基于专利和论文分析的我国纳米技术研究进展①

熊书玲 孟 浩 谢祥生

(中国科学技术信息研究所 北京100038)

0 引言

纳米技术是指在纳米尺度上(1～100 nm)研究物质的特性和相互作用,以及利用这些特性的多学科交叉的科学技术。纳米技术主要包括纳米材料、纳米加工技术、纳米粒子的制备技术、纳米动力学、纳米生物学和纳米药物学技术、纳米电子学、纳米组装技术等,其研究和应用主要集中在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面[1-7]。纳米科技自20 世纪90 年代正式诞生以后,多国纷纷抢占技术战略高地。自21 世纪起,全球范围内掀起了纳米技术的研究热潮[8-13]。

专利文献作为技术信息最有效的载体,包含了全球90%以上的最新技术情报,是国家和企业竞争的焦点,其比一般技术刊物所提供的信息早5 至6年,且70%～80%的发明创造只通过专利文献公开,具有更新颖、实用的特征[14-15]。科技论文记录、总结了科研成果,是科学研究的重要手段,也是科技人员交流学术思想和科研成果的工具,更是衡量国家和科研主体基础研究创新能力的重要指标[16]。目前,有关纳米技术科技情报分析方面已有许多研究,如文献[17]基于专利数据,结合对国家纳米技术计划的分析,展示了美国纳米技术的分布与发展情况。文献[18]采用专利地图方法,从宏观、中观与微观3 个层面对全球纳米技术的发展态势进行了探讨。文献[19]从总体情况、机构分布、学科分布、引文分析4 个维度对中美纳米科技领域的论文合著情况进行了分析。文献[20]基于国内纳米技术专利数据,从发展趋势、机构分布、区域分布和主要技术领域4 个方面分析了我国纳米技术创新的现状。文献[21]采用专利计量方法,对我国纳米技术专利申请的时间分布、技术领域分布、申请人分布、技术发展态势以及发展趋势进行了分析。然而结合专利和论文两种数据,系统分析我国纳米技术领域发展现状的研究还较少,对纳米领域重点机构进行研究分析的则更少。本研究基于专利和论文产出情况,从年度产出趋势、论文合作与受理专利区域分布、主要研究机构、主要技术领域分布、重点专利权人对比分析等多个维度清晰地展示了我国纳米技术基础研究和应用研究的发展现状,以期为我国纳米技术未来发展和行业研究提供决策参考和依据。

1 数据来源

Web of Science 是大型综合性、多学科的核心期刊引文索引数据库,其中的科学引文索引(science citation index expanded,SCIE)是全球学术界公认的科技文献检索工具,提供了科学技术领域的研究信息。科技会议录(conference proceedings citation index-science,CPCI-S)是内容全面、覆盖学科广泛的学术会议数据库,专门收录世界各种重要的自然科学及技术方面的会议文献。本研究以SCIE 和CPCI-S 数据库论文数据为基础,分析我国纳米技术领域的基础研究情况。检索式为TS=(“nano*”NOT (“nano2” OR “nano3” OR “nano4” OR“nano5” OR “nanosecon*” OR “nanogram*” OR“nanomol*” OR “nanophtalm*” OR “nanomeli*”OR “nanogeterotroph*” OR “nanoplankton*” OR“nanokelvin*” OR “nano-curie” OR “nanocurieor nanos” OR “nanos1” OR “nanoproto*” OR “nanophyto*” OR “nanoflagellate*” OR “nanoliter” OR“nanometer” OR “nanoampere” OR “nanofarad” OR“NANOG”)) AND CU=(“PEOPLES R CHINA”),文献类型限定为Article。

Innography 是具有核心专利挖掘功能的商业专利数据库和专利分析软件,可以查询和获取100 多个国家的1 亿多条专利数据。本研究以Innography数据库的专利数据为基础,分析我国纳米技术领域的应用研究情况。检索式为(A(abstract,claims,title) (nano*) NOT ((nano2) OR (nano3) OR(nano4) OR (nano5) OR (nanosecon*) OR (nanogram*) OR (nanomol*) OR (nanophtalm*) OR(nanomeli*) OR (nanogeterotroph*) OR (nanoplankton*) OR (nanokelvin*) OR (nanocurie*)OR (nanos1) OR (nanoproto*) OR (nanophyto*)OR (nanoflagellate*) OR (nanoliter) OR (nanometer) OR (nanoampere) OR (nanofarad) OR(nanog)))。

本研究利用以上数据库检索得到2000 -2019年我国在纳米技术领域申请的专利数据(专利同族扩展)和发表的论文数据,检索日期为2021 年3 月1 日,随后对数据进行清洗。由于专利的公开一般会有18 个月的滞后期,2019 年以后的专利数据尚未全部公开,仅供参考。

