石墨烯[1]（Graphene）是一種由碳原子以sp2軌域互相鍵結(jié)成六方蜂巢晶格的平面結(jié)構(gòu)，其厚度只有1個碳原子厚，C-C鍵長約為0.142nm，C-C之間夾角為120°。石墨烯出現(xiàn)在實驗室中是在2004年，英國曼徹斯特大學的科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在試驗中通過微機械剝離的方法從石墨中得到了石墨烯，2人也因此于2010年共同獲得了諾貝爾物理學獎[2]。自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，因其特殊的納米結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的力學、光學、熱學、電學和化學性能，石墨烯應用范圍非常廣泛，在超輕材料、觸摸屏、晶體管、電極、傳感器、生物醫(yī)學和海水淡化等眾多領(lǐng)域均展現(xiàn)出巨大的應用潛能，其理論科學研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展持續(xù)升溫。

本文擬從專利計量分析的角度，揭示石墨烯領(lǐng)域的專利活動現(xiàn)狀和區(qū)域布局情況，并對石墨烯材料所涉及的技術(shù)領(lǐng)域、核心技術(shù)進行初探，對國內(nèi)外重點研發(fā)機構(gòu)進行分析比較，為科技決策和課題研究提供參考。本文分析所用專利數(shù)據(jù)來源于美國湯森路透科技公司TI平臺（Thomson Innovation）的增值專利信息數(shù)據(jù)庫（DWPI和DCPI），共計檢索到石墨烯相關(guān)專利（族）16 517件（檢索式：ABD=graphene or graphenes，數(shù)據(jù)檢索日期為2015年9月20日）。

一、石墨烯專利時間及區(qū)域分布

在本質(zhì)上，石墨烯是分離出來的單原子層平面石墨。早在20世紀初科學家就利用X射線對晶體的散射發(fā)現(xiàn)了石墨烯的特色，但一直被認為無法在非絕對零度情況下穩(wěn)定存在。直到2004年，才被證實其可以單獨存在。

從石墨烯專利的年度變化趨勢圖（基于最早優(yōu)先權(quán)年，見圖1）可以看出，全球石墨烯相關(guān)專利的申請在上世紀末就已出現(xiàn)（1991年美國GRAFTECH公司發(fā)明了制備低表面酸度插層石墨的方法），但隨后發(fā)展較為平緩，處于技術(shù)萌芽期。2008年石墨烯專利年申請量出現(xiàn)實質(zhì)性的增長，特別是隨著2010年上述2為科學家獲得諾貝爾物理學獎以后，全球石墨烯技術(shù)相關(guān)專利申請數(shù)量急劇增加，說明石墨烯相關(guān)技術(shù)進入快速成長階段。由于從專利申請到專利公開存在時滯，2014年數(shù)據(jù)有所回落。

全球有從40多個國家/地區(qū)在石墨烯領(lǐng)域有專利申請，但申請國家/地區(qū)較為集中，主要集中在4個國家，其專利申請量占總量的91.89%，分別是中國（50.53%）、美國（17.81%）、韓國（17.54%）和日本（6.01%）。其中美國和日本對石墨烯的研究起步相對較早，是最早進入該技術(shù)領(lǐng)域的國家，但日本的申請量增長速度相對美國較為緩慢。韓國于2005年開展相關(guān)研究，專利數(shù)量增長較快，逐漸在國際上占據(jù)了一席之地。相對而言，中國起步較晚，于2007年才有相關(guān)專利的申請，但其增長速度最為迅速，尤其是近3年年專利申請量均突破了1 000件，大幅領(lǐng)先于其他國家/地區(qū)，位居世界第1位。

從表1來看（基于優(yōu)先權(quán)國），排名前10位的技術(shù)來源國家/地區(qū)均在除本國外的多個國家/地區(qū)進行了專利布局，說明各國都非常重視石墨烯相關(guān)專利技術(shù)的保護。在4個主要專利技術(shù)來源國中，美國、日本和韓國的海外專利布局相對較多，均占其專利申請量的30%以上，美國高達50%，而中國在國際市場雖然也有一定的專利布局，但比例與其他3個國家相差較遠，占其專利申請量的2%。

二、石墨烯專利技術(shù)布局

通過對石墨烯相關(guān)技術(shù)專利進行基于IPC的統(tǒng)計分析，可以了解分析其涉及的主要技術(shù)領(lǐng)域和技術(shù)重點等。表2列出了石墨烯專利申請量超過200件的前19位專利技術(shù)領(lǐng)域（基于IPC小組）及申請情況，可以看出石墨烯專利技術(shù)主要集中在以下幾個方向：①石墨烯的制備，涉及化學氣相沉積和氧化還原法等，主要分類號包括C01B-31/02、C01B-31/04、B82Y-30/00等；②石墨烯用于制備電極等，主要分類號包括H01M-04/62、H01M -04/36、H01M -04/58、H01M -04/583、H01M -04/38等；③石墨烯用于制備半導體器件、光電器件及場發(fā)射晶體管等，主要分類號包括H01B-01/04、H01B-13/00、H01L-21/336。

