韓雪 馬經(jīng)博 周旭峰 汪偉 劉兆平

石墨烯具有獨特的單原子層二維晶體結(jié)構(gòu)，并且集多種優(yōu)異特性于一身，如超高的載流子遷移率、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、透光率、強度等。2010年，石墨烯的發(fā)明者斬獲諾貝爾獎，就此一股石墨烯產(chǎn)業(yè)化熱潮在國內(nèi)外迅速掀起。石墨烯產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近10年的快速發(fā)展期，積累了大量的研究成果。石墨烯專利文獻作為重要的科技文獻來源之一，對其進行定期梳理，可以更好地了解當(dāng)前的石墨烯技術(shù)發(fā)展方向，進而為產(chǎn)業(yè)化研發(fā)工作提供借鑒。

本文采用北京合享智慧科技有限公司的Incopat專利數(shù)據(jù)庫作為檢索來源，檢索日期截至2019年8月29日（基于公開/公告日）。國際部分采用其中的原始數(shù)據(jù)庫，中國部分采用中國發(fā)明申請數(shù)據(jù)庫。對數(shù)據(jù)庫中的專利數(shù)據(jù)均進行簡單同族合并處理，剔除不符合主題的數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化處理申請人信息。

1 石墨烯技術(shù)整體專利態(tài)勢分析

1.1 石墨烯技術(shù)國際專利申請趨勢

在Incopat原始數(shù)據(jù)庫中共檢索到92 906件石墨烯相關(guān)專利（族）。石墨烯相關(guān)專利申請最早出現(xiàn)在2004年，快速增長開始于2010年，近2年，石墨烯專利申請數(shù)量增速開始放緩（見圖1）。

1.2 石墨烯專利國家/地區(qū)分布分析

專利申請人所屬國家代表了該項技術(shù)的起源，對其進行分析后可以了解專利技術(shù)的原創(chuàng)來源。2010年以前，中國申請人每年申請的石墨烯相關(guān)專利數(shù)量與其他國家相差不大，從2010年開始，中國申請人每年新增專利數(shù)量快速增加，2015年以后，美國、韓國等國家/地區(qū)的申請人申請的石墨烯相關(guān)專利的年度增長數(shù)量開始下降，近2年這種趨勢尤其明顯（見圖2）。

實際上目前中國已經(jīng)成為全球石墨烯專利的主要貢獻者和申請最為活躍的國家，中國申請人申請的專利總量占全球的71.61%，遠(yuǎn)高于其后的美國（9.21%）和韓國（9.07%），并且申請活躍度（2016—2018年申請量占申請總量比例）也遠(yuǎn)高于其他國家（見圖3）。

1.3 專利申請集中度分析

2004—2006年，石墨烯相關(guān)技術(shù)剛剛起步，專利申請數(shù)量少，專利申請人較少，申請人集中度（專利申請量排名前10的申請人申請專利數(shù)量占全球石墨烯專利總量比例）很高（見圖4）。2007年開始，隨著石墨烯相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，越來越多的申請人參與到石墨烯行業(yè)中，申請人集中度下降趨勢十分明顯。到2016—2018年，申請人集中度指數(shù)已達到最低點，表明該領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)壟斷程度越來越低，準(zhǔn)入門檻也越來越低，但是企業(yè)間的競爭十分激烈。實際上，隨著石墨烯規(guī)模化制備技術(shù)的不斷完善，已有大量企業(yè)通過在產(chǎn)品中引入石墨烯尤其是石墨烯納米片來改善產(chǎn)品的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、增強、抗菌等各方面性能。

1.4 專利申請技術(shù)布局

發(fā)明和實用新型專利目前普遍采用國際專利分類（International Patent Classification，IPC）對其進行標(biāo)識。同一專利可能具有若干個分類號時，其中第一個稱為主分類號，主分類號最能充分代表發(fā)明信息。目前石墨烯專利技術(shù)主要集中在C部（化學(xué)、冶金）和H部（電學(xué)），其他部也有一定的專利申請量（見圖5）。

對比來自中國、歐洲、美國、日本、韓國5個國家/地區(qū)申請的石墨烯相關(guān)專利在各IPC主分類號分布的專利數(shù)量可知，中國申請人在A部（人類生活必需）、D部（紡織、造紙）和E部（固定建筑物）申請的專利數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國家/地區(qū)的申請量（見圖6），這些領(lǐng)域中主要涉及生活及農(nóng)業(yè)用品、復(fù)合纖維、LED燈、電暖器等主題。

