2019全球石墨烯技术专利分析

韩雪 马经博 周旭峰 汪伟 刘兆平

石墨烯具有独特的单原子层二维晶体结构，并且集多种优异特性于一身，如超高的载流子迁移率、电导率、热导率、透光率、强度等。2010年，石墨烯的发明者斩获诺贝尔奖，就此一股石墨烯产业化热潮在国内外迅速掀起。石墨烯产业经过近10年的快速发展期，积累了大量的研究成果。石墨烯专利文献作为重要的科技文献来源之一，对其进行定期梳理，可以更好地了解当前的石墨烯技术发展方向，进而为产业化研发工作提供借鉴。

本文采用北京合享智慧科技有限公司的Incopat专利数据库作为检索来源，检索日期截至2019年8月29日（基于公开/公告日）。国际部分采用其中的原始数据库，中国部分采用中国发明申请数据库。对数据库中的专利数据均进行简单同族合并处理，剔除不符合主题的数据，标准化处理申请人信息。

1 石墨烯技术整体专利态势分析

1.1 石墨烯技术国际专利申请趋势

在Incopat原始数据库中共检索到92 906件石墨烯相关专利（族）。石墨烯相关专利申请最早出现在2004年，快速增长开始于2010年，近2年，石墨烯专利申请数量增速开始放缓（见图1）。

1.2 石墨烯专利国家/地区分布分析

专利申请人所属国家代表了该项技术的起源，对其进行分析后可以了解专利技术的原创来源。2010年以前，中国申请人每年申请的石墨烯相关专利数量与其他国家相差不大，从2010年开始，中国申请人每年新增专利数量快速增加，2015年以后，美国、韩国等国家/地区的申请人申请的石墨烯相关专利的年度增长数量开始下降，近2年这种趋势尤其明显（见图2）。

实际上目前中国已经成为全球石墨烯专利的主要贡献者和申请最为活跃的国家，中国申请人申请的专利总量占全球的71.61%，远高于其后的美国（9.21%）和韩国（9.07%），并且申请活跃度（2016—2018年申请量占申请总量比例）也远高于其他国家（见图3）。

1.3 专利申请集中度分析

2004—2006年，石墨烯相关技术刚刚起步，专利申请数量少，专利申请人较少，申请人集中度（专利申请量排名前10的申请人申请专利数量占全球石墨烯专利总量比例）很高（见图4）。2007年开始，随着石墨烯相关技术不断发展，越来越多的申请人参与到石墨烯行业中，申请人集中度下降趋势十分明显。到2016—2018年，申请人集中度指数已达到最低点，表明该领域产业垄断程度越来越低，准入门槛也越来越低，但是企业间的竞争十分激烈。实际上，随着石墨烯规模化制备技术的不断完善，已有大量企业通过在产品中引入石墨烯尤其是石墨烯纳米片来改善产品的导电、导热、增强、抗菌等各方面性能。

1.4 专利申请技术布局

发明和实用新型专利目前普遍采用国际专利分类（International Patent Classification，IPC）对其进行标识。同一专利可能具有若干个分类号时，其中第一个称为主分类号，主分类号最能充分代表发明信息。目前石墨烯专利技术主要集中在C部（化学、冶金）和H部（电学），其他部也有一定的专利申请量（见图5）。

对比来自中国、欧洲、美国、日本、韩国5个国家/地区申请的石墨烯相关专利在各IPC主分类号分布的专利数量可知，中国申请人在A部（人类生活必需）、D部（纺织、造纸）和E部（固定建筑物）申请的专利数量远远高于其他国家/地区的申请量（见图6），这些领域中主要涉及生活及农业用品、复合纤维、LED灯、电暖器等主题。

对专利文本申请主题深入分析后可知，欧洲、美国、日本、韩国的石墨烯专利技术主要分布在半导体器件（H01L小类）和电化学储能（H01M小类）领域。中国申请人在有机高分子（C08大类）、电化学储能（H01M小类）、石墨烯制备（C01B31/02、C01B31/04、C01B32/18、C01B32/19、C01B32/20、C23C16/26小组）领域申请的专利数量最多，其中有机高分子化合物领域申请的石墨烯相关专利数量更是远高于其他领域，申请量位居第1。

