石墨烯及其相关材料的技术发展全景分析

章潇慧

石墨烯，一种碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的炭质二维材料，以其超高的比较面积〔单层石墨烯比表面积理论计算为2 630m2/g）、优异的电子迁移率（20 000cm2/（V·s）〕、高的热导率（导热系数高达5 300W/m·K）、超强的力学性能和良好的生物相容性，成为了学术界以及产业界研究和开发的热点，它可以应用于理论物理实验平台、纳米电子器件、超导材料、储能和产能器件、显微滤网、传感器和生物医药等领域。

目前美国、欧洲、韩国等制造强国的石墨烯应用研究都开展的如火如荼；我国的石墨烯产业更是发展迅猛，由地方政府支持和孵化，在高校及科研院所的技术支撑下，涌现出了如天津普兰纳米科技有限公司、南京先丰纳米材料科技有限公司、常州二维碳素科技股份有限公司、常州第六元素材料科技股份有限公司等一批专业从事石墨烯材料生产与元件技术的高科技企业。不仅如此，为了整合协调产业资源，推进低成本石墨烯及装备技术进步和产业化而创办的“中国石墨烯产业技术创新战略联盟”，更是在建立石墨烯上下游、产学研信息、知识产权等资源共享，建立与政府沟通的渠道及人才培养、国际合作的平台，推动标准、评价、质量检测体系的建立，提升低成本石墨烯的整体竞争力方面，正做着探索性的努力和尝试。

在如今石墨烯产业化一片欣欣向荣的大背景下，规划石墨烯及其相关技术发展路线，引领石墨烯（包括相关二维晶体材料）及杂化体系产品的技术发展路线成为了当务之急。

一、石墨烯及其相关材料

石墨烯及其相关材料（graphene and related materials，GRM）突破性技术的诞生，无疑将使人类更多目标成为可能，它能克服价值链中材料、元件和系统的发展瓶颈；GRM的特殊性能将成为未来应用的关键技术，这些技术也许在眼前还尚不能实现，但对这些技术的研究和应用，必将为人类带来新的发展机遇。

根据欧洲旗舰计划2015年编制的石墨烯发展技术路线规划图，GRM发展的关键技术包括：材料技术，用来鉴定和评价新的二维材料，评估这些新材料的应用前景；GRM材料的可靠性、可重复性、可持续性、安全性，宏量合成方法等研究，满足不同应用领域的特殊需求。元件技术，用于鉴定和评价由GRM材料功能化的新元件；鉴定和评价利用GRM材料构建的元件技术；研究高频电子学、光电子学、自旋电子学和传感器技术的电子元件技术。系统集成，用于研究基于GRM材料的元件结构，并发展提供新功能、开辟新应用领域的系统组装方法；发展GRM集成于已有技术平台的新概念；研究纳米复合材料、柔性电子学和能量应用的集成方法。

通过对GRM知识基础发展和新型器件技术路线积累的概括，有助于人类规划和创新GRM相关技术的发展，最终的目标是将GRM集成到未来应用系统当中。在信息和通讯技术领域，可以关注能带来新应用方向的技术，如变形的概念（Morph concept），探索GRM的电学、光学和力学性能，从而实现个人通讯器材的新突破。

在物质交换领域，更多地关注能量生产与存储的关键技术，以及新型功能轻质复合材料在这一领域的应用。GRM材料和技术在这一技术领域中，将有可能集成到新型飞机、大巴、电动汽车等交通运输系统之中。利用了GRM可视化技术的SmartForVision概念电动车如图1所示。

在健康和能源领域，通过对GRM材料特殊电学和光学性能的研究和探索，学术界和工业领域将有希望明确新型信息处理和通讯系统的发展方向。针对目前已成形的GRM材料和技术，欧洲旗舰计划为GRM发展规划了11个技术领域，包括基础研究、健康与环境、制备、电学器件、自旋电子学、光学与光电子学、传感器、柔性电子学、能量存储与产生、复合材料、生物医药应用。未来10～20年之间，以上11个领域中，都将出现石墨烯的身影，预计到2030年，GRM相关材料和技术将可以直接转换成为消费品，走到消费者身边，如图2的预测所示。下面将按照GRM材料和技术的科研和专利产出2方面，就目前石墨烯材料和技术的发展进行全景分析。

