周青超，沈錫田

(1.滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 珠寶學(xué)院，云南 騰沖 679100；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 珠寶學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析

金剛石是世界上已知最硬的物質(zhì)。金剛石包括天然金剛石和人造金剛石，如圖1所示，人造金剛石因其優(yōu)異的熱、電、力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體及電子器件、切削與鉆探材料、光學(xué)材料以及珠寶首飾材料[1-5]。從專利檢索數(shù)據(jù)來(lái)看(圖2)，人造金剛石最大的應(yīng)用領(lǐng)域是半導(dǎo)體器件(H01L)，其次是切-磨-拋傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域(B24B)，再到精密器件的金剛石表面鍍覆(C23C)、土層或巖石的鉆進(jìn)(E21B)、石頭或類似石頭的材料加工(B28D)、車削與鏜削(B23B)。H01L等數(shù)字符號(hào)是國(guó)際專利分類表(IPC分類)中某技術(shù)領(lǐng)域的代號(hào)，采用這一分類方法方便對(duì)全球范圍內(nèi)的專利申請(qǐng)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)和分析。

圖1 人造金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域[6]Fig.1 Application field of synthetic diamond

21世紀(jì)初以來(lái)，隨著我國(guó)在設(shè)備、技術(shù)、原料合成領(lǐng)域的突破，國(guó)內(nèi)人造金剛石產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)，目前我國(guó)人造金剛石的產(chǎn)量已占據(jù)全球總產(chǎn)量90%以上。近年來(lái)，由于高溫高壓合成技術(shù)的突破，越來(lái)越多的高溫高壓法寶石級(jí)培育金剛石走向了珠寶飾品領(lǐng)域(只有顏色、凈度、質(zhì)量等達(dá)到一定技術(shù)要求的人造金剛石，才能稱為“寶石級(jí)培育金剛石”)。包括天然鉆石巨頭戴比爾斯(DeBeers)也在2018年加入培育鉆石行業(yè)[7]。2019年10月，中南鉆石總投資逾兩億元的寶石級(jí)培育金剛石生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目按正常流程將在2022年投產(chǎn)，目前實(shí)際建設(shè)進(jìn)度大大超前。從圖2中也可以看出，除了傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域之外，金剛石專利技術(shù)布局的一個(gè)大方向就是合成技術(shù)，其中分類號(hào)C30B偏向化學(xué)氣相沉積(CVD)合成法、分類號(hào)C01B、B01J偏向高溫高壓合成法。

圖2 以“金剛石”和“鉆石”為關(guān)鍵詞檢索的專利技術(shù)分布Fig.2 The distribution of patents searched with "diamond" and "jewel" as keywords

從一定程度上說(shuō)，透過(guò)專利技術(shù)文件可以分析行業(yè)內(nèi)的前沿技術(shù)，無(wú)論是科學(xué)界還是工業(yè)界，一項(xiàng)新技術(shù)從誕生到消費(fèi)者觸手可及的產(chǎn)品，往往需要漫長(zhǎng)的研發(fā)周期，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，要想最快速的了解行業(yè)內(nèi)的研發(fā)動(dòng)態(tài)以及熱門(mén)領(lǐng)域方向，專利技術(shù)分析無(wú)疑是最好的辦法。例如，人們通過(guò)分析蘋(píng)果公司申請(qǐng)的專利就可以預(yù)見(jiàn)其下一代產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)外觀以及新的功能等。本文主要從人造金剛石專利申請(qǐng)年度趨勢(shì)、申請(qǐng)人國(guó)家/地區(qū)、申請(qǐng)目標(biāo)國(guó)家/地區(qū)、主要技術(shù)分布及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)等維度進(jìn)行分析，從而比較全面地闡述全球范圍內(nèi)人造金剛石行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文的專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)來(lái)源于incopat，截至2021年9月12日，共檢索到15355件，其中有效專利6857件。由于人造金剛石的別名比較多，為了保證專利檢索盡可能完整，本文檢索的關(guān)鍵詞包括了培育鉆石、培育金剛石、單晶金剛石、合成金剛石、合成鉆石、人造鉆石、人造金剛石。

2 專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)分析

本文首先對(duì)人造金剛石行業(yè)在全球范圍內(nèi)的年度專利申請(qǐng)、申請(qǐng)人國(guó)別、主要國(guó)家或地區(qū)、技術(shù)分布和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對(duì)相關(guān)態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析從而洞悉人造金剛石行業(yè)的專利國(guó)際環(huán)境。

(1)全球?qū)＠暾?qǐng)年度趨勢(shì)分析

對(duì)專利申請(qǐng)的年份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到基于年的專利申請(qǐng)與公開(kāi)趨勢(shì)，在一定程度上可以反映出該行業(yè)的整體專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)。專利公開(kāi)和專利申請(qǐng)相比有一定滯后，一般發(fā)明專利在申請(qǐng)后3～18個(gè)月公開(kāi)，實(shí)用新型專利和外觀設(shè)計(jì)專利在申請(qǐng)后1～15個(gè)月公開(kāi)。

