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专题研究 RESEARCH

专题研究

国外石墨烯专利布局变化情况及对我国的分析与建议

2017-06-13 368浏览 标签:


前言

 

2004年,英国曼彻斯特大学物理学家 Andre Geim Konstantin Novoselov第一次成功地从石墨中分离出了真正意义上的二维材料,单原子厚的石墨烯(graphene)。石墨烯是碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,其特殊结构使它具有优异的电子学、热学、力学和光学性能,在电子学、磁学、光学、催化、储能、生物医学、国防军工、航空航天等领域拥有巨大的应用前景,引起了学术界和产业界的高度关注,世界各大强国已经将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向,以期在由石墨烯带动的新一轮产业革命中占领先机。

近年来,科学界对于石墨烯制备及其应用技术的研究已经深入到众多领域,围绕石墨烯的专利申请在全球范围内呈现出高速增长态势。本专题围绕石墨烯材料及其应用技术对国外重点企业和国内的相关专利进行了统计和分析,旨在为我国在该领域的科学创新和产业发展提供参考。

 

一、国外重点企业与组织的专利分布情况

 

本专题内容所涉及的时间范围为201685日至201729日,并将石墨烯的应用领域分为六类,分别为复合材料,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。



▲石墨烯应用分类表

 

此外,本次专题将这些公司的石墨烯生产加工方面的专利也一起进行分析,因为目前石墨烯的廉价大规模生产还是一项挑战,在生产上的改进有可能会盘活石墨烯市场,使得下游的应用更加具有商业价值。(这一部分的数据使用欧洲专利局查询工具Espacenet Search获取。)

 

 

韩国三星公司

 

三星公司在201685日到201729日期间新增石墨烯相关专利20件。其呈现出的趋势是主要集中于电子信息领域各种器件的开发。这一时间段三星的石墨烯专利主要来源于三星电子和三星显示。下面是关于三星公司石墨烯相关专利的一些资料。

 

▲三星公司在201685日到201729日已公布的主要石墨烯专利

 


▲2008-2017年度三星公司的石墨烯专利申请数量柱状图


▲三星公司201685-201729日石墨烯相关专利所属领域饼状图(其中数字代表专利数)

 

相比于20168月之前的情况,目前三星公司的石墨烯相关专利集中于电子信息领域,此外还有一部分是用石墨烯材料作为电子产品制备中必须的硬掩膜。而在储能材料,复合材料以及石墨烯生产加工方面的比重有所下降。这可能是因为三星近期申请专利的主要是三星电子和三星显示,它们都是电子领域的佼佼者,因而与电子领域相关的专利申请的比较多。同时在电子产品中,石墨烯的概念可能也会带来商业利益。

 

 

韩国LG公司

 

LG在201685日到201729日这一阶段的石墨烯专利主要由LG化学提供,LG电子提供的较少。其详情如下。

 

▲LG公司在201685日到201729日已公布的主要石墨烯专利

 


▲2011-2016年度LG公司的石墨烯专利申请数量柱状图

 

 ▲LG公司201685-201729日石墨烯相关专利所属领域饼状图(其中数字代表专利数)

 

相比于20168月之前,LG公司在近期的专利申请更多的集中在石墨烯生产与加工技术上,而在电子信息产品的比重下降,这是因为这一阶段申请石墨烯专利的主要是LG化学,LG电子申请的石墨烯专利较少,所以表现出石墨烯原材料产品制备相关的专利偏多,而电子信息类应用专利较少的状况。

 

 

美国IBM公司

 

IBM在201685日到201729日期间申请的石墨烯专利领域分布比较平均,但是只新增6件。其具体情况如下。

▲IBM公司在201685日到201729日已公布的主要石墨烯专利

▲2008-2017年度IBM公司的石墨烯专利申请数量柱状图

▲IBM公司201685-201729日石墨烯相关专利所属领域饼状图(其中数字代表专利数)

 

IBM公司在这一阶段申请的专利对于石墨烯生产加工、传感器、储能材料和复合材料都有涉及,并且比例分布相对也比较平均。不过其新增专利总量相对较少。对比20155-20168月的数据,可以看出IBM公司最近的石墨烯专利中电子信息类的比重明显下降,这或许说明IBM对于石墨烯电子产品的短期前景并不很乐观。

 

