基于应用领域视角的技术发展态势分析内容和方法——以石墨烯传感器技术为例

吴菲菲，李 倩，黄鲁成

（北京工业大学 经济管理学院，北京 100124）

1 研究背景

技术应用领域包括技术发挥其功能的部门、产业和行业。技术应用领域往往不断变化。例如：空间技术被用于妇女乳腺癌的诊治［1］，丰富了诊治的技术手段；合成纤维等技术在改善技术性能方面的应用远不同于其初始应用领域［2］。从应用领域的视角研究技术发展态势，有助于把握技术未来的发展方向、确立研发投入重点，为企业和相关机构进行战略布局提供帮助。

专利是一个国家或地区科技资产的核心和最富经济价值的部分［3］。专利数据具有可获取性、持续性等特征［4］，在探讨技术创新、技术发展水平等问题时常被作为基本的分析数据［5］，本文也以专利数据为分析依据。基于专利数据分析技术未来发展的研究成果有很多。例如：龚金梅、刘消寒和歹颖莉利用专利数据分析了云计算行业相关技术的发展态势和趋势［6］；赵莉晓通过专利分析预测RFID（radio frequency identification）技术的发展趋势［7］；杨静从专利信息的视角分析了东盟五国有色金属领域的技术创新能力［8］。目前学者们多从技术功能的视角进行基于专利的技术分析，所抽取的专利信息大多为国际专利分类号（international patent classification，IPC）。IPC是国际专利分类代码，表征专利所涉及的技术内容［9］。然而，IPC 是对技术功能的分类，从技术应用的视角分析具有多领域应用可能性的技术的未来发展更具有重要的现实意义，研究结果不仅有助于相关技术开发人员把握技术发展现状和可能的应用前景，而且可以给该技术应用可能涉及领域的决策者提供预警和选择机会。从应用领域分析技术发展首先要解决技术应用领域识别问题。

2 基于应用领域视角的技术发展态势分析框架

为了从应用领域的视角分析技术的发展态势，首先需要确定技术应用领域。从专利中直接获取技术的应用领域信息，能更好地揭示技术应用的可行性和变化过程，从而为创新决策提供依据。虽然IPC为每件专利划分了相应的领域，但是该分类针对的是技术功能［9］。鉴于此，本文首先利用语义分析方法从专利摘要文本中提取技术应用领域的相关信息，利用语义相似性算法和聚类分析方法得到专利聚类地图，从而识别出技术应用领域；然后，对于识别出的技术应用领域，分别从专利分布、专利权人和知识产权风险3个方面分析技术的发展态势；最后，以石墨烯传感器技术为例，应用本文提出的方法分析该技术在中国的发展态势。本文整体的研究思路如图1所示。

图1 基于应用领域视角的技术发展态势分析框架

3 基于应用领域视角的中国石墨烯传感器技术发展态势分析

2004年英国曼彻斯特大学的物理学家Andre Geim 和Konstantin Novoselov在实验室成功地从石墨中剥离出石墨烯，证明了石墨烯可以单独存在，凭此荣获2010年诺贝尔物理学奖，从而掀起了石墨烯制备、改性和应用的全球研究热潮。仅10 年左右，石墨烯技术在多个领域形成了有产业化发展前景的研究成果。石墨烯独特的二维结构使得它在传感器领域具有光明的应用前景。近几年，中国在石墨烯领域的论文发表数量和专利申请量都居世界第一［10］。这说明，中国在石墨烯领域的科技基础积累、研发以及高技术发展方面已具有一定实力。为了更好地把握中国石墨烯技术的发展态势，本文选取石墨烯技术中的核心技术——石墨烯传感器技术作为研究对象，通过对石墨烯传感器相关技术的应用领域进行扫描、跟踪和分析，掌握中国在石墨烯传感器相关技术领域的发展态势。

