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科学-技术-产业关联视角下石墨烯发展国际比较——基于专利的计量研究

2019-04-20张春博

中国科技论坛 2019年4期
关键词:时滞分类号石墨

彭 帅,张春博,杨 阳,丁 堃

(大连理工大学科学学与科技管理研究所,辽宁 大连 116024)

0 引言

石墨烯由于具备特有的物质性能,具有极大的产业化价值,因而得到各国研发界的重视。欧盟及其成员国在欧盟第七框架计划 (FP7)及其接续的 “地平线2020”计划、欧盟研究理事会(ERC)、欧洲科学基金会(ESF)等都部署了相关研究项目,美国、日本、韩国等国,也在其各类研究计划中资助石墨烯技术的研发[1]。我国在国家自然科学基金、973等一些相关的研发计划中资助了石墨烯的研发,在 《 “十三五”国家科技创新规划》中,也将石墨烯作为着力发展的先进功能材料和引领产业变革的颠覆性技术大力发展。

石墨烯从发现至今,作为纳米这一科学和技术交叉融合特征鲜明、产业化前景被普遍认可的前沿领域,受到广泛的重视。特别是从科学-技术-产业互动的视角来看,石墨烯经历了怎样的发展历程和竞争态势,一直受到学者们的关注。李牧南等人基于专利数据,借助TRIZ方法,分析和识别了石墨烯的技术创新演化阶段[2];孙晓玲等则以石墨烯领域为例,探索科学与技术关系中起关键作用的科学知识基因和技术知识基因[3];黄鲁成等通过专利引用和文本挖掘的方法,研究石墨烯的施引专利和被引专利,探索技术知识扩散的特征[4];张鹏等强调科学在产业发展中的特殊作用,提出了基于科学的产业及其发展的一般模式[5];Liu等人分析了石墨烯应用在锂电池行业的专利,发现我国在申请数量上已经处于世界领导地位,但产业化程度较低[6];胡光元等对中美两国的石墨烯研究的异同点进行了对比分析,对我国石墨烯产业的发展具有指导意义[7]。这些研究为揭示石墨烯的知识演化特征,推动基础研究向应用研究乃至实现产业化应用,结合我国科技及产业发展实际,制定有效的科技及产业政策具有重要意义。为此本文根据科学-技术-产业互动的基本原理,以科学论文文献表征科学成果,专利文献表征技术成果,主要运用专利引用论文、专利引文分析方法,构建科学-技术关联和技术扩散指标体系,揭示中、美、英、德、法、日、韩及中国台湾地区石墨烯的发展特征和竞争格局,为相关部门决策提供依据。

1 测度指标与模型

1.1 科学-技术关联及其测度

关于科学-技术关联的概念,众多学者都有自己的定义。Carpenter将之定义为:技术对科学的依赖关系,即指某一技术在知识上来源于或收益于科学的程度[8]。Narin则定义为科学与技术之间的知识传递关系,而且基础知识向技术领域的知识传递还可以通过专利对科学论文的引用频次来定量研究[9]。类似的研究主要研究对象集中在国家和产业技术层面如,Looy等人从国家宏观层面上分析了产业的科学关联度与技术能力的关系,用非专利引文的数量作为技术的科学强度,研究表明了代表技术能力的专利产出通常与科学关联度正相关,同时验证了科学强度的构建可以作为评估一个国家科技发展状况的动态指标的合理性[10-12]。Zhang等人根据USPTO的专利数据,提出了一种新的传递函数模型用于计算基础科学研究与技术专利之间的时滞,为促进知识的传播、减少科学的延误以提升国家专利竞争力[13]。除了专利引用论文,殷媛媛还从论文引用专利视角,研究了立体显示领域的科学技术互动[14]。

本文将科学与技术之间的关联强度定义为技术对科学的依赖程度,通过专利引用分析方法,使用科学关联度和引用时滞两个指标,从数量和时间维度分别对科学技术关联强度进行测度。

