摘要: 目的：为了揭示国际石墨烯领域的专利技术竞争态势。方法：本文基于incoPat专利数据库，利用文献计量法和文本挖掘方法，对国际石墨烯领域专利进行了分析。结论：石墨烯领域专利在2017年达到峰值，近2年有相对的下降趋势，主要侧重石墨烯制备和化学技术，中国的专利申请数量最多，集中在北京、江苏和广东，主要技术研究热点是石墨烯量子点、石墨烯纳米片、多层石墨烯和石墨烯薄膜。
Abstract:
Objective: To reveal the competitive situation of patent technology in the field of international graphene. Methods: Based on incopat patent database, this paper analyzes the international patents in the field of graphene by using bibliometric method and text mining method. Conclusion: Patents in the field of graphene reached a peak in 2017, with a relative downward trend in recent two years, mainly focusing on graphene preparation and chemical technology. China has the largest number of patent applications, mainly in Beijing, Jiangsu and Guangdong. The main technical research hotspots are graphene quantum dots, graphene nanosheets, multilayer graphene and graphene films.
1. 引言
石墨烯在光学、力学和电学方面比其他材料具有更优异的性能，具有广泛的应用前景，已成为新材料和新能源领域的研究热点 [1]。2012年我国《新材料产业“十二五”发展规划》首次提出支持石墨烯新材料发展；2014年将石墨烯列入20种重点新材料实现批量稳定生产和规模应用并培育30家新材料企业；2016年贯彻落实“十三五”规划纲要和《中国制造2025》，聚焦制造业高端化、智能化、绿色化、服务化，组织实施10大重点工程，石墨烯被纳入前沿新材料 [2]。我国部分省市更是出台了诸多针对石墨烯的专项政策，如常州市设立25亿元“碳专项资金”；深圳提出将建全国乃至全球石墨烯产业中心；广西发布了全国首个石墨烯系列地方标准，引导当地相关产业快速发展 [3] [4] [5]。《2018~2019中国石墨烯发展年度报告》数据显示江苏、西安、深圳、山东、广东等地陆续成立石墨烯创新中心，深化产学研协同创新，推动科技成果转化，着力打通从技术研发到产业化应用的关键环节。在政策引导和产业升级的推动下，地方政府的积极介入，石墨烯产业已经初步形成政府、科研机构、研发和应用企业协同创新的“官产学研”合作对接机制，良性发展态势有助于石墨烯企业充分享受地方政策、税收优惠以及资金支持，未来产业化发展有望加速 [6] [7] [8]。根据石墨烯新材料广大应用前景，笔者从2010~2019年的专利技术布局进行定量统计和文本挖掘，梳理出石墨烯产业的科研投入的核心力量、研究热点以及专利技术布局情况，同时归纳总结出我国石墨烯产业的科研主攻方向和技术布局，为未来石墨烯产业发展和企业科技创新提供理论依据和数据参考 [9] [10] [11]。
2. 研究设计
从专利分析角度，研究对象：incoPat专利库按检索式：(((TIABC = (GRAPHENE* OR GRAPHENEA OR GRAFEN OR GRAPHEN OR GRAFENO OR 石墨烯)) AND IPC = (C01B32/00 OR C01B32/15 OR B82Y30/00 OR B82Y40/00 0R C08K3/04 OR B82B3/00 OR H01B1/04 OR C23C16/26 OR B82Y99/00 OR H01L21/02 OR B82B1/00) AND AD = [20100101 TO 20191231]) AND ((STATUS = (“有效”)) ))，共检索到专利数据7417条(检索日期为2020年9月25日)，进行简单同族合并得到4159个专利族。在本研究中，根据专利数据集进行专利申请与公开趋势分析、技术分析、申请人分析、地域分析、研究热点和技术布局分析，挖掘石墨烯技术领域的发展态势、技术构成、区域颁布和研究点。
3. 基于专利分析的石墨烯领域发展趋势
3.1. 总体趋势
2010~2019年石墨烯领域的专利申请量为4159件，公开专利数量为4042件(见图1)，2016年申请量最多595件，2017年公开量最多744件，2010~2019年专利申请量处于波动式增长趋势，2010~2017年专利公开量处于快速增长，之后快速下降的趋势。
Figure 1. Annual change of patent applications and disclosures in the field of graphene
图1. 石墨烯领域专利申请与公开量年度变化图
3.2. 专利技术分析
3.2.1. 技术构成
从专利技术构成分布看(见表1)，B82Y纳米结构的特定用途或应用技术方向最突出，占55.21%，也是创新热度最高。石墨烯相关专利主要集中在石墨烯制备、化学技术领域。
Table 1. Graphene field patent technology composition distribution
表1. 石墨烯领域专利技术构成分布