3.1 石墨烯传感器技术应用领域识别

文献［11］提供了石墨烯传感器专利的检索表达式：

利用该表达式在德温特专利数据库中检索在中国公开的相关专利，检索2012年（包含）之前的所有相关专利，下载时间为2013 年3 月15 日，共得到75个专利。德温特专利数据库的专利摘要经过专家改写，具有较好的结构化特征。其中，专利摘要中的USE 字段明确表达了专利的用途［12］。AlchemyAPI①http：//www.alchemyapi.com。是一个基于云计算的文本挖掘平台，可提供任何文本挖掘平台最全面的自然语言处理能力。利用AlchemyAPI的关系提取功能，可提取USE 字段的语义结构，通过计算语义相似度［13］可得到不同专利间相似性矩阵，据此可识别出用途相似的专利。进一步，利用SPSS软件中的多维尺度分析功能和聚类分析功能［14］，可得到专利相似性地图，将聚类结果按区域划分定义专利的不同应用领域。

将通过检索得到的75个专利按专利申请时间编号为P1～P75。其中，P1为最晚申请的专利，P75为最早申请的专利。语义相似度的计算结果显示，75个专利分属于9个应用领域（P38为实用新型专利，暂且将之排除在外），用A～I标注各领域，具体的聚类情况如图2所示。9个应用领域涵盖的石墨烯传感器技术的相关专利信息见表1。从表1不难发现，不同的IPC 号可能对应相同的应用领域，相同的IPC号也可能对应不同的应用领域，因此利用IPC号只能分析具体的技术发展状态，难以实现技术与应用的对接。而基于语义的分析可将技术与应用关联，便于从应用的视角观察和判断技术的发展态势。

图2 石墨烯传感器技术专利在9个应用领域的聚类

3.2 中国石墨烯传感器技术发展态势分析

笔者利用上文识别出的石墨烯传感器技术的应用领域，分别从专利分布、专利权人和知识产权风险3个方面探讨石墨烯传感器技术在中国的发展态势。

表1 石墨烯传感器技术专利应用领域分类

3.2.1 专利分布

石墨烯传感器技术应用领域分布情况见图3。根据图3中的数据，除电子产品（27%）占比较大外，其余应用领域占比均在7%～11%之间。这说明，该技术的主体应用领域还未形成或该技术在哪一领域的市场应用前景更突出还不明朗，该技术仍处于多领域应用探索阶段。

图3 石墨烯传感器技术在9个应用领域的专利数量占比

石墨烯传感器技术的整体应用处于探索阶段，并且该技术在不同应用领域的发展存在差异。从图3可以看出，电子产品领域专利占比最大（27%），其次为生物医学检测领域、电子装置领域和半导体材料领域（均为11%），电化学分析领域和新型电池领域的占比最小（均为7%），结构材料领域和电极领域的占比处于中等水平（9%）。

图4显示2006—2012年9个应用领域中石墨烯传感器技术专利的成长态势。从图4可知：2009年以前，各应用领域的石墨烯传感器技术专利数量都很少，可见石墨烯传感器技术的应用处于摸索阶段；2010年，领域A 和C 的石墨烯传感器技术专利数量均略有增加，而领域D 的石墨烯传感器技术专利数量减少为零，领域E、F 和I的石墨烯传感器技术专利数量仍为零；2010年以后，领域A 的石墨烯传感器技术专利数量快速增长，领域E、F 和I的石墨烯传感器技术专利发展进入萌芽阶段，而领域C的此方面专利为零增长；2012年，领域A 的相关专利数量增长有所减缓，但其专利数量仍远远超过其他领域，说明领域A 的相关专利发展已从萌芽、成长趋于成熟，而领域C 和I的相关专利仍处于成长阶段，领域E和F的相关专利进入萌芽阶段后出现数量下降情况。可见，目前这些应用领域不是主流的研究方向。新型电池领域（即领域D）在经历了几年的研究空白期后，其专利数量有一定回升。领域G 是最早出现的应用领域，该领域的相关专利数量随时间推移而变化的情况是：2006—2011年该领域的相关专利数量略有减少，2012年略有增加，从总体上看发展比较平稳。领域H 中专利出现得也较早，紧跟着领域G 中的专利而出现——领域H 中的专利数量在2011年出现了幅度相对较大的波动，后文将从专利权人方面讨论出现这一现象的原因。

