石墨烯薄膜技术发展综述——基于DII数据库的分析

梁 燕 钟书华

(华中科技大学 公共管理学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

石墨烯薄膜材料具有优异的导电性、透光性、力学性、柔韧性和导热性等，广泛应用于柔性显示、传感器、集成电路和导热膜等领域。相关数据显示，预计在2022年，我国石墨烯薄膜市场规模将达到450亿元[1]。发展以科技创新为引领的新兴产业是实现经济可持续发展的战略之一，石墨烯薄膜产业已受到世界各国的高度重视。韩国、日本、美国、欧盟等国家地区先后出台多项政策和计划支持石墨烯技术研究，例如2011年，美国能源部发布《关键材料战略》、欧盟启动石墨烯旗舰项目、英国发布《促进增长的创新与发展战略》都将石墨烯材料列为重点发展方向。近年来，中国政府也在多项战略规划中大力发展石墨烯材料产业，2015年国务院出台《中国制造2025》战略，制定多主体多渠道的产业扶持政策。同年，工信部、发改委和科技部共同发布《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》，着力构建石墨烯产业发展的生态环境。2016年，石墨烯被纳入“十三五”国家战略性新兴产业发展规划中。

当前，石墨烯薄膜产业处于早期产业化阶段，大面积制备石墨烯薄膜的技术尚不成熟，因此，有必要对石墨烯薄膜技术的发展历程进行研究以助力技术实现新突破。依托DII数据库平台，对石墨烯薄膜技术专利数量进行时间序列统计，形成技术发展趋势图。以此研究石墨烯薄膜技术的发展波动特征，并对石墨烯薄膜技术未来10年的发展趋势进行合理预测，为制定石墨烯薄膜技术战略和产业政策提供参考。

1 数据来源与研究方法

专利是一种技术创新的产出形式[2]，并作为技术创新的衡量指标之一，可以揭示技术创新和发展的深度和广度。利用专利信息可以测度某一技术创新的可靠性、规模、质量、环境[3]，以及预测技术发展趋势。一定时期的专利申请数量反映出技术的发展水平，因此，选取石墨烯薄膜技术专利申请数量为研究对象，采用专利时序波动分析和趋势预测，可揭示石墨烯薄膜技术发展过程及发展趋势。

1.1 数据来源

文中所使用数据来源于DII(Derwent InnovationsIndex)数据库。DII数据库是Thomson Scientfic公司基于ISI Web of Knowledge网络检索平台推出的专利信息检索产品。该数据库由Derwent World Patents Index和Derwent Patents CitationIndex 两部分组成 ,收录来自全球50个专利授予机构的专利文献，技术内容涉及化学(Chemical Section)、电子与电气(Electrical & Electronic Section)以及工程技术(Engineering Section)领域的发明信息，其中专利文献索引可追溯至1963年[4]。DII数据库收录的专利文献涵盖所有技术领域，并使用英文翻译所有英语以外的其他语种出版的专利文献，为专利分析所需的全面、准确的检索结果提供了有利保证。能满足本研究的数据需求，确保数据可靠性。

数据检索标准攸关数据采集结果的准确性和有效性。石墨烯薄膜是一个专有名词，指向性明确，故采用主题检索。考虑到需使用每年专利申请数量作为分析对象，结合数据库特点，将时间范围设定为1967—2019年。在DII数据库中＂graphene film＂为主题词，共检索出2896条相关专利，初步获取的结果如表1所示。

表1 石墨烯薄膜技术专利检索结果

1.2 研究方法

石墨烯薄膜研究分为基础研究和应用研究。基础研究主要涉及薄膜制备与性能方面。石墨烯薄膜的制备方法包括旋涂法[5]、喷涂法[6]、层层自组装法[7]、化学气相沉积(CVD)法[8]等，其中CVD法是目前少有能快速、大批量生产更大片层的高质量石墨烯薄膜[9]。在性能方面，应用研究主要集中在应用领域和产业化发展，较少涉及专利方向。石墨烯薄膜应用研究侧重于电子信息领域，例如在氧等离子体和光刻技术处理后的柔性PET基底表面，制备出单层石墨烯薄膜，并将其运用在触摸屏上[10]。在产业化发展方面，石墨烯透明导电膜有两个重要发展方向，一是替代ITO透明导电膜，二是主攻柔性器件市场，需要克服制备成本高和产业链制程工艺不兼容的难题[11]。