人造金剛石的起源可以追溯到上世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)天然金剛石極其稀有且特別珍貴，市場(chǎng)需求還在不斷擴(kuò)大，人們希望可以開(kāi)發(fā)出人工合成金剛石的方法。1953年，美國(guó)通用電氣(GE)公司的Bundy等[8]研制出了年輪式兩面頂超高壓裝置，并于1954年采用該兩面頂壓機(jī)，以石墨為原料，以金屬Ni作為觸媒(催化劑)成功合成出了金剛石。如圖3所示，全球人造金剛石專利申請(qǐng)從1953年到1985年呈初步穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，該時(shí)期是技術(shù)的萌芽期，專利申請(qǐng)的總量較少；從1986年到1992年，眾多企業(yè)發(fā)現(xiàn)該技術(shù)存在巨大商業(yè)前景，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始關(guān)注該領(lǐng)域，雖然產(chǎn)業(yè)仍不成熟，但專利申請(qǐng)數(shù)量增長(zhǎng)迅速，涌入的企業(yè)也越來(lái)越多，導(dǎo)致專利申請(qǐng)人的數(shù)量也迅速增長(zhǎng)。成熟期是1992年到2001年，這一階段屬于金剛石材料全球格局的調(diào)整期，表現(xiàn)為專利申請(qǐng)量增速的放緩。爆發(fā)期是2002年以后，各大人造金剛石企業(yè)均大力在金剛石的CVD合成技術(shù)、高溫高壓合成技術(shù)方向進(jìn)行專利布局，導(dǎo)致了從2002年之后全球人造金剛石專利的申請(qǐng)量呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)。2020年以后的專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)大幅降低是由于專利公開(kāi)的滯后性造成的。

圖3 全球人造金剛石產(chǎn)業(yè)專利申請(qǐng)趨勢(shì)情況Fig.3 Patent application trends in the global synthetic diamond industry

(2)全球?qū)＠暾?qǐng)人國(guó)別分析

我們以6857件有效專利為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，因?yàn)閷＠加幸欢ǖ谋Ｗo(hù)期限，其中發(fā)明專利的保護(hù)期限最長(zhǎng)，為20年。關(guān)于人造金剛石技術(shù)的專利申請(qǐng)，目前無(wú)效的專利超過(guò)了50%。對(duì)人造金剛石領(lǐng)域的有效專利申請(qǐng)人國(guó)別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得到圖4。

圖4 人造金剛石領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)人所在國(guó)家分析Fig.4 Analysis of countries of patent applicant in the field of synthetic diamond

如圖4所示，就有效專利數(shù)據(jù)來(lái)看，目前中國(guó)專利申請(qǐng)總數(shù)占全球?qū)＠暾?qǐng)35%左右，在數(shù)量上是美國(guó)的2倍多，日本的4倍多，在總量上占有顯著優(yōu)勢(shì)。專利的地域分布能夠從一定程度上反映該地域市場(chǎng)的現(xiàn)有規(guī)模以及未來(lái)的市場(chǎng)期待。專利布局越多的地域，一定程度上說(shuō)明了專利申請(qǐng)人重視這一地域的產(chǎn)品或技術(shù)市場(chǎng)，專利申請(qǐng)人有意在這一地域開(kāi)拓相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)的市場(chǎng)?？梢?jiàn)，人造金剛石技術(shù)在世界上重要的國(guó)家和地區(qū)均擁有市場(chǎng)潛力。

通過(guò)對(duì)比分析，可以掌握人造金剛石領(lǐng)域重要技術(shù)方向在全球范圍內(nèi)的主要技術(shù)分布。圖5展示了有效專利數(shù)前7位的國(guó)家或地區(qū)的專利技術(shù)布局方向，從圖中可以看出，單晶生長(zhǎng)(C30B)是所有國(guó)家或地區(qū)都在大力布局的方向，其次便是人造金剛石的各大應(yīng)用領(lǐng)域。由于近年來(lái)以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的信息化技術(shù)領(lǐng)域研究以及技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，推動(dòng)了人造金剛石材料研究以及應(yīng)用的不斷開(kāi)拓。

圖5 人造金剛石技術(shù)各方向在不同國(guó)家或地區(qū)的數(shù)量分布情況Fig.5 The quantity distribution of various synthetic diamond technologies in different countries or regions