从专利技术申请趋势看，B82Y纳米结构的特定用途或应用的每年专利数量最多，说明一直处于技术应用研究热点；H01L半导体器件、H01M直接转变化学能为电能的方法或装置、C23C金属材料的镀覆、H01G电容器的技术领域一直处于上升趋势，也说明是近5年石墨烯的热门技术和未来的发展方向。
3.2.2. 技术全球分布
通过专利的最早优先权国可以了解专利技术的原创来源，对专利数据的统计分析后发现，中国的石墨烯专利申请量最多，位居首位，其次是美国和韩国(见表2)。
Table 2. Global distribution of graphene patent technologies
表2. 石墨烯领域专利技术全球分布表
3.2.3. 技术中国省市分布
在中国石墨烯领域的技术专利主要分布在北京、江苏、广东、上海、浙江、湖北、湖南、安徽、山东、四川等省市(见图2)，其中B82Y技术分类主要集中在北京、江苏、广东。
Figure 2. Distribution of graphene patent technology in China by province and city
图2. 石墨烯领域专利技术中国省市分布图
3.3. 专利申请人分析
石墨烯领域专利申请数量排名前10的重要专利申请人(见图3)，其中韩国的三星电子株式会社的专利申请量最多。
Figure 3. Ranking of patent applicants in the field of graphene
图3. 石墨烯领域专利申请人排名图
从申请人在技术专利分布情况看(见图4)，B82Y、C01B、H01L、H01B技术领域最具有竞争力的是韩国的三星电子株式会社，H01M技术领域最具有竞争力的是浙江大学。
Figure 4. Technical composition of patent applicants in the graphene field
图4. 石墨烯领域专利申请人技术构成图
3.4. 专利地域分析
石墨烯领域专利主要分布在中国占39.82%，其次是美国占37.36%。从技术构成角度，中国在B82Y技术分类中专利数量最多，其次是美国(见表3)；在C01B、H01M、C23C、B01J、H01G技术分类的专利数量中国也是处于领先其他国家；在H01L、B32B、H01B技术分类的专利数量美国处于领先地位；在B28B技术分类的专利数量韩国处于领先地位。
Table 3. Global distribution of patents in the field of graphene
表3. 石墨烯领域专利全球分布
3.5. 研究热点分析
石墨烯领域的专利主题聚类(见表4)，主要有5大类石墨烯量子点(706)、石墨烯纳米片(1105)、多层石墨烯(603)、石墨烯薄膜1 (774)、石墨烯薄膜2 (970)。
Table 4. Graphene field patent theme clustering table
表4. 石墨烯领域专利主题聚类表
石墨烯量子点的技术方向的重点专利申请人是KOREA ADVANCED INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY、KOREA INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY、清华大学；石墨烯纳米片的技术方向的重点专利申请人是浙江大学、RESEARCH BUSINESS FOUNDATION SUNGKYUNKWAN UNIVERSITY、中南大学等；多层石墨烯的技术方向的重点专利申请人是SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD、INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION、KOREA ADVANCED INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY等；石墨烯薄膜1的技术方向的重点专利申请人是SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD、INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION等；石墨烯薄膜2的技术方向的重点专利申请人是SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD、HON HAI PRECISION INDUSTRY CO LTD等，如图5所示。
3.6. 技术布局分析
分析石墨烯产业的3D专利沙盘(见图6)，发现该产业在“碳纳米管”、“沟道层|半导体器件|场效应晶体管”、“氧化石墨烯|石墨烯”、“二次颗粒|锂硫电池|正极材料”、“石墨烯量子点|氮掺杂|金属氧化物”、“处理室|气态反应产物|深部脑刺激”这些方向的专利申请量较高；其中“碳纳米管”方向占整个产业的23%。说明碳纳米管在石墨烯的创新中起到了很重要的作用。
Figure 5. Graphene patent applicant research hotspots clustering chart
图5. 石墨烯领域专利申请人研究热点聚类图
Figure 6. Graphene industry’s 3D patent sandbox
图6. 石墨烯产业的3D专利沙盘
4. 结论
2012年开始无论国家层面还是地方层面都层出不穷的科技、经济、战略等支撑和扶持政策，同时也在不同程度和多角度的加大投入力度和政策的细化性。笔者通过对石墨烯技术领域专利的数理统计分析，得出以下结论：近10年石墨烯领域专利数据在2017年达到峰值，近两年有相对的下降趋势，专利技术构成主要侧重石墨烯制备和化学技术，中国的专利申请数量最多，美国和韩国次之，在我国专利申请数量最多的省市是北京、江苏和广东。石墨烯量子点、石墨烯纳米片、多层石墨烯、石墨烯薄膜等主要技术研究热点。
NOTES
*通讯作者。