当前，石墨烯薄膜技术研究以制备和应用领域研究为主，产业化研究归于石墨烯材料大类方面，或局限于某小类薄膜技术，缺乏单独考察石墨烯薄膜技术整体发展研究。石墨烯薄膜技术的产生、发展属于技术发展范畴，其发展历程及趋势预测研究需要拓展。

鉴于此，这里以专利表征技术，通过专利时序波动分析和专利申请趋势分析，研究石墨烯薄膜技术发展。专利时序波动分析是将专利申请数量按照时间顺序进行排序，得出专利申请数量的总体分布；同时，结合专项计划的数量、技术突破节点、研究主体变化和应用领域变化等影响因素，分析波动特征和波动拐点，从纵向维度解释其发展规律。专利申请趋势分析则是借助S曲线的Logistic模型[12]进行趋势拟合，构建趋势函数，并预测石墨烯薄膜技术未来十年的专利数量趋势。

2 石墨烯薄膜技术的发展影响因子

石墨烯薄膜技术作为一项新兴技术，在发展过程中受到诸多因素的影响，本文只研究其中4个重要的影响因素。

2.1 政府专项计划

新兴技术的发展离不开相关政策的推动。随着2004年石墨烯问世引发全球热潮，许多国家将发展石墨烯材料上升到国家战略层面，积极出台各类专项计划支持石墨烯薄膜在内的石墨烯材料研究。政府专项计划的形式多样，包括提供项目资助、制定发展战略、开展专项研究、设立研究机构、推广研究成果以及成立公益组织等。最早颁布与石墨烯薄膜技术相关政策的是日本、韩国和欧盟。2007年，日本科学技术振兴机构首先开始资助硅基石墨烯材料器件项目，同年韩国、欧盟也推出了石墨烯项目资助计划[13]。

对日本、韩国、美国、中国、英国、德国、欧盟、新加坡、马来西亚9个国家涉及石墨烯薄膜发展的重要专项计划进行统计，形成石墨烯薄膜专项计划发布趋势图。由图1可知，自2006-2019年，9个国家累计发布91个专项计划。在2007-2010年期间专项计划数量保持在较低水平。2011年，专项计划数量突破前4年的低水平，达到9项。2012-2016年内，每年的专项计划数量均保持在10个以上。2014年到达最大值17项，2017年开始又呈现数量下降的走势。

2.2 技术突破

图1 国家级石墨烯专项计划发布趋势

核心技术的突破带来一系列创新的连锁反应，直接推动整个技术进程。并产生一系列社会经济效应，促进了社会经济变革。从制备到应用，石墨烯薄膜技术不断实现自我革新、自我突破(见图2)。2006年美国IBM公司申请首个石墨烯薄膜专利，将石墨烯薄膜用于自定向石墨微孔板研究，进军集成电路研究领域[14]。在2008年，IBM公司又研发出首个石墨烯晶体管[15]。同年，麻省理工大学JingKong研究团队使用CVD法成功制备石墨烯薄膜，大大提高石墨烯薄膜产量。2010年，英国科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov获2010年度诺贝尔物理学奖，石墨烯研究受到科技界重视。2012-2013年，石墨烯技术开发成果丰硕，首个石墨烯电容触摸屏、石墨烯光感传感器、石墨烯光电探测器、石墨烯透明电极、大面积石墨烯薄膜合成、石墨烯散热膜、石墨烯透明导电膜等产品和技术相继问世。2014年，英国Plastic Logic公司成功研发全球首款柔性显示屏原型产品[16]，石墨烯薄膜技术取得了重要突破。