(1)科学关联度测度指标。科学关联度是从数量维度上反映了基础研究到技术开发之间的关联强度的典型指标,Narin将专利的引文分析方法用于对科学关联度的研究中,并通过显性和定量的方式揭示了科学研究对产业发展的推动作用[15]。张鹏等对科学关联度指标进行了变换[16],并得到较好的推广[17]。本文运用该指标——科学关联度(Science Linkage,SL)测量在数量层面科学对技术的依赖程度,具体计算公式为:

(1)

其中:PNPR为拥有非专利引文(Non-patent-references,NPR)的专利总量;Ptotal为专利总数;j为国家。SL的值越大表明技术对科学的依赖性越强,负值代表低于平均水平。

(2)专利引用论文时滞及其测度模型。专利引用论文时滞是从时间维度上反映基础科学到技术专利的转化速度的典型指标,专利引用论文时滞可理解为科学知识吸收时间,专利引用专利时滞则为技术知识扩散时间[18]。

现有研究对专利引用时滞的测算标准认定不同,有的指专利优先权申请年和被引用的论文的发表年份之间的时间差距[19],有的则定义为专利授权年份与其所引用论文发表时间的时间延迟[20]。笔者认为,专利申请公开时就已从技术角度表明该专利的诞生,尽管在制度上尚未被认可;而且如果以授权时间作为技术形成时间,必然会增加引用时滞,并不能真实反映科学到技术的转化时间。基于此,本文提出用于在时间层面测量科学与技术关联的计算指标:专利引用论文时滞=申请专利的优先权时间-论文的发表年份

当专利的非专利引文为多条时,因为每条非专利引文时滞都不一样,这时根据算出的结果,取中位数代表这条专利的引用时滞。采用中值的方法可以排除极值所带来的误差,少数个别专利可能引用了较早的非专利文献,如计算均值的话会差别很大,一般来说,判断普遍意义上的某统计量的高低以中位数为标准要好于平均值。统计计算同一年发表的所有专利引用时滞的平均值代表这一年专利整体的专利引用论文时滞(考虑到以年为单位计算不能有效展示数值差距,因而采用以月为单位计算),具体计算方法如图1所示。

图1 专利引用科学论文的时滞计算方法

1.2 产业技术扩散能力测度

以科学知识创造为逻辑起点,专利引用论文,可以看成是科学知识转化为技术知识的行为,专利之间的引用,可以看成是技术知识的流动,也可以将其看成是技术扩散行为。显然,通过文献之间的引用关系,我们可以分析不同国家、不同领域之间存在着技术扩散过程。本文将通过技术扩散广度、技术扩散速度、技术领域扩散宽度三个指标来衡量各国石墨烯产业技术的扩散能力。

(1)技术扩散广度。本研究中,国际技术扩散广度指的一项专利的施引专利所涉及的国家个数,即引进或者吸收该技术的国家数量(除去本国)。数量越多,表示该专利所代表的技术扩散的范围越大,广度也越大。从一定程度上能反映出被引专利国家在该技术领域的领先地位。具体计算方法为:在某一技术领域内,某一专利被其他国家的专利所引用时,所涉及到的国家的个数,即某一专利的跨国施引专利所涉及的国家个数(总体累计的新出现的国家数)。

(2)技术扩散速度。本研究中,技术扩散速度是指申请专利的优先权时间与其施引专利的优先权申请年之间时间差。时间越短,表示技术扩散的速度越快。从时间角度衡量了一次技术扩散所消耗的时间。具体计算方法为:在某一技术领域内,某一国家的各条专利的优先权申请年与其施引专利优先权申请年之间时间差的平均值。

(3)技术领域扩散宽度。技术领域扩散宽度是指某一专利所包含的技术作为后续技术创新的基础,在不同技术领域的扩散程度。也就是更广的技术领域扩散宽度意味着该专利会在更多的技术领域内存在影响力。

Trajtenberg提出的技术扩散指数[21]是当前应用较为广泛的技术领域扩散宽度指标:

(2)