图4 2006—2012年9个应用领域中石墨烯传感器技术专利成长态势

通过以上分析可初步了解石墨烯传感器技术应用领域的发展态势：电子产品领域的研究已趋于成熟；新型电池领域的相关专利数量少，但从2011年开始呈回升趋势；石墨烯传感器技术在半导体材料领域和电化学分析领域不是研究热点；较早出现相关专利的结构材料领域的相关专利数量发展平稳；电极领域的相关专利数量在稳步发展中有所突破。下面从专利权人方面进一步分析出现这种状态的原因。

3.2.2 专利权人分析

通过统计可知，上述9个应用领域中石墨烯传感器技术专利数大于3的专利权人及其专利情况如表2所示。由表2可知：中国科学院、浙江大学和东南大学的相关技术公开专利数量较多，可认为它们是重要专利权人。3个重要专利权人在9个应用领域的专利布局见图5。

表2 石墨烯传感器技术专利数量大于3的专利权人及其专利分布

图5 3个重要专利权人在9个石墨烯传感器技术应用领域的专利布局

1）中国科学院。中国科学院的相关专利分布比较分散，涉及领域A、B、E、F 和H。从科研成果来看：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所器件部刘立伟团队与中国科学院物理研究所的科研人员合作，在基于石墨烯的高灵敏一氧化氮气体传感器制作方面取得了进展，能够实现对污染环境气体的高灵敏度检测，随后又致力于氧化石墨烯（GO）在药物输运、生物传感以及成像等生物医学领域的应用研究，近期制备出还原氧化石墨烯/二氧化锡片层结构来提升电极导电性、电极机械强度，力求突破锂电池推广应用的瓶颈；中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进碳材料研究部设计并制备出基于碳纳米管/石墨烯的柔性能量存储与转换器件，并与天津大学杨全红教授、中国科学院物理研究所孟庆波研究员密切合作，研制出可作为高性能锂离子电池的负极材料和染料敏化太阳能电池的对电极材料。可见，中国科学院全面拓展了石墨烯传感器技术的应用空间，将技术发展重点放在生物医学领域和检测装置领域，努力突破电极材料对锂电池应用的束缚。

2）浙江大学。浙江大学的石墨烯传感器技术专利分布较为集中，主要在领域A、B和C。从时间上看，浙江大学对石墨烯传感器技术的应用研究最早是在生物医学领域和检测装置领域，最近比较关注电子产品领域。

3）东南大学。东南大学的石墨烯传感器技术专利分布在领域D、F和H。从时间上看，东南大学对石墨烯传感器技术的研究起步较晚，但其研究顺应热点，集中在电极材料领域和新型电池领域。

从表2可知，专利数量相对较多（少于3个）的专利权人主要有6个，可认为它们是主要专利权人。6个重要专利权人在9个应用领域的专利布局见图6，其中2个专利权人来自中国大陆地区、1个专利权人来自中国台湾地区，其他3个专利权人分别来自美国、德国和韩国。中国大陆地区的专利权人主要是高校，中国台湾地区的专利权人为个人，国外的专利权人为企业。由此可见：国外更注重技术的产业化；国内应加大对石墨烯传感器技术产业化的扶持力度，鼓励企业加入技术创新的行列、实现产学研的结合。

图6 6个主要专利权人在9个石墨烯传感器技术应用领域的专利布局

从国际上看，美国、欧盟等国家和地区都非常重视石墨烯相关技术的研究开发与应用，发布或资助了大量相关研究项目。例如：美国俄亥俄州研究商业化资助项目（Ohio Research Commercialization Grant Program）向Nanotek Instruments公司资助了约35万美元用于锂离子电池用纳米石墨烯复合电极的商业化生产［15］；德国科学基金会（German Research Foundation，DFG）于2009年7月宣布开展石墨烯新兴前沿研究项目，项目的时间跨度为6年，基金资助领域主要包括石墨烯基电子设备制备、石墨烯纳米结构制备和表征及性能操控，以及石墨烯与衬底材料、栅极材料相互作用的解释和控制等。2008年1月欧盟FP7框架计划发布了石墨烯基纳米电子器件项目，项目经费为239万欧元，研究期间为2008年1月1日至2010年12月31日；FP7框架计划于2010年启动了悬浮石墨烯纳米结构项目，研究期间为2010年10月1日至2013年9月30日，总研究经费为389 万欧元；FP7 框架计划于2011年启动了石墨烯的纳米级应用项目，研究期间为2011年1月1日至2013年12月31日，总研究经费为505万欧元。FP7框架计划于2011年还启动了用于超级电容的石墨烯电极项目，研究期间为2011年6月1日至2014年5月31日，总研究经费为494万欧元［16］。