表2 部分石墨烯薄膜技术的重要专项计划

图2 石墨烯薄膜技术突破成果

2.3 研究主体

研究主体数量可以反映技术研发态势。以研究主体名义申请专利权，是保护技术所有权的重要方式之一。在法律上，把专利权所有人及持有人(可以是组织或个人)统称为专利权人。通过DII数据库检索专利权人名称发现，石墨烯薄膜技术的研究主体包括企业(49.44%)、个人(21.32%)、高校(19.47%)及科研院所(8.22%)。可以看出，企业占研究主体总量近半数，个人与高校也是研发主力之一。进一步统计专利权人历年数量发现(见图3)，2006年美国IBM公司申请了首个关于石墨烯薄膜的专利，开启石墨烯薄膜专利之门。但2006-2009年研究主体数量均小于10个，数量增长缓慢。随着石墨烯薄膜研究的深入，2010年研究主体数量首次突破两位数，此后3年内，主体数量呈现近乎线性的增长速度。2013-2015年间，研究主体数量增长放缓，总体保持在200个以上。2016年开始，再次加速增长。截至2018年，石墨烯薄膜领域已有专利权人1351个(不含重复计算)。从趋势看，石墨烯薄膜的研究主体数量持续增加，研发态势仍在上升。

图3 石墨烯薄膜技术专利权人数量趋势

2.4 应用领域

应用技术的发展变化，通常会从初始应用领域向新领域转移，不断扩大应用领域[17]。同时，技术创新步伐加快，使得应用领域范围也加快变化。为了更全面掌握石墨烯薄膜技术应用领域信息，这里借助DII数据库中的德温特分类号进行分析。DII分类系统将所有技术划分为20个学科领域，获取分类号即可识别某项技术所属领域。清洗2006-2018年的专利信息，得到821个分类号，其时间序列分布情况见图4。由图4可知，2006年第一个专利涉及3个领域，之后开始缓慢增长，2010年开始增速加快并保持增长态势。2013年，应用领域数量出现小幅度下降，次年数量再次上升且超出2012年数量。在2016年，应用领域范围突破100个，多达112个技术领域。2017年，应用领域上升至149个，而2018年又出现下跌现象。从类别上来看，石墨烯薄膜最先应用领域是蓄电装置、半导体和印刷电路。经过13年的发展，应用量排名前五的领域分别是蓄电装置(蓄电池、电容器)，半导体、聚合物和塑料中的电气应用，分立器件、非金属化合物，涂层材料、计算机、科学仪器、混合电路，耐火材料、化学装置、电镀、印刷电路、转换器、电化学储存等。并且，石墨烯薄膜在柔性显示、电子、环境和医药领域具有广阔应用前景。

图4 石墨烯薄膜技术应用领域变化

3 石墨烯薄膜技术的发展波动分析

研究石墨烯薄膜技术的发展波动，可从时间序列上把握专利申请数量的变化，结合影响因素，进而分析石墨烯薄膜技术发展历程的总体态势、波动特征和波动拐点。

3.1 总体态势分析

图5 石墨烯薄膜技术专利申请量趋势

由图5可知，石墨烯薄膜技术的总体态势呈现上升式循环发展，专利数量增长幅度较大。2004 年英国曼彻斯特大学科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov[18]成功用胶带从石墨中剥离出石墨烯，拉开石墨烯材料的研究大幕。到2006年，与石墨烯薄膜技术相关的专利申请才开始出现。石墨烯薄膜研究与石墨烯材料整体研究存在时间差，初始研究时间落后于石墨烯。2006-2010年属于发展起步阶段，石墨烯薄膜专利数量增长缓慢。2010年后开始进入加速增长阶段，专利申请数量突破两位数，并在两年时间内突破三位数，呈现快速发展态势。而2013-2014年间，专利数量维持在相近水平，没有在前3年增长速度上继续发展。经过1年发展平缓期，2015年专利数量继续攀升，到2018年，增速再次放缓。通过石墨烯薄膜技术专利申请量趋势图，可以直观看到，石墨烯薄膜技术的专利申请量在2013-2014年和2017-2019年出现增长放慢现象，总体趋势仍是在上升。因此，可认为目前石墨烯薄膜技术的发展是一种上升式循环发展，后浪高于前浪，整体发展态势良好。

