基于全球专利信息的石墨烯技术发展多重维度分析＊

黄宝中，高 扬，贺文爱，黄日昆

（广西大学高校国家知识产权信息服务中心，广西 南宁 530004）

石墨烯是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。由于石墨烯具有这些独特的优异性能，使其在半导体、柔性电子、传感器、能量存储与转换、复合材料、生物医药、环保以及热管理等领域具有广泛的应用前景。近年来，石墨烯技术成为全球热点技术之一，受到各国研发人员的高度关注和深度参与，技术成长较为快速。本文专利数据来源于Innography 专利检索分析平台。

1 全球石墨烯技术发展趋势

1.1 全球石墨烯技术发展历程分析

一般认为第一个石墨烯专利申请于1994 年。从石墨烯专利申请量的增长特征来看，全球石墨烯技术发展经历了3个阶段：①第一阶段为1994—2006 年，石墨烯专利申请量较少，每年新增专利申请不超过20 件，且专利申请量波动较明显，年均增长率为23.34%，在技术上表现为石墨烯技术涉及技术领域窄且技术成长波动明显；②第二阶段为2007—2012 年，石墨烯专利申请量突破100 件且保持高速增长的态势，2012 年达到4 294 件，年均增长达到102.65%，在技术上表现为石墨烯技术迅猛发展，新技术不断涌现，涉及技术领域迅速扩展；③第三阶段为2013—2018 年，石墨烯专利申请量较大，每年新申请专利数量明显高于第二阶段，但专利申请量增长率与第二阶段相比有明显回落，年均增长率为26.51%，在技术上表现为石墨烯技术快速成长，在技术领域的广度和深度上均有明显进展。截至检索日，2019年石墨烯专利申请量为5 742 件（专利从申请到公示有一定时限，Innography 中的2019 年申请量比实际低，所以本文进行相关分析时不考虑2019 年数据），如图1 所示。

1.2 石墨烯技术生命周期发展阶段分析

通过专利技术生命周期分析，可了解相关技术发展的现状和所处发展的阶段，推测其未来的发展方向和趋势。一般将技术的生命周期分为4 个阶段，即技术萌芽期、技术成长期、技术成熟期、技术衰退期。

图1 1994—2019 年全球石墨烯专利申请量变化趋势

在技术萌芽阶段，参与专利技术研发的人员较少，专利数量不多，研发的技术领域较窄；在技术成长阶段，研发投资主体明显增多，参与专利技术研发的人员不断增加，专利数量加速增长，技术呈现快速成长的态势；在技术成熟阶段，由于难以有新的较大技术突破，投资主体对相关技术研发投入的热情逐步减退，参与专利技术研发的人员逐步减少，专利数量增长趋于平缓，每年保持基本相当的数量，技术成长较为缓慢；在技术衰退阶段，参与专利技术研发的人员和专利数量双双呈现负增长，各投资主体逐步退出相关技术研发，相关专利技术几乎不再增加。

可以采用专利数量测算法、图示法、TCT 计算法等方法进行专利技术生命周期分析，本文采用图示法分析。图示法分析用相同时间序列的专利申请人数量作为横坐标，专利数量作为纵坐标绘制曲线图，曲线上的每一点对应着相应的年份，此方法绘制完整的技术生命周期，如图2 所示。

从技术生命周期四个阶段的划分标准比对图3 所示的全球石墨烯技术专利信息，可以认定1994—2006 年为石墨烯专利技术的萌芽阶段，而2007 年至今为石墨烯专利技术的成长阶段，表现为研发投资主体明显增多，参与专利技术研发的人员不断增加，专利申请机构数量大幅增加，专利数量快速增长，技术呈现快速成长的态势。说明目前无论是石墨烯技术还是石墨烯产业均处于蓬勃发展阶段。

图 2 图示法技术生命周期图

图3 1994—2018 年石墨烯技术生命周期图

2 全球石墨烯热点技术

热点技术是指在一定时期内某一技术领域或某一技术受到众多创新主体的重点关注，集中了相当多科技人员参与研究开发，产生了较多的创新性技术成果。通常可以采用专利分类号频次排序法和主题词频次排序法进行分析，频次越高代表热度越高，本文采用后一种方法进行分析。

利用Innography 基于全球石墨烯专利文献中标题和摘要进行主题词聚类分析，结果如图4 所示，每一格有唯一的主题词，每一主题词对应一个技术领域。饼图内环代表石墨烯一级技术领域，外环代表二级技术领域，每格大小代表专利申请量的大小，专利申请量越大，主题词对应的技术领域热度越高。