對專利文本申請主題深入分析后可知，歐洲、美國、日本、韓國的石墨烯專利技術(shù)主要分布在半導(dǎo)體器件（H01L小類）和電化學(xué)儲能（H01M小類）領(lǐng)域。中國申請人在有機高分子（C08大類）、電化學(xué)儲能（H01M小類）、石墨烯制備（C01B31/02、C01B31/04、C01B32/18、C01B32/19、C01B32/20、C23C16/26小組）領(lǐng)域申請的專利數(shù)量最多，其中有機高分子化合物領(lǐng)域申請的石墨烯相關(guān)專利數(shù)量更是遠(yuǎn)高于其他領(lǐng)域，申請量位居第1。

2 石墨烯中國專利重點分析

2.1 石墨烯中國專利申請趨勢分析

在Incopat中國發(fā)明申請數(shù)據(jù)庫中，共檢索到中國國家知識產(chǎn)權(quán)局受理的69 645件石墨烯相關(guān)專利（族），其中發(fā)明專利60 439件，實用新型專利9 061件，外觀設(shè)計專利145件。我國的石墨烯相關(guān)專利申請始于2004年，至2010年后開始增長迅速，近2年依然保持快速增長態(tài)勢，但增長速度有所放緩（見圖7）。

2.2 石墨烯中國專利申請來源地分析

在中國申請的石墨烯相關(guān)專利中，我國申請人共申請66 524件，占比95.52%，國外申請人申請3 121件，占比4.48%（見圖8）。美國是在中國申請石墨烯相關(guān)專利數(shù)量最多的國家，共申請專利1 047件，占比1.5%?？梢姡袊芾淼氖┫嚓P(guān)專利絕大多數(shù)來自于我國本土申請人。

2.3 專利申請人類型及申請數(shù)量趨勢分析

根據(jù)專利申請人性質(zhì)的不同，將專利申請人分為：企業(yè)、高校、科研機構(gòu)、個人和其他。在2006—2013年期間，高校申請人的石墨烯專利申請量一直高于其他類型申請人，這段時間內(nèi)高校是國內(nèi)石墨烯專利申請的主力軍。從2014年開始，企業(yè)成為國內(nèi)石墨烯專利年申請量最多的申請人，并于2016年起其申請量達到年度申請總量的半數(shù)以上（見圖9）。

2.4 技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化情況分析

對石墨烯相關(guān)專利的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化情況進行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生專利申請權(quán)、專利權(quán)轉(zhuǎn)移的專利共計2 926件，占石墨烯中國專利申請量的4.2%，其中這些轉(zhuǎn)移活動主要發(fā)生在企業(yè)內(nèi)母公司與子公司或各子公司之間，可以看出，絕大部分專利技術(shù)未能得到有效轉(zhuǎn)化。此外，對高校、科研機構(gòu)和個人的專利實施許可進行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，該類申請人的實施許可專利數(shù)量為89件，僅占該類申請人專利申請總量的0.27%，可見，高校、科研機構(gòu)和個人申請的專利絕大部分被束之高閣，未能得到有效實施。

2.5 石墨烯中國發(fā)明專利深度分析

本文采用人工標(biāo)注的方法將中國發(fā)明專利分為3類：石墨烯原材料及制備；石墨烯應(yīng)用技術(shù)相關(guān)專利；石墨烯終端產(chǎn)品相關(guān)專利。近年來，石墨烯原材料制備相關(guān)專利申請量增長趨勢相對較緩，且已出現(xiàn)下降趨勢。而石墨烯應(yīng)用技術(shù)相關(guān)專利申請一直保持快速增長，如今仍保持增長勢頭。此外，可以看出，石墨烯終端產(chǎn)品相關(guān)專利前期增長緩慢，自2014年后增長速度加快（見圖10）。

2.5.1 石墨烯原材料、制備技術(shù)、生產(chǎn)工藝及檢測技術(shù)專利分析

石墨烯的制備方法可分為Top—Down法、Bottom-up法和其他制備方法[1]。Top—Down法相關(guān)專利數(shù)量最多，達到4 877件。從專利申請活躍度（指2016—2018年3年某一領(lǐng)域?qū)＠暾埩空荚擃I(lǐng)域申請總量比例，下同）來看，Top—Down法和其他制備方法這兩種制備方法相關(guān)專利近3年申請較為活躍，而Bottom—up法相關(guān)專利無論從專利申請總量還是申請活躍度來看，均處于較低位置（見圖11）。

