Advanced Materials Industry 42

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全球石墨烯技术领域专利计量分析■ 文 /苗  军 1   洪  凡 1   陈慧琪 2   彭海媛 1   苏绍玉 1   高海燕 1

  1. 福建省科学技术信息研究所

  2. 福州大学产业情报研究所

石墨烯（Graphene）是一种由碳

原子构成的单层片状结构的新材料，

是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角

型呈蜂巢晶格的平面薄膜。石墨烯目

前是世上最薄却最坚硬的纳米材料，

具有良好的电子运输、导电导热及机

械特性，可广泛应用于纳米器件、传

感器、基因检测等领域。

专利代表了科学研究产出的技

术成果[1]。专利计量学作为一个相对

独立的学科，许多学者对其理论和

应用进行了研究[2,3]。通过对技术进

行专利计量分析，可以了解行业技

术的发展趋势，掌握技术活动的重

点，把握行业的竞争态势[4]。本文以

石墨烯为研究对象，运用专利计量

分析、可视化方法，借助可视化工具

CiteSpace，对石墨烯的相关专利进

行分析，通过对石墨烯专利共现网络

的可视化分析，了解该技术领域中的

研究热点和发展趋势。

一、数据来源

本 文 选 择 德 温 特 创 新 索 引

（Derwent Innovation Index）数据

库作为专利计量研究的数据来源。在

德温特索引数据库中，通过检索式

TS=graphene进行检索，经过筛选和

整理，共检索出专利3 942件，该数据是

以德温特数据库的检索时间为准，没

有考虑专利申请与公布之间的时间滞

后，数据下载时间为2013年7月24日。

二、石墨烯专利分析与结果

1. 发展趋势分析

通过分析采集到的德温特数据库

石墨烯专利数据，统计了1999-2013年

间全球的石墨烯专利申请量的基本情

况（图1）以及石墨烯专利技术生命周

期图（图2）。其中，以每条记录中最早

的申请日进行统计（由于专利申请日

期和公告日期之间具有时间滞后性，

2012、2013年数据不全，仅供参考）。

图 1显示，1999-2013年间，石墨

烯的专利申请数量呈现出明显上升的

趋势。1999-2006年间有连续产出，

但是专利申请数量较少，每年的申请

量均不足30件 ；2007年，石墨烯专利

申请量开始增加，有 49件 ；2008年，

石墨烯专利申请量高速增长，专利申

请量达到了 114件 ；2010年，专利申

请量达到743件，是1999年申请量的

370倍 ；至2011年，已达到1 390件专

利，2001-2011年10年间专利申请量

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增长了278倍。

一种技术的生命周期通常会经历

萌芽期、成长期、成熟期、衰退期4个阶

段。专利申请量反映了技术开发活动

的程度，专利申请人数反映了该技术

领域参与技术竞争的企业和个人[5]。

图2显示，石墨烯专利在1999-2006年

间有稍微上下波动，这段时间石墨烯处

于萌芽期 ；2006年至今，相关技术进

入快速发展阶段，石墨烯专利数量与

研发者数量都大量增加，尤其是2010

年以后更多研发者进入该技术市场，

这可能是由于2010年，安德烈·海姆

和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得诺贝

尔物理学奖的原因。

通过石墨烯专利申请量发展变

化的趋势和技术生命周期图，反映出

石墨烯技术正处于生命周期的成长

阶段，是一项在不断快速发展的技

术，具有较大的发展空间。企业和研

究机构应加大投入力度。

2. 优先权国 分布

对石墨烯专利的优先权国分布

情况进行分析，便于总体掌握全球石

墨烯技术分布以及各个国家在石墨

烯领域的专利产出情况及技术实力。

前10的国家/地区的排名情况。

从图3可以看出，石墨烯专利申

请地区较为集中，主要集中在中国、

美国、韩国和日本，排名前 4的国家

专利申请量3 619件，占专利总量的

91.81%。中国以专利申请量1 622件，

占总申请量 41.33%，位居榜首 ；美

国以专利申请量836件，占总申请量

21.21%稳居全球第2 ；韩国和日本分

别排在第3和第4位。

通过对石墨烯专利优先权国分

布分析，可以看出中国、美国、韩国

和日本在石墨烯专利技术领域的研

1400

1200

1000

800

600

400

200

02 1 5 28 11 17 13 29 49

114

310

743

1390

1207

23

1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

时间/年

专利申请量/件

图 1 全球石墨烯专利申请量年度分布状况 (1999-2013)

