本文刊载于《科学观察》2012年第7卷第3期P25—P36。如果您喜欢，欢迎订购我刊。@版权所有中国科学院文献情报中心《科学观察》编辑部。未经许可，不得转载。

[摘 要] 石墨烯是物理学、化学、材料科学等领域近年来的研究热点之一。因其集优异的电学、力学、光学、化学和热学等性能于一身，石墨烯已经成为一个备受关注、竞争非常激烈的新兴技术领域，近年来全球相关专利申请数量持续快速增长。该文基于DII数据库，利用TDA、Aureka等分析工具，对全球石墨烯相关专利进行了分析，揭示了全球石墨烯相关专利技术的研发和竞争态势。

[关键词] 石墨烯 专利分析 研发态势

有关石墨烯(graphene)的理论研究已有较长时间，但石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。直到2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈•海姆(Andre K Geim)和康斯坦丁•诺沃肖洛夫(Kostya S.Novoselov)成功地在实验中从石墨分离出石墨烯，才证实它可以单独存在。因石墨烯具有独特的结构，集优异的电学、力学、光学、化学、热学等特性于一身，引起了全世界科学家的研究热潮，迅速成为物理学、化学和材料科学等领域最热门的研究主题之一。在2009年12月18日出版的Science中，“石墨烯研究取得新进展”被列为2009年10大科技进展之一。安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫两位科学家也因为在二维石墨烯材料研究中的开创性实验，共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

本文以石墨烯及其相关技术为研究对象，在文献资料调研和专家咨询的基础上，采用由浅到深的分析思路，对全球石墨烯技术的整体发展态势、研发格局、技术分布和热点等进行分析，以期客观展现全球石墨烯相关技术的研发和竞争态势，为我国石墨烯技术领域的科研创新提供参考。

为全面了解各国在石墨烯专利技术领域的发展全貌，本研究以汤森路透集团的德温特创新索引(DerwentInnovations Index，DII)专利数据库作为检索来源，采用的分析工具包括TDA、Aureka、ThomsonInnovation等。

石墨烯，又称单层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚的二维材料。因具有优异的电学、力学、光学、化学、热学以及高比表面积等特性，石墨烯被认为是“后硅时代”的新潜力材料，其潜在应用领域包括高速晶体管、透明电极、印刷电子、新型复合材料、超灵敏传感器、新型催化剂、基因测序、储能装置等。目前，石墨烯相关研究主要集中在以下方面。

(1) 制备研究

石墨烯的制备主要有物理方法和化学方法。物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过微机械剥离法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯。这类方法原料易得，操作相对简单，合成的石墨烯纯度高、缺陷较少，但耗时、产率低下，不适于大规模生产。目前实验室中，石墨烯多用化学方法来制备，例如还原脱除石墨烯氧化物的含氧基团，恢复单层石墨的有序结构(即氧化还原法)。在此基础上，研究人员不断加以改进，使得氧化还原法成为应用最广的石墨烯材料制备方法之一。

(2) 性质研究

自2004年被证实可独立存在以来，石墨烯的性质研究主要集中在对其优异的电学特性的研究，特别是其奇特的电极结构和载流子特性。近年来，对于悬浮石墨烯、双层石墨烯等的电学性质的研究成为石墨烯物理领域新的研究重点。2008年以来，随着石墨烯制备技术的发展以及石墨烯样品质量的不断提高，关于石墨烯的光学性质、力学性质、热学性质等的研究也不断增多。

(3) 应用研究

当前，许多成果都集中在石墨烯电子学这个方向，IBM、Intel等公司都大力投资，以图将来在这一方向上发展。这并不奇怪，因为基于硅的技术已达到理论极限，任何新的替代硅的候选材料都是受欢迎的，而且石墨烯提供了一个不错的选择。当然，石墨烯的应用还有许多，在生物、电极材料、传感器等方面也都已展现出很好的应用前景。

石墨烯的研究和产业化发展持续升温，美国、欧盟、日本等国家都发布或资助了一系列相关研究计划和项目，大力促进本国石墨烯技术及其应用研究。

(1) 美国

2006－2011年间，美国国家自然科学基金会(NSF)关于石墨烯的资助项目有近200项，重点项目包括：石墨烯基材料超电容应用项目(2009－2012)、石墨烯和碳纳米管材料连续和大规模纳米制造(2011－2015)等。近年来，美国国防部(DoD)及其下属美国国防高级研究计划署(DARPA)等也开展了多项石墨烯研究项目，重点开发下一代更小、更快的电子器件，以及石墨烯在太赫兹和新型量子器件中的应用等。

