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专题研究 RESEARCH

专题研究

国外先进石墨烯技术专利分布(公司层面)

2016-09-09 875浏览 标签:

背景

2004 年,英国曼彻斯特大学物理学家AndreGeim Konstantin Novoselov, 第一次成功地从石墨中分离出了sp2 杂化的石墨烯。从此,各界对于石墨烯的研究掀起了空前的高潮,每年有关石墨烯理论和应用研究的专利及文献发表数量大幅度增加。本报告针对国外巨头公司在石墨烯方面申请专利的趋势,石墨烯专利分布的技术领域进行总结分析,为中国该领域的生产单位和投资单位提供数据支持。

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料, 是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳(即碳以双键相连或连接其他原子)的基本结构单元,具有一些奇特的物理特性,包括:独特的载流子特性,这为相对论力学现象的研究提供了一条重要途径;电子在石墨烯中传输的阻力很小,在亚微米距离移动时没有散射,具有很好的电子传输性质;力学性能好、韧性好,有实验表明,它们每100nm距离上承受的最大压力可达2.9N; 石墨烯特有的能带结构使空穴和电子相互分离,导致新电子传导现象的产生, 如量子干涉效应、不规则量子霍尔效应等。

然而目前石墨烯领域的市场开发仍处于初期阶段,其市场前景无限光明但是前进的道路并不平坦。研究国外的石墨烯专利布局可作为我国的石墨烯产业发展的参考方向。

国外重点企业专利分布情况

在产业层面,通过分析例如三星,LGIBM,诺基亚等公司的石墨烯相关专利的布局,可以推出这些公司石墨烯产业化发展重点,从而为国内的石墨烯下游应用和市场开拓提供参考,将石墨烯与现有材料体系更好的融合,更大限度地发挥石墨烯的优异性能,取得较高的性价比。

本报告中列出石墨烯的应用领域包括复合材料,储能材料,电子信息,传感器,功能材料,水处理,生物医药以及结构材料,其具体分类如下表所示。

1 石墨烯应用分类表

此处列出的数据中,20155月前的部分参考了中科院宁波材料所出版的《2015石墨烯技术专利分析报告》,20155月至201684日的部分使用欧洲专利局查询工具Espacenet Search获取。

(一)三星公司

三星公司在2008年到2016年期间在全球共申请了568项石墨烯相关技术专利,其覆盖的石墨烯应用范围包括传感器领域,晶体管、半导体等电子元器件说涉及的电子信息领域,电池相关材料所涉及的储能材料领域以及导电、导热类复合材料。此外还有一些石墨烯生产加工工艺的专利。下面是关于三星公司石墨烯相关专利的一些资料。

2 Samsung2015年到201684日以来已公布的主要石墨烯专利


1 三星公司在2008-2016年度的石墨烯专利申请数量柱状图

2 三星公司在近期(20155-20168月)的石墨烯应用相关专利所属领域饼状图(其中数字代表专利数)

从上面的数据可以看出,三星公司对石墨烯的开发是全方位的,其近期专利在电子信息类中数量最多,具体包括触摸屏,透明导电薄膜,晶体管,OLED,信息存储,光电器件等方面;此外在导电/导热类的复合材料领域也有专利申请;锂电池等储能材料领域,以及传感器领域三星公司近期也都申请了相关专利。除了这些应用类专利,石墨烯制备和加工方面三星公司在20155-20168月期间有19项专利申请,仅次于电子信息领域,可见其重视程度。

(二)LG公司

LG公司在2011-2016年间一共申请了239件石墨烯相关的专利,涉及范围极为广泛,从电子信息、传感器、复合材料、储能材料、石墨烯生产加工等领域延伸到水处理膜、石墨烯改性功能材料等领域,另外石墨烯生产加工领域也申请了大量专利,其详情如下。

3 LG公司2015年到201684日以来已公布的主要石墨烯专利





3 LG公司在2011-2016年度的石墨烯专利申请数量柱状图


4  LG公司在近期(20155-20168月)的石墨烯应用相关专利所属领域饼状图(其中数字代表专利数)


从上面的数据可以看出,LG公司在石墨烯方面进行的研究既包括各种触摸屏、LEDOLED等显示器件相关的电子信息领域,也包括了锂电池、太阳能等储能领域以及导电/导热高强度复合材料。此外在水处理膜、传感器、石墨烯改性功能材料等领域也有广泛的专利申请。

