章瀟慧

石墨烯，一種碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的炭質(zhì)二維材料，以其超高的比較面積〔單層石墨烯比表面積理論計(jì)算為2 630m2/g）、優(yōu)異的電子遷移率（20 000cm2/（V·s）〕、高的熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 300W/m·K）、超強(qiáng)的力學(xué)性能和良好的生物相容性，成為了學(xué)術(shù)界以及產(chǎn)業(yè)界研究和開發(fā)的熱點(diǎn)，它可以應(yīng)用于理論物理實(shí)驗(yàn)平臺、納米電子器件、超導(dǎo)材料、儲能和產(chǎn)能器件、顯微濾網(wǎng)、傳感器和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。

目前美國、歐洲、韓國等制造強(qiáng)國的石墨烯應(yīng)用研究都開展的如火如荼；我國的石墨烯產(chǎn)業(yè)更是發(fā)展迅猛，由地方政府支持和孵化，在高校及科研院所的技術(shù)支撐下，涌現(xiàn)出了如天津普蘭納米科技有限公司、南京先豐納米材料科技有限公司、常州二維碳素科技股份有限公司、常州第六元素材料科技股份有限公司等一批專業(yè)從事石墨烯材料生產(chǎn)與元件技術(shù)的高科技企業(yè)。不僅如此，為了整合協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)資源，推進(jìn)低成本石墨烯及裝備技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化而創(chuàng)辦的“中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，更是在建立石墨烯上下游、產(chǎn)學(xué)研信息、知識產(chǎn)權(quán)等資源共享，建立與政府溝通的渠道及人才培養(yǎng)、國際合作的平臺，推動標(biāo)準(zhǔn)、評價(jià)、質(zhì)量檢測體系的建立，提升低成本石墨烯的整體競爭力方面，正做著探索性的努力和嘗試。

在如今石墨烯產(chǎn)業(yè)化一片欣欣向榮的大背景下，規(guī)劃石墨烯及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展路線，引領(lǐng)石墨烯（包括相關(guān)二維晶體材料）及雜化體系產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展路線成為了當(dāng)務(wù)之急。

一、石墨烯及其相關(guān)材料

石墨烯及其相關(guān)材料（graphene and related materials，GRM）突破性技術(shù)的誕生，無疑將使人類更多目標(biāo)成為可能，它能克服價(jià)值鏈中材料、元件和系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸；GRM的特殊性能將成為未來應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)也許在眼前還尚不能實(shí)現(xiàn)，但對這些技術(shù)的研究和應(yīng)用，必將為人類帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

根據(jù)歐洲旗艦計(jì)劃2015年編制的石墨烯發(fā)展技術(shù)路線規(guī)劃圖，GRM發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)包括：材料技術(shù)，用來鑒定和評價(jià)新的二維材料，評估這些新材料的應(yīng)用前景；GRM材料的可靠性、可重復(fù)性、可持續(xù)性、安全性，宏量合成方法等研究，滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊需求。元件技術(shù)，用于鑒定和評價(jià)由GRM材料功能化的新元件；鑒定和評價(jià)利用GRM材料構(gòu)建的元件技術(shù)；研究高頻電子學(xué)、光電子學(xué)、自旋電子學(xué)和傳感器技術(shù)的電子元件技術(shù)。系統(tǒng)集成，用于研究基于GRM材料的元件結(jié)構(gòu)，并發(fā)展提供新功能、開辟新應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)組裝方法；發(fā)展GRM集成于已有技術(shù)平臺的新概念；研究納米復(fù)合材料、柔性電子學(xué)和能量應(yīng)用的集成方法。

通過對GRM知識基礎(chǔ)發(fā)展和新型器件技術(shù)路線積累的概括，有助于人類規(guī)劃和創(chuàng)新GRM相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，最終的目標(biāo)是將GRM集成到未來應(yīng)用系統(tǒng)當(dāng)中。在信息和通訊技術(shù)領(lǐng)域，可以關(guān)注能帶來新應(yīng)用方向的技術(shù)，如變形的概念（Morph concept），探索GRM的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，從而實(shí)現(xiàn)個人通訊器材的新突破。