但该指标存在较为突出的局限,即:若施引专利为1,则运用该指标算出的值为0,这显然不合理;而且该指标将大多数的专利只按一个技术分类号计算,但有些专利就属于多领域交叉,不能只通过一个技术分类号代表该专利的技术领域。

国际专利IPC分类号规定,若一项专利有若干个分类号时,其中第一个称为主分类号,即该专利主要应用的技术领域,而其他副分类号则代表应用的其他领域。基于观测专利与其施引专利的IPC主副分类号关系,本文提出一种能反映专利的技术领域扩散宽度的新方法:

若观测专利的主分类号与施引专利的主分类号对应,计为0,表示没有跨领域的技术扩散;若观测专利的主分类号与施引专利的主分类号没有对应关系,但与副分类号对应,计为1,表示有较弱跨领域的技术扩散;若观测专利的主分类号与施引专利没有对应关系,但副分类号与施引专利的主分类号对应,计为2,表示有较强跨领域的技术扩散;若观测专利的主分类号与施引专利没有对应关系,但副分类号与施引专利的副分类号对应,计为3,表示有很强跨领域的技术扩散;若观测专利的主副分类号与施引专利的主副分类号都没有对应,计为4,表示有完全跨领域的技术扩散。

将相应的计数作为该观测专利的技术领域扩散宽度;若有多条施引专利,则将多个值的加和作为该专利的技术领域扩散宽度。而对于某国某年的专利,则为该年该国所有专利扩散宽度值的平均值。

2 数据来源与描述

2.1 数据来源

本文研究数据选择德温特专利数据库(Derwent Innovations Index),以 “Graphene”为主题词进行检索,将数据检索时间定为2004年(石墨烯被发现)至今,共检索到36798件专利,但德温特时间检索是根据德温特主入藏号进行的,并不能代表专利的申请时间,所以对下载的数据进行进一步处理,根据申请专利的优先权时间来判断专利的申请年。

2.2 专利申请时间分布

图2显示了石墨烯技术专利的历年申请量变化,可以发现,2004—2010年,石墨烯专利申请量逐步上升,但总体相对较少;2010年以后,专利申请量明显增加,增长速率也相对较快,除了2012年有所放缓。

图2 石墨烯技术专利申请量年度变化(2004—2016年)

2.3 专利申请区域及主体分布

本文根据专利优先权申请国家或地区来判断一件专利的来源国家或地区,目前德温特数据库,按照申请人地址获得国家信息是较为困难的事,而优先权人通常优先在本土申请专利,跨国公司的海外企业考虑到市场和制度因素,也通常会在海外当地申请,因而可以将优先权国家或地区粗略的视为该专利所在国家或地区。表1列出了石墨烯专利申请最多的8个国家和地区,本文也对这8个地区进行对比分析。中国专利申请量远远超过其他国家地区,不过在有NPR的专利占比上,中、日、韩及中国台湾地区普遍低于欧美发达国家。同时,从专利申请的主体上来看,美、日等石墨烯产业发展较为成熟的国家,其企业申请率高达72.2%和83.4%,而中国高校申请量居多。

表1 主要国家或地区的专利申请数量与NPR占比(2004—2016年)

3 实证结果分析

3.1 科学技术关联强度比较

石墨烯作为一种新兴科技和产业领域,早期只是集中在少数几个国家进行基础研究和简单的材料应用,Andre Geim和Konstantin Novoselov在2010年获得诺贝尔奖后,各个国家逐渐认识到了石墨烯存在的巨大潜在价值,投入了大量的研究资源。通过对获取数据的初步分析(第二阶段起申请量激增),为了使各国之间能够进行有效的对比,并考虑到专利申请的18个月时滞期,最后确定选取2009—2014年的数据进行科学技术关联强度与论文引用时滞的比较。

