王國華 周旭峰 汪偉 劉兆平

石墨烯作為一種新型的二維納米材料，在電子學、光學、磁學、生物醫(yī)學、催化、儲能和傳感器等諸多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛能。近年來，圍繞石墨烯的專利申請在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)出高速增長態(tài)勢。本文基于DII數(shù)據(jù)庫、寧波市科技文獻檢索服務(wù)中心的WIPS Global專利數(shù)據(jù)庫，利用TDA、Thomson Innovation等分析工具，通過對全球石墨烯相關(guān)專利進行統(tǒng)計分析，揭示了全球石墨烯相關(guān)專利技術(shù)的研發(fā)和競爭態(tài)勢。

一、石墨烯技術(shù)專利整體態(tài)勢分析

1.國際專利申請量與及申請布局

圖1給出了石墨烯相關(guān)專利數(shù)量的年度（基于專利申請年）變化趨勢。從圖1可以看出，石墨烯相關(guān)專利的申請在20世紀末就已出現(xiàn)，但隨后發(fā)展較為緩慢。從2010年開始，專利申請數(shù)量開始持續(xù)大幅增長，熱度至今不減。

2.石墨烯專利國家/地區(qū)分布分析

圖2對石墨烯技術(shù)技專利文獻的最早優(yōu)先權(quán)國進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，中國處于技術(shù)原創(chuàng)國的首位，其專利受理數(shù)量大幅領(lǐng)先于隨后其他各國家/地區(qū)，占據(jù)了58%的份額；韓國、美國、日本緊隨其后，也是該項技術(shù)的主要技術(shù)原創(chuàng)國。但是，韓國、美國和日本等的專利申請數(shù)量與中國有較大的差距。

圖3為石墨烯技術(shù)主要國家專利技術(shù)流向進行的統(tǒng)計分析，可以看出，韓國、美國、日本不僅是石墨烯技術(shù)的主要技術(shù)原創(chuàng)地，也是主要技術(shù)保護地。韓國、美國、日本等既重視本土專利申請，也非常重視海外專利布局，美日韓之間互為重要的專利技術(shù)來源國。中國近些年也開始加大專利海外布局的力度，目標申請國主要是美國。

3.美國石墨烯專利重點分析

圖4給出了美國（基于申請年）石墨烯專利申請數(shù)量的年度分布情況?？梢钥闯?，雖然美國石墨烯專利的申請與受理始于20世紀90年代初，但是增長一直緩慢，直到2008年后，申請數(shù)量開始持續(xù)增長，2012年以后，專利申請數(shù)量一直相對較高，近70%的專利申請集中在2013-2016年。

在檢索到的5 734件美國石墨烯專利申請中，有3 650件申請來自美國國內(nèi)，占63.7%；其余2 084件申請來自美國以外的其他國家/地區(qū)，占36.3%，主要來源于以下國家/地區(qū)：世界知識產(chǎn)權(quán)組織（1 522件）、歐洲專利局（以下簡稱“歐專局”）（161件）、德國（115件）、中國（103件）、韓國（79件）、法國（45件）、英國（22件）、日本（22件）、加拿大（8件）等。

在美國比較重要的石墨烯專利申請人主要有威廉馬歇萊思大學、德克薩斯大學、IBM公司、JANG B Z&ZHAMU A&美國納米技術(shù)儀器公司、沃爾貝克材料公司等。

（1）威廉馬歇萊思大學因其在碳材料研究領(lǐng)域的深厚積淀，尤其是在富勒烯及碳納米管領(lǐng)域中一系列開創(chuàng)性及持續(xù)性深入的研究工作，其在石墨烯制備、石墨烯功能化以及石墨烯在柔性顯示、傳感器及存儲器等方面的工作都有相關(guān)專利布局。

