种程度上能代表该企业在这个技术领域的发展水平,企业申请专利多,则反映出该企业的创新活动比较频繁,创新能力比较强。对石墨烯技术 领域的专利权人进行统计排名,如表1所示。从专利数量上看,三星最高,共申请相关专利561件,其次为中国科学院,共申请专利498件,排名第3位的是海洋王照明,共计申请专利382件。

从TOP10的专利权人的组织类型看,石墨烯的技术研究以大学或科学研究院等研究型机构为主。从所属国家看,中国在石墨烯专利的申请数量上占据优势,中科院、浙江大学、清华大学、哈尔滨工业大学及海洋王照明等5所机构。其次为韩国,包括三星、乐金、成均馆大学及韩国科学技术院(KAIST)4所机构。

从h指数看,三星的h指数为11,在所有专利权人位居高位,其次为中科院、成均馆大学。无论从专利数量还是质量,三星公司在石墨烯技术领域居于世界先进水平,而中科院、成均馆大学也在石墨烯研发上居于前列。

从技术分布 看,对石墨制备的研究最为火热,中科院、清华大学、海洋王照明等大部分机构均着力于C01B- 031/04相关研究。以三星、成均馆大学等为代表的韩国企业着重于研究碳的制备(使用纯高压)、纯化等方面,而IBM 则研究于带有绝缘栅的场效应晶体管的制造。

从他引频次看,最高的为NANOTEK公司的US7071258-B1专利,他引频次为60次,其次为三星公司的US2009110627-A1,他引频 次为59次,显示了NANOTEK公司、三星公司等在石墨烯技术市场中对其他企业技术研发活动具有较高的影响力,在石墨烯技术研发市 场中占据有利位置。

2  结论与建议

通过对石墨烯有关技术的发展规模、发展趋势、技术领域分布及主要竞争机构的系统分析,揭示了石墨烯领域的技术创新活动的发展态势,结论与建议如下:

从石墨烯技术的专利权人申请数量上看,我国在石墨烯相关专利的申请数量上占有优势,包括中科院、浙江大学、清华大学等研究机构及海洋王照明等企业在专利申请上居于前列。而从机构类型看,石墨烯的相关研究仍以大学、研究院等研究机构为主。

从机构的研究趋势看,三星、IBM等机构则开始呈现下降的趋势,中科院、乐金、浙江大学、哈尔滨工业大学对石墨烯技术的研究仍处于较为显著的上升趋势。从研究机构从事的技术分布看,大部分的研究机构以碳的制备和石墨的制备研究为主,而IBM则着重于研究H类,研究带有绝缘栅的场效应晶体管的制造。与大部分机构一直致力于石墨制备的研究有所区别的是,三星和乐金在2015年则转向了半导体和电池组等方向的研究。

从高被引专利的分布看,美国的相关企业、研究机构在石墨烯技术研发市场的影响力最高,占据有利位置。尽管我国在石墨烯相关技术的申请上已经赶超美国、韩国等国家,但在专利质量及影响力上仍待进一步的提升,在石墨烯技术快速发展的今天,需要增强专利研发能力,走出国门,提高在国际市场中的影响力。