如表2所示,从石墨烯产业主要申请国在2009—2014年科学关联度 (SL)变化情况来看,美德英法等欧美国家科学关联度 (SL)值普遍高于中韩日台等东亚国家和地区,前者的科学关联度 (SL)均为正值,而东亚国家地区则普遍为负值,只有中国在2010年有了由负到正的跃迁。我国虽然起步晚,但从2010年开始,逐渐重视基础知识的积累,已经逐渐赶上欧美等发达国家的脚步,与相邻国家和地区也已拉开距离。

从主要申请国家地区在2009—2014年专利引用论文时滞变化来看,可以发现东亚四强的平均引用时滞明显短于欧美国家,即中日韩及中国台湾地区石墨烯产业的科学知识向技术专利转化的速度快于美德法英。各地六年整体的平均引用时滞中,日本最短,平均26.8个月;英国作为石墨烯的发源地,其引用时滞却是最长的,为55.4个月。通过数据的深入挖掘,发现东亚地区尤其日韩及中国台湾地区较低的平均引用时滞与其较低的科学关联度有直接关系。

表2 主要国家或地区的科学关联度与引用时滞的变化趋势(2004—2016年)

3.2 产业技术扩散能力比较

(1)原始指标。根据不同国家申请石墨烯产业专利数量的排名,并考虑到各国之间形成有效数据的对比,同样选取中、韩、日、美、德、法、英及中国台湾地区2009—2014年数据作为技术扩散能力的评价对象,利用前文所构建的用于测度产业技术扩散能力的三个指标对产业技术扩散进行测度研究。根据对相关专利及其引文数据的处理和分析结果,得到8个国家地区的各项指标(见表3)。由于这三个指标对于衡量各个国家地区技术扩散能力的侧重点不同,结果也有所差异,英国作为石墨烯的发源地,其技术领域扩散宽度与技术扩散速度都能反映出其有较好的扩散能力,但其技术扩散广度相对于中美来说较低。中美作为目前石墨烯领域的两个大国,各项指标都反映出其有较好的扩散能力,而且中国的技术扩散速度较与美国来说,还具有一定的优势。

表3 各国家与地区在石墨烯领域的技术扩散指标值

(2)熵权整合。为了让各国之间的技术扩散能力能够进行比较,现对指标进行熵权处理。

首先,根据获取的各个国家的专利数据,计算衡量技术扩散能力的各项指标后,对其进行正向化和无量纲化 (比重法)处理,在所选取的指标当中,只有技术扩散速度为逆向指标,而技术扩散广度与技术领域扩散宽度均为正向指标,所以首先对这个指标数据进行正向化处理:

(3)

然后对所有指标进行去量纲化处理,处理方法如下:

(4)

处理后的结果见表4。然后基于熵权法,分别对技术扩散能力的三个指标进行指标评价。本文选取的熵权法是一种客观的赋值法,它可以根据各个指标的变异程度来赋予指标相应的权重。如果指标在评价中起的作用越大,其相应的权重也就越大。因此,在确定各个指标的权重之后,可得到各项指标对技术扩散能力的影响程度,再通过对所有指标进行加权计算出各个国家的综合得分。

表4 各国家与地区在石墨烯领域的技术扩散指标值(正向化与去量纲化)

表5 各国家与地区技术扩散能力的综合评分结果

通过计算可以得到,技术扩散广度、技术扩散速度、技术领域扩散宽度相对于技术扩散能力的相对重要性分别为:0.812、0.102、0.086。由表5可见,中美两国综合得分依旧遥遥领先于其他国家,其中中国的技术转化时间最快,说明我国十分重视技术知识的扩散,而美国技术扩散广度最大,在世界范围更受到关注。值得注意的是英国作为石墨烯发源地,在扩散速度和广度上并没有优势,但其技术领域扩散宽度是最大的,说明其技术更注重各项领域间的交叉融合。

3.3 匹配关系分析

从石墨烯产业的科学关联度 (SL)与技术扩散能力的匹配来看,各个国家之间也体现出来很大的差异性。

首先,从石墨烯产业的科学关联度 (SL)与技术扩散能力的二维匹配来看(见图3),主要分成了三个部分:中美处于第一象限,属于高科学性-高技术扩散能力国家和地区;韩日及中国台湾地区处于第三象限,属于低科学性-低技术扩散能力国家;英德法处于第四象限,属于高科学性-低技术扩散能力国家。