（2）德克薩斯大學的技術(shù)分布比較分散，德州大學在石墨烯制備技術(shù)尤其是氧化石墨烯制備技術(shù)、石墨烯薄膜的化學氣相沉積（CVD）制備技術(shù)及其相關(guān)機理機制方面具有一系列開創(chuàng)性及持續(xù)深入的研究工作，該校申請專利主要集中在氧化石墨烯的制備、CVD制備石墨烯薄膜/單晶、電化學儲能器件，其在催化劑、生物醫(yī)藥、LED&OLED、防腐涂層等領(lǐng)域也有布局。

（3）IBM公司主要從事石墨烯場效應(yīng)晶體管（FET）和介電層相關(guān)研究，其關(guān)于石墨烯的專利申請主要集中在石墨烯在集成電路、晶體管、傳感器、信息存儲、LED&OLED等方面的應(yīng)用。

（4）JANG B Z&ZHAMU A&美國納米技術(shù)儀器公司在應(yīng)用方面的專利主要集中在儲能、散熱、透明導電薄膜、環(huán)氧樹脂增強復合材料等方面，另外還涉及傳感器、潤滑、氣體分離、導電油墨等方面的應(yīng)用。

（5）沃爾貝克材料公司的專利申請主要集中在導電油墨、印刷電路、太陽能、增強復合材料、運動裝備等應(yīng)用領(lǐng)域。

4.石墨烯韓國專利重點分析

圖5給出了韓國（基于申請年）石墨烯專利申請數(shù)量的年度分布情況?？梢钥闯?，雖然韓國早在2001年就開始申請石墨烯技術(shù)相關(guān)專利，但是增長一直緩慢，直到2010年后，申請數(shù)量開始出現(xiàn)大幅增長，60%以上的專利申請都集中在近3年。

在檢索到的5 401件石墨烯韓國專利申請中，有3 537件申請來自韓國國內(nèi)，占65.5%；其余1 864件申請來自美國以外的其他國家地區(qū)，占34.5%，主要來源于以下國家/地區(qū)：世界知識產(chǎn)權(quán)組織（871件）、歐專局（77件）、德國（45件）、法國（21件）、中國（12件）、日本（12件）、英國（11件）、加拿大（4件）等。

在韓國，比較重要的石墨烯專利申請人主要有三星集團、LG集團、成均館大學等。

（1）三星集團作為全世界持有石墨烯專利數(shù)量最多的專利權(quán)人，目前已初步形成石墨烯上下游之間的產(chǎn)業(yè)鏈布局。在石墨烯制備領(lǐng)域的專利申請主要集中化學氣相沉積法制備石墨烯薄膜、相關(guān)設(shè)備和石墨烯品質(zhì)檢測；應(yīng)用領(lǐng)域的專利申請主要涉及鋰電池、LED和OLED、觸摸屏、液晶顯示、晶體管、傳感器等方面。

（2）LG集團主要致力于以石墨為原料制備石墨烯材料及其在鋰離子電池、導電油墨、散熱、電纜等領(lǐng)域的應(yīng)用，同時也涉及CVD制備石墨烯及其顯示器件和LED和OLED中的應(yīng)用。

（3）成均館大學與企業(yè)之間的合作非?；钴S，其中最重要的合作伙伴是三星集團，制備技術(shù)主要涉及化學氧化還原法和化學氣相沉積法，應(yīng)用技術(shù)涉及領(lǐng)域非常廣泛，主要集中在顯示裝置、傳感器、晶體管、LED和OLED、儲能等方面。

二、中國專利石墨烯布局

利用寧波市科技文獻檢索服務(wù)中心的WIPS Global專利數(shù)據(jù)庫對石墨烯中國專利進行重新檢索，共檢索到石墨烯中國專利申請18 931件，發(fā)明數(shù)量17 306，實用新型1 616件，外觀9件。其中PCT發(fā)明專利737件，數(shù)據(jù)檢索時間為2017年3月1日。