美国沃尔贝克材料VORBECK MATERIALS公司

 

 沃尔贝克公司在20168月以来的石墨烯专利涉及石墨烯复合材料,石墨烯振膜,石墨烯传感器,石墨烯印刷电子器件以及石墨烯复合材料等诸多领域,其具体情况如下。

 ▲沃尔贝克公司在201685日到201729日已公布的主要石墨烯专利

 

▲沃尔贝克公司201685-201729日石墨烯相关专利所属领域饼状图(其中数字代表专利数)

 

沃尔贝克公司近期的专利布局情况与20168月之前的调研结果基本相同,该公司对于印刷电路依旧颇为关注。不过相比之前,这家公司似乎对于用石墨烯生产传声器振膜这种结构材料也产生了一定兴趣。

 

芬兰诺基亚(Nokia)公司

 

诺基亚公司的最近的专利布局涉及的领域和之前的调研结果也基本相同,不过该公司在2016年到201729日期间在欧洲专利局查询工具Espacenet Search上仅仅查询到了8项专利。其具体情况见下。

▲诺基亚公司在201685日到201729日已公布的主要石墨烯专利

▲诺基亚公司201685-201729日石墨烯相关专利所属领域饼状图(其中数字代表专利数)

 

诺基亚公司近期的的石墨烯专利所涉及的领域相比之前的调研结果没有变化。但是比重有所改变,其电子信息领域和传感器领域所占比例下降,而储能材料和石墨烯生产与加工方面所占比例上升。

 

德国博世(BOSCH)公司

 

▲博世公司在2013年到2017年已公布的主要石墨烯专利

 

▲2013-2016年度博世公司的石墨烯专利申请数量柱状图

 

德国博世(BOSCH)公司在全球共申请了9项石墨烯相关技术专利,主要集中在储能材料领域,范围较广泛,包括超级电容器中的电磁螺线管、电池电极材料以及混合汽车能源存储单元等应用。博世(BOSCH)公司在其它领域申请的专利包括电子信息领域(功率晶体管),防腐蚀涂层和复合材料以及石墨烯生产加工工艺。

 

 

德国巴斯夫(BASF)公司

 


▲BASF公司在2015年到201729日已公布的主要石墨烯专利

▲2011-2016年度BASF公司的石墨烯专利申请数量柱状图


▲BASF公司在2015-2017年公开的该公司在全球申请的石墨烯相关专利所属领域分布饼状图(数字代表专利数)


欧洲化工企业巨头巴斯夫(BASF)总共在全球申请了46项石墨烯相关技术专利。该公司近期(2015-2017年)申请的专利主要覆盖了石墨烯在储能材料领域的应用,其中包括使用石墨烯作为锂离子电池中的电极材料,以及在全固态超级电容器和其它电化学电容器中的应用。此外,近期巴斯夫(BASF)申请了较多石墨烯纳米带制备相关技术专利,这也表现了该公司对石墨烯纳米带制备及应用的重视程度。

 

日本索尼(Sony)公司

 

▲索尼公司在201685日到201729日已公布的主要石墨烯专利

 

 

日本富士通(Fujitsu)公司

 

▲富士通公司在201511日到201729日已公布的主要石墨烯专利


▲2008-2017年度富士通公司的石墨烯专利申请数量柱状图

 


▲富士通公司近期(20151-20171月)在全球申请的石墨烯相关专利所属领域饼状图(数字代表专利数)


日本富士通(Fujitsu)公司总共在全球申请了47项石墨烯相关技术专利。其中近期(2015-2017年)申请了19项专利,所覆盖的领域主要集中在电子信息领域(共14项)和传感器领域(共4项),这表明了富士通公司在这两个领域中的相关技术较为成熟,也体现了该公司对石墨烯在这两个领域应用的重视。

 

 

日本东丽(TORAY)公司

 

▲东丽公司20142017年已公布的主要石墨烯专利

 

▲2014-2016年度东丽公司(TORAY)的石墨烯专利申请数量柱状图

 

▲东丽公司(TORAY)石墨烯相关专利所属领域饼状图(其中数字代表专利数)

 