图3 各国家与地区科学关联度与技术扩散能力值

其次,从石墨烯产业的专利引用论文时间滞后与技术扩散能力的二维匹配来看(见图4),也是主要分为三个部分:中美处于第二象限,属于高转化速度-高技术扩散能力国家;日韩法及中国台湾处于第三象限,属于高转化速度-低技术扩散能力国家和地区;英德处于第四象限,属于低转化速度-低技术扩散能力国家。除英德两个国家以外,其他国家和地区专利在基础科学到技术专利的转化效率,日本的时间滞后值最低,但同时中美两国的技术扩散能力同样也处于领先地位,值得注意的是英国作为石墨烯的发源地,并没有将其深厚的理论基础转化为技术专利,而在石墨烯领域逐渐没有了优势。

图4 各国家与地区专利引用论文时滞与技术扩散能力值

4 研究结论及政策建议

通过上述的专利数据分析及其二维匹配结果,本文得到如下结论与建议:

首先,从科学技术关联强度的角度来看,中、美、德、英、法各国的专利都有较强的科学性,即注重对基础科学知识的吸收,但同时中、美的技术扩散能力明显高于德、英、法,说明在石墨烯领域,中、美的专利更具有可用性;而日、韩、台专利的科学知识支撑性较差,其技术扩散能力也并不是很强。东亚国家地区与欧美发达国家相比,石墨烯产业的基础科学建设存在较大差距,欧美国家能更注重该领域技术对科学知识的吸收。近年来,我国专利数量逐渐增加,已经成为全球石墨烯专利申请量最多的国家,但其国际竞争力并不强,研究成果主要集中在基础领域,原始性创新少,且产业化水平低。然而各个国家及其产业都有其本身所特有的产业创新体系,而基础科学与技术创新之间的适当匹配是我们在提高产业竞争力时所要考虑的重要维度,是提升产业原始创新能力的重要措施。我国应当更加关注科学的重要性及其科学、技术、产业间的互动关系,推动重大科研成果的产业化。

其次,技术扩散能力对产业的创新支撑作用愈发的明显,美、日和欧盟等石墨烯产业相关技术研发部门已经形成以企业为主,韩国也已形成产学研相结合的局面,而在我国仍以大学和科研机构为研发主体。在石墨烯产业化程度上远不及国外发达国家,仍处于一个追赶者的地位,应当在高校为主体基础研究的基础上,引导更多的企业参与研发,加强对市场需求的探索,避免知识创新与技术需求的脱节,加速科技成果转化,鼓励产业向价值链的前端延伸,突破石墨烯材料规模化关键技术,从而推动整个产业领域的均衡发展。同时,提高对基础科学的重视,优化技术能力结构,对于依赖于科学新发现的石墨烯整个产业的升级布局来说,具有基础性的推动作用,也是产业转型升级的关键。

最后,纳米科学与技术领域是一个典型的科学与技术交叉融合趋势明显的学科,学科交叉发展前沿往往是科学新的增长点,受到各级政府的密切关注。石墨烯巨大的潜在价值,加上可能引起新一轮的技术革命,引起了嗅觉灵敏的资本市场的注意,各国都竞相在这新一轮的技术革命和产业化发展的高技术竞争中抢占先机。英、法侧重于对理论知识的吸收,日本则更倾向于最新的技术前沿,把握各国的研究动态,有利于指导后续开展国际科技合作,强强联合。我国在 《 “十三五”国家科技创新规划》 《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》等政策中对这一产业的发展提出了明确的要求。所以,我国应当把握目前良好的形势,在新一轮的产业竞争中,加强对产业化的引导、坚持以市场为导向、深化科技体制改革、提升自主创新能力,为该领域的发展提供良好的机会与平台。

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