在物質(zhì)交換領(lǐng)域，更多地關(guān)注能量生產(chǎn)與存儲的關(guān)鍵技術(shù)，以及新型功能輕質(zhì)復(fù)合材料在這一領(lǐng)域的應(yīng)用。GRM材料和技術(shù)在這一技術(shù)領(lǐng)域中，將有可能集成到新型飛機(jī)、大巴、電動汽車等交通運(yùn)輸系統(tǒng)之中。利用了GRM可視化技術(shù)的SmartForVision概念電動車如圖1所示。

在健康和能源領(lǐng)域，通過對GRM材料特殊電學(xué)和光學(xué)性能的研究和探索，學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒂邢Ｍ鞔_新型信息處理和通訊系統(tǒng)的發(fā)展方向。針對目前已成形的GRM材料和技術(shù)，歐洲旗艦計(jì)劃為GRM發(fā)展規(guī)劃了11個技術(shù)領(lǐng)域，包括基礎(chǔ)研究、健康與環(huán)境、制備、電學(xué)器件、自旋電子學(xué)、光學(xué)與光電子學(xué)、傳感器、柔性電子學(xué)、能量存儲與產(chǎn)生、復(fù)合材料、生物醫(yī)藥應(yīng)用。未來10～20年之間，以上11個領(lǐng)域中，都將出現(xiàn)石墨烯的身影，預(yù)計(jì)到2030年，GRM相關(guān)材料和技術(shù)將可以直接轉(zhuǎn)換成為消費(fèi)品，走到消費(fèi)者身邊，如圖2的預(yù)測所示。下面將按照GRM材料和技術(shù)的科研和專利產(chǎn)出2方面，就目前石墨烯材料和技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行全景分析。

二、GRM材料和技術(shù)的科研產(chǎn)出

通過研究GRM技術(shù)發(fā)展，不難看出GRM材料和技術(shù)的研究是“平移式”納米技術(shù)出現(xiàn)的典型案例。也就是說，石墨烯在實(shí)驗(yàn)室中被發(fā)現(xiàn)，而很快被轉(zhuǎn)移到實(shí)際的應(yīng)用研究之中。自2007年開始，關(guān)于石墨烯的科技論文和專利活動在世界范圍內(nèi)同時(shí)迅速的增長，即在科研和應(yīng)用大量領(lǐng)域，石墨烯的出現(xiàn)，都引起了人們的廣泛關(guān)注。這一事實(shí)恰好證明了GRM技術(shù)是平移式的納米技術(shù)。

生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究和開發(fā)，是基礎(chǔ)研究與臨床實(shí)踐結(jié)合的最緊密的方向，它與轉(zhuǎn)移技術(shù)的概念息息相關(guān)，也可以應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域之中進(jìn)行推廣。一個典型案例是巨磁電阻的出現(xiàn)，僅僅用了幾年的時(shí)間，相關(guān)研究就從學(xué)術(shù)界發(fā)展成為信息存儲應(yīng)用技術(shù)的主導(dǎo)方向。而與之相比，GRM技術(shù)的應(yīng)用前景則具有更深遠(yuǎn)的影響力：將GRM元件集成到Si基電子工業(yè)領(lǐng)域中，或可逐步替代Si的應(yīng)用，不僅能夠提供更高的性能，還可能發(fā)現(xiàn)更重要跟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

不僅如此，碳材料一直以來都是多種技術(shù)解決方案的驅(qū)動力：19世紀(jì)，通過煤碳的燃燒，人類獲得能量，推進(jìn)了第1次工業(yè)革命的進(jìn)程；20世紀(jì)，碳基塑料革命性地推動了制造業(yè)的發(fā)展；21世紀(jì)，石墨結(jié)構(gòu)的碳材料會成為第3次技術(shù)革命的關(guān)鍵組成。

