国内石墨烯相关专利分析综述

齐　玉,于　伟,谢华清,李凤仙,邴乃慈

(1.上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209; 2.上海悦达墨特瑞新材料科技有限公司,上海201209)

国内石墨烯相关专利分析综述

齐玉1,于伟1,谢华清1,李凤仙2,邴乃慈1

(1.上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209; 2.上海悦达墨特瑞新材料科技有限公司,上海201209)

石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列而形成的具有蜂窝状结构的二维晶体材料,特殊的结构赋予了其优异的电学、热学、力学和光学性能。近年来,科学界对于石墨烯应用技术的研究已经深入到众多领域,关于石墨烯应用技术的专利和论文大量涌现。鉴于此,针对国内石墨烯相关专利历年来申请量的变化、石墨烯的应用领域、申请人类型、地域分布等情况做出了总结分析,希望能够为石墨烯研究人员提供重要的参考依据。所有专利数据及信息皆依托SooPAT搜索引擎,并且数据查询的截止时间为2015年7月20日,只对国内的专利信息进行了统计。

石墨烯;专利;生命周期;申请人

0　引言

2004年,英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov,第一次成功地从石墨中分离出了sp2杂化的石墨烯[1-2]。从此,各界对于石墨烯的研究掀起了空前的高潮,每年有关石墨烯理论和应用研究的专利及文献发表数量大幅度增加。本文将对石墨烯专利近年来的申请趋势、石墨烯专利分布的技术领域、专利申请人的类型等进行总结分析,以为我国在该领域的科研决策提供数据支持。

1　石墨烯的研究现状

石墨烯(graphene)是一种由单层碳原子紧密排列而形成的具有蜂窝状结构的二维晶体材料,具有优异的物理化学性能,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巨大的应用潜能[3]。自从石墨烯被成功分离出来之后,对于石墨烯制备方法的研究正逐步趋于成熟,目前石墨烯的制备方法主要包括微机械剥离法、化学气相沉积法(CVD)、外延生长法、化学氧化还原法、乙氧钠裂解法和切割碳纳米管法等[4-9]。此外,对于石墨烯力学、热学和电学性能的基础及应用研究也是科学家研究的热点,随着研究的不断推进,石墨烯在太阳能电池、传感器、纳米电子学、高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器等领域的应用正逐步成为现实。2012年IBM公司与麻省理工学院共同研制出了世界上运行速度最快的石墨烯晶体管,其截止频率可达230 GHz[10]。

2　石墨烯相关专利申请态势分析

2.1石墨烯相关专利历年申请情况

在SooPAT数据库中进行检索,输入“石墨烯”可以检索到与石墨烯相关的专利8 626件,其中发明专利8 070件,实用新型专利555件,外观设计1件;已获得授权的发明专利有1 479件。图1给出了近年来石墨烯相关专利技术每年申请数量的态势分析,可以看出,从2007年开始,石墨烯相关专利的申请量逐渐增多,并在2010年之后开始出现大幅度增加,说明石墨烯相关技术的开发正在进入快速发展的轨道。2012年和2013年石墨烯相关专利申请量达到历史最高峰,2014年申请量有所下降,可以推测出对于石墨烯专利技术的布局已趋于成熟。

图1　石墨烯相关专利历年申请情况趋势图Fig.1 Trend graph of graphene related patents’application over the years

2.2石墨烯专利技术在各领域的分布情况

石墨烯相关技术的应用主要涉及储能光伏、电子信息、复合材料、生物医药、传感器、水处理、功能材料和结构材料等领域。对石墨烯应用领域的相关专利技术进行检索分析,其检索关键词与检索结果如图2所示。石墨烯在不同的应用领域具有许多不同的研究方向,由图2可以清晰地看出石墨烯在不同研究方向中专利的申请情况,图3则描述了石墨烯相关专利在不同领域的分布比例以及近几年来石墨烯相关专利在不同领域每年申请量的变化情况。由图3可以看出：石墨烯相关专利在复合材料领域的申请量较多,达到27%,主要集中在导电、导热材料方向及催化剂方向;其次则是结构材料,专利比例为24%,包括气凝胶、多孔石墨烯、与碳纳米管的复合材料等方向;排在第3位的是功能材料,占有比例为15%,主要是对石墨烯进行接枝改性,然后应用于其他材料当中。在以上列举的领域中,石墨烯相关技术在结构材料、复合材料、电子材料和储能材料领域的研究相对较早,在这些领域的专利申请开始于2009年,此后的几年中其专利的申请量大幅度增加,由此也可以说明科学界对于石墨烯应用技术研究的重视与期待。

图2　石墨烯专利在各应用领域的检索图Fig.2 The retrieval graph of graphene patents in various applications

图3　石墨烯专利技术在不同领域的分布情况及其近年来申请量的状况Fig.3 The distribution and application of graphene patents in different fields over the years

2.3石墨烯专利技术生命周期分析

一种技术的生命周期通常由萌芽(产生)、成长(发展)、成熟、瓶颈(衰退)几个阶段构成,如表1所示[11]。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。