2.5.2 石墨烯應(yīng)用技術(shù)相關(guān)專利分析

石墨烯應(yīng)用技術(shù)方面的專利申請共計46 085件?；な悄壳笆?yīng)用技術(shù)專利最為集中的領(lǐng)域，已申請22 658件相關(guān)專利，占應(yīng)用技術(shù)專利總量的49.2%。儲能領(lǐng)域、電子器件領(lǐng)域的專利申請總量分別位居第2、第3。從專利申請活躍度來看，石墨烯應(yīng)用技術(shù)各領(lǐng)域?qū)＠暾埢钴S度相差不大，專利申請量增長速度齊頭并進（見圖12）。

2.5.3 石墨烯終端產(chǎn)品相關(guān)專利分析

目前共有6 635件石墨烯終端產(chǎn)品相關(guān)專利，將石墨烯應(yīng)用于機械設(shè)備終端產(chǎn)品的專利最多，專利申請量為1 846件，具體涉及燈具、螺桿、電加熱地板等。其次為生活用品相關(guān)專利，具體涉及口罩、服裝鞋帽等，這2個領(lǐng)域也是近3年專利申請最為活躍的終端產(chǎn)品專利申請主題（見圖13）。

2.6 區(qū)域分析

2.6.1 創(chuàng)新資源地圖

石墨烯專利申請量較多的省/市主要集中在中國沿海地區(qū)，其中長三角地區(qū)以江蘇省和浙江省的石墨烯研發(fā)活動最為頻繁，京津冀地區(qū)以北京市專利申請量最多，粵港澳地區(qū)以廣東省石墨烯技術(shù)創(chuàng)新資源最為豐富（見表1）。

2.6.2 長三角地區(qū)

長三角地區(qū)的石墨烯產(chǎn)業(yè)興起較早， 常州市和寧波市是長三角地區(qū)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為成熟的2個典型代表地區(qū)。長三角地區(qū)的產(chǎn)學(xué)研合作方面地區(qū)聯(lián)動并不明顯，合作研發(fā)的對象主要集中在本省范圍內(nèi)，常州大學(xué)和江南石墨烯研究院最為明顯，其專利合作研發(fā)對象和轉(zhuǎn)讓許可對象均為本省企業(yè)。

整理相關(guān)專利后發(fā)現(xiàn)，常州市目前已形成了較為完整的石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈條，中游產(chǎn)業(yè)主要圍繞Top—Down方法制備的石墨烯（即石墨烯納米片）開展相關(guān)應(yīng)用研發(fā)，涉及改性塑料、改性復(fù)合纖維、儲能等領(lǐng)域，同時涉及少量等光電產(chǎn)品（見圖14）。下游應(yīng)用則主要集中在生活用品方面，如座椅內(nèi)飾織物、保溫服裝、電加熱產(chǎn)品等。從企業(yè)類型來看，代表性企業(yè)絕大多數(shù)為中小型企業(yè)，其中規(guī)模較大的為常州第六元素材料科技股份有限公司和常州二維碳素科技股份有限公司。

目前，寧波市的石墨烯產(chǎn)業(yè)分布主要集中在上游和中游，儲能是目前寧波市石墨烯技術(shù)應(yīng)用最為集中的領(lǐng)域（見圖15）。

2.6.3 京津冀地區(qū)

京津冀地區(qū)匯集了全國數(shù)量最多的一流高校和科研機構(gòu)，以及在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域成果卓越的大批專家學(xué)者。在石墨烯技術(shù)產(chǎn)學(xué)研合作方面，科研機構(gòu)在京津冀區(qū)域內(nèi)協(xié)同效果并不明顯，即使是匯集大量科研機構(gòu)的北京地區(qū)，其科研機構(gòu)與河北、天津地區(qū)的企業(yè)合作次數(shù)也屈指可數(shù)。

北京市是京津冀地區(qū)石墨烯專利申請量最多的地區(qū)。除氣體凈化、水過濾、改性復(fù)合材料、儲能等領(lǐng)域外，北京市在顯示面板、壓力傳感器、觸控裝置、場效應(yīng)晶體管等半導(dǎo)體領(lǐng)域聚集了一批企業(yè)（見圖16）。