2 论文和专利产出情况

2.1 论文和专利逐年分布情况

从图1可以看出,我国纳米技术领域论文发表量和专利申请量在2000 -2010 年间呈现快速增长趋势,在2011 -2019 年间呈现迅猛增长趋势。表明我国近年来发布的一系列政策规划有力促进了纳米技术基础研究与应用研究的发展,预计未来几年我国纳米技术还将持续快速发展。此外,2016 年之前论文发表量高于专利申请量,而近几年数量差距明显缩小,表明我国已越来越重视纳米技术的应用研究,但仍需加大研发力度。

图1 我国纳米技术领域论文和专利年度产出变化趋势

2.2 论文合作和受理专利区域分布

从我国与其他国家在纳米技术领域的论文合作图(见图2)可以看出,我国在纳米技术基础研究领域与美国合作较为频繁,之后依次是与澳大利亚、日本、新加坡、德国、英国、加拿大、韩国等国合作。

图2 我国纳米技术领域主要论文合作国家

从图3 可以看出,我国受理的纳米技术专利主要分布在中国、美国、日本、韩国、欧洲专利局、德国、法国、英国等地,全球有60 多个国家纷纷在我国进行了专利布局,表明我国在纳米技术领域具有广阔的市场应用前景。但同时,我国受理的专利仍主要来自国内,我国90%以上的纳米技术专利由国内受理,在国外专利布局较少。

图3 我国受理的纳米技术专利主要分布区域

由此可见,我国在纳米技术领域与美国的联系最为密切,美国不仅在论文方面与我国合作最多,且积极开拓我国纳米技术市场,其次是日本、德国、英国、韩国等。

2.3 论文和专利主要产出机构

由表1 可知,我国纳米技术领域的主要论文产出机构依次是中国科学院、清华大学、浙江大学、吉林大学、南京大学、上海交通大学、北京大学等,其在基础研究领域的创新能力较强,主要分布在北京、上海、江苏、浙江等地。我国纳米技术领域的主要专利权人依次是中国科学院、清华大学、鸿海精密工业股份有限公司、浙江大学、华南理工大学、京东方等,其在纳米技术应用研究领域的创新能力较强。其中,中国科学院的论文发表量和专利申请量遥遥领先于其他机构,是我国纳米技术领域的主要创新主体。同时可以看出,我国纳米技术基础研究和应用研究领域的创新主体均以高校院所为主,企业的研发实力偏弱。

表1 我国纳米技术论文和专利主要机构分布

2.4 论文和专利主要技术领域分布

从表2 可以看出,我国纳米技术领域产出的论文主要集中在化学、材料科学、物理学、工程学、电化学等学科方向。论文来源出版物主要分布在《RSCAdvances》、《ACS Applied Materials &Interfaces》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Materials Letters》等期刊。此外,我国贡献了纳米技术领域31.8%的学术论文,其中高被引论文全球占比高达50.9%,热点论文全球占比高达74.5%,h指数高达522,这表明我国不仅论文发表量遥遥领先,高影响力学术成果也大幅领先,我国在纳米技术基础研究领域具有较强的实力。

表2 我国纳米技术领域论文学科、期刊分布及高被引情况

从我国纳米技术领域排名前10 的高被引频次论文可以看出(见表3),高被引论文的创新主体主要是中国科学院、清华大学、复旦大学等,中国科学院在超疏水表面、氧化石墨烯、磁铁矿纳米颗粒方向,清华大学在石墨烯过滤方向,复旦大学在纳米晶体管方向,温州医科大学在石墨烯催化剂方向,人民大学在纳米电子材料方向,苏州大学在纳米复合材料方向,以及厦门大学在纳米晶体方向具有较高的学术影响力。

表3 我国纳米技术领域排名前10 的高被引论文

由图4 可以看出,我国申请的纳米技术专利重点关注电极,其次是污水处理、催化剂、纳米化合物制备、电化学/光电测试分析、生物医药、吸附剂、陶瓷等技术领域。由此可见,我国纳米技术在基础研究领域重点关注石墨烯等,在应用研究领域则重点关注电极等。

图4 我国纳米科技领域主要专利技术领域分布

3 重点专利权人对比

从表1 可知,中国科学院是我国纳米技术在应用研究领域的主要创新主体,其次是鸿海精密工业股份有限公司、京东方和中石化。因此,本研究选取这4 个专利权人为代表进行重点对比分析。

3.1 专利申请年度变化趋势对比

由图5 可以看出,中国科学院拥有专利10 666件(授权4061 件),专利申请量自2006 年起呈现迅猛增长趋势;京东方拥有专利2134 件(授权729件),专利申请量自2010 年起呈现快速增长趋势,2016 年达到峰值;中石化拥有专利1887 件(授权662 件),专利申请量自2008 年起呈现快速增长趋势;鸿海精密工业拥有专利3169 件(授权1360件),专利申请量在2005 年达到峰值,之后呈现波浪式下降趋势,发展后劲不足。京东方虽然在纳米领域起步晚,但专利申请量自2013 年便超过了鸿海精密工业和中石化,近几年发展势头迅猛。同时还可以看出,2010 年起,中国科学院的专利申请量远远领先于企业,表明我国纳米技术领域存在着企业研发实力偏弱、纳米科技成果转移转化不畅。