表1　技术生命周期主要阶段Tab.1 Main phase of technology lifecycle

图4　石墨烯专利技术生命周期图Fig.4 Technology lifecycle graph of graphene patents

基于近几年石墨烯专利申请数量与历年申请人数量的变化情况,图4绘出了石墨烯相关专利的发展过程。由图可以看出,2008年之前,石墨烯相关专利申请数量和申请人数量变化很小,数量也较少,可以认为是石墨烯相关专利技术的萌芽阶段;2009年之后两者数量都快速增长,可以认为是石墨烯相关专利技术的成长阶段;2012年之后两者数量的增长量减缓,可以认为石墨烯相关专利技术正逐步走向成熟阶段,并且已有报道称部分企业已在进行石墨烯产业化的技术开发。

图5　石墨烯相关专利前20排名申请人专利申请情况Fig.5 Patents application situation of the top 20 applicants in graphene

2.4石墨烯相关技术专利申请人情况分析

图5给出的是石墨烯相关专利排名前20位的申请人申请专利的状况分析,由图可以看出石墨烯相关专利申请量最多的是海洋王照明科技股份有限公司,其次是深圳市海洋王照明技术有限公司和深圳市海洋王照明工程有限公司。海洋王照明科技股份有限公司是一家自主研发、生产、销售各种专业照明设备,承揽各类照明工程项目的国家级高新技术企业,深圳市海洋王照明技术有限公司和深圳市海洋王照明工程有限公司都是海洋王照明科技股份有限公司的下属公司。其他的排名前20位的申请人则是学校和研究所,并且大学的数量居多。针对这20个申请单位的类型进行简单的分析,由图可以看出：大学申请人的数量占据70%,其专利持有量占据53%;企业申请人和研究所申请人的数量则分别占据15%,其专利持有量分别为38%和9%。在一个相对成熟的行业或技术领域中,企业专利持有量一般占专利总量的80%左右,由此也可以看出石墨烯行业仍是一个新兴的技术领域,对于石墨烯相关技术的探索研究仍然有很长的路要走。

2.5石墨烯相关专利在国内的分布情况

图6展示了石墨烯相关专利在国内各省市的分布情况。由图可以看出,申请量最多的是江苏省,其次是上海市,然后是广东、北京和浙江等省市,排名较前的省市大都分布于沿海的华北、华东和华南地区。这些地区不仅分布着我国大多数的科研院所和高校,也分布着国内较多的企业,而对于石墨烯相关技术的研究基本上起源于高校和科研院所,技术研发成熟后进入工业化生产。江苏省现有以江南石墨烯研究院为核心的石墨烯产业园和盐城江苏悦达墨特瑞新材料科技有限公司研究开发石墨烯,并已建立了规模化生产线;北京和上海是我国著名高校云集的两大城市,广东省分布着国内著名的电子照明等企业,也都在开发研究石墨烯的应用技术;浙江宁波中科院研究所开发的石墨烯生产工艺也已建设了规模化生产线;山东省则在青岛市积极建设石墨烯研究开发基地。由此可见我国政府、科研院所以及企业对于石墨烯相关技术开发的重视,国内掀起了对于石墨烯应用技术开发的热潮,已经开始对石墨烯专利进行布局。

图6　石墨烯专利在国内的分布情况Fig.6 The distribution graph of graphene patents in China

3　结论

本文在调研我国石墨烯技术研发背景的基础上分析了国内石墨烯技术的专利态势,以期客观展现我国石墨烯技术领域的专利布局现状,为我国在该领域的科研决策提供数据支持。由以上分析可以看出：① 科学界对于石墨烯的研究已有几十年的历程,但石墨烯的相关专利申请自2001年才开始,并且自2010年开始全球石墨烯专利申请数量才开始急剧增长,每年也有大量的发明人和新技术不断出现,可以预测在未来几年中石墨烯技术的产业化应用将会进入快速发展期;② 目前石墨烯专利技术的研究热点主要包括石墨烯的制备、石墨烯用作各种电池的电极材料、石墨烯用于制备半导体器件、石墨烯用于制备复合材料、石墨烯用作导热材料、石墨烯用于制作存储器件等方面,在不同的领域又分别在不同的行业均有应用研究;③ 大学和研究所对于石墨烯的研究具有非常重要的引导作用,应该加快推动企业对于石墨烯研究成果的转化,让石墨烯真正进入人们的生活。

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A Review of Graphene Patents in China

QI Yu1,YU Wei1,XIE Hua-qing1,LI Feng-xian2,BING Nai-ci1
(1.School of Environmental and Materials Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China; 2.Shanghai Yueda New Material Science and Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201209,P.R.China)

Graphene,a two-dimensional sheet of sp2-hybridized carbon,possesses excellent electrical,thermal,mechanical and optical properties.In recent years,researches on the application of graphene are studied to many relative fields,and the relevant patents and papers are rapidly increasing.The trend,technology and applicant of patents based on graphene are thoroughly analyzed in the last years,providing a reliable data supporting for research strategy on this field.All the patents and information in China are searched on the Soopat,and the dead line is July 20,2015.

graphene;patents;lifecycle;applicants

TK124

A

1001-4543(2015)04-0277-06

2015-06-29

于伟(1979-),男,山东人,教授,博士,主要研究方向为热界面材料、纳米流体、热功能材料等。电子邮箱yuwei@sspu.edu.cn。

国家自然科学基金(No.51476094)、上海电子废弃物资源化产学研合作开发中心开放、开发基金(No.ZF1224-08)资助