(三)IBM公司

IBM公司在2008-2016年间共申请了227项石墨烯相关专利。IBM公司是全球最大的信息技术和业务解决方案公司,因而其专利分布多集中在电子信息领域和传感器领域,此外IBM对于石墨烯的生产加工技术也有很浓厚的兴趣,其近期专利申请的具体情况如下。

4 IBM公司2015年到201684日以来已公布的主要石墨烯专利



5 IBM公司在2008-2016年度的石墨烯专利申请数量柱状图


6 IBM公司在近期(20155-20168月)的石墨烯应用相关专利所属领域饼状图(其中数字代表专利数)

从以上数据可知,IBM公司的石墨烯技术主要集中在电子信息领域,包括晶体管,信息存储,集成电路,防屏蔽设备,二极管,门电路等诸多领域,以及传感器领域。此外还包含晶圆级石墨烯的转移等石墨烯生产加工方面的专利。因为IBM是一家信息技术企业,若能实现石墨烯代替硅材料用于半导体领域对该公司来讲会获利巨大。

(四)美国沃尔贝克材料公司

美国沃尔贝克材料公司可查的石墨烯相关专利为49篇。2014年以前的专利布局主要集中在导电高分子材料、导电油墨等的制备以及相关应用上,近期的专利依旧以电子信息应用为主,并在结构材料、传感器以及储能材料的应用上有所涉猎。其最近一年的专利申请情况如下。

5 美国沃尔贝克公司2015年到201684日以来已公布的主要石墨烯专利



7 美国沃尔贝克公司近一年的石墨烯应用相关专利所属领域饼状图(其中数字代表专利数)

承接前几年对导电油墨和导电聚合物的关注,2016年沃尔贝克公司在印制电路用导电材料方向申请公开了若干项国际专利,该公司对这个领域的持续关注,以及该公司在该方向产品的成熟度。

(五)诺基亚公司

诺基亚公司在2015年之前的石墨烯相关可查专利篇数为33篇,重点集中在传感器和相关器件的制备和应用。2015年至今不到两年的时候,申请公开的专利数量为23篇,在电子信息和传感器方向上仍然集中,电极等储能材料应用的比重也有所上升。

6 诺基亚公司2015年到201684日以来已公布的主要石墨烯专利

8 诺基亚公司近一年的石墨烯应用相关专利所属领域饼状图(其中数字代表专利数)

诺基亚公司2015年公开的石墨烯专利主要集中在英国,到2016年开始国际专利的公开,较早的传感器国际专利也得到了有效推动,在不同国家陆续公开,这在技术层面上反映了诺基亚公司在石墨烯相关的电子信息以及传感器业务上的推动力度。

(六)索尼公司

索尼公司2015年之前的在公开石墨烯相关专利为32篇,重点方向为电子信息设备用石墨烯薄膜的制备,截至20168月,所公开的相关专利数量依旧不多,集中领域也没有明显变化。

7 诺基亚公司2015年到201684日以来已公布的主要石墨烯专利


这些公司的专利分布各有侧重,不过从上面的统计数据可以推断,近一段时间三星更重视在显示领域以及电子器件领域的应用;LG则更为综合,涉及石墨烯领域的各方面应用;IBM专注于石墨烯在电子信息和传感器方面的应用;美国沃尔贝克公司对导电油墨和导电聚合物保持了持续的关注,近期在印制电路用导电材料方向比较重视;诺基亚公司重在电子信息和传感器方;索尼重在电子信息设备用石墨烯薄膜的制备。

通过以上几个典型国际巨头的石墨烯相关专利申请情况可以发现,在他们应用之中虽然导电/导热以及高强度复合材料,各类电池为代表的储能材料仍占有一定份额,但是近期这些巨头的石墨烯相关专利更倾向于石墨烯在电子信息方面的应用,尤其是晶体管,柔性显示,集成电路等,此外,将石墨烯用在传感器也是比较重要的方向。在复合材料领域用于导电导热也有相关专利,不过相对来讲更倾向于与碳纳米管结合或采用其他原料复合用于电路或者其它电子器件应用之中,而不是单纯用石墨烯进行简单发热或者散热。另外石墨烯储能材料的专利有减少之势,这一点有可能与这些国际巨头在各类电池领域的专利保护已颇为齐全有关。