从美国、欧盟的相关政策看，它们对石墨烯相关技术的研究给予了大力支持，尤其在石墨烯电极领域和新型电池领域。从它们在中国的专利布局看，德国拜耳材料科技有限公司和美国沃尔贝克材料有限公司都是主要专利权人，且它们是石墨烯传感器相关技术在中国电极领域中仅有的两个主要专利权人——这与之前所述的德国和美国对该技术给予相关支持政策的事实相符合。从前文研究得知，电极领域的石墨烯技术专利数量在2011年出现了较明显的波动。经分析得知：早期中国电极领域的石墨烯技术专利都是国外申请人申请的，国内的主要专利权人如中国科学院和东南大学在2011年才有该领域的石墨烯技术专利。这在一定程度上说明国内申请人意识到了风险，开始在该领域布局，而国内其他主要专利权人还没有涉及该领域。对于这种有风险的领域，不仅需要专利权人给予重视，而且需要相关部门给予重视。石墨烯技术在结构材料领域的发展较平稳，但我国重要专利权人并未涉及该领域，而主要专利权人中，中国只有台湾地区的宋建民有所涉及，国外主要是德国拜耳材料科技有限公司有所涉及，因此该领域需要引起国内申请人的重视、加强知识产权布局。

3.2.3 不同应用领域的知识产权风险分析

本小节从专利申请量、申请人数两个方面，对国外、国内申请人在中国申请的石墨烯传感器技术专利的分布状况进行对比，分析中国石墨烯传感器技术在相关应用领域存在的潜在知识产权风险［16］。根据公开专利数量和申请人数量，笔者将知识产权风险分为三级——较低风险、中等风险和较高风险。其中，国外公开专利的数量和申请人数较国内有明显优势的，认定为较高风险；有略微优势的，认定为中等风险；没有相对优势的，认定为较低风险。

中国石墨烯传感器技术在9个应用领域的公开专利数量和国内外申请人数以及相应的潜在知识产权风险情况如表3所示。从表3可以看出，在华公开的石墨烯传感器技术专利在电子产品、检测装置、生物医学、新型电池、半导体材料、电化学分析和电子装置领域的应用总体上存在较低的知识产权风险，而在结构材料领域存在中等的知识产权风险，在电极领域存在较高的风险。

1）电子产品领域。这是一个石墨烯技术应用趋于成熟的领域。从专利申请时间看，国外专利申请时间较早，属于该领域的基础专利；从公开专利数量和申请人数看，国内申请人相比国外申请人有明显优势。

2）检测装置领域。国内申请人的申请时间较早，且在公开专利数量和申请人数量上具有明显优势。

3）电化学分析领域。国外在华申请的专利中还没有石墨烯传感器技术相关领域的专利，但这可能是因为其申请的专利尚未公开，所以不能掉以轻心。

4）结构材料领域。国外申请人的申请时间较早，在公开专利数量和申请人数方面也具有一定优势。这说明国外申请人对该领域很重视——这可能与国家政策支持有关，故国内申请人在该领域具有中等知识产权风险。

5）电极领域。电极领域的状况与结构材料领域的状况相同，且电极领域中国外申请人的优势明显，故国内申请人在该领域有较高的知识产权风险。

此外，石墨烯传感器技术在中国生物医学、新型电池、半导体材料、电子装置领域的应用存在较低的知识产权风险。这可能是因为国外申请人尚未在中国布局或申请的专利尚未公开，所以也要有所警惕。建议相关部门加大政策扶持力度，进一步加强中国石墨烯传感器技术在这些应用领域的领先地位。