在产业化方面，美国也部署了一些项目：美国俄亥俄州研究商业化资助项目资助美国纳米技术仪器公司开展应用于锂离子电池的纳米石墨烯复合电极的商业化生产研究；美国结构材料工业公司2009年11月获得NSF小型企业技术转移项目资助，开发以石墨烯为基质的高灵敏度NO_x探测器。

(2) 欧盟及成员国

欧盟也非常注重石墨烯的研究发展，FP7框架计划、欧洲研究理事会、欧洲科学基金会等都资助了石墨烯相关技术的研究。例如，欧盟FP7框架计划2008年1月发布了石墨烯基纳米电子器件项目；欧洲研究理事会(ERC)资助了石墨烯物理性能和应用研究项目；欧洲科学基金会(ESF)2009年6月启动了欧洲石墨烯项目(EuroGRAPHENE)；欧盟2011年5月启动了石墨烯旗舰项目(Graphene Flagship)等。

(3) 日本

日本近年也资助了一系列石墨烯相关研发项目，例如：日本科学技术振兴机构(JST)2007年就开始了对硅基体上石墨烯材料/器件的技术开发项目的资助；经济产业省2011年实施的低碳社会实现之超轻、高轻度创新融合材料项目，重点支持了碳纳米管和石墨烯的批量合成技术。

(4) 韩国

近年来，韩国政府也积极支持本国机构开展石墨烯相关研究。2007－2009年间，韩国教育科学技术部等部门累计资助了90项相关研究，经费达到1 870万美元。2012－2018年间，韩国知识经济部预计将向石墨烯领域提供2.5亿美元的资助，其中1.24亿美元用于石墨烯相关研发，1.26亿美元用于相关商业化。

通过对DI I 专利数据库进行检索， 共检索到石墨烯相关专利(族)1416件(检索式：TS=(grapheneor graphenes)，数据检索日期为2011年10月7日)。图1给出了石墨烯相关专利数量的年度变化趋势。

从图1可以看出，石墨烯相关专利的申请在上世纪末就已出现，但随后发展较为缓慢。直到2004年后，专利申请数量才开始出现实质性的大幅增长。特别是从2007年起，全球石墨烯专利申请数量开始急剧增长，表明石墨烯相关专利技术进入快速发展轨道。

一种技术的生命周期通常由萌芽(产生)、成长(发展)、成熟、瓶颈(衰退)几个阶段构成。通过分析一种技术的专利申请数量及专利申请人数量的年度变化趋势，可以分析该技术处于生命周期的何种阶段，进而可为研发、生产、投资等提供决策参考。(www.daowen.com)

基于石墨烯相关专利的历年申请数量和机构申请人数量，图2绘制了石墨烯相关专利技术的发展进程。结合文献调研和图1，我们可以认为：2004年前为石墨烯相关专利技术的萌芽阶段；随后石墨烯相关专利技术开始进入技术成长阶段。目前，石墨烯专利技术正处于快速成长阶段。

图3给出了石墨烯相关专利新发明人数量(注：新发明人是指统计年份中新出现的发明人，由TDA自动统计生成。新技术条目类似。)和新技术条目的年度变化情况。从图中可以看出，近年来，正有越来越多的发明人进入石墨烯相关技术领域；同时，近年来，该领域每年都有大量的新技术条目涌现。这也进一步证实石墨烯正处于快速发展时期，全球市场需求很大，相关技术研发投入在快速增长，推动石墨烯技术应用范围不断扩大。因此，结合图1、图2，可以预测，在未来几年中，全球石墨烯专利申请数量将会继续保持快速增长态势。

国际专利分类号(IPC)包含了专利的技术信息，通过对石墨烯相关专利进行基于IPC的统计分析，可以了解、分析石墨烯专利主要涉及的技术领域和技术重点等。

表1列出了石墨烯专利申请量不少于50件的前17位专利技术领域及其申请情况。可以看出，石墨烯专利技术主要集中在以下几个方向：(1)石墨烯的制备，例如氧化还原法、化学气相沉积(CVD)等，主要分类号包括：C01B-031、B82B-003、B82B-001、C23C-016、B82Y-030等；(2)石墨烯用于制备半导体器件、光电器件及有机固体器件等，主要分类号包括：H01L-021、H01L-029、H01L-051、H01L-031、H01L-027等；(3)用于制备石墨烯基纳米材料及复合材料等，主要分类号包括：C08K-003、D01F-009；(4)石墨烯用于锂离子电池电极等，主要分类号包括：H01M-004、H01G-009等。