圖6展示的是排名前10的各個(gè)國(guó)家或地區(qū)專利公開(kāi)量的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)該分析可以了解各個(gè)國(guó)家專利文獻(xiàn)的時(shí)間分布，掌握各國(guó)在不同時(shí)期的的技術(shù)公開(kāi)和技術(shù)儲(chǔ)備情況，以及各個(gè)國(guó)家的技術(shù)實(shí)力對(duì)比情況。從圖中可以看出，中國(guó)在人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域雖然起步較晚，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始發(fā)力，但是經(jīng)歷了20年左右的發(fā)展，從2000年開(kāi)始，中國(guó)的人造金剛石技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展，專利申請(qǐng)數(shù)量呈井噴式增長(zhǎng)，在世界范圍遙遙領(lǐng)先。

圖6 人造金剛石專利在各個(gè)國(guó)家或地區(qū)公開(kāi)的趨勢(shì)Fig.6 The trend of synthetic diamond patent disclosure in various countries or regions

(3)各技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠墓πХ治?/p>

圖7展示的是人造金剛石各技術(shù)領(lǐng)域不同功效的專利的數(shù)量分布情況，有助于了解各類技術(shù)的主要應(yīng)用特征，從而對(duì)人造金剛石的研發(fā)路線進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整。以人造金剛石的合成技術(shù)(C30B、B01J)為例，主要解決的技術(shù)問(wèn)題包括：合成效率的提升，合成裝置復(fù)雜性的降低，合成成本的降低，合成技術(shù)穩(wěn)定性的提高，合成金剛石質(zhì)量的提升，以及合成金剛石均勻性的提高。其中，降低成本是所有技術(shù)問(wèn)題中關(guān)注度最高的。

圖7 各技術(shù)領(lǐng)域不同功效的專利的數(shù)量分布情況Fig.7 The quantity distribution of the patents with different functions in each technical field

(4)全球?qū)＠暾?qǐng)人排名

對(duì)人造金剛石技術(shù)的主要申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以基于申請(qǐng)人維度對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)的專利申請(qǐng)情況進(jìn)行分析，找出人造金剛石領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，發(fā)現(xiàn)領(lǐng)先企業(yè)的專利布局方向，以及重點(diǎn)專利情況。如圖8所示，人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域的主要申請(qǐng)人有英國(guó)的元素六公司(element six)、日本的住友電氣公司(Sumitomo electric)、中國(guó)的鄭州人造金剛石及制品工程技術(shù)研究中心有限公司、美國(guó)的鉆石創(chuàng)新(Diamond innovation)等。其中元素六公司成立的子公司較多，每個(gè)子公司均有人造金剛石的專利布局，從檢索數(shù)據(jù)來(lái)看，不同子公司之間的專利布局沒(méi)有明顯的技術(shù)偏向。在前面的分析中我們已經(jīng)提到，中國(guó)作為目前人造金剛石的生產(chǎn)大國(guó)，在人造金剛石領(lǐng)域的專利申請(qǐng)也遙遙領(lǐng)先，這意味著人造金剛石在中國(guó)市場(chǎng)的活躍度非常高，元素六在中國(guó)也成立了子公司，并布局了很多的專利。

圖8 人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域主要申請(qǐng)人排名Fig.8 Ranking of major applicants in the field of synthetic diamond technology

3 專利布局情況分析

將人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域主要申請(qǐng)人的技術(shù)方向進(jìn)行了專利3D沙盤(pán)分析，得到了圖9中的技術(shù)分布區(qū)域圖，從圖中可以看出，英國(guó)的元素六公司、日本的住友集團(tuán)以及美國(guó)的鉆石創(chuàng)新公司都把自己的專利主要布局在了金剛石生長(zhǎng)中的微波等離子體化學(xué)氣相沉積法，中國(guó)企業(yè)的專利布局方向主要是采用六面頂壓機(jī)進(jìn)行金剛石合成以及金剛石磨料顆粒，在這兩個(gè)領(lǐng)域基本形成了一家獨(dú)大的格局，其它申請(qǐng)人在這兩個(gè)技術(shù)方向的專利布局?jǐn)?shù)量很少。在人造金剛石其它的應(yīng)用方向，各國(guó)專利申請(qǐng)人均有涉及，沒(méi)有哪個(gè)申請(qǐng)人表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。化學(xué)氣相沉積法(CVD)和高溫高壓法是目前人造金剛石的兩種主流合成方法[9-13]。

圖9 各國(guó)在人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域的專利布局情況Fig.9 Patent distribution of various countries in the field of synthetic diamond technology

