碳材料透明导电薄膜材料专利分析综述

罗囡囡，王 卓，高晓薇，岳瑞娟

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100166)

掺锡氧化铟薄膜(简称ITO)及其它金属氧化物具有较低的电阻和较高的透光率，是目前主流的透明导电薄膜材料[1]，但由于刚性大、原料昂贵等限制了其在柔性导电薄膜领域的发展，寻找金属氧化物替代材料是柔性透明导电薄膜领域的迫切需求[2-3]。

碳纳米材料是一种具有良好机械性能和光电性能的纳米材料，在制备柔性透明导电薄膜方面具有良好的发展前景，其中受关注度最高的是碳纳米管和石墨烯导电薄膜材料[4]。

碳纳米管是日本科学家Sumio Iijima于1991年发现的。其为管状的纳米级石墨晶体，是由单层或多层石墨烯层围绕中心轴卷曲而成的一维纳米结构，单层碳原子以sp2键无缝结合，分为单壁和多壁碳纳米管。碳纳米管具有优异的导电性、柔韧性以及化学稳定性[5]。

石墨烯是由单层碳原子以sp2杂化轨道构成的六角形蜂巢晶格的平面二维材料，石墨烯的电学性能优异，导电性和透光率是两个对立的参数，而石墨烯兼具高电导率和高透光率，同时，石墨烯还具有高强度和柔性，其优异的性能使其成为最有潜力和最受期待的导电薄膜材料[6]。

本文章的数据主要利用国家知识产权局专利检索与服务系统为信息来源进行检索后与德温特世界专利索引数据库检索出的结果合并、筛选后得到。分析样本为涉及专利申请共3467件，分析数据截止日期为2019年7月12日。

1 碳材料导电薄膜专利申请总体趋势

1.1 碳材料导电薄膜全球专利申请趋势分析

碳材料应用于导电薄膜的发展历程(见图1)。

图1 全球专利申请量趋势

2004年以前，全球范围内每年专利申请量在0～20件之间。

自2004年首次出现单层石墨烯以来，申请量以每年20%左右速度增长，到2008年申请量突破了100件，到2010年达到163件。

2011年开始进入迅猛发展期，专利申请量突破200件，之后每年保持在200件以上，到2014年达到了301件。2010年首次大规模制备出石墨烯透明导电薄膜，同年，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛因对石墨烯的开创性研究获得诺贝尔物理学奖，对于石墨烯及其在导电薄膜材料的方面的应用也进入白热化阶段。

2015年较2014年专利申请量较大幅回落，之后每年专利申请量均有小幅下降，专利数量保持在227～259件/年范围内。在此阶段，碳材料导电薄膜由研发阶段逐渐转向量产阶段，研究方向也逐渐转向对导电薄膜性能的改进和优化。

1.2 碳材料导电薄膜主要国家和地区专利申请区域分布和申请量趋势

从各个国家申请量的比较来看(见图2)，申请主要集中在中国、日本、韩国、美国。其中中国专利申请数量居首位，共1127件，占全球申请量的42%；紧随其后的是韩国和日本，专利申请量和全球专利申请量占比分别为655件/25%，592件/22%；美国专利申请量和全球专利申请量占比分别为218件/8%。

图2 主要国家和地区申请区域分布

从主要国家和地区的专利申请量趋势来看(见图3)，2007年以前，日本专利申请量领先于其它国家和地区；2007年至2012年间，中国、日本、韩国的专利申请量快速提升，远超美国和欧洲；2012年之后，中国专利申请量迅猛提升，其余国家和地区则呈现出稳中有降的趋势。

图3 主要国家和地区专利申请量趋势

1.3 碳材料导电薄膜技术原创国/地区和目标市场分布

技术原创国/地区是指一项技术的原始产出国/地区，技术目标国体现出原创国对于目标市场的定位。

由图4可以看出，相对于中国、日本、韩国，美国和欧洲海外专利布局意识较强，海外专利申请与本国申请量相当。值得注意的是，中国的专利申请量远超其它国家和地区，但是其它国家在华的专利布局数量远低于其它国家和地区。

图4 技术原创国/地区和目标市场分布(单位：件)

1.4 碳材料导电薄膜主要国家和地区专利申请人类型

由图5可以看出，中国、韩国的专利申请人以高校/科研机构、公司/企业为主体，日本、美国、欧洲的专利申请人以公司/企业为主体，其中，日本的公司/企业申请人拥有的专利申请数量与中国的公司/企业申请人相当。