如圖3所示，2000年以來，與石墨烯相關(guān)的科技論文呈逐年增長的趨勢，且這種增長沒有任何要減慢的趨勢。石墨烯領(lǐng)域研究的熱度不減，原因是多方面的：首先，石墨烯是一種具有特殊性能的材料，無論是分隔開還是結(jié)合看，這些性能都可以應(yīng)用到多個領(lǐng)域。隨著時(shí)間的推移和石墨烯技術(shù)的進(jìn)步，人們總是能發(fā)現(xiàn)它的新能力和新用途。其次，石墨烯科技的發(fā)展是建立在地球上最豐富元素的基礎(chǔ)之上的，這就使GRM技術(shù)成為了一項(xiàng)穩(wěn)定、可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)。第三，石墨烯是一種二維材料，它不僅適用于信息與通訊領(lǐng)域的生產(chǎn)，同時(shí)也適用于傳統(tǒng)的Si材料元器件的研發(fā)。

石墨烯發(fā)現(xiàn)于歐洲，而關(guān)于GRM技術(shù)的研究已經(jīng)遍布了世界各地，詳見圖4所示。2013年，歐洲地區(qū)發(fā)表的關(guān)于GRM技術(shù)的科技論文最多，占到了整體的34%；緊隨其后的是亞洲地區(qū)，主要是來自于東亞3國的貢獻(xiàn)；北美地區(qū)也十分重視GRM相關(guān)技術(shù)的研究，發(fā)表的科技論文占到整體的24%。

結(jié)合以上論述，GRM技術(shù)的研究，可成為新型、強(qiáng)大而靈活的、可持續(xù)的、經(jīng)濟(jì)上可行的技術(shù)平臺。因此，石墨烯技術(shù)研究成為了材料科學(xué)領(lǐng)域最重要的前沿?zé)狳c(diǎn)。盡管如此，由于石墨烯的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，它的許多應(yīng)用可能仍不被人們了解，而對應(yīng)的分析方法也是高度復(fù)雜的。引用諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek先生的觀點(diǎn)：石墨烯是唯一可能存在的，將量子場論轉(zhuǎn)化為專利性創(chuàng)新的系統(tǒng)平臺。因此，GRM材料與技術(shù)的基礎(chǔ)和前瞻性研究，仍是未來幾年人們重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域的科技論文的發(fā)表，將繼續(xù)保持迅速的增長態(tài)勢。

三、GRM材料和技術(shù)專利全景分析

專利作為知識產(chǎn)權(quán)的重要組成部分，是企業(yè)研發(fā)成果的重要表現(xiàn)形式，也是世界科技技術(shù)信息最重要的展現(xiàn)平臺。通過對GRM材料和技術(shù)方面全球?qū)＠娜胺治?，可以了解到目前GRM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)獲得未來技術(shù)發(fā)展趨勢的信息，是研究GRM技術(shù)、戰(zhàn)略和情報(bào)的重要手段。

自2007年起，與石墨烯相關(guān)的專利領(lǐng)域活動開始加速增長，如圖5所示。這主要是由在韓國以及美國的主要企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在相關(guān)領(lǐng)域的專利申請驅(qū)使發(fā)生的。不僅如此，來自中國的高水平石墨烯專利活動，也作出了重要的貢獻(xiàn)。一些評論家認(rèn)為，歐洲的石墨烯專利落后于其他地區(qū)。但事實(shí)并未如此，一項(xiàng)知識產(chǎn)權(quán)分析顯示，歐洲的石墨烯專利全景戰(zhàn)略已經(jīng)有了重要立足點(diǎn)，且可以保證歐洲未來的價(jià)值機(jī)會。隨著石墨烯潛在技術(shù)的發(fā)展空間不斷提高，GRM專利活動逐漸成熟，技術(shù)領(lǐng)域的再分配將不可避免的發(fā)生，歐洲也將從以專利為基礎(chǔ)的商業(yè)化石墨烯研究中獲利。