利用Aureka平台的Thememap功能，对石墨烯专利技术的研究布局进行了分析。可以看出，石墨烯专利的热点技术领域包括：(1)石墨烯的制备，例如氧化石墨法、化学剥离法等；(2)石墨烯用作锂离子电池、燃料电池的电极材料等；(3)石墨烯用于制备薄膜晶体管；(4)石墨烯用于制备透明电极；(5)石墨烯用于制备复合材料，例如复合催化剂等；(6)石墨烯用于制备储氢材料；(7)石墨烯用于制作存储器件等(图4)。

图5给出了石墨烯相关专利受理数量不少于10件的前15位国家/地区的排名情况。可以看出，石墨烯相关专利受理数量最多的国家/地区依次是：美国、中国、日本、韩国、欧专局、德国、中国台湾、澳大利亚、加拿大、法国、印度、俄罗斯、墨西哥和英国等。而从优先权专利的数量大致可以看出，这些国家地区也是石墨烯相关专利的主要申请国家。特别是美国，其专利受理数量和优先权专利数量都占到全球总量的40%以上，大幅领先于其他各国家/地区，显示出美国在石墨烯相关技术领域中的全球领导地位。

表2给出了石墨烯相关专利受理量居前15位国家/地区的专利受理数量的年度分布情况。可以看出，美国石墨烯相关专利受理起步很早，年度变化趋势与全球总体趋势基本一致，而且近年来其年度受理量一直位居全球第一。日本的石墨烯相关专利受理起步也较早，并曾在2002－2006年间与美国保持并驾齐驱之势，但近年来专利数量上升较慢，先后被美国、中国和韩国超越。中国和韩国近年来石墨烯专利受理数量快速上升，受理的石墨烯相关专利大都集中在近3年。欧专局、德国、加拿大、法国、英国等国家/地区近3年的专利数量也都增长较快。

此外，值得指出的是，结合图5和表2可以看出，世界知识产权组织受理的石墨烯相关专利数量仅次于美国，排名第二，而且呈现快速上升趋势。在检索到的1 416件石墨烯专利族中，申请了PCT专利的有505件，即所有石墨烯专利中采用了PCT申请途径的占到了35.7%，这也从一定程度上反映出石墨烯专利权人对其专利的重视。从石墨烯PCT专利的国家/地区分布(基于优先权国)来看，全球石墨烯PCT专利申请主要来自美国、韩国、日本、德国、加拿大等。特别是美国，其石墨烯PCT专利申请数量占到了全球的60%。此外，韩国近年来PCT专利申请数量上升也非常迅速。相比之下，虽然我国的石墨烯专利受理数量仅次于美国，但是我国的石墨烯PCT专利申请数量非常少，从一定程度上反映出我国石墨烯专利权人对其专利尚缺乏足够的重视。

图6给出了石墨烯优先权专利数量多于10件的前9个主要国家/地区(美国，中国，日本，韩国，欧专局，德国，加拿大，法国，英国，基于优先权国)在石墨烯领域的技术布局情况(基于IPC大组，IPC代码含义请参见表1)。可以看出，主要国家/地区技术构成相似度较高，专利大都分布在C01B-031、H01L-021、H01L-029、H01M-004、H01B-001、B82B-003等领域，即石墨烯材料的制备及其在半导体器件及电池电极中的应用。具体来看，美国(563件)、中国(272件)、日本(237件)和韩国(231件)等4个最重要国家/地区的技术布局如下：

(1) 美国主要集中在C01B-031、H01L- 021、H01L-029、H01B-001、H01M-004、C08K-003等领域。此外，B05D-005(表面涂布)方面的专利主要集中在美国。美国在其他各领域也有较多的专利申请。

(2) 中国主要集中在C01B-031、H01M-004 、C08K-003、B82B-003、H01G-009等领域，即主要集中在石墨烯材料的制备及其在电池电极中的应用，而在用于制备半导体器件方面的专利较少。

(3) 日本主要集中在C01B-031 、D01F-009、H01L-021、H01L-029等领域，特别是D01F-009(碳纤维及其生产设备)方面的专利主要集中在日本。与美国和中国相比，日本在石墨烯材料用于制备电池电极方面的专利相对较少。

