石墨烯全球专利申请态势分析

赵义强，于丽娜，蒋 涛

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京100096)

0 引言

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，其独特的结构和优异的性质迅速获得科学界的青睐。这种厚度仅为0.335 nm 的碳材料具有超高的强度、优良的导电性能，是能隙为零的半导体，而且还具有良好的导热性，以及室温量子霍尔效应和室温铁磁性等特殊性质［1］。因在诸多领域展现出巨大的应用潜能，引起广泛关注，世界各国纷纷将石墨烯技术作为长期战略发展方向，以期在由石墨烯材料可能引发的新一轮产业革命中占据先机。本文选择国家知识产权局的专利检索与服务系统，在德温特世界专利索引数据库DWPI 中对世界范围内的石墨烯专利文献进行检索采集，并且还使用中国专利文献检索系统CPRS，对我国受理的石墨烯专利文献进行检索采集以作为补充。经过检索和人工筛选，共得到7 177项(以专利族计)石墨烯专利文献(截止2013 年9 月30日)。对这些专利文献进行了技术分类和详细标引，在此基础上进行了宏观统计分析，获得全球石墨烯技术的发展态势和布局情况。

1 球石墨烯技术专利申请总体情况

在全球石墨烯相关专利申请7 177 项中，在华专利申请4 547项。由于2012 ～2013 年的专利申请存在未完全公开的情况，故本文所列图表中2012 ～2013 年的相关数据不代表该年份的全部申请。

一种技术的生命周期通常由萌芽、发展、成熟、衰退几个阶段构成。通过分析一种技术的专利申请数量及专利申请人数量的年度变化趋势，可以分析该技术处于生命周期的何种阶段，进而可为研发、生产、投资等提供决策参考［2］。

从图1 可知，从2000 出现第一件石墨烯相关专利以来，石墨烯技术研究经历了13 年的发展历程，其历程大致可分为两个发展阶段。

1.1 技术萌芽期

2000 ～2007 年底，这一时期，石墨烯相关专利的申请数量较少，2000 年出现了第一项石墨烯专利。随后慢慢增多，但申请量维持在较低的水平，且专利申请年增量最大值仅仅为69项，直到2007 年专利申请量才达到122 项。图1 中对申请量不足100 项的2000 ～2006 年的申请态势做了局部放大(图1的左下部分)。

1.2 技术发展期

2008 年以后，石墨烯申请数量出现迅猛增长，以每年100项以上的速度递增;这标志着石墨烯技术进入快速发展期。2008 年申请量比上年增长了147 项，总量达到了269 项，随后的2009 年申请量比上年增长了347 项，尤其是2010 年和2011年，专利申请量比上年增长了681 项和894 项，可见全球石墨烯专利申请数量开始急剧增长，并且加速度呈快速上升趋势。2011 年申请总量达到了2 191 项。以上数据表明石墨烯相关专利技术进入快速发展的活跃期，后续将会出现更多的专利申请。

自2004 年以来，石墨烯技术不仅在理论科学上受到极大关注，并且由于其特殊的纳米结构以及优异的物理化学性能而在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域展现出具有巨大的应用潜能，引起了科学界和产业界的高度关注。世界各国纷纷将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向，以期在由石墨烯引发的新一轮产业革命中占据主动和先机。

图1 全球石墨烯专利申请趋势

同时，从图1 中申请人数量走势上可以看出，申请人数量的走势同样经历了初期较慢增长和近期快速增长两个阶段。从整体趋势上看，从2000 ～2007 年，石墨烯领域专利申请人数量持续增长，但每年进入石墨烯技术领域的新申请人保持在几十人;且专利申请数量大于申请人数量，这可能由于在技术发展初期，技术研发力量比较薄弱，技术应用前景不够明朗，多个申请人联合申请以有效降低研发和投资风险;2008 年之后，专利申请人数量出现快速增长，介入石墨烯领域研发领域的申请人以每年几百人的速度递增，表明了石墨烯研究作为当今技术研发的热点领域受到极大关注，随着石墨烯的不断深入研究，石墨烯材料制备技术的突破性进展使得石墨烯材料的应用前景更加清晰，各国的创新主体纷纷参与到石墨烯的制备技术和应用技术研究中来，并以惊人的速度进行全球目标市场布局，以期未来在石墨烯技术这片具有广阔发展前景的领地占有一席之地。

