国科图产业技术情报——碳纳米管产业技术应用

1产业技术情报—————————————————————————————————————————————————————————————2015年3月4日第3期（总第34期）编者按：自1991年碳纳米管被发现以来，已经广泛地影响了化学、物理、材料等众多科学领域并显示出巨大的潜在应用。本期专利分析显示：全球碳纳米管专利申请量已经超过2万件以上，形成了以中国、日本、美国、韩国为主体的研发国，碳纳米管在新能源、新材料、电子器件等多个产业领域的应用形成当前的研发热点。本期重点：碳纳米管产业化应用技术碳纳米管专利申请量最多的国家依次是中国、日本、韩国、美国等国家和地区；排名前10位的国家/地区均在除本国外的多个国家/地区进行了专利布局，其中美国、中国和日本是最受关注的技术市场国。碳纳米管前10位高被引专利中7件专利来自美国，2件专利来自日本，1件专利来自韩国，可见美、日、韩专利申请总量虽少于中国，但却掌握了碳纳米管领域较为核心的技术。碳纳米管专利的热点技术领域包括：碳纳米管的规模制备、碳纳米管复合材料、锂离子电池电极以及场发射效应、碳纳米管薄膜研究、碳纳米管在太阳能电池、燃料电池以及储氢技术和传感器等的应用。主编：刘细文执行主编：贾苹本期策划：郑菲董璐陈枢舒联系地址：北京北四环西路33号中国科学院文献情报中心-产业情报研究中心邮编：100190电话：[phone]邮件地址：[e-mail]2目录【技术趋势】.............................................................................................31.碳纳米管专利申请趋势分析........................................................42.碳纳米管专利国家/地区分布.......................................................53.碳纳米管专利技术布局................................................................6【核心技术】.............................................................................................7【重点机构】...........................................................................................10【重要人物】...........................................................................................131.清华大学魏飞教授......................................................................132.上海交通大学张亚非教授..........................................................133.哈尔滨工业大学赫晓东教授......................................................144.美国斯坦福大学戴宏杰教授......................................................155.美国西北大学MarkC.Hersam教授.........................................16【产业动态】...........................................................................................161.产业政策......................................................................................162.企业动态......................................................................................18【技术转移】...........................................................................................203【技术趋势】纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。碳纳米材料是纳米科学最为活跃的研究领域之一。纳米科学的快速发展很大程度上得益于20世纪80年代以来发现的富勒烯、纳米管和石墨烯等碳纳米材料。1991年日本NEC的电镜学家饭岛澄男（SumioIijima）首先在高分辨透射电子显微镜下发现了碳纳米管。在短短数10年来，碳纳米管已经广泛地影响了化学、物理、材料等众多科学领域并显示出巨大的潜在应用。碳纳米管具有优异的力学性能，具有很高的轴向强度、韧性和弹性模量。碳纳米管拉伸强度达到50～200GPa，是钢的100倍，而其密度却只是钢的1/6。试验证明它是目前所知材料中最硬和最强的材料，再加上它自身的低密度，使得它被广泛应用于航天、运动器材、汽车等领域。同时，碳纳米管具有良好的导电性能，利用其电学特点性，可以制造二极管和场效应晶体管等设备。本报告针对碳纳米管相关专利进行检索和分析，并结合报道分析产业现状，旨在通过对碳纳米管技术领域的专利分析揭示该领域当前的专利活动特点，为我国的科技决策和课题研究提供支持。检索数据来源于美国汤森路透科技公司的TI（ThomsonInnovation）平台的增值专利信息数据库（DWPI和DCPI），利用关键词设计检索策略1，共检出相关专利21436条，数据检索日期为2015年2月28日。