图 2 石墨烯专利技术生命周期图

图 3 石墨烯专利优先权国家/地区分布

0 100 200 300 400 500 600 700

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

专利申请量/件

专利申请人数/个

2006 2007 2008

2009

2010

2011

1999

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

中国

美国

韩国

日本

世界知识产权组织

欧洲专利局

德国

中国台湾

法国

英国

专利申请量/件

国家/地区

1622

836736

425

44 42 40 34 34 29

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图3给出了石墨烯专利优先权国(地区)排名

(地区)

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发实力较强，是该领域的主要研发大

国。同时，中国最主要的竞争国家也

是美国、韩国和日本。

3. 申请人分析

统计分析石墨烯专利权人，得到

石墨烯领域专利权人前20位排名，如

表1所示。在3 942件专利中，排名前

20的专利权人总共拥有的专利数为

1 265件，仅为全部申请量的32.01%，

说明石墨烯领域专利仍处于较分散

的阶段。从拥有专利数量上看，三星

公司以拥有219件相关专利处于石墨

烯研发的领先地位。排在第2位的是

中国科学院。按照所属国家看，属于

中国的研究机构最多，共有11个，包

括中国科学院、浙江大学、清华大学

等高校和研究单位，以及深圳海洋王

照明科技股份有限公司和台湾地区

的鸿海科技 ；韩国有4个研究机构，

主要有三星、成均馆大学、韩国高等

科技院、韩国科学技术研究院 ；美国

主要有IBM公司以及以个人身份申

请专利的JANG B Z和ZHAMU A；

日本拥有富士通和东芝2家公司。从

表1中可以看出，中国和韩国专利权

人中高校占了绝大部分，日本、美国

大部分专利权人为公司，中国研究机

构和企业的主要竞争对手来自韩国

的三星、美国的IBM、日本富士通等

企业以及研究机构。

4. 核心专利分析

如果一项专利被后来的多项专

利所引用，则表明该项专利涉及的技

术是重大、关键性、原创性的技术[6]。通

过CiteSpace II的引文分析功能，对

1999-2012年间石墨烯领域专利的参

考专利进行分析，“Time Scaling”值为

2，阈值设置为TOP N=28，运行得到

石墨烯领域专利共被引图谱（图4），通

过图谱可以形象地反映出专利之间

表 1 石墨烯领域主要专利权人及所属国家

序号 申请人 申请量/件 国别

1 韩国三星 219 韩国

2 中国科学院 190 中国

3 美国IBM 87 美国

4 浙江大学 85 中国

5 韩国成均馆大学 82 韩国

6 清华大学 58 中国

7 深圳海洋王照明科技股份有限公司 54 中国

8 上海交通大学 53 中国

9 JANG-I（JANG B Z） 49 美国

10 ZHAM-I（ZHAMUA） 47 美国

11 韩国高等科技院 43 韩国

12 天津大学 41 中国

13 东南大学 39 中国

14 鸿海科技 36 中国台湾

15 西安电子科技大学 34 中国

16 北京大学 33 中国

17 韩国科学技术研究院 31 韩国

18 哈尔滨工业大学 30 中国

19 日本富士通 27 日本

20 日本东芝 27 日本

图 4 石墨烯专利共被引知识图谱

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(地区)

(地区)

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的联系，也能够分析出核心专利的影

响力情况。研究发现，共被引网络可

视化图谱中的关键节点应当是图谱

中中心度较大且被引频次较高的节

点[7]。将图谱中被引用专利分别按照

被引用次数和中心度排序，找出排名

前5的专利，如表2、表3所示。

石墨烯专利共被引知识图谱呈

现出复杂网络化的相互引用关系。

图4中每一个节点圆环代表一项专

利，节点的大小与某个时间分区内

引文数量成比例。结合图 4、表 2和

表3，可以看出专利US7071258-B1

被引用 27次，被引频次最高，同时

中心度为 0.05排名第 2，说明该专

利是石墨烯领域的最核心专利。该

专利是由美国纳米技术仪器公司于

2002年 10月 21日申请的一件专利，

已于2006年 7月 4日取得USPTO的

授权，第一发明人为BorZ Jang。

该专利的德温特手工代码含义为

“Carbon fillers and reinforcing

agents、Other specific reinforced

p l a s t i c s、G r a p h i t e ( o t h e r )