(4) 韩国主要集中在C01B-031 、H01L-021、B82B-003、H01B-001、H01L-031、H01L-029等领域，特别是在H01L-031(光电半导体器件)领域的专利仅次于美国。同样，与美国和中国相比，韩国在石墨烯材料用于制备电池电极方面的专利也相对较少。

表3从专利数量、被引次数、保护区域数量、保护宽度、PCT国际专利申请数量等几个指标对石墨烯优先权专利数量多于10件的9个主要国家/地区(美国，中国，日本，韩国，欧专局，德国，加拿大，法国，英国，基于优先权国)进行了对比。可以看出，美国和日本无论是在被引次数、区域保护数量、保护宽度，还是重要专利数量方面，都有很好的表现。韩国同样值得关注，特别是在全球范围内的保护方面做得非常好。相比之下，我国的石墨烯专利平均被引次数则很低，专利保护力度和强度也落后于欧美日韩。

从全球石墨烯专利申请人的类型构成来看，企业在所有专利申请人中所占比例仅为40%，大学、个人、研究机构申请人分别占到了29%、19%、11%。而在一个相对成熟的行业或技术领域中，企业专利一般占专利总量的80%左右，这也表明石墨烯仍是一个新兴的技术领域。从石墨烯专利申请人类型构成的年度变化趋势(见图7)来看，个人申请人在所有专利申请人中所占比例呈现出不断下降的趋势，大学和研究机构所占比例不断上升，这表明石墨烯技术正在从个人研究行为越来越多地转变为机构研究行为；而企业所占比例有所下降，则表明石墨烯技术离大规模的商业化应用仍有一定的距离。

从主要国家/地区(基于优先权国)石墨烯专利申请人的类型构成情况(图8)来看，个人申请人占比较大的是美国，超过30%，这在很大程度上是因为美国专利法规定，美国专利的申请人只能是自然人，而且必须是发明人，属于职务发明的，也必须是由雇员发明人申请专利，然后再转让于雇主。我国石墨烯专利申请人中，大学和研究机构占据主导优势，表明我国石墨烯相关技术的研发仍然是由科研院所主导，尚未引起企业的足够重视。相比之下，企业在日本、德国等的石墨烯专利申请人中占据了主导地位，表明这些国家/地区的企业已经开始积极在石墨烯领域进行专利布局。

图9给出了专利申请数量不少于10件的前32个申请人，其中机构申请人28个。这些机构有11个来自美国，其中包括5个大学(加州大学、赖斯大学、得州大学系统、西北大学、普林斯顿大学)和6个企业(SanDisk公司、IBM、美国沃尔贝克材料公司、美国斯瑞特有限责任公司、美国纳米技术仪器公司、美国施乐)；5家来自日本，全部为企业(帝人株式会社、富士通、日立、NEC、GSI CREOS公司)；5家来自中国，分别是中国科学院和天津大学、清华大学、浙江大学、上海交通大学4个大学。其中，中国科学院的石墨烯专利申请量最多；4个来自韩国，分别是三星、成均馆大学、韩国高等技术研究院(KAIST)和韩国科学技术研究院(KIST)；2个来自法国(法国原子能署、法国科研中心)；1个来自德国(拜耳)。

值得注意的是，在前32个申请人中还有4个是个人，均来自美国。如前所述，石墨烯是一个新兴的技术领域，个人申请人在所有石墨烯专利申请人中占到了19%。因此，我们在本部分的申请人分析中保留了个人申请人。

此外，有趣的是，虽然英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•海姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫因在二维石墨烯材料研究中的开创性实验，共同获得了2010年诺贝尔物理学奖，但他们却没有为发现的石墨烯申请专利。在检索到的数据中，英国曼彻斯特大学仅有一件石墨烯相关专利，数量远少于韩国三星、韩国成均馆大学、美国加州大学等。到目前，诺沃肖洛夫教授仅出现在一件专利申请(WO2011086391-A1)的发明人中，而海姆教授则尚未作为发明人出现在任何已公开的专利申请中。在接受英国Nature采访时，海姆教授解释了他为什么没有为石墨烯的发现申请专利的原因。

通过分析石墨烯相关专利前32个申请人之间的合作申请关系，发现目前专利申请人之间的合作主要集中在：(1)美国纳米技术仪器公司和JANG B Z、ZHAMUA、GUO J之间；(2)美国普林斯顿大学和AKSAY I A及美国沃尔贝克材料公司之间；(3)韩国机构之间等。而其他机构之间则很少有合作，所以总体来看，目前主要石墨烯专利申请人之间的合作还是比较少的。