2 石墨烯中国专利重点分析

2.1 石墨烯中国专利申请趋势分析

在Incopat中国发明申请数据库中，共检索到中国国家知识产权局受理的69 645件石墨烯相关专利（族），其中发明专利60 439件，实用新型专利9 061件，外观设计专利145件。我国的石墨烯相关专利申请始于2004年，至2010年后开始增长迅速，近2年依然保持快速增长态势，但增长速度有所放缓（见图7）。

2.2 石墨烯中国专利申请来源地分析

在中国申请的石墨烯相关专利中，我国申请人共申请66 524件，占比95.52%，国外申请人申请3 121件，占比4.48%（见图8）。美国是在中国申请石墨烯相关专利数量最多的国家，共申请专利1 047件，占比1.5%。可见，中国受理的石墨烯相关专利绝大多数来自于我国本土申请人。

2.3 专利申请人类型及申请数量趋势分析

根据专利申请人性质的不同，将专利申请人分为：企业、高校、科研机构、個人和其他。在2006—2013年期间，高校申请人的石墨烯专利申请量一直高于其他类型申请人，这段时间内高校是国内石墨烯专利申请的主力军。从2014年开始，企业成为国内石墨烯专利年申请量最多的申请人，并于2016年起其申请量达到年度申请总量的半数以上（见图9）。

2.4 技术转移转化情况分析

对石墨烯相关专利的转移转化情况进行统计分析后发现，产生专利申请权、专利权转移的专利共计2 926件，占石墨烯中国专利申请量的4.2%，其中这些转移活动主要发生在企业内母公司与子公司或各子公司之间，可以看出，绝大部分专利技术未能得到有效转化。此外，对高校、科研机构和个人的专利实施许可进行统计分析后发现，该类申请人的实施许可专利数量为89件，仅占该类申请人专利申请总量的0.27%，可见，高校、科研机构和个人申请的专利绝大部分被束之高阁，未能得到有效实施。

2.5 石墨烯中国发明专利深度分析

本文采用人工标注的方法将中国发明专利分为3类：石墨烯原材料及制备；石墨烯应用技术相关专利；石墨烯终端产品相关专利。近年来，石墨烯原材料制备相关专利申请量增长趋势相对较缓，且已出现下降趋势。而石墨烯应用技术相关专利申请一直保持快速增长，如今仍保持增长势头。此外，可以看出，石墨烯终端产品相关专利前期增长缓慢，自2014年后增长速度加快（见图10）。

2.5.1 石墨烯原材料、制备技术、生产工艺及检测技术专利分析

石墨烯的制备方法可分为Top—Down法、Bottom-up法和其他制备方法[1]。Top—Down法相关专利数量最多，达到4 877件。从专利申请活跃度（指2016—2018年3年某一领域专利申请量占该领域申请总量比例，下同）来看，Top—Down法和其他制备方法这两种制备方法相关专利近3年申请较为活跃，而Bottom—up法相关专利无论从专利申请总量还是申请活跃度来看，均处于较低位置（见图11）。

2.5.2 石墨烯应用技术相关专利分析

石墨烯应用技术方面的专利申请共计46 085件。化工是目前石墨烯应用技术专利最为集中的领域，已申请22 658件相关专利，占应用技术专利总量的49.2%。储能领域、电子器件领域的专利申请总量分别位居第2、第3。从专利申请活跃度来看，石墨烯应用技术各领域专利申请活跃度相差不大，专利申请量增长速度齐头并进（见图12）。

2.5.3 石墨烯终端产品相关专利分析

目前共有6 635件石墨烯终端产品相关专利，将石墨烯应用于机械设备终端产品的专利最多，专利申请量为1 846件，具体涉及灯具、螺杆、电加热地板等。其次为生活用品相关专利，具体涉及口罩、服装鞋帽等，这2个领域也是近3年专利申请最为活跃的终端产品专利申请主题（见图13）。