图4 全球石墨烯热点专利技术主题词聚类分析图

显然，全球石墨烯一级技术领域中，“preparation method（制备方法）”“graphene oxide（氧化石墨烯）”“raw maerial（原材料）”3 个技术领域专利申请量最多，分别为26 177件、11 952 件、10 412 件，说明石墨烯一级技术领域中此3个技术领域热度最高，此外“electrode material（电极材料）”和“graphene lay（石墨烯层）”技术领域专利申请量分别达到2 956 件、2 486 件。在二级技术领域中，“follwing steps（制备中的跟踪步骤方法）”“composite material（复合材料）”“manufacturing method（制造方法）”3 个技术领域专利申请量相对较多，分别为10 412 件、7 867 件、3 861件，说明石墨烯二级技术领域中此3 个技术领域热度最高。此外， “lithium ion（锂离子）”“preparation process（制备工艺）”“deionized water（去离子水）”“carbon nanotubes（碳纳米管）”“lithium ion battery（锂离子电池）”“graphene film（石墨烯薄膜）”技术领域专利申请量分别为3 075 件、2 689 件、2 639 件、2 569 件、2 440 件、2 167 件。

3 各国和地区石墨烯技术竞争力比较

3.1 主要国家和地区专利申请量比较分析

1994—2019 年，中国、韩国、美国、日本、中国台湾、德国、英国、法国、俄罗斯、西班牙、印度、加拿大12 个国家和地区的发明人申请的石墨烯专利较多，合计为74 493件，占总量的96.83%，其中中国申请量达到5 3043 件，占总量的69.95%；韩国、美国、日本、中国台湾申请量均超过 1 000 件，分别为 8 892 件、5 789 件、2 369 件、1 534 件，占总量的比例分别为11.56%、7.52%、3.08%、1.99%；此外，德国、英国、法国、俄罗斯、西班牙、印度、加拿大申请量在234～783 件之间，占总量的比例为0.30%～1.02%，具体如图5 所示。

图5 1994—2019 年主要国家和地区发明人石墨烯专利申请量结构图

3.2 主要国家和地区专利强度比较分析

Innography 专利强度可用于衡量某一专利的潜在价值。Innography 在计算专利强度时考虑了专利权利要求、引证、所属行业、诉讼和法律保护状态以及经济数据等因素。全球申请石墨烯专利前5 名国家和地区的专利强度分布如图6 所示，其中中国石墨烯技术的专利强度有超过50%的在0～10之间，达到69.12%，除在专利强度60～70 之间的占比高于其他国家外，其他专利强度的区间的占比都低于其他国家；韩国、日本、中国台湾在专利强度各区间的占比依次递减；而美国石墨烯全部专利技术的专利强度在0～10 之间的仅有6.48%，在区间10～20、20～30、30～40 占比分别为15.56%、16.41%、11.82%，在专利强度较高区间40～50、50～60、60～70、70～80 的占比遥遥领先，均高于其他国家，分别为9.62%、9.78%、10.36%、8.17%，特别是在专利强度高区间80～90、90～100 之间占比为6.31%、5.49%，分别是中国的28.68 倍、274.5 倍。相对于其他国家和地区，中国发明人申请专利的专利强度绝大多数在低专利强度区间，说明中国石墨烯专利质量偏低，专利价值不高，影响力不大，需要从关注专利数量转变到切实重视专利质量的轨道上来。

图6 主要国家和地区发明人申请专利的专利强度分布

4 全球石墨烯技术主要研发机构

4.1 主要研发机构专利申请量分析

1994 年以来，全球共有超过15 153 家机构申请了76 931件石墨烯专利。其中申请量最大的50 家机构共申请了13 887件专利，占总量的18.5%，每一家申请机构的专利申请量都超过了100 件，申请量最大的是中国科学院，共申请专利1 876 件，占这50 家机构总量的13.3%；排名第二的是韩国三星电子有限公司，数量为695 件，占这50 家机构总量的5.2%；第三到第八名都是中国的研究机构，分别是浙江大学、清华大学、深圳海洋王照明科技有限公司、哈尔滨工业大学、江苏大学、东南大学；第九名是韩国另一家科研机构即韩国科学技术高级研究所。

4.2 主要研究机构地区分布分析

申请量最多的50 家研究机构中有37 家是中国大陆的研究机构，占比74%；1 家为中国台湾地区，占比2%。12 家国外研究机构中，韩国8 家，占比16%；美国2 家，占比4%；加拿大和日本各1 家，均各占比2%，具体如图7 所示。

5 小结

1994 年以来，全球石墨烯技术发展经历了3 个阶段，专利申请量增长总体呈现逐年增加的态势。目前，全球石墨烯技术发展仍处于技术成长期，但全球石墨烯专利量增长速度近年有所趋缓，石墨烯技术成长步伐逐步减慢。而从主题词聚类法分析结果看，全球石墨烯技术研究热点主要集中于“preparation method（制备方法）”“graphene oxide（氧化石墨烯）”“raw maerial（原材料）”等技术领域。从全球专利信息看，美国和日本研究石墨烯技术较早，而中国石墨烯专利申请量最多，美国机构石墨烯专利价值总体最高。全球石墨烯专利申请量最多的50 家机构中，中国机构数量最多，达到37 家，占74%。

图7 全球石墨烯技术前50 位机构按地区分布