三、我国现状及对我国影响

这一部分的数据来源是SooPAT数据库的统计。

9 国内2006-2016年度的石墨烯专利申请数量柱状图

10 国内石墨烯应用相关专利所属领域柱状图

从专利分布来看,我国国内2014年之前的专利主要集中于复合材料、结构材料等方向,有别于国外的电子信息、传感器等方向。随着全球石墨烯的火热发展,2014年起国内在石墨烯专利技术上呈现井喷式增长,主要体现在电子信息和储能材料的应用方向。这说明国内在追逐国外的趋势,认同电子信息类应用,尤其是晶体管,集成电路等领域更是未来世界石墨烯领域角逐的要点。但是在中国的专利分布中,用于锂电池等储能材料的比重相较国外而言偏多,石墨烯在锂电池领域的应用又集中于电极和电解液,这些方面其实是相对低端的应用,仅仅利用了石墨烯的导电性良好的性质,可能在不久的将来就会造成扎堆投资导致谁也无法获益的情况。在石墨烯复合材料领域,我国的导热复合材料很多专利集中在LED 散热、导热橡胶等领域,但是,应用于高性能精密电子装置的散热应用却相对较少。

另外,国内的专利申请人分布也与国外情况不同,国外的应用专利申请人主要集中在企业,尤其是行业大企业中。而国内的专利申请人主要集中在高校以及近几年随着石墨烯概念热起来的新兴小企业中,小企业的专利申请数量很多,然而实际技术和应用方向科技含量并不高,对石墨烯产业的推动也并不能起到积极作用,这种因为经济概念而形成的势头,其实是值得警惕的。而科技含量较高的石墨烯技术,在我国的研发还很不成熟,大部分依旧停留在实验室阶段,成果转化率很低。

不论如何,国内石墨烯方向专利呈现出逐年增长的态势,说明石墨烯产业研发在我国保持着持续的热度,国家2016年推出的相关刺激政策,也表现了国家对石墨烯产业的重视,总体来说,我国的石墨烯会在将来保持发展。

四、未来趋势及发展方向

我们分析,未来石墨烯的应用层面发展将会经历三个阶段。

1 初级应用

在短时间内,因为石墨烯成本原因,石墨烯的产业化应用不大可能是单独使用石墨烯进行大规模应用,更有可能是在复合材料,储能材料领域与其他材料相结合,提高其他材料的性能,可能的应用包括:锂离子电池、导热材料、导电油墨、防腐涂料。

锂离子电池使用石墨烯微片作为导电剂的添加剂可以大幅提升锂离子电池的性能,但是这样的应用基本只能简单的发挥石墨烯的导电作用,从长远考虑并不是一种理想的石墨烯应用。

导热材料方面,石墨烯微片可加工成具有高导热系数的石墨烯散热片膜,以及采用石墨烯改性高分子材料如热导纤维和导热塑料等,若能用石墨烯散热辅助电子器件使之性能提升则有望利用电子器件的价值提升石墨烯导热材料的价值,如果单纯的使用石墨烯进行发热,则意义不大。

导电油墨方面,石墨烯微片可作为新型导电油墨的主填充料,也可与纳米银粉等混合配制成新型导电浆料或油墨,该技术可用于物联隐形条码技术中。

防腐涂料方面,石墨烯微片有助于提高抗腐蚀效能。我国正在推动海洋强国发展战略,舰船和海洋工程对此有巨大的市场需求,但是以目前的石墨烯价格,恐怕无法大范围应用,而且防腐材料有很多,石墨烯也不一定有太大优势。

2 中期应用

伴随着未来石墨烯薄膜量产技术的逐渐成熟,石墨烯将进入中期应用阶段,此时石墨烯在柔性显示,太阳能电池,超级电容器,膜材料,纳米传感器方面有望找到新的出路。

石墨烯柔性触屏方面,目前已有大量研究在进行,不过限于石墨烯居高不下的价格,以及手机,平板电脑整体柔性研究还没有解决所有难题,所以虽然已经有很多柔性石墨烯触屏的实验成果,但目前还没有能够特别大规模的进行商业化。