2.6 区域分析

2.6.1 创新资源地图

石墨烯专利申请量较多的省/市主要集中在中国沿海地区，其中长三角地区以江苏省和浙江省的石墨烯研发活动最为频繁，京津冀地区以北京市专利申请量最多，粤港澳地区以广东省石墨烯技术创新资源最为丰富（见表1）。

2.6.2 长三角地区

长三角地区的石墨烯产业兴起较早， 常州市和宁波市是长三角地区石墨烯产业发展较为成熟的2个典型代表地区。长三角地区的产学研合作方面地区联动并不明显，合作研发的对象主要集中在本省范围内，常州大学和江南石墨烯研究院最为明显，其专利合作研发对象和转让许可对象均为本省企业。

整理相关专利后发现，常州市目前已形成了较为完整的石墨烯产业链条，中游产业主要围绕Top—Down方法制备的石墨烯（即石墨烯纳米片）开展相关应用研发，涉及改性塑料、改性复合纤维、储能等领域，同时涉及少量等光电产品（见图14）。下游应用则主要集中在生活用品方面，如座椅内饰织物、保温服装、电加热产品等。从企业类型来看，代表性企业绝大多数为中小型企业，其中规模较大的为常州第六元素材料科技股份有限公司和常州二维碳素科技股份有限公司。

目前，宁波市的石墨烯产业分布主要集中在上游和中游，储能是目前宁波市石墨烯技术应用最为集中的领域（见图15）。

2.6.3 京津冀地区

京津冀地区汇集了全国数量最多的一流高校和科研机构，以及在基础研究领域成果卓越的大批专家学者。在石墨烯技术产学研合作方面，科研机构在京津冀区域内协同效果并不明显，即使是汇集大量科研机构的北京地区，其科研机构与河北、天津地区的企业合作次数也屈指可数。

北京市是京津冀地区石墨烯专利申请量最多的地区。除气体净化、水过滤、改性复合材料、储能等领域外，北京市在显示面板、压力传感器、触控装置、场效应晶体管等半导体领域聚集了一批企业（见图16）。

2.6.4 粤港澳地区

粤港澳地区是我國开放程度最高、经济活力最强的区域之一。华南理工大学、中山大学等在产学研方面较为活跃，其合作企业绝大多数为广东省本土企业。位于粤港澳地区的深圳市其石墨烯产业在Top—Down方法制备石墨烯、储能、生活用品、理疗产品4个领域较为集中（见图17）。另外，在热界面材料、RFID、触摸屏及显示面板领域聚集了一些代表性企业。

3 发展建议

自2010年石墨烯产业开始兴起以来，石墨烯产业化道路已走过近10年光景。以单层石墨烯为代表的各类二维纳米材料由于其多样的理化性质，以及在器件、传感、催化、医药和能源等领域的的广泛应用前景而备受关注。新材料作为国民经济先导产业和高端制造及国防工业的重要保障，未来将成为各国战略竞争的焦点。当前在新一轮科技革命和产业变革大势下，全球新材料产业格局发生重大调整。在此背景下，石墨烯这种新兴材料得到了各国政府的高度重视。

通过上述分析，得到如下结论：

①从石墨烯专利技術分布重点发展方向上看，欧、美、日、韩等地区和国家将发展重点瞄准为以单层石墨烯（采用化学气相沉积或外延生长法制备）应用为主的半导体器件领域，同时关注石墨烯纳米片（一般以石墨为制备原料并采用剥离、氧化还原等方法制备）在电化学储能领域的应用。在中国，则主要将石墨烯纳米片应用于改性有机高分子材料、电化学储能、涂料油墨等领域，同时中国在产业链下游也申请了不少专利，主要涉及远红外理疗产品、电加热产品、LED灯散热等。

②从石墨烯专利申请总量和活跃度来看，目前中国已成为全球石墨烯专利的主要贡献者，在近3年欧、美、日、韩等国石墨烯专利增长速度已放缓甚至出现负增长的情况下，中国每年的石墨烯专利数量增长速度依然高居不下，来源于中国的石墨烯专利总量占比达到全球的71.61%。