日本东丽公司(TORAY)在全球申请的石墨烯相关专利总共只有9项,几乎全部集中在储能材料领域(8项),其中包括石墨烯在锂离子电池或锂离子二次电池中做电极材料等,由此可见东丽公司(TORAY)对石墨烯在此领域的应用非常重视。此外,东丽公司(TORAY)还非常注重石墨烯制备方法的研发,其申请的专利中有六项包含了对相关石墨烯生产加工工艺的保护。

 

 

小结



根据上述调研情况可以发现,相比半年前,近期三星公司在石墨烯领域申请的专利集中于电子信息;LG的专利更专注石墨烯的生产与加工;IBM和诺基亚的专利涉及领域较为平均,但是其中电子信息所占比重都有所下降,并且新增专利都不多;沃尔贝克材料公司的专利所涉及领域的分布基本与半年前保持一致;博世公司申请的专利数量很有限,并且以储能材料为主;BASF作为化工巨头其专利主要集中于石墨烯的生产与后续加工;索尼公司相比从前依旧在石墨烯专利申请上不很积极;富士通公司的石墨烯专利对电子信息领域和传感器领域最为关注;东丽公司对于石墨烯储能材料和石墨烯的制备关注比较多。这些近期专利动向说明一些公司对于石墨烯电子信息产品的热度在下降,更偏向于务实一些的石墨烯中端应用研究以及石墨烯的生产加工研究,而有些企业依旧对其抱以较高热情。石墨烯的复合材料,结构材料,储能材料应用也有不少企业对其充满兴趣。

 

二、我国现状及对我国的影响

 

我国的石墨烯专利申请量呈现了逐年上升的趋势,但是其专利申请人前20名绝大多数都是高校和研究机构,相比于国外的巨头企业专利,我国的高校和研究机构专利很有可能产业化前途不及前者。中国的企业申请人也以小企业为多,其申请的专利能否推动中国石墨烯产业的发展值得商榷。总体来说中国的石墨烯发展需要相关部门正确的引导,以防止其出现过热并保证其真正能对我国的国民经济发展提供帮助。

▲国内2006-2017年度的石墨烯专利申请数量柱状图

▲中国石墨烯专利申请人前20名列表

 

三、总结与建议

 

()石墨烯在电子信息领域热度下降

 

石墨烯近期专利动向说明一些公司对于石墨烯电子信息产品的热度在下降,也间接说明了石墨烯在电子器件领域应用发展的受限。石墨烯虽然具有超高的电导率,但是由于其带隙为零,本征石墨烯不能作为半导体使用,已有实验表明,任何试图打开石墨烯带隙的行为,比如对石墨烯进行微量的掺杂改性,都会造成石墨烯性能大幅降低,这大大限制了石墨烯作为半导体材料在电子信息产品中的应用。

 

()未来应注重石墨烯制备方法的研究

 

此次对石墨烯专利的分析表明国外各大重点企业都偏向于石墨烯生产加工的研究,表明了各大企业对石墨烯制备方法研发的重视。石墨烯虽然具有很多优异的物理化学性质,但是使用目前生产工艺制备出的石墨烯材料缺陷多,质量不稳定,不能达到其理论上应该拥有的性质。比如,石墨烯虽然强度很高,但是目前制备出的石墨烯由于存在缺陷,其边缘处很容易撕裂。未来我国应注重石墨烯制备方法的研发,努力制备高质量的石墨烯材料,争取从材料上解决问题,扩大石墨烯在高端应用领域的潜力。

 

()应加强石墨烯基础研究,避免产业盲目布局

 

我国石墨烯专利申请量呈现了逐年上升的趋势,并且已连续几年处于世界第一的位置。然而专利申请人前20名绝大多数都是高校和研究机构,企业申请人也多为小型企业。我国申请的专利技术中有多少是能够真正引领石墨烯产业发展的核心技术是值得商榷的。目前我国正在开展轰轰烈烈的石墨烯产业革命,全国各地开设了很多石墨烯产业园,然而这些产业园研发的技术似乎都没有转化为专利技术。未来国家及地方政府应加强对重点方向企业及科研机构的支持力度,应对市场投资过热的问题以及产业盲目布局予以调控,避免低水平重复。要重视并鼓励石墨烯的基础研究,重视科学与产业化队伍的人才培养。同时,我们还需要对国际同行的石墨烯研究、企业发展方向进行及时追踪和分析,为我国的石墨烯发展战略提供参考。

 

 

 

 

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