图5 重点专利权人的专利申请年度变化趋势

3.2 专利质量对比

专利强度的定义参考了专利权利要求数量、引用先前技术文献数量、专利被引用次数、专利申请时程等十余个专利价值的相关指标,可帮助筛选出高价值专利。由专利权人的专利强度分布情况(见图6)可以看出,中国科学院专利强度为50 以上的高价值专利为1934 件,占比约18.1%;鸿海精密工业专利强度为50 以上的高价值专利为180 件,占比约5.7%;京东方专利强度为50 以上的高价值专利为430 件,占比约20.1%;中石化专利强度为50 以上的高价值专利为316 件,占比约16.7%;中国科学院拥有的高质量专利最多,京东方的高价值专利占比最高,专利质量较高,其次是中石化。鸿海精密工业拥有的高质量专利不多,高质量专利占比也不高。

图6 重点专利权人的专利强度分布

3.3 专利申请区域分布对比

由图7 可以看出,中国科学院和中石化在我国国内的专利申请量占比分别高达95.3%和92.7%,在美国、世界知识产权组织(World Intellectual Property Organization,WIPO)、日本等有少量专利布局,严重缺乏专利保护意识;鸿海精密工业在我国(台湾地区)的专利申请量占比达86.1%,海外专利布局主要在美国,但仍较为缺乏专利保护意识;京东方在我国本土的专利申请量占比为51.5%,国外专利布局范围广泛,主要分布在美国、WIPO 等,具有较强的专利保护意识和技术竞争优势。

图7 重点专利权人的专利申请区域分布

3.4 专利发明人对比

由表4 可知,中国科学院的主要专利发明人为大连化学物理所的张华民、深圳先进技术研究院的孙蓉和化学所的宋延林等;鸿海精密工业与清华大学展开了广泛合作,其主要专利发明人为清华大学的范守善、姜开利等,专利发明人拥有的专利量遥遥领先,研发实力最强。京东方的主要专利发明人为白峰等,中石化的主要专利发明人为张师军、荣峻峰等。

表4 重点专利权人的主要专利发明人

3.5 专利技术领域对比

由表5 可知,中国科学院的专利技术主要集中在催化作用/胶体化学(B01J)、材料测试分析(G01N)、电池组(H01M)、半导体(H01L)领域;鸿海精密工业的专利技术主要集中在半导体(H01L)领域,其次是放电管/放电灯(H01J)、纳米化合物(C01B)、金属材料镀覆(C23C)等方向;京东方的专利技术主要集中在半导体(H01L)领域,其次是光学器件(G02F)、电数字数据处理(G06F)、光学元器件和系统(G02B)等方向;中石化的专利技术主要集中在催化作用/胶体化学(B01J)领域,其次是纳米高分子化合物(C08L)、无环或碳环化合物(C07C)等方向。

表5 重点专利权人的主要专利技术分布

3.6 专利引证对比

由表6 可以看出,除鸿海精密工业外,中国科学院、京东方、中石化的主要专利引证申请人和被引证申请人均是其自身,表明其在我国纳米技术领域具有相对较强的研发实力,但技术影响力不太高。中国科学院与浙江大学、清华大学等高校的相互引证次数较为频繁,鸿海精密工业与清华大学、三星电子的相互引证次数较为频繁,京东方与三星电子、TCL的相互引证次数较为频繁,中石化与中国科学院、中石油的相互引证次数较为频繁,表明它们在纳米技术领域具有潜在的合作关系。

表6 重点专利权人的专利引证情况

4 结论

2000 年以来,我国纳米技术专利申请量和论文发表量不断激增,均居世界首位,在纳米科技领域已取得重要进展,未来几年还将快速发展。目前我国在石墨烯、纳米晶体等基础研究领域处于全球研究前沿,并有望在电池、污水处理等应用领域率先实现大规模产业化发展。但我国在纳米技术领域还存在以下短板:(1)高价值专利占比不高,专利质量有待提升;(2)我国在纳米技术基础研究和应用研究领域的创新主体均以高校院所为主,企业的整体实力偏弱,高校院所的纳米科技成果转化不畅;(3)我国专利权人在海外专利布局较少,专利保护意识较弱,缺乏技术竞争优势。因此,我国应持续加大在纳米应用研究领域的研发投入力度,提高专利质量,大力推进产学研用合作,促进高校院所的重大纳米科技成果转移转化。企业应加大研发投力度,提升其在纳米技术领域的创新主体地位。我国专利权人应加强专利保护意识,积极进行海外专利布局,提高技术竞争优势,推进我国纳米技术快速向大规模产业化发展。