二、GRM材料和技术的科研产出

通过研究GRM技术发展，不难看出GRM材料和技术的研究是“平移式”纳米技术出现的典型案例。也就是说，石墨烯在实验室中被发现，而很快被转移到实际的应用研究之中。自2007年开始，关于石墨烯的科技论文和专利活动在世界范围内同时迅速的增长，即在科研和應用大量领域，石墨烯的出现，都引起了人们的广泛关注。这一事实恰好证明了GRM技术是平移式的纳米技术。

生物医药领域的研究和开发，是基础研究与临床实践结合的最紧密的方向，它与转移技术的概念息息相关，也可以应用到更广泛的领域之中进行推广。一个典型案例是巨磁电阻的出现，仅仅用了几年的时间，相关研究就从学术界发展成为信息存储应用技术的主导方向。而与之相比，GRM技术的应用前景则具有更深远的影响力：将GRM元件集成到Si基电子工业领域中，或可逐步替代Si的应用，不仅能够提供更高的性能，还可能发现更重要跟新的应用领域。

不仅如此，碳材料一直以来都是多种技术解决方案的驱动力：19世纪，通过煤碳的燃烧，人类获得能量，推进了第1次工业革命的进程；20世纪，碳基塑料革命性地推动了制造业的发展；21世纪，石墨结构的碳材料会成为第3次技术革命的关键组成。

如图3所示，2000年以来，与石墨烯相关的科技论文呈逐年增长的趋势，且这种增长没有任何要减慢的趋势。石墨烯领域研究的热度不减，原因是多方面的：首先，石墨烯是一种具有特殊性能的材料，无论是分隔开还是结合看，这些性能都可以应用到多个领域。随着时间的推移和石墨烯技术的进步，人们总是能发现它的新能力和新用途。其次，石墨烯科技的发展是建立在地球上最丰富元素的基础之上的，这就使GRM技术成为了一项稳定、可持续、经济的技术。第三，石墨烯是一种二维材料，它不仅适用于信息与通讯领域的生产，同时也适用于传统的Si材料元器件的研发。

石墨烯发现于欧洲，而关于GRM技术的研究已经遍布了世界各地，详见图4所示。2013年，欧洲地区发表的关于GRM技术的科技论文最多，占到了整体的34%；紧随其后的是亚洲地区，主要是来自于东亚3国的贡献；北美地区也十分重视GRM相关技术的研究，发表的科技论文占到整体的24%。

结合以上论述，GRM技术的研究，可成为新型、强大而灵活的、可持续的、经济上可行的技术平台。因此，石墨烯技术研究成为了材料科学领域最重要的前沿热点。尽管如此，由于石墨烯的独特结构，它的许多应用可能仍不被人们了解，而对应的分析方法也是高度复杂的。引用诺贝尔奖获得者Frank Wilczek先生的观点：石墨烯是唯一可能存在的，将量子场论转化为专利性创新的系统平台。因此，GRM材料与技术的基础和前瞻性研究，仍是未来几年人们重点关注的领域。在这一领域的科技论文的发表，将继续保持迅速的增长态势。

三、GRM材料和技术专利全景分析

专利作为知识产权的重要组成部分，是企业研发成果的重要表现形式，也是世界科技技术信息最重要的展现平台。通过对GRM材料和技术方面全球专利的全景分析，可以了解到目前GRM技术的发展现状，同时获得未来技术发展趋势的信息，是研究GRM技术、战略和情报的重要手段。

自2007年起，与石墨烯相关的专利领域活动开始加速增长，如图5所示。这主要是由在韩国以及美国的主要企业和科研机构在相关领域的专利申请驱使发生的。不仅如此，来自中国的高水平石墨烯专利活动，也作出了重要的贡献。一些评论家认为，欧洲的石墨烯专利落后于其他地区。但事实并未如此，一项知识产权分析显示，欧洲的石墨烯专利全景战略已经有了重要立足点，且可以保证欧洲未来的价值机会。随着石墨烯潜在技术的发展空间不断提高，GRM专利活动逐渐成熟，技术领域的再分配将不可避免的发生，欧洲也将从以专利为基础的商业化石墨烯研究中获利。