CVD法具有如下優(yōu)勢(shì)：合成的金剛石純度高，理想情況下CVD合成金剛石的尺寸更容易做大，CVD合成金剛石容易與半導(dǎo)體晶圓集成等。CVD合成金剛石按粒度分為超納米晶(<10nm)、納米晶(<50nm)、微米晶(<500μm)和單晶金剛石。晶粒大小取決于合成條件、襯底和層厚。厚度超過(guò)大約50μm的膜層可從載體襯底上去除，留下自支撐塊狀CVD金剛石材料。對(duì)CVD合成金剛石的專利申請(qǐng)量按年份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖10所示。對(duì)上圖進(jìn)行分析可知，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，日本在CVD合成金剛石領(lǐng)域布局了大量的專利。早在20世紀(jì)70年代，原蘇聯(lián)就開(kāi)始了金剛石薄膜的研究工作，開(kāi)發(fā)出了化學(xué)氣相沉積法。日本于80年代初，借鑒原蘇聯(lián)的技術(shù)，開(kāi)發(fā)出微波CVD法，美國(guó)從1984年投入力量，開(kāi)始追趕。從1987年掀起了世界范圍的金剛石薄膜熱，西方國(guó)家把當(dāng)今世界稱為新金剛石時(shí)代。中國(guó)在CVD合成金剛石方面的技術(shù)起步晚，相比于日本、美國(guó)和英國(guó)，在專利申請(qǐng)初期的專利數(shù)量很少，但是從2016年開(kāi)始，中國(guó)在CVD合成金剛石方面的專利申請(qǐng)數(shù)量開(kāi)始處于全球領(lǐng)先地位(圖10)，相信在未來(lái)幾年內(nèi)仍然將會(huì)處于領(lǐng)先地位，CVD合成金剛石在市場(chǎng)上的占有率應(yīng)該也會(huì)大幅增長(zhǎng)。

圖10 CVD法合成金剛石專利申請(qǐng)趨勢(shì)Fig.10 Trend of patent application for synthetic diamonds by CVD method

在人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域，一開(kāi)始絕大多數(shù)的人造金剛石單晶都是使用高溫高壓法制造的。目前高溫高壓法合成技術(shù)在工業(yè)上依然應(yīng)用廣泛，其最大優(yōu)點(diǎn)是制造工藝較簡(jiǎn)單，金剛石的生長(zhǎng)速度快，通常在10～20分鐘內(nèi)就能合成出1 mm以下的金剛石單晶，從而滿足各種工業(yè)需要。隨著生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在通過(guò)控制成核可以生長(zhǎng)出粒徑達(dá)2 mm的金剛石。對(duì)高溫高壓法合成金剛石專利申請(qǐng)按年份和國(guó)別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖11所示。

圖11 高溫高壓法合成金剛石專利申請(qǐng)趨勢(shì)Fig.11 Trend of patent application for synthetic diamonds by HPHT method

對(duì)上圖進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)，高溫高壓法合成金剛石的專利申請(qǐng)基本都在中國(guó)，從前面的專利布局沙盤(pán)圖中也得出了同樣的結(jié)論。中國(guó)科研人員經(jīng)過(guò)了將近40年的時(shí)間，在裝備(壓機(jī)大型化)、原材料(石墨和合金觸媒的成分和含氧量、合成快的組裝結(jié)構(gòu))、合成工藝(高壓高溫的控制方式)等3個(gè)最基本、最重要的方面都取得了全方位的長(zhǎng)足進(jìn)步，開(kāi)發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的六面頂壓機(jī)及對(duì)應(yīng)的人造金剛石的合成技術(shù)，目前占據(jù)世界產(chǎn)量90%的中國(guó)人造金剛石基本都來(lái)自于高溫高壓法。2019年10月，中南鉆石年產(chǎn)12萬(wàn)克拉寶石級(jí)培育金剛石產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目按正常流程將在2022年投產(chǎn)，目前實(shí)際建設(shè)進(jìn)度大大超前。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)從人造金剛石專利技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，人造金剛石領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，一方面在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用還在不斷擴(kuò)展出新，另一方面隨著近年來(lái)人造金剛石單晶尺寸和品質(zhì)的不斷提升，在珠寶首飾行業(yè)中的應(yīng)用正在急速升溫。目前該領(lǐng)域正處于技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)期，各大人造金剛石企業(yè)可以在除合成技術(shù)這一核心方向之外開(kāi)展研發(fā)，布局更多領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)方案，形成跨行業(yè)、跨技術(shù)領(lǐng)域的橫向?qū)＠季帧?/p>

(2)從人造金剛石專利布局的角度來(lái)看，中國(guó)在高溫高壓法合成金剛石領(lǐng)域的技術(shù)布局已基本完善，但仍可以在制造設(shè)備、產(chǎn)品形態(tài)上布局更為易于取證的專利，在CVD合成技術(shù)方面也應(yīng)該持續(xù)發(fā)力，借助中國(guó)在產(chǎn)業(yè)鏈上的優(yōu)勢(shì)，早日突破CVD合成技術(shù)上的國(guó)外專利壁壘。

(3)從地域布局的角度來(lái)看，中國(guó)企業(yè)可以加大海外布局力度，尤其是日本、美國(guó)和英國(guó)等人造金剛石領(lǐng)域龍頭企業(yè)所在地的布局。