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。 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.
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。
专利分析，石墨烯，研究热点
Xiaoling Chen1, Pengzhao Du1, Dongliang Liu2*, Zhiwei Quan1, Gang Mao1
1Jilin Provincial Information Institute of Science and Technology, Changchun Jilin
2Jilin University, Changchun Jilin
Received: Feb. 22nd, 2022; accepted: Mar. 22nd, 2022; published: Mar. 30th, 2022
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.
Keywords:Patent Analysis, Graphene, Research Hotspots
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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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 [
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。
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。
图1. 石墨烯领域专利申请与公开量年度变化图
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。
| 序号 | IPC分类号(小类) | 专利数量 |
|---|---|---|
| 1 | B82Y (纳米结构的特定用途或应用；纳米结构的测量或分析； 纳米结构的制造或处理[2011.01]) | 2296 |
| 2 | C01B (非金属元素；其化合物(制备元素或二氧化碳以外无机化合物的发酵或用酶工艺入C12P3/00；用电解法或电泳法生产非金属元素或无机化合物入C25B)) | 1284 |
| 3 | H01L (半导体器件；其他类目中不包括的电固体器件(使用半导体器件的测量入G01；一般电阻器入H01C；磁体、电感器、变压器入H01F；一般电容器入H01G；电解型器件入H01G9/00；电池组、蓄电池入H01M；波导管、谐振器或波导型线路入H01P；线路连接器、汇流器入H01R；受激发射器件入H01S；机电谐振器入H03H；扬声器、送话器、留声机拾音器或类似的声机电传感器入H04R；一般电光源入H05B；印刷电路、混合电路、电设备的外壳或结构零部件、电气元件的组件的制造入H05K；在具有特殊应用的电路中使用的半导体器件见应用相关的小类) [
|
1030 |
| 4 | H01M (用于直接转变化学能为电能的方法或装置，例如电池组 [
|
705 |
| 5 | H01B (电缆；导体；绝缘体；导电、绝缘或介电材料的选择(磁性材料的选择入H01F1/00； 波导管入H01P)) | 673 |
| 6 | C23C (对金属材料的镀覆；用金属材料对材料的镀覆；表面扩散法，化学转化或置换法的金属材料表面处理；真空蒸发法、溅射法、离子注入法或化学气相沉积法的一般镀覆(挤压法制造包覆金属的产品入B21C23/22；通过将预先存在的薄层连接到制品上的方法用金属进行镀覆处理的见各有关位置，例如B21D39/00，B23K；玻璃的金属化入C03C；砂浆、混凝土、人造石、陶瓷或天然石的金属化入C04B41/00；金属的搪瓷或向金属上镀覆玻璃体层入c23D；用电解法或电泳法处理金属表面或镀覆金属入C25D；单晶膜生长入C30B；纺织品的金属化入D06M11/83；用局部金属化法装饰纺织品入D06Q1/04) [
|
598 |
| 7 | B82B (通过操纵单个原子、分子或作为孤立单元的极少量原子或分子的集合而形成的纳米结构；其制造或处理 [
|
328 |
| 8 | B01J (化学或物理方法，例如，催化作用或胶体化学；其有关设备 [
|
249 |
| 9 | H01G (电容器；电解型的电容器、整流器、检波器、开关器件、光敏器件或热敏器件(电介质专用材料的选择入H01B3/00；电位跃迁或表面阻挡层的电容器入H01L29/00)) | 249 |
| 10 | B32B (层状产品，即由扁平的或非扁平的薄层，例如泡沫状的、蜂窝状的薄层构成的产品) | 205 |
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。
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)。
| 国家 IPC分类号 | 中国 | 美国 | 韩国 | 日本 | 欧洲 专利局 | 西班牙 | 俄罗斯 | 澳大 利亚 | 加拿大 | 德国 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| B82Y | 2163 | 1348 | 111 | 193 | 174 | 40 | 5 | 6 | 8 | 3 |
| C01B | 861 | 619 | 366 | 341 | 142 | 26 | 7 | 2 | 4 | 7 |
| H01L | 353 | 934 | 315 | 132 | 58 | 0 | 1 | 0 | 2 | 3 |
| H01M | 806 | 309 | 77 | 69 | 29 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| H01B | 349 | 485 | 256 | 69 | 51 | 2 | 0 | 3 | 0 | 0 |
| C23C | 498 | 307 | 188 | 79 | 41 | 2 | 0 | 2 | 0 | 5 |
| B82B | 91 | 38 | 428 | 24 | 14 | 0 | 10 | 1 | 3 | 9 |
| B01J | 193 | 108 | 104 | 34 | 21 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| H01G | 219 | 147 | 28 | 37 | 14 | 6 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| B32B | 26 | 223 | 40 | 21 | 14 | 4 | 0 | 0 | 0 | 0 |
表2. 石墨烯领域专利技术全球分布表
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。
图2. 石墨烯领域专利技术中国省市分布图
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。
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。
图4. 石墨烯领域专利申请人技术构成图
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。
| 序号 | 国家 | 专利数量 |
|---|---|---|
| 1 | 中国 | 1656 |
| 2 | 美国 | 1554 |
| 3 | 韩国 | 592 |
| 4 | 日本 | 219 |
| 5 | 欧洲专利局 | 87 |
| 6 | 西班牙 | 22 |
| 7 | 俄罗斯 | 11 |
| 8 | 澳大利亚 | 4 |
| 9 | 加拿大 | 4 |
| 10 | 德国 | 4 |
表3. 石墨烯领域专利全球分布
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)。
| 序号 | 一级主题(频次) | 二级主题(频次) | 序号 | 一级主题(频次) | 二级主题(频次) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 石墨烯量子点(706) | 复合材料(184) | 4 | 石墨烯薄膜1(774) | 半导体器件(108) |
| 石墨烯纳米带(170) | 石墨烯薄膜(207) | ||||
| 石墨烯量子点(203) | 透明导电膜(199) | ||||
| 泥浆添加剂(43) | 氮化镓(163) | ||||
| 化学气相沉积(106) | 薄膜晶体管(97) | ||||
| 2 | 石墨烯纳米片(1105) | 纳米复合材料(316) | 5 | 石墨烯薄膜2(970) | 锂离子电池(96) |
| 复合材料(76) | 金属氧化物(240) | ||||
| 石墨烯纳米片(332) | 定影器(140) | ||||
| 锂离子电池(213) | 石墨烯薄膜(253) | ||||
| 碳纳米材料(168) | 石墨烯膜(241) | ||||
| 3 | 多层石墨烯(603) | 化学气相反应(82) | |||
| 氧化还原反应(117) | |||||
| 纳米孔(111) | |||||
| 纳米管(61) | |||||
| 多层石墨烯(232) | |||||
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。
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。
图5. 石墨烯领域专利申请人研究热点聚类图
图6. 石墨烯产业的3D专利沙盘
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。
陈晓玲,杜鹏钊,刘东亮,全志薇,毛 刚. 基于专利分析的石墨烯领域国际发展趋势International Development Trend of Graphene Field Based on Patent Analysis[J]. 数据挖掘, 2022, 12(02): 97-105. https://doi.org/10.12677/HJDM.2022.122011