2.6.4 粵港澳地區(qū)

粵港澳地區(qū)是我國開放程度最高、經(jīng)濟活力最強的區(qū)域之一。華南理工大學(xué)、中山大學(xué)等在產(chǎn)學(xué)研方面較為活躍，其合作企業(yè)絕大多數(shù)為廣東省本土企業(yè)。位于粵港澳地區(qū)的深圳市其石墨烯產(chǎn)業(yè)在Top—Down方法制備石墨烯、儲能、生活用品、理療產(chǎn)品4個領(lǐng)域較為集中（見圖17）。另外，在熱界面材料、RFID、觸摸屏及顯示面板領(lǐng)域聚集了一些代表性企業(yè)。

3 發(fā)展建議

自2010年石墨烯產(chǎn)業(yè)開始興起以來，石墨烯產(chǎn)業(yè)化道路已走過近10年光景。以單層石墨烯為代表的各類二維納米材料由于其多樣的理化性質(zhì)，以及在器件、傳感、催化、醫(yī)藥和能源等領(lǐng)域的的廣泛應(yīng)用前景而備受關(guān)注。新材料作為國民經(jīng)濟先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和高端制造及國防工業(yè)的重要保障，未來將成為各國戰(zhàn)略競爭的焦點。當(dāng)前在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革大勢下，全球新材料產(chǎn)業(yè)格局發(fā)生重大調(diào)整。在此背景下，石墨烯這種新興材料得到了各國政府的高度重視。

通過上述分析，得到如下結(jié)論：

①從石墨烯專利技術(shù)分布重點發(fā)展方向上看，歐、美、日、韓等地區(qū)和國家將發(fā)展重點瞄準(zhǔn)為以單層石墨烯（采用化學(xué)氣相沉積或外延生長法制備）應(yīng)用為主的半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，同時關(guān)注石墨烯納米片（一般以石墨為制備原料并采用剝離、氧化還原等方法制備）在電化學(xué)儲能領(lǐng)域的應(yīng)用。在中國，則主要將石墨烯納米片應(yīng)用于改性有機高分子材料、電化學(xué)儲能、涂料油墨等領(lǐng)域，同時中國在產(chǎn)業(yè)鏈下游也申請了不少專利，主要涉及遠(yuǎn)紅外理療產(chǎn)品、電加熱產(chǎn)品、LED燈散熱等。

②從石墨烯專利申請總量和活躍度來看，目前中國已成為全球石墨烯專利的主要貢獻者，在近3年歐、美、日、韓等國石墨烯專利增長速度已放緩甚至出現(xiàn)負(fù)增長的情況下，中國每年的石墨烯專利數(shù)量增長速度依然高居不下，來源于中國的石墨烯專利總量占比達到全球的71.61%。

實際上，目前雖然中國已將石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展推向中下游領(lǐng)域，但石墨烯在應(yīng)用過程中遇到的技術(shù)難題，如石墨烯的分散等并未取得突破，其優(yōu)異性能也并沒有得到充分發(fā)揮，石墨烯尚無法取代現(xiàn)有材料。從近10年的產(chǎn)業(yè)化探索來看，石墨烯技術(shù)目前仍屬于漸進性技術(shù)，尋求應(yīng)用其產(chǎn)生顛覆性效應(yīng)的領(lǐng)域依然是擺在行業(yè)從業(yè)者面前的最大難題。歐、美、日、韓將目標(biāo)鎖定在了半導(dǎo)體和儲能領(lǐng)域，經(jīng)歷了多年產(chǎn)業(yè)化探索后，已進入了技術(shù)冷靜期。諾基亞、巴斯夫、IBM、東芝、三星等掌握大量石墨烯專利的跨國企業(yè)，近3年來專利申請活動也有所減弱。

③相比于其他國家，中國在石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展上具有其突出特點。

中小型企業(yè)在中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展中表現(xiàn)最為活躍。由于石墨烯規(guī)模化制備技術(shù)的突破，使得石墨烯原材料成本大幅下降，進入石墨烯行業(yè)的門檻下降，同時在各級政府的層層助推和資本市場的擁抱之下，涌入該行業(yè)的中小型企業(yè)快速增長。