pyrolytic、Nanofilms、Additives

for paints,varnishes,lacquers、

Non-oxide ceramics-carbon

and graphite”，该专利技术主要是

关于纳米石墨烯片材料的制备工艺

及其应用，主要应用为 ：用作复合材

料的增强材料，涂料添加剂、涂层成

分等。US2007284557-A1（石墨烯

薄膜制备方法以及在光电器件的应

用）被引频次和中心度都较高，说明

该项专利也是石墨烯领域最核心的

专利。此外，被引频次和中心度较高

的专利都是美国专利，可见，美国在

石墨烯领域拥有众多核心专利，占

有绝对优势。

5. 热点研究主题分析

德 温 特 手 工 代 码（Derwent

Manual Code）由 Derwent 的标引人

员分配给专利，用于表示某项发明的技

术创新点及其应用的专用代码，可以更

好的表明专利的技术创新，揭示专利的

外部特征和应用领域。经多次测试，选

取“Time Scaling”值为3，阈值设置为

（2，3，5），（8，8，19），（12，15，20），得 到

表 2 石墨烯领域主要共被引专利（按被引频次排序）

排名 频次 中心度 作者 被引用专利

1 27 0.05 JANG BZ US7071258

2 23 0.03 PRUDHOMME RK US2007092432

3 21 0.04 GRUNER G US2007284557

4 18 0.07 PFEIFFER LN US2007187694

5 18 0.02 ANDERSON BA US2009020764

表 3 石墨烯领域主要共被引专利（按中心度排序）

排名 中心度 频次 作者 被引用专利

1 0.07 18 STANKOVICH S US2007131915

2 0.05 27 JANG BZ US7071258

3 0.05 14 DEHEER WA US7015142

4 0.04 21 GRUNER G US2007284557

5 0.04 13 EFETOV D US2009140801

石墨烯德温特手工代码（MC）知识图

谱（图5）。

图5显示了石墨烯技术领域的主

要节点和聚类标签，根据德温特创新

索引分析结果，选取数量排名前10的

MC代码及其专利数量如表4。

从图5和表4可以看出，E05-U05C

（包括石墨烯的碳纳米薄膜）的专利申

请数量最多，有 948件，占据专利总

图 5 石墨烯 MC代码知识图谱

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申请量的 24.04%。L03-A02B（非金

属导体—碳和石墨）的专利申请量为

536件，占据专利总申请量的13.59%。

此外，E11-A01（环化—过程，设备）、

X16-B01F1（锂基电池）、L04-C11C

（电极）的研究的数量也较多。可见，有

关石墨烯薄膜制造工艺以及石墨烯在

储能以及电极材料领域的专利较多。

图 5右半部分表明了石墨烯技

术领域的17个聚类标签。选取聚类

规模最大的前5位MC代码聚类，如

表5所示。

从表5可以看出，最大的聚类是

包括46个MC技术小类的11号聚类，

主要是石墨烯在复合材料领域应用。

石墨烯优异的性能以及较低的生产

成本，非常适合于高性能复合材料的

开发，基于石墨烯的复合材料在电子

器件、能量储存和催化剂载体等领域

展现出了优良性能, 具有广阔的应

用前景[8]。

第2位的聚类是有39个MC技术

小类的12号聚类，该聚类的研究主题

可概括为石墨烯在太阳能电池领域应

用。石墨烯具有高迁移率、高热传导率

以及高透光率[9]等优异材料性能，被

应用于太阳能电池透光电极、工作电

极及电池中电子受体材料等方面[10]，

从而提高太阳电能池光电转换效率。

第3位的聚类是有39个MC技术

小类的15号聚类，该聚类的3个高频

主题词将研究主题概括为石墨烯在晶

体管领域的应用。石墨烯具有良好的

光学、电学和机械性能，同时还是一种

没有能隙的半导体，因此可被用来制

作具有无散射传输特性的高频率晶体

管，并能降低半导体器件消耗的能量，

使其传导速度更快[11]。

第4个研究热点主题是石墨烯的

制备方法。石墨烯的制备方法主要有

气相沉积、机械剥离、外延生长、氧化

还原等[12]，但目前的制备技术仍处于

工艺复杂、成本较高阶段，很难实现规

模化制造大面积石墨烯，所以石墨烯

（包括石墨烯薄膜、石墨烯复合材料）

的制备工艺优化和改进仍将是石墨烯

领域专利的研究热点主题，通过寻求

简单、成本较低的制备方法，并通过工

表 4 石墨烯技术领域主要MC代码及其专利数量

排名 MC代码 技术领域 专利数量/件 占比/%

1 E05-U05C Carbon nanofilm including graphene包括石墨烯的碳纳米薄膜 948 24.04

2 L03-A02B Non metal conductors - carbon and graphite非金属导体-碳和石墨 536 13.59

3 E11-A01 Cyclisation - Processes,Apparatus环化-过程，设备 393 9.96

4 X16-B01F1 Lithium-based 锂基电池 292 7.40

5 L04-C11C Semiconductor processing-electrodes 半导体加工-电极 252 6.39

6 A12-W14 Nanotechnology纳米技术 242 6.14

7 L03-E01B5B Lithium electrodes锂电极 217 5.50

8 U11-C01J4ADeposition of group iv element/compound layerVI元素/化合物层沉积