所采用的主要分析工具为TI和TDA（ThomsonDataAnalyzer）。1检索策略为主题:(canbonnanotube*orcanbonnanotube*)OR德温特手工代码:(E05-U03)；检索数据库：DWPI。41.碳纳米管专利申请趋势分析1991年日本NEC的Iijima用真空电弧蒸发石墨电极，并对产物作高分辨透射电镜，发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物——碳纳米管(CarbonNanotubes-CNTs)，国内学者常称之为巴基管。巴基管的发现掀起了续C60后富勒烯的又一次研究高潮。1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁卷曲结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；1993年，通过在电弧发电中加入过渡金属催化剂，NEC和IBM的研究小组同时成功合成单层CNTs，1995年，科学家研究并证实了其优良的场发射性能；1996年，Rice大学的研究小组采用激光蒸发法成功地制备出高含量的束状SWNT。中国科学院物理所解思深研究员领导的研究小组利用常现电弧放电方法，首次制备出世界上最细的碳纳米管，其内径仅为0.5nm。理论与实验研究的快速开展，也为技术应用和产业化奠定了良好的基础。专利的数量表明技术开发活动情况。从碳纳米管专利的年度变化趋势图（基于最早优先权年，见图1）可以看出碳纳米管技术发展大致分为三个阶段：（1）萌芽期（1992-19982年）这一阶段的专利主要来自日本和美国，全球最早的碳纳米管专利即是1992年日本NEC公司申请的专利，包括采用电弧放电法制备碳纳米管（JP6157016-A）制备，以及将该材料用于高密度的记录材料（JP6227806-A）。（2）快速增长期（1999-2012年）这一阶段每年碳纳米管专利数量增长迅速，2003年全球申请量已经突破1000件。2008年又增长一倍，突破2000件。这一时期日本是早期技术的引领国，在1999-2003年，日本专利申请量几乎占全球总量的50%。而美国也随着纳米科技战略的制定，扩大了在碳纳米管领域的专利申请，2005年的专利申请量已经接近日本。中国则在2008年以后逐步成为全球年度申请碳纳米管专利最多的国家。20125年全球碳纳米管专利申请量为2524件，达到峰值。（3）回落期（2008-至今）2013年以后，全球碳纳米管专利年度申请数量有所下降，主要原因是专利公开时间滞后，同时也明显看出，日本、美国、韩国等在该技术领域的专利申请正在下降。图1碳纳米管技术全球专利及主要国家专利申请趋势图2.碳纳米管专利国家/地区分布从专利技术的国家/地区来源看(基于优先权国，见图2)，碳纳米管专利申请量最多的国家/地区前10位依次是中国、日本、韩国、美国、中国台湾、世界知识产权组织、德国、欧专局、法国和英国。其中中国的专利申请量占总量的31%，日本占24%，韩国占20%，美国占16%，这4个国家在该技术领域的专利占全球专利申请量的86%，是全球碳纳米管最主要的技术研发国。排名前10位的国家/地区均在除本国外的多个国家/地区进行了专利布局（见图3），其中美国、中国和日本是最受关注的技术市场国。另外，美国有接近50%的专利在全球进行了布局，表明美国更为重视专利技术的保护和技术全球布局。6图2碳纳米管技术专利TOP10国家/地区分布图3碳纳米管技术主要申请国家专利市场布局3.碳纳米管专利技术布局利用TI（ThomsonInnovation）分析工具绘制了碳纳米管技术研发重点领域分布图（图4）。图中等高线山脉表示为国际技术研发重点，其重要程度用颜色加以区分，由浅咖啡色、灰色到白色，依次增强。由图4可以看出，国际专利主要分布在碳纳米管的制备、碳纳米管复合材料、锂离子电池电极以及场发射效应和碳纳米管薄膜的研究（即红色方框内的主题），而碳纳米管在太阳能电池、燃料电池以及储氢技术和传感器等的应用也得到了研发者高度的关注（即黄色方框7内的主题）。这一技术分布反映出碳纳米管技术广泛的应用性，特别是在新能源、电子技术和复合材料等产业领域具有应用前景。图4碳纳米管技术专利主题分布【核心技术】专利被引次数是测度技术影响力的最直观的指标，如果一项专利大量被引用，显示该项专利有更大的价值和更高的质量。表1列出碳纳米管技术前10个高被引专利。从列表中可以看出，TOP10高被引专利中有7项来自美国，2项来自日本，1项来自韩国，表明以上国家所掌握的碳纳米管技术具有更大的影响力。另外，从核心专利内容来看，主要涉及碳纳米管的规模制备、纳米电子器件以及传感器应用等方向。表1碳纳米管专利技术TOP10高被引专利公开年公开号专利权人国家专利名称被引频次2001WO2001003208A1HARVARDCOLLEGE美国Nanoscopic-scaleelectronicdeviceforintegratingbistableandswitchabledevicesforhigh-densitymemoryarrayscomprisesan4908electricalcrossbararrayhavingatleasttwocrossedwires2002US20020014667A1LGELECTRONICSINC韩国Horizontallygrowingcarbonnanotubesforfieldeffecttransistors,involvessynthesizingcarbonnanotubesatexposedsurfacesofcatalystpattern3362001WO2001044796A1THELELANDSTANFORDUNIVERSITY美国Nanotubedeviceformolecularsensorstodetectav