3.2 波动特征分析

透视专利申请变化趋势曲线，如图6所示，可以更深入考察石墨烯薄膜技术的发展波动特征。石墨烯薄膜技术专利申请变化趋势曲线呈现周期性波动变化。以两个波谷点之间作为一个周期，将全过程划分为3个阶段，进行周期波动特征分析。

第一阶段(2006-2010年)：属于石墨烯薄膜技术导入期，专利申请刚刚开始，数量增长非常缓慢，没有出现波峰波谷的变化。变化曲线为比较平缓的两段式折线，2006-2008年为水平直线增长，年均增长0.68个专利。2008-2010年为斜向上直线增长，表明专利增长速度开始加快。

第二阶段(2011-2014年)：出现石墨烯薄膜技术发展的第一个周期性波动。专利申请量继续加速增长，从2010年的10个上升至2012年的80个，达到第一个周期的波峰。2012年后，专利申请增量的速度开始快速下降，2013年增长量降至33个，2014年仅有2个，专利申请增量落到第一个周期谷底。在第二阶段，周期持续时长4年，波峰波谷间专利申请增量差为78个，呈现快升快降的特点。

第三阶段(2015-2019年)：为石墨烯薄膜技术发展的第二个周期波动。经历2013-2014年间专利申请增量下降跌至2个的谷底后，2015年恢复增长态势。2016年专利申请增量首次突破100个，超过一个周期波峰值，并继续加速增加。第二个周期波峰出现在2017年，专利申请增量达到166个，但2018年又出现增量骤减，急剧下降到36个。第三阶段周期时长与第二阶段相同，波峰波谷专利申请增量差为130个，高于第一个周期的增量差，整体波动较第二阶段更为陡升陡落。

综合3个阶段来看，石墨烯薄膜技术的发展波动特征主要表现为大涨大落，快速上升之后又骤然下降；波长较短，两个周期持续时长均为4年，1980-2010年世界主要国家创新周期时间为18年左右[19]；波幅逐步扩大，第一阶段峰谷差值78，小于第二阶段差值130，两阶段波动幅度差距较为明显。

图6 石墨烯薄膜技术专利申请变化趋势

3.3 波动拐点分析

在图6中，波动拐点出现在2010年、2012年、2014年和2017年。这里将专利申请量、专利申请增量、专项计划数量、专利权人数量和应用领域数量曲线绘制在同一坐标中(见图7)，进一步讨论专项计划、技术突破、研究主体和应用范围4个因素变动对波动拐点产生的影响。

图7 石墨烯薄膜技术波动拐点分析

2010年是石墨烯材料发展的重大转折点，源于石墨烯发现者被授予当年诺贝尔物理学奖，引起各国对石墨烯材料的重视，此后发展呈现新局面。2011年，石墨烯薄膜技术的专项计划、研究主体和应用领域发生了实质性突破，石墨烯薄膜技术取得第一次快速发展。2012年，随着专项计划和应用领域数量出现第一个小高峰，技术突破取得多项进展，专利申请量达到首个峰值。2014年，专项计划数量再创新高，在柔性显示领域取得重大研究进展，扭转2012年后专利申请数量增长速度急剧下降的势头，在2015年提速增长。2017年，应用领域数量冲上第二个高峰值，且研究主体数迈过300大关，说明上一阶段技术成果丰硕、研发和产业投入集中。但专项计划数量下降使得增速再次变缓。专项计划、技术突破、研究主体和应用领域的变化与石墨烯薄膜技术发展波动拐点息息相关，4个影响因素对石墨烯薄膜的技术进步和产业化进程起到重要推动作用。