大型企業(yè)是中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的中堅力量。電子信息行業(yè)的京東方、新能源行業(yè)的國軒高科等大型企業(yè)也在試圖通過石墨烯材料的研發(fā)提高自身產(chǎn)品競爭力，但目前仍然處于技術(shù)攻關(guān)階段，真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化尚需時日。東旭光電、華麗家族等上市企業(yè)則跨越其原有領(lǐng)域，期望通過涉足石墨烯領(lǐng)域獲得新的利潤增長點。

高校和科研機構(gòu)是中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)推手。高校及科研機構(gòu)掌握了大量石墨烯相關(guān)專利，清華大學(xué)、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、江南石墨烯研究院是在石墨烯領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)學(xué)研融合較為成功的代表性機構(gòu)，對石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也起到了積極的推動作用。然而這些也僅僅是少數(shù)案例，從專利合作申請及專利權(quán)/申請權(quán)轉(zhuǎn)移情況可以看出，在學(xué)術(shù)界仍然有大量的實驗室成果沒有進入產(chǎn)業(yè)界，并且無法與市場需求對接。同時，高校和科研機構(gòu)在技術(shù)擴散方面地域性明顯，絕大部分合作對象為本地企業(yè)，對整個區(qū)域的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶動性不強。

從石墨烯創(chuàng)新主體的區(qū)域分布來看，長三角、京津冀、粵港澳地區(qū)的部分地市已初步形成產(chǎn)業(yè)鏈完整的創(chuàng)新集群，并形成較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈分布。但這種集群效應(yīng)通常也僅存在于地市范圍內(nèi)，缺乏整個區(qū)域內(nèi)部跨地市聯(lián)動，同時各集群間的產(chǎn)業(yè)技術(shù)布局重合較為嚴(yán)重，在目前石墨烯技術(shù)未取得重要突破的情況下，這種情況進一步惡化了各集群中企業(yè)的生存環(huán)境。

為此，提出如下建議：

第一，在政府層面，應(yīng)保持戰(zhàn)略信心，創(chuàng)新管理模式。面對目前石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展困境，政府應(yīng)保持培育發(fā)展的信心和決心，通過適時適當(dāng)?shù)恼吒深A(yù)來助推產(chǎn)業(yè)發(fā)展。政府層面應(yīng)以戰(zhàn)略眼光識別有可能改變未來產(chǎn)業(yè)格局的石墨烯技術(shù)領(lǐng)域，對重點企業(yè)給予政策和資金的重點支持，協(xié)助其渡過技術(shù)創(chuàng)新過程中遭遇的“死亡之谷”，實現(xiàn)關(guān)鍵核心領(lǐng)域的技術(shù)突破和商業(yè)化。國家層面應(yīng)全面統(tǒng)籌，打破目前產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界之間需求對接嚴(yán)重失調(diào)的僵局，聚焦產(chǎn)業(yè)上中下游的企業(yè)、高校、科研院所的技術(shù)開發(fā)，以國家級石墨烯創(chuàng)新中心為著力點，促進產(chǎn)、學(xué)之間的高度交叉融合。

第二，在企業(yè)層面，一是應(yīng)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，行業(yè)內(nèi)部協(xié)同發(fā)展。石墨烯行業(yè)的各企業(yè)間應(yīng)形成良好的競爭協(xié)作關(guān)系，努力構(gòu)建行業(yè)內(nèi)部健康的生態(tài)環(huán)境，避免產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重、惡性競爭等資源內(nèi)耗現(xiàn)象。各企業(yè)應(yīng)注重原始技術(shù)開發(fā)，在石墨烯產(chǎn)品研發(fā)方向和研發(fā)領(lǐng)域的選擇上要做到充分聚焦。二是應(yīng)提升專利質(zhì)量，加強專利情報利用。在石墨烯領(lǐng)域，高價值專利的培育勢在必行，使專利在市場競爭中真正發(fā)揮其應(yīng)有的價值。

專利導(dǎo)航工作可以為技術(shù)研發(fā)提供更為客觀、全面、準(zhǔn)確的引導(dǎo)，石墨烯聯(lián)盟及石墨烯創(chuàng)新中心作為石墨烯企業(yè)合作的紐帶，可以整合資源，以專題形式開始細(xì)分領(lǐng)域的專利導(dǎo)航工作，同時培育一批石墨烯領(lǐng)域知識產(chǎn)權(quán)人才。