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算為2 630 m2/g)、優(yōu)異的電子遷移率(20 000 cm2/(Vs)〕、高的熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù)高達5 300 W/mK),、超強的力學(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,，它可以應(yīng)用于理論物理實驗平臺,、納米電子器件、超導(dǎo)材料,、儲能和產(chǎn)能器件,、顯微濾網(wǎng)和傳感器和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。

目前美國,、歐洲,、韓國等制造業(yè)強國的石墨烯應(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,，推進低成本石墨烯及裝備技術(shù)進步和產(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,，推動標準,、評價,、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成為可能,，它能克服價值鏈中材料、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)展機遇,。

根據(jù)歐洲旗艦計劃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),，用于鑒定和評價由GRM材料功能化的新元件;鑒定和評價利用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,，最終的目標是將GRM集成到未來應(yīng)用系統(tǒng)當中。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,、大巴、電動汽車等交通運輸系統(tǒng)之中,。利用了GRM可視化技術(shù)的Smart-ForVision概念電動車如圖1所示,。

圖1 融合了可視化技術(shù)的Smart-ForVision概念電動車

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)換成為消費品,，走到消費者身邊,，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)展進行全景分析,。

圖2 GRM產(chǎn)品發(fā)展趨勢預(yù)測

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，石墨烯在實驗室中被發(fā)現(xiàn),，而很快被轉(zhuǎn)移到實際的應(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,，通過煤碳的燃燒，人類獲得能量,，推進了第1次工業(yè)革命的進程;20世紀,，碳基的塑料革命性的推動了制造業(yè)的發(fā)展;21世紀，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。隨著時間的推移和石墨烯技術(shù)的進步,，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的元素的基礎(chǔ)之上的,，這就使GRM技術(shù)成為了一項穩(wěn)定,、可持續(xù)、經(jīng)濟的技術(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),，同時也適用于傳統(tǒng)的Si材料元器件的研發(fā),。

圖3 石墨烯相關(guān)科技論文的發(fā)表情況

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,，站到了整體的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;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,、強大而靈活的,、可持續(xù)的、經(jīng)濟上可行的技術(shù)平臺,。因此,，石墨烯技術(shù)研究成為了材料科學(xué)領(lǐng)域最重要的前沿熱點。盡管如此,，由于石墨烯的獨特結(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：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,。

圖4 發(fā)表石墨烯相關(guān)科技論文的國家和地區(qū)分布

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胺治觯梢粤私獾侥壳癎RM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,，同時獲得未來技術(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,，也做出了重要的貢獻,。一些評論家認為，歐洲的石墨烯專利落后于其他地區(qū),。但事實并未如此，一項知識產(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,，且可以保證歐洲未來的價值機會。隨著石墨烯潛在技術(shù)的發(fā)展空間的不斷提高,，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,。

圖5石墨烯專利申請量

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)細分市場,，而這些細分市場都保有高水平的專利活動,。在上述細分市場中，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踐,。在這種環(huán)境下,，準確的技術(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,、計算機和化工原料方面。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)，人們需要更準確的石墨烯知識產(chǎn)權(quán)地圖,。

認識了解和準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值保障的人來說非常重要。專利也許是實現(xiàn)未來石墨烯商業(yè)利益特別重要的組成部分,，因為專利是商業(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、有貢獻的科學(xué)產(chǎn)出)和工業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人(顯著的有貢獻的專利申請)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1 896年(這是一項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)機構(gòu)主導(dǎo),，他們是三星集團和與三星集團有聯(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、晶體管和計算機芯片等,。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,。

圖6 石墨烯專利申請方向分布

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進行開發(fā)和利用,。

進一步來說,，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研究機構(gòu)及潛在市場分類,。圖7是不同地區(qū)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增長,。更值得注意的是,，在這段時間內(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,。還有一點值得注意，歐洲專利局對全球石墨烯專利申請的貢獻,，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,，其申請量是第2名對手企業(yè)的3倍之多。三星集團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,、電池和太陽能電池等,。三星的專利申請是可持續(xù)的和深入的石墨烯研發(fā)，同時聯(lián)合了廣泛的學(xué)術(shù)機構(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,。

另一點有趣的地方在于，石墨烯的專利申請中,，大學(xué)和科研機構(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,。歐洲在石墨烯技術(shù)方面,，貢獻了最多的科技論文，但是專利申請方面卻遠遠的落后于美國(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，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,，存在專利叢林風險，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,。一些科技文獻認為，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)新的負面影響。

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)機構(gòu),、中小企業(yè)和跨國公司仍存是重要的機會和挑戰(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)成熟時不可避免的石墨烯專利再分配做好準備,。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。