通過TI的專利地圖功能對石墨烯專利技術(shù)的研究布局進行分析，可以看出石墨烯專利的熱點技術(shù)領(lǐng)域主要集中在6個方面。

1.石墨烯及粉末的制備

石墨烯的制備方法包括機械剝離法、液相或氣相直接剝離法、外延生長法、化學氣相沉積法以及氧化還原法等[3]，由于目前的制備技術(shù)仍很難實現(xiàn)規(guī)?；圃齑竺娣e石墨烯，因而發(fā)展高質(zhì)量低成本規(guī)模化制備石墨烯材料的綠色流程、工藝、技術(shù)和裝備至關(guān)重要。

2.能量轉(zhuǎn)換與存儲領(lǐng)域

石墨烯具有高透光性、高電子遷移率以及高熱傳導率等優(yōu)異性能被應用于太陽能電池領(lǐng)域。同時，石墨烯具有比表面積高、電導率高、化學穩(wěn)定性好及力學性能優(yōu)異等優(yōu)點，被應用于鋰離子電池領(lǐng)域和超級電容器領(lǐng)域。

3.電子信息領(lǐng)域

電子信息領(lǐng)域主要集中在制備透明導電薄膜、薄膜晶體管、光電器件等。石墨烯是一種沒有能隙的半導體，可被用來制作具有無散射傳輸特性的高頻率晶體管[4]，此外因其優(yōu)異的性能被認為有望取代銦錫氧化物，在柔性顯示領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應用潛力。

4.復合材料領(lǐng)域

如導熱/導電材料、復合纖維/碳纖維、樹脂等。石墨烯的高熱導率、優(yōu)異的韌性和潤滑性能使其可用于奇高聚合物材料的力學性能及耐磨性能等。

5.傳感器領(lǐng)域

這方面主要涉及生物/化學傳感器和物理傳感器，如用石墨烯修飾玻碳電極。石墨烯是構(gòu)建高效、快速、靈敏檢測的生物傳感器的理想材料，由于石墨烯優(yōu)異的導電性能和化學性能，可以固定多種生物分子，在免疫診斷、細菌偵測與診斷等醫(yī)學化學領(lǐng)域有極大的應用潛力。

6.功能材料領(lǐng)域

石墨烯功能材料主要涉及功能薄膜（石墨烯導熱膜、石墨烯復合聚合物功能膜等）、功能改性和摻雜改性等。

三、石墨烯重點專利技術(shù)追蹤分析

通過對從TI（Thomson Innovation）平臺的增值專利信息數(shù)據(jù)庫（DWPI和DCPI）檢索到的16 517件石墨烯相關(guān)專利的統(tǒng)計分析，綜合考慮被引頻次、申請保護區(qū)域、是否為PCT申請或三方專利以及對標題和摘要信息的判讀，從中選取2件重要專利技術(shù)利對其進行技術(shù)追蹤分析，揭示其技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)和演進方向。

1.專利US20070092432A1技術(shù)追蹤與演進分析

2005年，美國普林斯頓大學申請了關(guān)于熱膨脹制備石墨烯的方法及其應用，將石墨浸漬到強氧化溶劑中得到氧化插層石墨，后經(jīng)清洗、干燥、高溫膨脹得到熱剝離型石墨烯，其表面積為300～2 600m2/g。該專利還通過PCT申請（WO2007047084A2）途徑，在歐洲專利局、印度、中國、韓國、日本、加拿大和中國臺灣進行了申請保護，共有16件同族專利。

以在美國申請的公開號文獻（US20070092432A1）進行專利技術(shù)追蹤與演進分析。該專利申請引用了13件專利文獻，7件非專利文獻，被引頻次為124次。從該專利的前引情況（基于專利權(quán)人，見圖2）可以看出，該專利引用巴特爾紀念研究所、三菱化工、密歇根州立大學等機構(gòu)與BAI Y等個人共14個專利權(quán)人的在先專利，多涉及膨脹石墨、膨脹石墨氧化物、石墨增強、改性橡膠等。

從該專利的前引情況（基于專利權(quán)人，見圖3）可以看出，普林斯頓大學、美國沃爾貝克材料有限公司和美國西北大學等申請人圍繞該專利進行了大量的外圍專利申請，主要涉及石墨烯的制備、石墨烯的分散、涂料、阻燃材料、超級電容器、傳感器、導電油墨、改性橡膠、透明電極等諸多領(lǐng)域。