总体来看，石墨烯技术专利活动正在快速增长，已经汇聚到了半导体和生物技术工业的相关细分市场，而这些细分市场都保有高水平的专利活动。在上述细分市场中，商业活动的专利战略通常包含了“利润最大化”和“利润最优化”2个战略，而分行业也经历着专利丛林的困扰，有时需要绕过已授予的专利。政策、法规和商业战略均在发展中限制了专利的实践。在这种环境下，准确的技术全景分析可以为政策制定者、投资者和个别行业参与者提供重要的信息，从而为健全的政策、商业战略和商业化研究计划提供发展的基础。

顶级石墨烯专利所有人（专利委托人）和他们的专利应用分析展示了石墨烯在不同工业方向的广泛相关性，例如汽车、计算机和化工原料方面。在这些工业领域中，专利的应用在时间和行业间的可变换性很广，从而增加了对战略规划的引导性挑战，人们需要更准确的石墨烯知识产权地图。

认识了解和准确定位石墨烯快速增长的技术全景，对于那些寻找未来价值保障的人来说非常重要。专利也许是实现未来石墨烯商业利益特别重要的组成部分，因为专利是商业模式中知识产权的重要组成，是技术发展的重要实践方式，是企业研发中战略部署的重要环节。

接下来关于知识产权的分析和讨论，突出强调了石墨烯相关的以科技出版物为代表的科学产品，以及与技术开发相关的石墨烯相关专利申请之间的不同，并且提供了大规模、学术界领导者的集中活动（著名的、有贡献的科学产出）和工业领导人（显著的有贡献的专利申请）的额外数据。

四、石墨烯知识产权全景分析

与石墨烯相关的专利活动从2007年开始加速启动，与其在科技论文发表领域的表现相似，这一现象同样证明了石墨烯技术的研究和探索在世界范围内的加速发展。有趣的是，与石墨烯相关的知识产权活动早于2004年就开始了，而与石墨烯制造相关的专利申请的流程可以追述到1896年（这是一项氧化石墨的合成方法的专利）。

2006年之前的GRM相关专利，主要是美国研究机构申请和开发的，而2006年之后相关专利的申请则开始猛增。而2007年以后，GRM相关专利的申请则主要由来自于韩国的研发机构主导，他们是三星集团和与三星集团有联系的科研单位，如成均馆大学。

根据应用领域的不同，石墨烯相关的专利包含了多个方向，如表征方法、高分子复合材料、透明显示设备、晶体管、电容器、太阳能电池、生物传感器、导电墨水、窗户、饱和吸附物、光电探测器、网球拍等。總体来说石墨烯相关的专利申请集中于电子元件、制备合成、复合材料等领域。其中，最集中的是GRM材料的合成与电子器件的制造2大方面，分别占据了整体专利申请量的28%和27%。如图6所示。

众所周知，石墨烯的合成主要包含化学气相沉积法、剥离法等；而石墨烯电子器件主要关注设备、晶体管和计算机芯片等。虽然每个产业领域可能存在重合，但这正是跨学科研究的结果，使技术的转换和突破成为可能。

石墨烯的广泛应用，是垂直交叉技术的宝库，它可应用的产业领域包括了电子工业、信息与通讯产业、能源产业、消费品产业、高分子复合材料产业、汽车工业、医药工业、化工催化业等。

由合成与电子器件为主导的石墨烯专利申请量恰恰证明了石墨烯的研究仍处于初级阶段，人们仍有很大的空间对GRM进行开发和利用。

进一步来说，考虑到石墨烯研发领域仍处于早期阶段，因此需要批量合成方法和技术的发展，出现大量关于合成的专利也不足为奇。随着石墨烯潜在技术的发展和专利申请的逐步成熟，专利活动的重新分布将不可避免，关于制备方面的专利申请份额将逐渐降低，并转向目前尚未成熟或未确定的终端应用方向转移。