1.中國專利石墨烯數(shù)量年度分布分析

圖6給出了我國公開（基于公開/公告年）的石墨烯專利申請數(shù)量的年度分布情況?？梢钥闯?，我國石墨烯專利的申請與受理始于20世紀初，自2008年至今，我國石墨烯專利申請數(shù)量一直處于在快速增長。中國政府、科研機構(gòu)以及相關(guān)企業(yè)近年來對石墨烯相關(guān)技術(shù)一直保持高度的重視，國內(nèi)石墨烯研發(fā)的高潮持續(xù)不減。

2.中國專利石墨烯申請來源地分析

在檢索到的17 306件中國石墨烯發(fā)明專利申請中，國內(nèi)申請16 569件（包含中國臺灣地區(qū)73件），占95.7%；其余737件為國外申請，占4.3%，主要來源于以下國家/地區(qū)：美國（1.4%）、日本（0.9%）、韓國（0.9%）等。

3.中國專利石墨烯深度分析

石墨烯按照制備方法主要有2大類：①通過Top-Down途徑制備石墨烯，主要涉及以石墨、碳納米管、煤炭等為原料通過機械剝離[2]、化學氧化剝離[3]、電化學剝離[4]等方式制備石墨烯；②通過Bottom-up途徑制備石墨烯，一般是在一定條件下使含碳物質(zhì)分解，形成碳基碎片甚至碳原子，最后形成石墨烯晶格結(jié)構(gòu)。主要包括化學氣象沉積[5]、外延生長[6]、有機合成[7]等。

目前以石墨為原料制備石墨烯的發(fā)明專利技術(shù)共有14 564件，主要涉及石墨烯原材料、制備技術(shù)、生產(chǎn)工藝及檢測技術(shù)和石墨烯應(yīng)用產(chǎn)品。其中涉及石墨烯原材料、制備技術(shù)、生產(chǎn)工藝和檢測技術(shù)的發(fā)明專利一共有2 152件，原材料包括粉體-漿料、石墨烯膜、石墨烯纖維、宏觀組裝體、量子點、多孔石墨烯等；制備技術(shù)劃分為機械剝離、化學氧化還原、電化學制備技術(shù)等；生產(chǎn)工藝劃分為分離-提純-分散、功能改性、檢測、設(shè)備等。

石墨烯應(yīng)用研究方面的專利申請共12 316件（圖7），主要集中在儲能、復合材料、電子信息、水/氣體處理等6大領(lǐng)域，其中申請量較多的主要有儲能（專利申請量2 987件，占總申請量的24.3%）；復合材料（專利申請量6 091件，占總申請量的49.5%）；水/氣體處理（專利申請量1 060件，占總申請量的8.6%）。

化學氣相沉積制備石墨烯領(lǐng)域的相關(guān)專利一共有1 973件（圖8），主要涉及石墨烯原材料、制備及檢測技術(shù)（660件）、石墨烯改性產(chǎn)品及技術(shù)（91件）、石墨烯應(yīng)用產(chǎn)品（1125件）、石墨烯終端應(yīng)用產(chǎn)品（97件）。通過該技術(shù)途徑得到的石墨烯薄膜具有良好的導電性、透光性和柔韌性，在液晶顯示、觸控、傳感器、激光器、柔性電子器件等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

三、觀點和建議

1.觀點

（1）從全球范圍來看，石墨烯相關(guān)技術(shù)目前仍處于高速發(fā)展階段，世界各國政府都在大力推動石墨烯的研究和產(chǎn)業(yè)化，石墨烯產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入開展專利戰(zhàn)略布局的關(guān)鍵機遇期。

（2）石墨烯專利技術(shù)近年來的研究熱點主要包括石墨烯原材料制備，石墨烯在儲能（電池）、復合材料、熱管理、傳感器、膜分離、透明導電薄膜、觸摸屏、晶體管/集成電路、光纖、通訊、高性能計算機等領(lǐng)域的應(yīng)用。

