2017全球石墨烯技术专利分析

王国华 周旭峰 汪伟 刘兆平

石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，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具有巨大的应用潜能。近年来，围绕石墨烯的专利申请在全球范围内呈现出高速增长态势。本文基于DII数据库、宁波市科技文献检索服务中心的WIPS Global专利数据库，利用TDA、Thomson Innovation等分析工具，通过对全球石墨烯相关专利进行统计分析，揭示了全球石墨烯相关专利技术的研发和竞争态势。

一、石墨烯技术专利整体态势分析

1.国际专利申请量与及申请布局

图1给出了石墨烯相关专利数量的年度（基于专利申请年）变化趋势。从图1可以看出，石墨烯相关专利的申请在20世纪末就已出现，但随后发展较为缓慢。从2010年开始，专利申请数量开始持续大幅增长，热度至今不减。

2.石墨烯专利国家/地区分布分析

图2对石墨烯技术技专利文献的最早优先权国进行统计分析发现，中国处于技术原创国的首位，其专利受理数量大幅领先于随后其他各国家/地区，占据了58%的份额；韩国、美国、日本紧随其后，也是该项技术的主要技术原创国。但是，韩国、美国和日本等的专利申请数量与中国有较大的差距。

图3为石墨烯技术主要国家专利技术流向进行的统计分析，可以看出，韩国、美国、日本不仅是石墨烯技术的主要技术原创地，也是主要技术保护地。韩国、美国、日本等既重视本土专利申请，也非常重视海外专利布局，美日韩之间互为重要的专利技术来源国。中国近些年也开始加大专利海外布局的力度，目标申请国主要是美国。

3.美国石墨烯专利重点分析

图4给出了美国（基于申请年）石墨烯专利申请数量的年度分布情况。可以看出，虽然美国石墨烯专利的申请与受理始于20世纪90年代初，但是增长一直缓慢，直到2008年后，申请数量开始持续增长，2012年以后，专利申请数量一直相对较高，近70%的专利申请集中在2013-2016年。

在检索到的5 734件美国石墨烯专利申请中，有3 650件申请来自美国国内，占63.7%；其余2 084件申请来自美国以外的其他国家/地区，占36.3%，主要来源于以下国家/地区：世界知识产权组织（1 522件）、欧洲专利局（以下简称“欧专局”）（161件）、德国（115件）、中国（103件）、韩国（79件）、法国（45件）、英国（22件）、日本（22件）、加拿大（8件）等。

在美国比较重要的石墨烯专利申请人主要有威廉马歇莱思大学、德克萨斯大学、IBM公司、JANG B Z&ZHAMU A&美国纳米技术仪器公司、沃尔贝克材料公司等。

（1）威廉马歇莱思大学因其在碳材料研究领域的深厚积淀，尤其是在富勒烯及碳纳米管领域中一系列开创性及持续性深入的研究工作，其在石墨烯制备、石墨烯功能化以及石墨烯在柔性显示、传感器及存储器等方面的工作都有相关专利布局。

（2）德克萨斯大学的技术分布比较分散，德州大学在石墨烯制备技术尤其是氧化石墨烯制备技术、石墨烯薄膜的化学气相沉积（CVD）制备技术及其相关机理机制方面具有一系列开创性及持续深入的研究工作，该校申请专利主要集中在氧化石墨烯的制备、CVD制备石墨烯薄膜/单晶、电化学储能器件，其在催化剂、生物医药、LED&OLED、防腐涂层等领域也有布局。

（3）IBM公司主要从事石墨烯场效应晶体管（FET）和介电层相关研究，其关于石墨烯的专利申请主要集中在石墨烯在集成电路、晶体管、传感器、信息存储、LED&OLED等方面的应用。

（4）JANG B Z&ZHAMU A&美国纳米技术仪器公司在应用方面的专利主要集中在储能、散热、透明导电薄膜、环氧树脂增强复合材料等方面，另外还涉及传感器、润滑、气体分离、导电油墨等方面的应用。