(碳化硅，金刚石，锗)195 4.94

9 U14-H01E Thin film transparent conductive layers透明导电薄膜 194 4.92

10 U11-C05CElectrode and interconnection layer formation形成电极和互连层

（包括导电层的沉积方法）178 4.51

11 A11-B05 Coating（Including spreading, encapsulation）涂料（包括扩散，封装） 176 4.46

12 L03-A02G Conductive nanomaterials导电纳米材料 176 4.46

13 L03-E05B Solar cells太阳电池 175 4.44

14 A12-E01 Electrical engineering电气工程 152 3.85

15 L04-A05Semiconductor nanomaterials （Includes Semiconductor quantum dots）

半导体纳米材料（包括半导体量子点）152 3.85

注:上表的MC代码统计是按照《德温特创新索引》数据库中将检索结果进行的MC代码统计。

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艺过程的控制，最终实现石墨烯的工

业化生产。

第5个研究热点是石墨烯在储能

领域的应用。石墨烯具有良好的导电

性和开放的表面，具备很好的储能功

率特性，可广泛应用于二次电池、超级

电容器等储能装置的储能材料和电极

材料[13]。随着电动汽车、混合动力电动

车的逐步市场化，以及便携式用电装

置的快速发展，石墨烯在储能领域具

有巨大的市场潜力。

6. 研究前沿分析

CiteSpace软件的一个重要功能

是突现词(burst term)检测，通过考察

频次的时间分布，将其中词频变化率

高的词从大量的术语中检测出来，不

仅仅是频次的高低，同时依靠频次的

变动趋势，来确定某领域研究的前沿

演进过程[14]。利用CiteSpace突显术语

检测功能，对1999-2012年间石墨烯

专利数据信息进行突显术语检测，以

3年为一个时间段，得到石墨烯技术领

域各个阶段前沿术语（见表6）。

1999-2001年 的 主 要 前 沿 术

语有graphene-shee t (石墨烯片)、

thermal-conductivity（热传导）、

carbon-nanotube（碳纳米管）等，这

一时期石墨烯的前沿主要是集中在

石墨烯性能的改进。2002-2004年前

沿术语主要有fuel-cell（燃料电池）、

electronic-components（电子元件）、

integrated-circuit（集成电路）等，

表 5 规模最大的 5个聚类及其高频主题词

聚类 规模 标签(LLR) 聚类的研究领域

11# 46

polymer composite(63.69,1.0E-4)聚合物复合材料

resin(42.86,1.0E-4)树脂

carbon nanosheet(31.81,1.0E-4)碳纳米片

石墨烯在复合材料领域应用

12# 39

solar cell(197.95,1.0E-4)太阳能电池

dye-sensitized solar cell(159.49,1.0E-4)染料敏化太阳能电池

transparent electrode(57.66,1.0E-4)透明电极

石墨烯在太阳能电池领域应用

15# 39

active layer(71.56,1.0E-4)有源层

light emittingdevice(56.5,1.0E-4)发光器件

reaction chamber(55.48,1.0E-4)反应室

石墨烯在晶体管领域的应用

10# 34

pre-processing graphite(46.24,1.0E-4)石墨预处理

functional group(31.4,1.0E-4)功能团

graphite material(31.17,1.0E-4);石墨材料

石墨烯的制备方法

13# 23

electric vehicle(55.71,1.0E-4)电动车

power storage device(47.52,1.0E-4)储能设备

common portion(34.84,1.0E-4)共同部分

石墨烯在储能领域的应用

注：规模指包含的MC技术小类数量。

这一时期的研究前沿主要是石墨烯

在燃料电池的应用和在电子器件的

应用。2005-2007年前沿术语主要有

polymer-composi te（复合材料）、

pitch-type-carbon（沥青基碳纤

维）、solar-cells（太阳能电池）等，可

以看出这一时期的研究前沿是石墨

烯在复合材料和太阳能电池领域的

应用；2008-2010年前沿术语主要有

light-emitting-device（发光器件）、

high-radiating-graphite-film(高

散热石墨膜)、solar-ce l l (太阳能电

池)、electronic-device（电子器件），这

一时期的研究前沿比较分散，主要是

石墨烯在晶体管领域、太阳能电池领

域、电子器件领域的应用；2011-2012

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表 6 石墨烯技术领域各个阶段主要前沿术语

时间段/年 主要前沿术语

1999-2001graphene-sheet (石墨烯片)；secondary-battery（二次电池）；thermal-conductivity（热传导）；