（3）目前，我國是石墨烯技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩孔疃嗟膰?，但多?shù)為本土專利申請，國外專利技術(shù)布局相對薄弱，近年來雖然也開始重視專利海外申請，但是絕大多數(shù)是以美國為目標申請國，專利國際布局缺少整體規(guī)劃，專利質(zhì)量總體不高，缺乏基礎(chǔ)核心專利；韓國、美國、日本等既重視本土專利申請，也非常重視海外專利布局，3國之間互為重要的專利技術(shù)來源國。

（4）從重要專利申請人的國別分布情況來看，專利申請數(shù)量不少于60件的共有76個申請人，其中8個來自美國，3個來自日本，16個來自韓國，而來自中國的申請人數(shù)量占比最高，多達49個，主要是高校和中科院系統(tǒng)的研究所，企業(yè)僅有5家。

（5）在美國和韓國，其研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化主體都以企業(yè)為主，各企業(yè)通過與高校科研院所合作研究實現(xiàn)技術(shù)共享，企業(yè)既掌握核心技術(shù)，又洞悉市場需求，從而有效推動石墨烯的研發(fā)進程、研發(fā)成果轉(zhuǎn)化進程和產(chǎn)業(yè)化進程。

（6）從我國區(qū)域來看，石墨烯專利申請有95.7%的數(shù)量來自國內(nèi)，但是，我國專利申請者往往只在國內(nèi)市場申請保護，在專利布局意識上明顯落后于美韓等國。在我國的石墨烯技術(shù)專利申請人中，企業(yè)和個人的專利申請數(shù)量高達49.4%，但是申請主體非常分散的，缺少系統(tǒng)的專利布局。

（7）從基于中國境內(nèi)的石墨烯制備專利來看，目前石墨烯制備技術(shù)主要有2個途徑：Top-Down和Bottom-up途徑。

在Top-Down途徑制備石墨烯技術(shù)領(lǐng)域：國外申請人的專利主要涉及化學氧化還原法、機械剝離法、插層剝離法、石墨烯分散技術(shù)等，雖然總體數(shù)量不多，但是申請日絕大多數(shù)都在我國申請人之前。從目前來看，國內(nèi)申請人在石墨烯生產(chǎn)設(shè)備以及石墨烯品質(zhì)檢測方面的專利具有優(yōu)勢。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，我國在儲能、復合材料、電子信息、水/氣體處理、醫(yī)療健康、傳感器等6大領(lǐng)域都有大量專利申請。在產(chǎn)業(yè)化方面，鋰離子電池、鉛酸電池、導熱材料、散熱膜、發(fā)熱膜等領(lǐng)域企業(yè)參與度較高，但是以中小企業(yè)為主。除此之外，絕大多數(shù)技術(shù)仍掌握在高校和研究機構(gòu)手中，技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的效率非常低。而國外的申請人則以企業(yè)為主，關(guān)注的主要是石墨烯在鋰電池、燃料電池、散熱材料、透明導電薄膜、生物化學傳感器、導電材料、聚合物增強材料、海水淡化、DNA基因檢測、晶體管、場發(fā)射器件等領(lǐng)域的應(yīng)用。

在Bottom-up途徑制備石墨烯技術(shù)領(lǐng)域，我國企業(yè)參與較多，在石墨烯薄膜制備、轉(zhuǎn)移、設(shè)備、檢測等領(lǐng)域都具有數(shù)量上的優(yōu)勢，國外申請人的專利主要集中在石墨烯薄膜制備和轉(zhuǎn)移方面，涉及少量石墨烯薄膜檢測專利，并且申請時間相對較早。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，國外的企業(yè)主要關(guān)注的是氣體分離、集成電路、LED&OLED、傳感器等高端應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域；我國的中小企業(yè)主要關(guān)注的是觸摸屏、加熱膜、遠紅外理療產(chǎn)品等領(lǐng)域；我國的大企業(yè)如華為公司有機太陽能電池、光調(diào)制器領(lǐng)域，中芯國際在晶體管、半導體器件領(lǐng)域；京東方集團在傳感器、顯示裝置、有機電致發(fā)光器件、晶體管等石墨烯高端應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)展開布局。