總體來看，石墨烯技術(shù)專利活動正在快速增長，已經(jīng)匯聚到了半導(dǎo)體和生物技術(shù)工業(yè)的相關(guān)細(xì)分市場，而這些細(xì)分市場都保有高水平的專利活動。在上述細(xì)分市場中，商業(yè)活動的專利戰(zhàn)略通常包含了“利潤最大化”和“利潤最優(yōu)化”2個戰(zhàn)略，而分行業(yè)也經(jīng)歷著專利叢林的困擾，有時(shí)需要繞過已授予的專利。政策、法規(guī)和商業(yè)戰(zhàn)略均在發(fā)展中限制了專利的實(shí)踐。在這種環(huán)境下，準(zhǔn)確的技術(shù)全景分析可以為政策制定者、投資者和個別行業(yè)參與者提供重要的信息，從而為健全的政策、商業(yè)戰(zhàn)略和商業(yè)化研究計(jì)劃提供發(fā)展的基礎(chǔ)。

頂級石墨烯專利所有人（專利委托人）和他們的專利應(yīng)用分析展示了石墨烯在不同工業(yè)方向的廣泛相關(guān)性，例如汽車、計(jì)算機(jī)和化工原料方面。在這些工業(yè)領(lǐng)域中，專利的應(yīng)用在時(shí)間和行業(yè)間的可變換性很廣，從而增加了對戰(zhàn)略規(guī)劃的引導(dǎo)性挑戰(zhàn)，人們需要更準(zhǔn)確的石墨烯知識產(chǎn)權(quán)地圖。

認(rèn)識了解和準(zhǔn)確定位石墨烯快速增長的技術(shù)全景，對于那些尋找未來價(jià)值保障的人來說非常重要。專利也許是實(shí)現(xiàn)未來石墨烯商業(yè)利益特別重要的組成部分，因?yàn)閷＠巧虡I(yè)模式中知識產(chǎn)權(quán)的重要組成，是技術(shù)發(fā)展的重要實(shí)踐方式，是企業(yè)研發(fā)中戰(zhàn)略部署的重要環(huán)節(jié)。

接下來關(guān)于知識產(chǎn)權(quán)的分析和討論，突出強(qiáng)調(diào)了石墨烯相關(guān)的以科技出版物為代表的科學(xué)產(chǎn)品，以及與技術(shù)開發(fā)相關(guān)的石墨烯相關(guān)專利申請之間的不同，并且提供了大規(guī)模、學(xué)術(shù)界領(lǐng)導(dǎo)者的集中活動（著名的、有貢獻(xiàn)的科學(xué)產(chǎn)出）和工業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人（顯著的有貢獻(xiàn)的專利申請）的額外數(shù)據(jù)。

四、石墨烯知識產(chǎn)權(quán)全景分析

與石墨烯相關(guān)的專利活動從2007年開始加速啟動，與其在科技論文發(fā)表領(lǐng)域的表現(xiàn)相似，這一現(xiàn)象同樣證明了石墨烯技術(shù)的研究和探索在世界范圍內(nèi)的加速發(fā)展。有趣的是，與石墨烯相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)活動早于2004年就開始了，而與石墨烯制造相關(guān)的專利申請的流程可以追述到1896年（這是一項(xiàng)氧化石墨的合成方法的專利）。

2006年之前的GRM相關(guān)專利，主要是美國研究機(jī)構(gòu)申請和開發(fā)的，而2006年之后相關(guān)專利的申請則開始猛增。而2007年以后，GRM相關(guān)專利的申請則主要由來自于韓國的研發(fā)機(jī)構(gòu)主導(dǎo)，他們是三星集團(tuán)和與三星集團(tuán)有聯(lián)系的科研單位，如成均館大學(xué)。