（5）沃尔贝克材料公司的专利申请主要集中在导电油墨、印刷电路、太阳能、增强复合材料、运动装备等应用领域。

4.石墨烯韩国专利重点分析

图5给出了韩国（基于申请年）石墨烯专利申请数量的年度分布情况。可以看出，虽然韩国早在2001年就开始申请石墨烯技术相关专利，但是增长一直缓慢，直到2010年后，申请数量开始出现大幅增长，60%以上的专利申请都集中在近3年。

在检索到的5 401件石墨烯韩国专利申请中，有3 537件申请来自韩国国内，占65.5%；其余1 864件申請来自美国以外的其他国家地区，占34.5%，主要来源于以下国家/地区：世界知识产权组织（871件）、欧专局（77件）、德国（45件）、法国（21件）、中国（12件）、日本（12件）、英国（11件）、加拿大（4件）等。

在韩国，比较重要的石墨烯专利申请人主要有三星集团、LG集团、成均馆大学等。

（1）三星集团作为全世界持有石墨烯专利数量最多的专利权人，目前已初步形成石墨烯上下游之间的产业链布局。在石墨烯制备领域的专利申请主要集中化学气相沉积法制备石墨烯薄膜、相关设备和石墨烯品质检测；应用领域的专利申请主要涉及锂电池、LED和OLED、触摸屏、液晶显示、晶体管、传感器等方面。

（2）LG集团主要致力于以石墨为原料制备石墨烯材料及其在锂离子电池、导电油墨、散热、电缆等领域的应用，同时也涉及CVD制备石墨烯及其显示器件和LED和OLED中的应用。

（3）成均馆大学与企业之间的合作非常活跃，其中最重要的合作伙伴是三星集团，制备技术主要涉及化学氧化还原法和化学气相沉积法，应用技术涉及领域非常广泛，主要集中在显示装置、传感器、晶体管、LED和OLED、储能等方面。

二、中国专利石墨烯布局

利用宁波市科技文献检索服务中心的WIPS Global专利数据库对石墨烯中国专利进行重新检索，共检索到石墨烯中国专利申请18 931件，发明数量17 306，实用新型1 616件，外观9件。其中PCT发明专利737件，数据检索时间为2017年3月1日。

1.中国专利石墨烯数量年度分布分析

图6给出了我国公开（基于公开/公告年）的石墨烯专利申请数量的年度分布情况。可以看出，我国石墨烯专利的申请与受理始于20世纪初，自2008年至今，我国石墨烯专利申请数量一直处于在快速增长。中国政府、科研机构以及相关企业近年来对石墨烯相关技术一直保持高度的重视，国内石墨烯研发的高潮持续不减。

2.中国专利石墨烯申请来源地分析

在检索到的17 306件中国石墨烯发明专利申请中，国内申请16 569件（包含中国台湾地区73件），占95.7%；其余737件为国外申请，占4.3%，主要来源于以下国家/地区：美国（1.4%）、日本（0.9%）、韩国（0.9%）等。

3.中国专利石墨烯深度分析

石墨烯按照制备方法主要有2大类：①通过Top-Down途径制备石墨烯，主要涉及以石墨、碳纳米管、煤炭等为原料通过机械剥离[2]、化学氧化剥离[3]、电化学剥离[4]等方式制备石墨烯；②通过Bottom-up途径制备石墨烯，一般是在一定条件下使含碳物质分解，形成碳基碎片甚至碳原子，最后形成石墨烯晶格结构。主要包括化学气象沉积[5]、外延生长[6]、有机合成[7]等。