2.建議

從全球和我國專利分析以及目前石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，各國的石墨烯產(chǎn)業(yè)起步時間相當?shù)覈七M速度很快，主要得益于資本的推動和政府的頂層布局。但中國系統(tǒng)性的基礎(chǔ)研發(fā)不足，缺乏后勁。應(yīng)用領(lǐng)域的專利申請多數(shù)集中在中低端產(chǎn)品的應(yīng)用上，缺乏針對高端應(yīng)用的專利申請和布局。

當前國內(nèi)對石墨烯材料的應(yīng)用，主要集中在2大領(lǐng)域：一類是將石墨烯作為添加劑應(yīng)用在已有產(chǎn)品中，用以改良和提升產(chǎn)品性能，比如添加石墨烯散熱涂層的LED燈、石墨烯暖墻、石墨烯地板、石墨烯防腐涂料、石墨烯內(nèi)暖纖維制成的服裝、石墨烯防靜電輪胎、加熱片、石墨烯動力電池等產(chǎn)品；另一類是將石墨烯薄膜用于加熱膜、智能手環(huán)、觸摸屏、遠紅外理療產(chǎn)品等。

目前我國在上述領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)取得了很好的成績。但是創(chuàng)新主體多為中小企業(yè)，高校科研院所的專利技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化程度很低，導致國內(nèi)石墨烯相關(guān)專利布局較為松散，為此，我國企業(yè)一方面要立足本土市場，積極組建產(chǎn)學研之間的專利聯(lián)盟，整合上下游資源，建立石墨烯全產(chǎn)業(yè)鏈的知識產(chǎn)權(quán)保護體系，避免國內(nèi)企業(yè)之間專利糾紛，抵御國外專利技術(shù)威脅，保護國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)；另一方面也要瞄準海外市場，加強全球?qū)＠季?，積極參與國際競爭，助力中國石墨烯產(chǎn)品走向世界。

在傳感器、晶體管、集成電路等石墨烯高端應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域需要大量資金投入，而且風險很高，美日韓等發(fā)達國家的大企業(yè)都已經(jīng)開始提前進行專利布局，為未來石墨烯高端應(yīng)用技術(shù)跑馬圈地。反觀我國，不管是高?？蒲性核€是大企業(yè)在石墨烯高端應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注都遠遠不夠。如果不改變當前情況，石墨烯產(chǎn)業(yè)在高端應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域?qū)媾R被國外大型跨國公司壟斷的局面。因此需要國家從戰(zhàn)略層面高度重視，設(shè)立石墨烯專項產(chǎn)業(yè)扶持基金，鼓勵國內(nèi)大企業(yè)與高校/科研院所之間建立長期深入的合作關(guān)系，著眼于石墨烯技術(shù)未來的國際競爭制高點，積極開展能夠引領(lǐng)未來市場的高端核心技術(shù)研究，提前進行技術(shù)儲備和專利戰(zhàn)略布局。

目前石墨烯產(chǎn)業(yè)已經(jīng)到了開展專利布局的關(guān)鍵戰(zhàn)略機遇期，需要從國家層面統(tǒng)籌規(guī)劃。一方面積極引導和扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動石墨烯材料示范應(yīng)用，構(gòu)建石墨烯應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，整體進行專利技術(shù)布局，同時加強石墨烯標準體系建設(shè)，保障我國石墨烯產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展；另一方面，加強石墨烯技術(shù)的國際知識產(chǎn)權(quán)研究，為我國石墨烯產(chǎn)業(yè)界制定國際專利布局策略提供參考，同時積極參與石墨烯國際標準研究和制定，為我國石墨烯材料產(chǎn)業(yè)界參與國際競爭提供支持。

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