太阳能电池领域,因为太阳能是一种最常见且取之不尽用之不竭的清洁能源,太阳能相关研究比较容易获得政府的支持,石墨烯同太阳能电池相结合,有望生产出柔性、廉价的有机太阳能电池,即是石墨烯价格没有巨大下降也有望借太阳能的东风实现推广。

超级电容器方面,研发具有超高比表面积的活性石墨烯材料,提高活性石墨烯-活性炭复合材料的电学特性,有望带来超级电容器的升级换代。

膜材料方面,石墨烯膜应用于水处理,例如海水淡化和污水净化,将石墨烯的超强导热能力同太阳能相结合,将节省大量能源,并解决人类饮水问题。

纳米传感器方面,石墨烯传感器有望成为高灵敏度的传感器,对于特定物质的检测更加容易,提升检测的灵敏度和可操作性,这对于国防也有着重要意义。

3 终极应用

石墨烯量产化成熟,晶圆级石墨烯单晶取得突破之后,石墨烯这种神奇材料的应用难点将集中在应用技术的突破上而不再受制于石墨烯供应。此时高频电子器件,光学调制器,高强度复合材料将有望取得突破。

高频电子器件方面,石墨烯有望取代硅,将电子产品推向新的时代,彻底颠覆现有格局,但是石墨烯本身的零带隙结构使得这项研究面临困难,找到稳定可控的石墨烯开带隙方法将是实现这一宏伟目标的必要条件。

光学调制器方面,利用石墨烯制成的小尺寸且廉价的光学调制器具有超高速的信号传输能力,有望将互联网传输速度提升千倍,使得人类真正进入“物联网时代”。

高强度复合材料方面,不是简单地在其他材料中掺杂石墨烯微片,而是实质性的利用石墨烯的高强度制作成纤维复合材料,这对于航空航天意义重大。

五、投资前景及政策建议

(一)投资前景


石墨烯产业目前正处在市场萌芽期,此时该产业还处于概念居多,实质商品化产品较少的阶段,其投资前景颇为看好。但是目前在投资方向上却要慎重考量,因为石墨烯是一种近乎“万能”的材料,各方面性能都很优异,但是有些太过低端的应用由于门槛较低,很容易形成扎堆投资的状况最终使得每个投资人的收益都受影响。比较合理的投资是减少初级应用投资,加大中期应用投资,并积极支持终极应用的研发。因为初级应用一般门槛较低,附加值不太大,无法完全发挥出石墨烯这种材料性能的优越性,虽然能够短期看到回报但是回报会很有限;中期应用则有一些技术门槛,不过这就可以减少竞争对手的数量,更容易获得比初级应用更高的回报;终极应用目前还比较遥远。

(二)政策建议


1、加大政府层面对于重点方向企业的支持力度

从长远角度看,石墨烯用于电子信息,尤其是晶体管方向的研究,是有望在未来打破硅材料的统治地位,引发产业革命的重要方向,虽然前路艰辛但是前途光明。同时石墨烯生产技术的改进也是一个重要方向,很多实验室成果无法实现商业化其障碍之一就是石墨烯量产技术的不成熟,可以说石墨烯产业的发展在很大程度上是由石墨烯的量产价格决定的,只有合理的价格,石墨烯下游产品才能被市场所接受。加大对这些领域的企业的支持,对于争夺石墨烯产业未来的制高点有很大意义。

2、鼓励产学研结合,加快实现实验室技术的商品化

石墨烯研究需要大量的专业仪器和专门人员,根据中国的现状,不是每一家企业都能够毫无压力的实现独立研发,这样的背景下企业与高校进行联合开发就变得非常必要,通过高校的技术优势和企业的生产实践,使得石墨烯的应用技术能够以最快速最直接的方式实现商品化,推动石墨烯产业在国内的发展。

3、加大石墨烯产业的推广力度,

据工信部赛迪研究院原材料工业研究所所长肖劲松表示,石墨烯产业正处于概念导入期、产业化突破前期。此时通过加大推广力度,积极招商引资,吸引有实力的企业投入到石墨烯产业的开发中来,集中等多的力量进行相关研发,终将使我国在石墨烯产业的竞争中占得一席之地。


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