4 石墨烯薄膜技术的未来趋势预测

G.S. Altshuller认为，技术创新是有客观规律可循的，表现为技术系统的不断进化，该系统的进化过程类似于生物的生长过程[20]。由于S曲线的变化趋势和技术系统的进化趋势都具有生物发展相似性，符合自然发展规律，可用S曲线预测技术发展。

4.1 模型构建

经典的S曲线主要有Logistic、Compertz和Bertalanffy模型[21]，这里选择Logistic模型进行回归拟合。R.Pearl和L.J.Reed在20世纪20年代发现， Logistic模型能反映事物发生、生长、成熟和趋于饱和的过程，较好地描述生物体成长规律，进而广泛应用于预测学、生物学和信息科学等领域，其表达式如(1)所示[22]。其中，y为预测值，t为时间变量，α、β、l均为待估参数。l表示自然极限饱和值，即当y=l时，增长达到饱和水平；α表示无因次参数，控制曲线在x轴上的位置；β表示增长速度因子，控制曲线胖瘦形状。

(1)

根据石墨烯薄膜技术专利申请量，采用MATLAB对石墨烯薄膜技术专利申请数量时间序列进行非线性回归分析，结果如图8所示。得到石墨烯薄膜技术专利申请的增长极限值l为583，计算得到α、β值分别为384.5、0.6114，R2=0.969，模型方程y=583/(1+384.5e-0.6114t)拟合度较好。

从Logistic拟合曲线来看石墨烯薄膜技术的发展过程，2011-2013年实际专利申请量高于预测值，2014-2016年实际申请量低于预测值，在2017年后实际值和预测值趋于一致，说明石墨烯薄膜技术从小幅偏离回归正常。

图8 石墨烯薄膜技术专利数量Logistic拟合

4.2 趋势预测

预判技术发展趋势具有重要的前瞻意义，可以通过专利申请量来预测技术走势。石墨烯薄膜技术趋势预测可借助Logistic拟合方程实现。通过计算和曲线走势可知(见图9)，在2026年石墨烯薄膜技术专利申请量达到582.4，首次最接近极限值583，达到申请量顶峰值，申请量趋势曲线呈平缓直线，顺时间序列向前延伸。对拟合方程y=583/(1+384.5e-0.6114t)的速度函数二阶求导，导数为零时解得t1=7,t2=12，对应时间来看为2012年和2017年。t1=7，说明2006-2012年，石墨烯薄膜技术处于技术萌芽时期，初始增长阶段的专利申请数量较少但逐步上升。t2=12，说明2012-2017年，石墨烯薄膜技术处于成长期，专利申请数量爆发式增长，发展迅猛。2017-2026年，石墨烯薄膜技术处于成熟期，年均专利申请量高，但增长速度逐渐变缓。2026年后，石墨烯薄膜技术处于衰退期，专利申请量趋于饱和状态，保持稳定，不再增长。

图9 石墨烯薄膜技术未来10年专利申请量预测

5 结论

使用专利时序波动分析法对石墨烯薄膜技术发展过程进行剖析，研究发现，石墨烯薄膜技术的发展演化过程具有如下规律：①总体态势呈现上升式循环发展，后浪高于前浪，专利数量增长幅度较大，整体发展趋势良好；②发展存在周期性波动，波动特征主要表现为大涨大落、波长较短、波幅逐步扩大；③发展波动受外界因素影响，专项计划、技术突破、研究主体和应用领域的变化引起波动拐点，进而推动技术发展。

建立曲线回归方程，拟合石墨烯薄膜技术专利申请量变化，预测未来10年专利申请量走势，判断技术发展趋势。通过分析可知，当前石墨烯薄膜技术已进入成熟阶段，预计2026年石墨烯薄膜技术的专利申请量将达到增长极限值，实现专利饱和状态，以每年583个专利数量稳定发展，持续到2029年。