2.專利US20090117467A1技術(shù)追蹤與演進分析

2009年，美國張博增教授與Nanotek儀器公司、ZhamuAruna共同申請了基于納米石墨烯薄片復合材料的專利（專利公開號US20090117467A1），將納米石墨烯（GNPS）作為導電添加劑應用于鋰離子電池正極材料（鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和/或磷酸釩鋰等）和/負極材料（硅、鍺、錫、鉛、銻、鉍、鋅、鋁和鎘的合金或金屬間化合物等）中以改善鋰離子二次電池的充放電性能。該專利還通過PCT申請（WO2009061685A1）途徑，在中國、韓國及日本進行了申請保護，共有9件同族專利。

以在美國申請的公開號文獻（US20090117467A1）進行專利技術(shù)追蹤與演進分析。該專利申請引用了28件專利文獻，35件非專利文獻，被引頻次為117次。從該專利的后引情況（基于專利權(quán)人，見圖4）可以看出，該專利引用了夏普、佳能、3M與NASA等24個機構(gòu)的在先專利，多涉及石墨烯的制備以及石墨烯用于超級電容器電極和電池電極材料。

從該專利的前引情況（基于專利權(quán)人，見圖5）可以看出，三星、半導體能源實驗室等公司與LIU JUN、ZhamuAruna等個人引用了這件專利，施引專利涉及的技術(shù)領(lǐng)域主要集中在：①石墨烯與氧化石墨烯的制備；②石墨烯用于透明電極、聚合物及鋰離子電池電極材料。該專利可視為石墨烯用于鋰離子電池領(lǐng)域中的一件核心關(guān)鍵專利。

四、石墨烯重點研發(fā)機構(gòu)

全球石墨烯專利數(shù)據(jù)中專利申請量前20位專利權(quán)人中高校研究所（13家）占到65%，說明石墨烯目前仍是一個新興的技術(shù)領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)化程度較低。其中，中國有2家企業(yè)和10家高校研究所共12個機構(gòu)，韓國有2家企業(yè)和3家高校共4個機構(gòu)，美國有2個個人和1家企業(yè)共3個專利權(quán)人，說明石墨烯技術(shù)在我國日益受到重視，我國在該技術(shù)領(lǐng)域投入了很多的研發(fā)力量。

從前20位專利權(quán)人合作關(guān)系圖（見圖6）可以看出JANG B Z（Bor Z.Jang）和ZHAMU A（ArunaZhamu）合作強度非常高，2人合作申請了111件專利，2人為美國納米技術(shù)儀器公司的創(chuàng)始人，同時也是該公司專利的重要發(fā)明人。韓國三星集團與清華大學、IBM公司、韓國成均館大學、韓國高級科技學院、首爾大學及JANG B Z（Bor Z.Jang）和ZHAMU A（ArunaZhamu）間均存在合作關(guān)系，其中與韓國成均館大學的合作強度相對較高。中國清華大學與鴻海精密儀器有限公司之間合作也比較多。而其余機構(gòu)之間未共同申請專利，專利申請相對獨立，可以看出中國在該技術(shù)領(lǐng)域的合作相對韓國較弱。

五、建議

通過對石墨烯領(lǐng)域的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行調(diào)研，并借助分析工具對專利進行計量分析，可以得知：①石墨烯相關(guān)技術(shù)處于快速成長階段，目前產(chǎn)業(yè)化程度較低。②石墨烯專利主要集中在中國、美國、韓國和日本，中國起步雖然相對較晚但發(fā)展迅速，近幾年專利申請量大幅領(lǐng)先其他國家，位居世界第1位，但海外專利布局相對薄弱。③從技術(shù)領(lǐng)域布局來看，石墨烯專利主要集中在其制備以及其在能量轉(zhuǎn)換與存儲、復合材料、電子信息、傳感器等領(lǐng)域的應用。隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)化中技術(shù)難題相繼得到了突破，如批量化生產(chǎn)和大尺寸問題，其產(chǎn)業(yè)化進程正在加快。④石墨烯專利申請人以高校和科研院所為主，我國有12家機構(gòu)位居世界石墨烯專利申請量前20位，說明石墨烯技術(shù)在我國日益受到重視，我國在該技術(shù)領(lǐng)域投入了很多的研發(fā)力量。

針對上述調(diào)研和分析，為了提升我國在石墨烯領(lǐng)域的國際競爭力，提出以下幾點建議：①加強石墨烯專利的分析與保護，對現(xiàn)有的專利技術(shù)進行全面分析、規(guī)避或合理借鑒，以此提高研發(fā)效率，同時還需要積極進行海外專利布局，搶占國際市場。②采取產(chǎn)學研結(jié)合的策略，以充分發(fā)揮高校、科研院所和企業(yè)的優(yōu)勢，為石墨烯材料研究提供技術(shù)支持和服務。③制定優(yōu)惠政策和獎勵措施，創(chuàng)造良好的研發(fā)環(huán)境，加強政府引導，對瓶頸技術(shù)進行集中攻關(guān)，尋求產(chǎn)業(yè)發(fā)展突破口。

參考文獻

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