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，石墨烯相關(guān)的專利包含了多個方向，如表征方法、高分子復(fù)合材料、透明顯示設(shè)備、晶體管、電容器、太陽能電池、生物傳感器、導(dǎo)電墨水、窗戶、飽和吸附物、光電探測器、網(wǎng)球拍等?？傮w來說石墨烯相關(guān)的專利申請集中于電子元件、制備合成、復(fù)合材料等領(lǐng)域。其中，最集中的是GRM材料的合成與電子器件的制造2大方面，分別占據(jù)了整體專利申請量的28%和27%。如圖6所示。

眾所周知，石墨烯的合成主要包含化學(xué)氣相沉積法、剝離法等；而石墨烯電子器件主要關(guān)注設(shè)備、晶體管和計(jì)算機(jī)芯片等。雖然每個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域可能存在重合，但這正是跨學(xué)科研究的結(jié)果，使技術(shù)的轉(zhuǎn)換和突破成為可能。

石墨烯的廣泛應(yīng)用，是垂直交叉技術(shù)的寶庫，它可應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域包括了電子工業(yè)、信息與通訊產(chǎn)業(yè)、能源產(chǎn)業(yè)、消費(fèi)品產(chǎn)業(yè)、高分子復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)、汽車工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、化工催化業(yè)等。

由合成與電子器件為主導(dǎo)的石墨烯專利申請量恰恰證明了石墨烯的研究仍處于初級階段，人們?nèi)杂泻艽蟮目臻g對GRM進(jìn)行開發(fā)和利用。

進(jìn)一步來說，考慮到石墨烯研發(fā)領(lǐng)域仍處于早期階段，因此需要批量合成方法和技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)大量關(guān)于合成的專利也不足為奇。隨著石墨烯潛在技術(shù)的發(fā)展和專利申請的逐步成熟，專利活動的重新分布將不可避免，關(guān)于制備方面的專利申請份額將逐漸降低，并轉(zhuǎn)向目前尚未成熟或未確定的終端應(yīng)用方向轉(zhuǎn)移。

通過專利申請的地區(qū)分布分析，可以獲得石墨烯重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)及潛在市場分類。圖7是不同地區(qū)不同時(shí)段的石墨烯專利申請分布情況。由于企業(yè)更傾向于在其母國首先申請專利，因此源地管轄權(quán)的專利分析比國際專利合作條約（international Patent CooperationTreaty，PCT）更能為關(guān)鍵市場和關(guān)鍵生產(chǎn)地區(qū)分析提供依據(jù)。

如圖7所示，與2004-2006年相比，韓國在2007-2009年之間申請了更多有關(guān)石墨烯的專利。這就說明了在2007年左右，韓國產(chǎn)生了大量的石墨烯技術(shù)的商業(yè)投資。2010-2012年之間，中國出現(xiàn)了顯著的石墨烯專利申請?jiān)鲩L。更值得注意的是，在這段時(shí)間內(nèi)中國的專利申請跨越了科技領(lǐng)域的眾多方面。不僅中國的石墨烯專利活動在這一時(shí)期內(nèi)增長顯著，其在石墨烯技術(shù)領(lǐng)域的商業(yè)投資同樣增長迅速。還有一點(diǎn)值得注意，歐洲專利局對全球石墨烯專利申請的貢獻(xiàn)，從2007-2009年的8%降低到了2010-2012年的4%。

在美國、中國和韓國，擁有最多石墨烯相關(guān)專利的專利所有人分布，如圖8所示。其中，擁有最多石墨烯技術(shù)專利的單位是韓國的跨國企業(yè)三星集團(tuán)，其申請量是第2名對手企業(yè)的3倍之多。三星集團(tuán)在石墨烯專利申請方面是無人能比的，他們的主要技術(shù)申請方向包括合成工藝、透明顯示器件、復(fù)合材料、晶體管、電池和太能能電池等。三星的專利申請是可持續(xù)的和深入的石墨烯研發(fā)，同時(shí)聯(lián)合了廣泛的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)（專利所有人）。排在第3位的中國企業(yè)深圳海洋王照明科技股份有限公司，是中國擁有最多石墨烯相關(guān)專利的企業(yè)，其主營業(yè)務(wù)是專業(yè)照明設(shè)備，將石墨烯技術(shù)布局于LED及OLED領(lǐng)域之中。