2 石墨烯专利总体分类及其申请趋势

全球石墨烯专利技术总体上分为石墨烯的制备相关技术和石墨烯应用相关技术。

在石墨烯制备相关技术方面，除石墨烯制备方法外，还包括以下与其紧密相关的技术分支:制备石墨烯的设备、石墨烯产品、以及石墨烯后处理技术。一方面，研究者积极改进石墨烯的各类制备方法，力求在制备工艺上有所突破，另一方面，也期望通过改进与各制备方法相对应设备的结构来获得更高质量、更大面积的石墨烯产品。此外，获得特定微观形态的石墨烯产品也是石墨烯技术研发的方向之一;而为了得到特定微观形态的石墨烯产品、或者具有特定性能的包含石墨烯的产品，研究者致力于将石墨烯进一步进行分散、掺杂、刻蚀等后处理，以期通过上述工艺的改进实现石墨烯的上述用途。

在石墨烯应用相关技术方面，石墨烯作为新材料主要应用在六大类领域:电子器件领域、能源领域、光电器件领域、材料领域、化学领域、生物医用领域，除此之外，还存在一小部分石墨烯材料应用于除上述六个领域之外的其他技术领域的相关技术。

图2 全球石墨烯专利申请制备相关技术与应用相关技术总体占比

全球石墨烯专利技术申请制备相关技术与应用相关技术总体占比参见图2。制备相关技术为1 865 项，占比26%，应用相关技术为5 865 项，占比81.7%。其中一项专利同时分入制备相关技术领域和应用相关技术领域的量为553 项占比7.7%。总体应用技术总量为制备相关技术总量的3 倍多。

图3 反映了对全球石墨烯专利申请制备相关技术与应用相关技术申请趋势。从图中可以看出，制备相关技术和应用相关技术的申请趋势与全球石墨烯的申请趋势整体一致，制备相关技术和应用相关技术在2007 年前申请量较小，2008 年之后一直到2011 年出现了快速的增长。

应用相关技术申请量一直大于制备相关技术的申请量。出现上述现象可能的原因是:相对于石墨烯材料的制备相关技术而言，石墨烯应用相关技术的开发的技术难度可能要小一些，并且人力、物力和财力的投入也相对较小，不需像制备相关技术那样投入昂贵的设备和检测仪器等，因此，在应用相关技术上的研发数量和专利申请数量相对较多。同时，针对石墨烯的独有特性，人们可能更急切渴望能将新材料石墨烯尽快的应用到相关领域中去，甚至可能改变我们的生活。

图3 全球石墨烯专利申请制备相关技术与应用相关技术申请趋势

3 石墨烯专利区域分布

全球石墨烯专利区域分布的研究包括对技术来源国的专利分析以及对技术目标国的专利分布态势分析。技术来源国分析反映了主要技术研发力量的分布情况，有助于了解各国家或区域的技术创新能力;而目标国分析则体现了各创新主体的全球市场布局意图。这将有助于从宏观层面了解世界范围的技术和市场变化趋势，为国家产业政策制定、行业技术方向规划、企业技术研发和布局提供帮助。