carbon-fiber（碳纤维）；carbon-nanotube（碳纳米管）；

2002-2004fuel-cell（燃料电池）；electronic-components（电子元件）；exfoliated-graphite（膨胀石墨）；

integrated-circuit（集成电路）；carbon-nanotubes（碳纳米管）；

2005-2007polymer-composite（复合材料）；pitch-type-carbon（沥青基碳纤维）；solar-cells（太阳能电池）；

conductive-material（半导体材料）；short-fiber-filler（短纤维填料）；

2008-2010light-emitting-device（发光器件）;high-radiating-graphite-film(高散热石墨膜); solar-cell(太阳能电池)；

electronic-device（电子器件）；functional-group（官能团）；

2011-2012flexible-substrate（柔性衬底）；composite-fiber（复合材料纤维）；chemical-vapor-deposition（化学气相沉积）；

depositing-nickel-film（沉积镍膜）；deionized-water（去离子水）；

年前沿术语有flexible-substrate（柔

性衬底）、composite-fiber（复合材料

纤维）；chemical-vapor-deposition

（化 学 气 相 沉 积）、depos i t ing-

nickel-film（沉积镍膜）、deionized-

water（去离子水），这一时期的研究

前沿是石墨烯在薄膜晶体管领域的应

用以及石墨烯（包括石墨烯薄膜、石墨

烯复合材料）制备工艺的改进。

可以看出，几乎每个时期都包含

了石墨烯作为电池电极材料的应用，

如secondary-battery（二次电池）、

fuel-cell（燃料电池）、solar-cells（太

阳能电池）等，石墨烯作为一种新型储

能材料，在能源领域有着广泛的应用

前景。此外，conductive-material（半

导体材料）、light-emitting-device

（发光器件）、flexible-substrate（柔性

衬底）等前沿术语表明石墨烯在薄膜

晶体管领域也有着很好的应用前景，

可以作为制备高性能柔性透明薄膜晶

体管的半导体材料和电极材料。近3

年中，有关石墨烯制备工艺改进是石

墨烯领域的研究前沿。

三、结论和发展建议

1. 结论

通过专利计量以及CiteSpace对

石墨烯领域的专利进行分析，可得出

如下结论：石墨烯技术正处于快速发

展阶段；中国、美国、韩国和日本在石

墨烯专利技术领域的研发实力较强，

中国虽然起步较晚，但是中国近期发

展势头迅猛，我国已经成为全球石墨

烯专利优先权数量最多的国家；石墨

烯领域专利申请人以高校和科研院所

为主，中国科学院申请专利最多，中

国大陆地区申请石墨烯专利最多的企

业是深圳海洋王照明科技股份有限

公司；US7071258-B1是石墨烯领域

的核心专利，该专利是有关石墨烯片

材料的制备工艺及其应用；石墨烯技

术的热点领域是关于石墨烯在复合材

料、晶体管、太阳能电池、储能领域的

应用以及石墨烯的制备工艺。

2. 发展建议

依据石墨烯专利技术知识图谱分

析结果，对我国石墨烯技术发展提出

以下建议：

第一，重点关注石墨烯在复合材

料、能源储存、晶体管领域的专利申

请。目前，全球范围内，石墨烯在上述

3个领域的专利申请最多，因此竞争也

最激烈。研究机构在进行研发的同时，

也要制定有效的专利战略，积极进行

专利布局，保持参与市场竞争的知识

产权能力。

第二，注重石墨烯制备工艺的改

进。通过前沿领域分析，目前最主要的

研究前沿是石墨烯制备工艺的改进。

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透 视INSIGHT

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基金项目：福建省省属公益类科研院所基本科研专项项目“创新材料石墨烯产业发展情报研究”（项目编号：

2011R1009-2）

研究机构应增加在石墨烯（包括石墨

烯薄膜、石墨烯复合材料）制备工艺

改进方面的研发力度，通过不断改进

制备工艺，降低石墨烯制备成本，生

产易于产业化应用的产品。

第三，采取产学研结合的研发

策略。从石墨烯专利申请人分析可

知，国内高校和研究机构对于石墨烯

的研究比企业更为突出和深入。深圳

海洋王照明科技股份有限公司申请

了较多专利，表明我国石墨烯已初步

形成产业化，但发展进程还不稳定。

因此，建议国家有关部门应继续加

大对石墨烯相关技术研发的支持力

度，依靠产学研合作，紧扣石墨烯产

业发展的需求，从而实现各方面利

益的最大化。

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