实际上，目前虽然中国已将石墨烯产业发展推向中下游领域，但石墨烯在应用过程中遇到的技术难题，如石墨烯的分散等并未取得突破，其优异性能也并没有得到充分发挥，石墨烯尚无法取代现有材料。从近10年的产业化探索来看，石墨烯技术目前仍属于渐进性技术，寻求应用其产生颠覆性效应的领域依然是摆在行业从业者面前的最大难题。欧、美、日、韩将目标锁定在了半导体和储能领域，经历了多年产业化探索后，已进入了技术冷静期。诺基亚、巴斯夫、IBM、东芝、三星等掌握大量石墨烯专利的跨国企业，近3年来专利申请活动也有所减弱。

③相比于其他国家，中国在石墨烯产业发展上具有其突出特点。

中小型企业在中国石墨烯产业发展中表现最为活跃。由于石墨烯规模化制备技术的突破，使得石墨烯原材料成本大幅下降，进入石墨烯行业的门槛下降，同时在各级政府的层层助推和资本市场的拥抱之下，涌入该行业的中小型企业快速增长。

大型企业是中国石墨烯产业发展的中坚力量。电子信息行业的京东方、新能源行业的国轩高科等大型企业也在试图通过石墨烯材料的研发提高自身产品竞争力，但目前仍然处于技术攻关阶段，真正实现产业化尚需时日。东旭光电、华丽家族等上市企业则跨越其原有领域，期望通过涉足石墨烯领域获得新的利润增长点。

高校和科研机构是中国石墨烯产业发展的技术推手。高校及科研机构掌握了大量石墨烯相关专利，清华大学、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、江南石墨烯研究院是在石墨烯领域实现产学研融合较为成功的代表性机构，对石墨烯产业的发展也起到了积极的推动作用。然而这些也仅仅是少数案例，从专利合作申请及专利权/申请权转移情况可以看出，在学术界仍然有大量的实验室成果没有进入产业界，并且无法与市场需求对接。同时，高校和科研机构在技术扩散方面地域性明显，绝大部分合作对象为本地企业，对整个区域的石墨烯产业发展带动性不强。

从石墨烯创新主体的区域分布来看，长三角、京津冀、粤港澳地区的部分地市已初步形成产业链完整的创新集群，并形成较为完善的产业链分布。但这种集群效应通常也仅存在于地市范围内，缺乏整个区域内部跨地市联动，同时各集群间的产业技术布局重合较为严重，在目前石墨烯技术未取得重要突破的情况下，这种情况进一步恶化了各集群中企业的生存环境。

为此，提出如下建议：

第一，在政府层面，应保持战略信心，创新管理模式。面对目前石墨烯产业发展困境，政府应保持培育发展的信心和决心，通过适时适当的政策干预来助推产业发展。政府层面应以战略眼光识别有可能改变未来产业格局的石墨烯技术领域，对重点企业给予政策和资金的重点支持，协助其渡过技术创新过程中遭遇的“死亡之谷”，实现关键核心领域的技术突破和商业化。国家层面应全面统筹，打破目前产业界和学术界之间需求对接严重失调的僵局，聚焦产业上中下游的企业、高校、科研院所的技术开发，以国家级石墨烯创新中心为着力点，促进产、学之间的高度交叉融合。

第二，在企业层面，一是应优化产业生态环境，行业内部协同发展。石墨烯行业的各企业间应形成良好的竞争协作关系，努力构建行业内部健康的生态环境，避免产品同质化严重、恶性竞争等资源内耗现象。各企业应注重原始技术开发，在石墨烯产品研发方向和研发领域的选择上要做到充分聚焦。二是应提升专利质量，加强专利情报利用。在石墨烯领域，高价值专利的培育势在必行，使专利在市场竞争中真正发挥其应有的价值。

专利导航工作可以为技术研发提供更为客观、全面、准确的引导，石墨烯联盟及石墨烯创新中心作为石墨烯企业合作的纽带，可以整合资源，以专题形式开始细分领域的专利导航工作，同时培育一批石墨烯领域知识产权人才。