就全球石墨烯专利申请而言，经统计分析和筛选，专利申请技术来源国主要为中国、美国、韩国和日本，目标市场排名前6 位的分别是中国、美国、WO、韩国、日本和欧洲。

3.1 石墨烯专利技术来源国分析

从图4 石墨烯专利技术来源国区域分布中可以看出，专利申请技术来源国主要为中国、美国、韩国和日本。中国(包括台湾地区)有4 009 项石墨烯相关专利，申请数量位居全球第一，占全球石墨烯相关专利总量的55.6%，;以下分别为美国、韩国和日本，申请数量分别占比19.1%、12.9%、以及6.9%。从中明显可以看出中美韩日为石墨烯技术的主要来源国，该四国的专利产出量占全球的94%以上。石墨烯技术来源国前四名中没有出现欧洲专利局EP 的专利，技术来源为欧洲专利局的石墨烯专利仅仅为100 项左右，与以上四国相比少很多。综合欧洲其他各国的情况来看，在石墨烯技术研发和应用上欧洲起步早，但发展速度较慢，而中美韩日相比有较强的技术力量集中在该新兴领域。

作为全球石墨烯专利主要技术来源国，中国、美国、韩国、日本四国具体的年度申请趋势和占比如下图5 所示。

分析图5 石墨烯专利主要技术来源国申请趋势及其占比分析数据可知。

1)日本、美国开始石墨烯专利申请年代较早，技术起步明显早于中国和韩国。日本和美国分别在2000、2001 年出现了第一件石墨烯技术相关申请;而中国和韩国在2007 年才出现。

2)中国自介入石墨烯技术领域后，专利申请强势崛起。中国从2007 年出现第一件石墨烯专利后，经过2 年的技术发展酝酿，2009 年后出现专利申请爆发式增长，2010 年起中国石墨烯相关专利申请数量开始远超出其他国家，到2011 年申请数量甚至超过了美、韩、日三国申请量的总和。

3)美国和韩国近年申请态势趋同，均表现出稳健快速增长的态势。

4)日本专利申请数量以及增长速度明显落后于中、美、韩，与上述三国相比技术研发整体投入相对较低。

图4 石墨烯专利技术来源国区域分布

图5 石墨烯专利主要技术来源国-申请趋势及其占比分析图

3.2 石墨烯专利技术流向分析

图6 采用雷达图的形式，直观的展示出了四大技术来源国中国、美国、韩国、日本在其他5 局中的目标市场布局具体状况，体现了各主要技术来源国的技术流向。

图6 石墨烯专利技术主要技术来源国目标市场布局图

从技术输出的目标国分析:

与技术目标国的分析结果相吻合，中、韩、日均将美国作为最重要的海外技术目标国，特别是韩国申请人对美国市场的兴趣浓厚，在美国的专利数量远远超过在其他国家在美的专利布局数量。分析其原因，在于韩国国内市场相对来说无论是地域上还是人口数量都比较小，其研发处于领先地位的石墨烯电子领域技术，必然会寻找国际上的大市场，如电子技术研发实力雄厚、市场成熟且容量大、蕴藏巨大商机的美国市场等。

3.2.1 从技术输出的数量上分析

1)美国最为重视在全球市场的专利布局，为向外国技术输出的第一大国。美国向欧洲专利局输出212 项，向WO、KR、JP、CN 分别输出了 765、102、151、288 项，总和达到了 1 518 项。其数量之多相当于韩、日、中海外布局数量的总和。这与美国一贯重视拓展海外市场、在石墨烯研究重点技术领域具备很强的研发实力、注重海外市场知识产权保护等多方面因素有关。

2)日、韩重视在国外的专利布局。日本共有510 项石墨烯相关专利在海外进行了布局;韩国共有758 项石墨烯相关专利在海外进行了布局。除了将美国最为最主要的输出国外，日本和韩国均有大量专利通过WO 向全球进行布局;日本向韩国输出51 项、韩国向日本输出84 项，相比较而言韩国比日本更重视向对方进行专利输出。