通过专利申请的地区分布分析，可以获得石墨烯重点研究机构及潜在市场分类。图7是不同地区不同时段的石墨烯专利申请分布情况。由于企业更倾向于在其母国首先申请专利，因此源地管辖权的专利分析比国际专利合作条约（international Patent CooperationTreaty，PCT）更能为关键市场和关键生产地区分析提供依据。

如图7所示，与2004-2006年相比，韩国在2007-2009年之间申请了更多有关石墨烯的专利。这就说明了在2007年左右，韩国产生了大量的石墨烯技术的商业投资。2010-2012年之间，中国出现了显著的石墨烯专利申请增长。更值得注意的是，在这段时间内中国的专利申请跨越了科技领域的众多方面。不仅中国的石墨烯专利活动在这一时期内增长显著，其在石墨烯技术领域的商业投资同样增长迅速。还有一点值得注意，欧洲专利局对全球石墨烯专利申请的贡献，从2007-2009年的8%降低到了2010-2012年的4%。

在美国、中国和韩国，拥有最多石墨烯相关专利的专利所有人分布，如图8所示。其中，拥有最多石墨烯技术专利的单位是韩国的跨国企业三星集团，其申请量是第2名对手企业的3倍之多。三星集团在石墨烯专利申请方面是无人能比的，他们的主要技术申请方向包括合成工艺、透明显示器件、复合材料、晶体管、电池和太能能电池等。三星的专利申请是可持续的和深入的石墨烯研发，同时联合了广泛的学术机构（专利所有人）。排在第3位的中国企业深圳海洋王照明科技股份有限公司，是中国拥有最多石墨烯相关专利的企业，其主营业务是专业照明设备，将石墨烯技术布局于LED及OLED领域之中。

另一点有趣的地方在于，石墨烯的专利申请中，大学和科研机构占据了50%的比例。另外50%，由中小型企业和跨国公司贡献。欧洲在石墨烯技术方面，贡献了最多的科技论文，但是专利申请方面却远远的落后于美国（30%）、中国（25%）、韩国（13%）。欧洲的专利申请主要集中于科研机构，占总体的9%。

尽管欧洲的石墨烯技术专利申请量相对落后，但是却在石墨烯的技术全景发展中留下了重要的足迹。如今，欧洲最顶级的石墨烯专利所有人——芬兰的诺基亚公司，将石墨烯材料与共振器和电极等电子器件相结合，发展半导体工业。

欧洲的大学同样对石墨烯专利技术做出了重要的贡献，他们与企业联合研发，如德国的AMO GmbH和化学巨头巴斯夫（BASF）等，共同申请专利，布局石墨烯相关产业的发展。不仅如此，欧洲的企业还看到了GRM专利申请的重要性，他们联合了各家企业和大学共同开发石墨烯技术，包括三星、Vorbeck材料、普林斯顿大学、莱斯大学，这有助于提升石墨烯技术研究的质量，同时也是重要的石墨烯技术市场。

石墨烯技术体系中，存在专利丛林风险，以及众多授权专利的重叠性。围绕石墨烯的专利活动是高容量的，这是一个早期的技术方向，专利的申请具有强烈的专业性。在石墨烯技术全景中，经常发现碳纳米结构的身影，而这些碳纳米结构并非真正的石墨烯。这是石墨烯定义和规划石墨烯发展最主要困难。

进一步而言，石墨烯术语的建立也不完善。不同的专利审查机构可能给同样的成分授予了专利，而这些成分在不同的专家和工业领域中的命名又是不同的。不同命名的使用应该是深思熟虑的，并且努力克服重叠命名的障碍。一些科技文献认为，由于难以找到相关领域专家而造成专利评估质量地下，应该建立了一个高质量的专利丛林，从而降低对GRM技术创新的负面影响。

五、结语

尽管还存在着如上的种种困難，但石墨烯技术对于学术机构、中小企业和跨国公司仍存是重要的机会和挑战。应该利用正在增长的学术-工业联合（如韩国和美国的例子），为技术成熟时不可避免的石墨烯专利再分配做好准备。更重要的是，把目光从材料合成方面转移到目前尚未完全建立的终端客户应用之中，才是规划GRM技术、研发GRM产品的关键。