图5 主要国家和地区专利申请人类型

1.5 碳材料导电薄膜核心专利申请分布

主要国家和地区核心专利申请如图6所示。

图6 主要国家和地区核心专利数量与总量

核心专利的确定应当综合考虑其技术价值、经济价值以及受重视程度等多方面因素，选择因素包括专利被引频次、同族专利成员计数、同族专利国家/地区计数。由图3～图6可以看出，核心专利申请拥有量最高的是日本，数量达到276件；中国、韩国、美国拥有的核心专利申请量相当。在核心专利申请所占专利申请量百分比方面，欧洲以90.8%占居首位，美国和日本也分别达到了75.7%和46.6%，韩国为29.0%，中国仅以16.5%居于末位。由此可见，日本、欧洲、美国的专利布局与市场的发展和需求匹配度高，专利申请具有较高的综合价值，研发投入产出比较高；中国和韩国虽然拥有较多数量的核心专利申请，但仍有大量的专利申请没有被关注，研发投入产出比较低。

2 碳材料导电薄膜的专利申请技术类型分析

2.1 主要类型碳材料导电薄膜全球专利申请趋势

由图7可以看出， 2011年之前，碳纳米管导电薄膜专利申请量远超石墨烯导电薄膜；2011年至今，石墨烯导电薄膜专利申请量飞速增长，并且以绝对的增长优势超过碳纳米管。其它碳材料在2005年之前与碳纳米管、石墨烯专利申请数量相当，2005年之后也仅保持着每年少量的专利申请量。在碳纳米管、石墨烯出现以前，包括碳纳米纤维、富勒烯、石墨等在导电薄膜领域的应用仅仅局限在作为导电填料使用。在2004年至2010年之间，碳纳米管导电薄膜专利申请量飞速增长。当石墨烯出现后，业界把关注更多投向石墨烯。石墨烯不仅具有更好的导电性，其制备、分离、成膜工艺也更简单，克服了碳纳米管容易聚集、难以分散的缺陷，尤其是自2010年首次大规模制备出石墨烯导电薄膜以来，石墨烯就成为碳材料家族中最有潜力和价值的导电薄膜材料。

图7 主要类型碳材料导电薄膜全球专利申请趋势

2.2 主要类型碳材料导电薄膜国内专利申请趋势

由图8可以看出，在2010年之前，各个类型碳材料导电薄膜的专利申请量均不高。从2010年至今，碳纳米管导电薄膜和石墨烯导电薄膜专利申请量迅猛增长，2011年专利申请量比2010年翻了一倍。一方面与中国导电薄膜领域的快速发展水平相吻合，另一方面是由于石墨烯导电薄膜的出现引起了业界的广泛关注，也带动了对碳纳米管作为导电薄膜的关注。

图8 主要类型碳材料导电薄膜国内专利申请趋势

2.3 主要国家和地区主要类型碳材料导电薄膜专利申请量

由图9可以看出，中国石墨烯导电薄膜专利申请量约为碳纳米管专利申请量的1.8倍左右，韩国、美国的石墨烯专利申请量与碳纳米管专利申请量相当，日本碳纳米管导电薄膜专利申请量是石墨烯专利申请量的2.3倍左右。碳纳米管首次在日本出现，日本对于碳纳米管的研究较为成熟，是碳纳米管世界第一大国。自2001年以来，在日本已经公开碳纳米管制造专利的企业有东芝公司、索尼公司、NEC、伊势电子工业公司等，成熟的制备技术为其作为导电薄膜材料的应用奠定了基础。

图9 主要国家和地区主要类型碳材料导电薄膜专利申请量

3 结 语

在碳材料导电薄膜领域，我国在专利申请量方面在全球遥遥领先，但在海外专利申请量远低于国内专利申请量，美国、日本、韩国等主要国家在华专利布局数量低于其它主要国家和地区，另外，我国核心专利数量少，低于其它主要国家和地区，一方面反映出我国在该领域投入了大量研发成本，具有较高的研发实力，另一方面也反映出部分专利申请应用价值不高，不能将创新成果进行有效的市场转化。

我国的创新主体在专利布局、专利挖掘等发面的意识仍需加强，其次，企业应加强与科研机构合作，让创新服务于市场，让市场推动创新进步，另外，放眼全球，关注行业领军企业的专利成果和专利布局，了解行业先进技术，寻找突破壁垒和发展自身的机会。