目前以石墨为原料制备石墨烯的发明专利技术共有14 564件，主要涉及石墨烯原材料、制备技术、生产工艺及检测技术和石墨烯应用产品。其中涉及石墨烯原材料、制备技术、生产工艺和检测技术的发明专利一共有2 152件，原材料包括粉体-浆料、石墨烯膜、石墨烯纤维、宏观组装体、量子点、多孔石墨烯等；制备技术划分为机械剥离、化学氧化还原、电化学制备技术等；生产工艺划分为分离-提纯-分散、功能改性、检测、设备等。

石墨烯应用研究方面的专利申请共12 316件（图7），主要集中在储能、复合材料、电子信息、水/气体处理等6大领域，其中申请量较多的主要有储能（专利申请量2 987件，占总申请量的24.3%）；复合材料（专利申请量6 091件，占总申请量的49.5%）；水/气体处理（专利申请量1 060件，占总申请量的8.6%）。

化学气相沉积制备石墨烯领域的相关专利一共有1 973件（图8），主要涉及石墨烯原材料、制备及检测技术（660件）、石墨烯改性产品及技术（91件）、石墨烯应用产品（1125件）、石墨烯终端应用产品（97件）。通过该技术途径得到的石墨烯薄膜具有良好的导电性、透光性和柔韧性，在液晶显示、触控、传感器、激光器、柔性电子器件等领域具有巨大的应用前景。

三、观点和建议

1.观点

（1）从全球范围来看，石墨烯相关技术目前仍处于高速发展阶段，世界各国政府都在大力推动石墨烯的研究和产业化，石墨烯产业已经进入开展专利战略布局的关键机遇期。

（2）石墨烯专利技术近年来的研究热点主要包括石墨烯原材料制备，石墨烯在储能（电池）、复合材料、热管理、传感器、膜分离、透明导电薄膜、触摸屏、晶体管/集成电路、光纤、通讯、高性能计算机等领域的应用。

（3）目前，我国是石墨烯技术领域专利申请量最多的国家，但多数为本土专利申请，国外专利技术布局相对薄弱，近年来虽然也开始重视专利海外申请，但是绝大多数是以美国为目标申请国，专利国际布局缺少整体规划，专利质量总体不高，缺乏基础核心专利；韩国、美国、日本等既重视本土专利申请，也非常重视海外专利布局，3国之间互为重要的专利技术来源国。

（4）从重要专利申请人的国别分布情况来看，专利申请数量不少于60件的共有76个申请人，其中8个来自美国，3个来自日本，16个来自韩国，而来自中国的申请人数量占比最高，多达49个，主要是高校和中科院系统的研究所，企业仅有5家。

（5）在美国和韩国，其研发和产业化主体都以企业为主，各企业通过与高校科研院所合作研究实现技术共享，企业既掌握核心技术，又洞悉市场需求，从而有效推动石墨烯的研发进程、研发成果转化进程和产业化进程。

（6）从我国区域来看，石墨烯专利申请有95.7%的数量来自国内，但是，我国专利申请者往往只在國内市场申请保护，在专利布局意识上明显落后于美韩等国。在我国的石墨烯技术专利申请人中，企业和个人的专利申请数量高达49.4%，但是申请主体非常分散的，缺少系统的专利布局。

（7）从基于中国境内的石墨烯制备专利来看，目前石墨烯制备技术主要有2个途径：Top-Down和Bottom-up途径。

在Top-Down途径制备石墨烯技术领域：国外申请人的专利主要涉及化学氧化还原法、机械剥离法、插层剥离法、石墨烯分散技术等，虽然总体数量不多，但是申请日绝大多数都在我国申请人之前。从目前来看，国内申请人在石墨烯生产设备以及石墨烯品质检测方面的专利具有优势。

从应用领域来看，我国在储能、复合材料、电子信息、水/气体处理、医疗健康、传感器等6大领域都有大量专利申请。在产业化方面，锂离子电池、铅酸电池、导热材料、散热膜、发热膜等领域企业参与度较高，但是以中小企业为主。除此之外，绝大多数技术仍掌握在高校和研究机构手中，技术转移转化的效率非常低。而国外的申请人则以企业为主，关注的主要是石墨烯在锂电池、燃料电池、散热材料、透明导电薄膜、生物化学传感器、导电材料、聚合物增强材料、海水淡化、DNA基因检测、晶体管、场发射器件等领域的应用。