3)中国向国外技术输出落后于美、韩、日，海外布局相对薄弱。中国虽然为石墨烯技术领域全球第一技术来源大国(4 009项)，但其向其他5 局布局的专利相对于其他产出大国是最小的，远落后于美、韩，甚至低于申请量远小于中国的日本，其中向EP、WO、KR、JP 输出的的数量均不足百项，而向US输出数量最高才仅仅105 项。这一方面反映了国内创新主体在海外知识产权保护意识和保护力度亟需加强;另一方面也反映了中国石墨烯专利申请的质量与美、韩仍存在差距，在核心技术研发、抢占技术制高点的道路上还有很长的路要走。

3.2.2 从技术输出渠道上分析

各国均重视以PCT 进行石墨烯技术的专利申请，尤以美国最为突出。美国有765 项石墨烯技术的PCT 申请，韩国171项、日本153 项，这些申请进入目标国后将进一步加强上述三国在海外市场的技术布局。而中国通过PCT 途径的申请有86项，同样为中国进行海外知识产权保护的主要途径。

3.3 技术目标国分析

从图7 石墨烯专利技术目标国区域分布中可以看出，技术目标国主要集中在中国、美国、韩国、日本和欧洲。其中中国为最大的技术目标国，其次为美国、韩国及日本。

图7 石墨烯专利技术目标国区域占比分析

由于通常专利申请人倾向于首先在本国获得专利保护，因而本国申请的数量将显著影响各技术目标国的专利布局。为了更加客观反应全球市场布局趋势，我们研究了中、美、韩、日、欧五个目标市场排除了本国/本地区申请后，来自国外申请的数量和布局情况。

表1 石墨烯专利技术主要目标国/地区申请数量与国外申请占比

如表1 所示，分析石墨烯专利技术主要目标国/地区申请数量与国外申请占比可知。

1)美国和中国是全球各国争相布局的重要目标市场国。从专利布局数量来看，进入美国的国外申请数量最多，其次为中国、欧洲、日本和韩国。美国汇集了当今的先进技术，具有良好的投资融资环境，其强大的经济实力吸引全球其他各国在美国进行专利布局。而中国的巨大市场潜力则为各国技术研发和投资者所看好。

2)各国重视在欧洲和日本市场的专利布局。虽然欧洲国家以及日本作为技术来源国专利申请量并不占优势，但国外在欧洲和日本布局专利数量分别位居全球第三位和第四位，表明其他欧洲各国以外的其他国家同样关注石墨烯技术在欧洲市场和日本市场的应用前景，并进行相当的投入以保证在未来技术的竞争中在全球市场的控制力。

3)韩国以技术输出为主，并非市场布局热点区域。韩国自开始出现石墨烯技术以来，以其独有的技术优势迅速崛起，与美国并驾齐驱，成为继中国、美国之后的第三大技术来源国;但由于其客观经济和市场条件的限制，相对于美中日欧四国地区来说并非技术目标市场热点区域。

4 结语

通过本文的分析，可以看出:石墨烯专利申请最早出现于2000 年，之后几年申请量一直处于较低水平。2008 年后，随着石墨烯制备和应用技术的蓬勃发展，申请量进入快速增长阶段，截止到2013 年9 月30 日，全球申请总量达到7 177 项。日本、美国较早提出专利申请，韩国、中国相对较晚，但从2007 年中国提出首件申请后，中国申请量迅速增长，2010 年起申请量大大超过其他国家，申请总量达到4 009 项，占全球申请总量的55.6%，成为石墨烯技术创新最活跃的地区。美国、韩国和日本近年申请量稳健增长，总量分列第二至四名。总之，全球石墨烯技术快速发展，从申请趋势来看，我国后来居上，申请量超越美国、韩国和日本。希望在专利分析、专利导航的数据支持基础上，加强石墨烯行业的引导和布局，实现我国石墨烯技术的突破和真正的产业化应用。

［1］刘欣欣. 石墨烯的研究进展［J］. 材料导报，2011，25(12):92 -97.

［2］陈燕.专利信息采集与分析［M］.北京:清华大学出版社，2006.