另一點(diǎn)有趣的地方在于，石墨烯的專利申請中，大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)占據(jù)了50%的比例。另外50%，由中小型企業(yè)和跨國公司貢獻(xiàn)。歐洲在石墨烯技術(shù)方面，貢獻(xiàn)了最多的科技論文，但是專利申請方面卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)的落后于美國（30%）、中國（25%）、韓國（13%）。歐洲的專利申請主要集中于科研機(jī)構(gòu)，占總體的9%。

盡管歐洲的石墨烯技術(shù)專利申請量相對落后，但是卻在石墨烯的技術(shù)全景發(fā)展中留下了重要的足跡。如今，歐洲最頂級的石墨烯專利所有人——芬蘭的諾基亞公司，將石墨烯材料與共振器和電極等電子器件相結(jié)合，發(fā)展半導(dǎo)體工業(yè)。

歐洲的大學(xué)同樣對石墨烯專利技術(shù)做出了重要的貢獻(xiàn)，他們與企業(yè)聯(lián)合研發(fā)，如德國的AMO GmbH和化學(xué)巨頭巴斯夫（BASF）等，共同申請專利，布局石墨烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。不僅如此，歐洲的企業(yè)還看到了GRM專利申請的重要性，他們聯(lián)合了各家企業(yè)和大學(xué)共同開發(fā)石墨烯技術(shù)，包括三星、Vorbeck材料、普林斯頓大學(xué)、萊斯大學(xué)，這有助于提升石墨烯技術(shù)研究的質(zhì)量，同時(shí)也是重要的石墨烯技術(shù)市場。

石墨烯技術(shù)體系中，存在專利叢林風(fēng)險(xiǎn)，以及眾多授權(quán)專利的重疊性。圍繞石墨烯的專利活動是高容量的，這是一個早期的技術(shù)方向，專利的申請具有強(qiáng)烈的專業(yè)性。在石墨烯技術(shù)全景中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)碳納米結(jié)構(gòu)的身影，而這些碳納米結(jié)構(gòu)并非真正的石墨烯。這是石墨烯定義和規(guī)劃石墨烯發(fā)展最主要困難。

進(jìn)一步而言，石墨烯術(shù)語的建立也不完善。不同的專利審查機(jī)構(gòu)可能給同樣的成分授予了專利，而這些成分在不同的專家和工業(yè)領(lǐng)域中的命名又是不同的。不同命名的使用應(yīng)該是深思熟慮的，并且努力克服重疊命名的障礙。一些科技文獻(xiàn)認(rèn)為，由于難以找到相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜叶斐蓪＠u估質(zhì)量地下，應(yīng)該建立了一個高質(zhì)量的專利叢林，從而降低對GRM技術(shù)創(chuàng)新的負(fù)面影響。

五、結(jié)語

盡管還存在著如上的種種困難，但石墨烯技術(shù)對于學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、中小企業(yè)和跨國公司仍存是重要的機(jī)會和挑戰(zhàn)。應(yīng)該利用正在增長的學(xué)術(shù)-工業(yè)聯(lián)合（如韓國和美國的例子），為技術(shù)成熟時(shí)不可避免的石墨烯專利再分配做好準(zhǔn)備。更重要的是，把目光從材料合成方面轉(zhuǎn)移到目前尚未完全建立的終端客戶應(yīng)用之中，才是規(guī)劃GRM技術(shù)、研發(fā)GRM產(chǎn)品的關(guān)鍵。