在Bottom-up途径制备石墨烯技术领域，我国企业参与较多，在石墨烯薄膜制备、转移、设备、检测等领域都具有数量上的优势，国外申请人的专利主要集中在石墨烯薄膜制备和转移方面，涉及少量石墨烯薄膜检测专利，并且申请时间相对较早。从应用领域来看，国外的企业主要关注的是气体分离、集成电路、LED&OLED、传感器等高端应用技术领域；我国的中小企业主要关注的是触摸屏、加热膜、远红外理疗产品等领域；我国的大企业如华为公司有机太阳能电池、光调制器领域，中芯国际在晶体管、半导体器件领域；京东方集团在传感器、显示装置、有机电致发光器件、晶体管等石墨烯高端应用技术领域已经展开布局。

2.建议

从全球和我国专利分析以及目前石墨烯产业发展现状来看，各国的石墨烯产业起步时间相当但我国推进速度很快，主要得益于资本的推动和政府的顶层布局。但中国系统性的基础研发不足，缺乏后劲。应用领域的专利申请多数集中在中低端产品的应用上，缺乏针对高端应用的专利申请和布局。

当前国内对石墨烯材料的应用，主要集中在2大领域：一类是将石墨烯作为添加剂应用在已有产品中，用以改良和提升产品性能，比如添加石墨烯散热涂层的LED灯、石墨烯暖墙、石墨烯地板、石墨烯防腐涂料、石墨烯内暖纤维制成的服装、石墨烯防静电轮胎、加热片、石墨烯动力电池等产品；另一类是将石墨烯薄膜用于加热膜、智能手环、触摸屏、远红外理疗产品等。

目前我国在上述领域的商业化应用已经取得了很好的成绩。但是创新主体多为中小企业，高校科研院所的专利技术转移转化程度很低，导致国内石墨烯相关专利布局较为松散，为此，我国企业一方面要立足本土市场，积极组建产学研之间的专利联盟，整合上下游资源，建立石墨烯全产业链的知识产权保护体系，避免国内企业之间专利纠纷，抵御国外专利技术威胁，保护国内石墨烯产业；另一方面也要瞄准海外市场，加强全球专利布局，积极参与国际竞争，助力中国石墨烯产品走向世界。

在传感器、晶体管、集成电路等石墨烯高端应用技术领域需要大量资金投入，而且风险很高，美日韩等发达国家的大企业都已经开始提前进行专利布局，为未来石墨烯高端应用技术跑马圈地。反观我国，不管是高校科研院所还是大企业在石墨烯高端应用领域的关注都遠远不够。如果不改变当前情况，石墨烯产业在高端应用技术领域将会面临被国外大型跨国公司垄断的局面。因此需要国家从战略层面高度重视，设立石墨烯专项产业扶持基金，鼓励国内大企业与高校/科研院所之间建立长期深入的合作关系，着眼于石墨烯技术未来的国际竞争制高点，积极开展能够引领未来市场的高端核心技术研究，提前进行技术储备和专利战略布局。

目前石墨烯产业已经到了开展专利布局的关键战略机遇期，需要从国家层面统筹规划。一方面积极引导和扶持石墨烯产业发展，推动石墨烯材料示范应用，构建石墨烯应用产业链，整体进行专利技术布局，同时加强石墨烯标准体系建设，保障我国石墨烯产业的健康有序发展；另一方面，加强石墨烯技术的国际知识产权研究，为我国石墨烯产业界制定国际专利布局策略提供参考，同时积极参与石墨烯国际标准研究和制定，为我国石墨烯材料产业界参与国际竞争提供支持。

参考文献

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