结合专利申请信息和文献资料调研，可以发现，JANG B Z(Bor Z. Jang)、ZHAMU A(Aruna Zhamu)、GUOJ(Jiusheng Guo)均为美国纳米技术仪器公司的重要发明人。其中，BorZ. Jang和ArunaZhamu是该公司的联合创始人。同时，BorZ. Jang也是美国莱特州立大学工程与计算机学院院长，材料工程教授。ArunaZhamu也是美国纳米技术仪器公司下属安格斯特朗材料股份有限公司(AngstronMaterials, Inc.)的总裁兼首席技术官。AKSAYI A(Ilhan A. Aksay)则是美国普林斯顿大学的化学和生物工程学教授，同时也是美国沃尔贝克材料公司的顾问及董事。该公司也是全球最重要的石墨烯商业化生产公司之一。

韩国机构之间的合作特别值得关注。韩国的石墨烯技术研发目前已经初步形成了产学研结合的局面，而其中的主导机构则是韩国三星电子和韩国成均馆大学。目前，三星电子在石墨烯产品化应用的竞争方面处于全球领先地位，特别是在石墨烯应用于触摸面板和高速晶体管等方面已发布了多项研究成果。三星曾于2010年6月宣布与韩国成均馆大学共同制作出了30英寸(对角线约1900px)的石墨烯薄膜，这一消息令全球震惊。此外，三星已经制定利用石墨烯的产品群开发蓝图，第一个研发目标就是把石墨烯用做触摸面板的透明导电膜。三星电子的相关研究工作主要有其旗下承担基础研究任务的三星尖端技术研究所(Samsung Advanced Institute of Technology，SAIT)开展。

表4从被引次数、保护区域数量、保护宽度、重要专利数量等方面对石墨烯重要专利申请人的专利质量及专利保护力度进行了对比分析。可以看出，美国纳米技术仪器公司的专利平均被引次数、被引率都较高，但其专利申请主要集中在美国国内，专利保护宽度也表现一般。韩国三星、韩国成均馆大学的专利平均被引次数虽然不高，但他们在区域保护和技术领域保护方面都有很好的表现。例如，三星的美国专利数量在所有机构中排名第2，成均馆大学的PCT申请数量在所有机构中排名第5。美国普林斯顿大学的表现特别值得关注，其石墨烯专利不仅被引次数很高，而且在区域保护和技术领域保护方面的表现都很好，例如，其PCT申请数量和三方专利数量都排名前列。此外，美国SanDisk公司、美国IBM、德国拜耳、法国原子能署、日本GSI CREOS公司等在区域保护和技术领域保护方面也都有较好的表现。而我国5个机构的专利在各个指标上的表现都较差，专利极少被引用，技术领域保护范围普遍较窄，除了清华大学外，基本都没有对其石墨烯专利申请国外保护。

基于DII数据库，本文对全球石墨烯相关专利技术的研发和竞争态势进行了讨论和分析。通过本文的分析，可以看出：石墨烯是一个相对较新的技术领域，目前正处于快速发展阶段。全球各主要技术国家/地区都对其给予了高度关注，推动相关科学研究和产业化发展持续升温。虽然我国石墨烯专利的申请与受理起步相对较晚，但近年来增长非常迅速，我国已经成为全球石墨烯专利受理数量最多的国家之一。近年来，全球石墨烯各主要技术国家/地区的相关机构都竞相到我国为其石墨烯相关专利申请保护。对此，我国相关机构应引起重视，在开展相关研发或项目立项前，应对国内外已公开的石墨烯相关专利进行全面分析，规避或合理借鉴现有专利技术，避免重复投入，提高研发效率。同时，对重点专利技术应积极申请国外保护。

目前，美国、日本和欧洲的石墨烯相关技术研发都已经是以企业为主体，韩国也已经初步形成了产学研结合的局面。而在我国，石墨烯相关技术的研发主体仍然是大学和科研机构。企业虽然已经申请了一定数量的石墨烯相关专利，但研发力量较为薄弱，也非常分散。建议在“十二五”中，国家相关部委继续加大对石墨烯相关研发的支持力度，设立更多应用导向型研发项目，通过政产学研合作，促进我国石墨烯技术基础研究与产业化开发的有机衔接，同步开展，实现我国石墨烯技术跨越式发展。