表3 中国石墨烯传感器技术在9个应用领域存在的潜在知识产权风险

4 结语

本文从应用领域的视角提出了分析技术发展态势的内容和方法，即先利用专利分析方法识别技术应用领域，再从专利分布、专利权人和知识产权风险3个方面阐述技术发展态势，进而应用这一思路分析了中国石墨烯传感器技术的发展态势。研究发现：石墨烯传感器技术在中国应用广泛；具体而言，在中国科学院、浙江大学和东南大学等高校和科研院所的带领下，石墨烯传感器技术的应用在电子产品、检测装置、生物医学、电极材料和新型电池等领域具有优势，但是国内中等层面的研究机构在热点领域把握方面不及国外专利权人，且石墨烯传感器技术在国内缺少产业化应用，尤其在结构材料领域和电极领域这两个应用领域，国内申请人面临一定的知识产权风险。另外，美国、韩国和欧盟的石墨烯传感器技术的研发主体多为企业，产学研合作较为活跃且紧密。而中国石墨烯传感器技术的研发主体仍以大学和科研机构为主。

为此，中国相关机构应呼吁石墨烯传感器技术的国内专利申请人加大在知识产权风险较低领域的专利布局，以确保中国在石墨烯传感器技术相关应用领域的优势，同时加强风险防范意识，在存在知识产权风险的领域加大专利布局。国家相关部委应继续加大对石墨烯传感器技术研发的支持力度，设立更多应用导向型研发项目，同时力争确立以企业为主体、以市场为导向、产学研相结合的国家技术创新体系，发掘石墨烯传感器技术潜在的巨大商业价值，从而推动中国在石墨烯传感器产业领域的快速健康发展。

［1］WINFIELD D L.Aerospace technology transfer to breast cancer imaging［J］.ACTA Astronautica，1997，41（4）：515-523.

［2］GREGORY F N，EVAN J.Do important inventions benefit from knowledge originating in other technological domains？［J］.Research Policy，2012，41（1）：190-200.

［3］唐恒，云飞.基于知识产权保护的区域专利申请量预测［J］.技术经济，2012，31（4）：17-20.

［4］邱洪华.中国风电技术专利信息分析［J］.技术经济，2012，32（1）：24-29.

［5］吴菲菲，黄鲁成，石媛嫄.基于产业专利权人的新兴技术应用领域变化研究［J］.研究与发展管理，2013，25（4）：96-102.

［6］龚金梅，刘消寒，歹颖莉.基于专利分析的我国云计算技术发展现状研究［J］.现代情报，2012，32（5）：71-75.

［7］赵莉晓.基于专利分析的RFID 技术预测和专利战略研究——从技术生命周期角度［J］.科学性与科学技术管理，2012，33（11）：24-30.

［8］杨静.东盟五国有色金属领域的技术创新能力研究——基于专利信息的视角［J］.技术经济，2011，30（2）：8-15.

［9］马磊，宋建玮.IPC分类法在科技查新工作中的应用［J］.图书馆学刊，2012，（3）：32-34.

［10］王丽，潘云涛.石墨烯的研究前沿及中国发展态势分析［J］.新型炭材料，2010，25（6）：401-407.

［11］方曙，胡正银，庞弘燊.基于专利文献的技术演化分析方法研究［J］.情报研究，2011，55（22）：42-46.

［12］顾震宇，卞志昕，路炜.应用领域专利地图的方法及实证研究［J］.情报杂志，2009，28（9）：21-27.

［13］CASCINI G，FANTECHI A，SPINICCI E.Natural language processing of patents and technical documentation［J］.Lecture Notes in Computer Science，2004，3163：89-92.

［14］YOON J，KIM K.Detecting signals of new technological opportunities using SAO-based semantic patent analysis and outlier detection［J］.Scientometrics，2012，90（2）：445-461.

［15］万勇，马廷灿，冯瑞华.石墨烯国际发展态势分析［J］.科学观察，2010，5（3）：25-34.

［16］王国华，周旭峰，刘兆平 .石墨烯技术专利分析报告［R］.宁波：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，2013.