超材料技术专利布局现状及启示
发布时间:2017-04-05

  【编者按】 超材料是一种特种复合材料或结构,具有常规材料所不具备的超常物理性质,对国民经济和国防安全具有重要意义。在国际上,超材料技术一直备受重视,《科学》杂志将其列入本世纪前十年的重要科学进展,美国国防部将其列为重点关注的六大颠覆性基础研究领域之一。我国十分重视超材料技术的发展,国家“十三五”规划纲要明确提出要大力发展超材料等纳米功能材料。本期信息速递通过检索相关文献和专利,分析超材料专利申请趋势、技术领域分布、专利布局方向、主要研发单位情况等,深入研究超材料国内外技术发展现状、技术侧重领域和专利保护情况,并提出了相应建议。

  一、超材料技术概述

  (一)概念与分类

  超材料是一种全新材料,是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”,设计原理如图1所示。

图1 超材料设计原理

 

  狭义上的超材料特指左手材料,又叫双负材料,即一种介电常数ε和磁导率μ均为负的人工周期介质材料。广义上的超材料指原本自然界中不存在,由人工设计、制造出来的,具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。包含左手材料、光子晶体、超磁性材料、频率选择表面、声波超材料等。

  超材料技术的研究已成为当前物理学、材料学与电磁学等研究领域中的前沿与热点问题。迄今为止,人们所使用的各类功能材料都是建立在天然材料所具有性质的改进的基础上,随着天然材料各种性质及功能进一步发掘,其潜在的利用空间趋于极限,难以再有实质性的提升。超材料的出现,给先进军用和民用产品、装备的研制带来了新的发展契机。

  (二)发展历史简述

  超材料是由前苏联科学家维克托•韦谢拉戈于1964 年提出的,最早特指左手材料。随着超材料概念的不断扩展,其种类和范围也在进一步扩大, 上世纪七十年代左右出现了频率选择表面技术,1987年由Yablonovitch和John各自独立提出了光子晶体概念。1996~2001 年,英国物理学家和美国科学家证明了左手材料的存在。此后,英美国家掀起了超材料技术研究的高潮。

  我国在超材料领域研究起步较晚,1998 年全年仅发表17 篇相关研究论文,但2003 年以后相关研究逐渐增多,发展迅速,产生了大量的科研成果。2004年12月,科技部正式启动了名为《新型人工电磁介质的理论与应用研究》的国家重点基础研究发展规划(973)项目,2016年3月,国家“十三五”规划纲要提出要大力发展超材料等纳米功能材料。

  (三)主要应用领域

  在应用方面,超材料技术已经得到多个西方发达国家政府、军工企业、研究机构的高度重视,提升到战略发展层面,投入了大量的人力和物力,并取得了显著的成果。美国F-22 战斗机己成功应用具有隐身功能的超材料-天线罩,瑞典的维斯比级护卫舰上传感器被超材料天线罩封闭包围,美国LPD17 圣安东尼奥级两栖船坞运输舰用超材料制成了全封闭式的隐身桅杆,俄罗斯海军舰艇现代“激烈号”上使用了超材料干扰机天线罩。此外,美国海军在新一代E2“鹰眼”预警机上安装了超材料智能天线罩,解决了传统天线罩图像畸变问题。超材料天线率先在民用领域得到了应用,2009年10月,韩国LG 电子在最新款手机LG BL40 的天线部分采用了美国Rayspan 公司的左手材料,可以在不降低增益等特性时实现小型化。

  鉴于超材料的重要意义,国内外相关企业和机构开展了多年研究,在全球范围内开展了大量专利布局。为全面掌握超材料的技术发展趋势、专利布局情况、重要研发机构和研发团队情况,考虑到超材料技术包括左手材料、光子晶体、频率选择表面、磁性超材料等主要技术领域,本期信息速递开展了全面的专利检索。采用分类号G02B、H01B与相关关键词相结合,在Derwent专利数据库和Incopat专利数据库中检索,截至2016年7月,共检索到13489项 相关专利,具体分析如下。

  二、专利申请趋势分析


 
图2 专利申请年度变化趋势

 

  由图2可知,超材料技术专利申请经历了三个重要飞跃。第一次为从无到有的飞跃,1972年第一项超材料技术专利申请在美国出现,是关于频率选择表面技术的专利。此后1989年出现了第一项光子晶体材料专利,在1991年出现了第一项左手材料专利。这一时期是一个超材料从无到有产生的萌芽时期。

  1998年以后,超材料技术专利出现了第二次飞跃,这一飞跃主要由左手材料和光子晶体材料带动。1996年和1999年,英国皇家学院Pendry等人相继提出,周期性排列的金属直导线阵列和开口谐振环阵列在微波波段分别能够产生呈现负值的有效介电常数和有效磁导率,并在2000年指出,利用负折射率材料可以制造出能够实现近场成像,而且能够突破衍射极限限制的超级透镜.此后,对特异材料的研究才引起科学界人士浓厚的兴趣。

  2011年,超材料技术专利出现了第三次飞跃,专利申请数量直线上升,专利增长率达到60%,这次飞跃归因于中国一家高科技初创企业——深圳光启创新技术有限公司(以下简称“深圳光启”)。深圳光启在2011年申请了703项超材料技术专利,成为全球拥有超材料技术专利数量最多的专利申请人。

  三、区域分析

  (一)原创地域所有申请专利分析

  1.原创地域分布

 

  图3 原创地域分布图

 

  超材料技术专利原创地域是指开发超材料技术并拥有专利申请的国家或地区。由图3可知,全球拥有超材料技术专利最多的国家是中国,共拥有4718项专利。其次为美国,拥有3210项超材料技术专利,此后为分别拥有3017项和1077项专利的日本与韩国。英国、德国分别申请了285项和208项超材料技术专利。以上六国是超材料技术最重要的技术原创国家。

  2.各国专利申请趋势情况


 
图4 各国专利申请趋势图

 

  各超材料研究的主要国家的超材料专利申请趋势具有各自特点,如图4所示。

  美国超材料研究起步最早,1972年,美国最先申请了频率选择表面超材料技术专利,在2001年时专利申请出现一次飞跃,此后逐渐上升,到2004年达到顶峰(267项)。

  中国超材料技术专利申请较晚,在1990年开始申请专利,自2002年专利申请数量开始上升,在2011年专利数量实现了一次巨大的飞跃,2011年当年专利申请达到了1082项,与2010年相比,增长了289.0%,占全球当年超材料专利申请总量的68.0%。

  日本超材料专利最早申请于1980年,此后缓慢上升,在2004年达到顶峰,近年来专利申请呈现下降趋势。

  韩国自1993年开始超材料技术专利申请,在2010年达到顶峰,韩国超材料专利申请趋势早期与中国相近,但是并未出现2011年的飞跃。英、德两国专利申请趋势相近,保持较低数量的平稳发展。

  结合超材料技术全球专利申请趋势分析可知,在1972年至1998年之间,超材料技术专利申请起主导作用的是美、日两国,两国专利申请之和占全球总量的68.0%。在1999年至2010年间,美日两国专利数量仍然占优(63.1%),但中、韩等国家专利所占比重在增加,并呈现上升趋势,而美日两国专利数量开始下降。在2011年以后,中国专利数量全面超越了其他国家,中国的专利申请占全球总量的75.7%,而美国仅占12.0%。

  3.各国权利要求数量对比

  表1 各国权利要求情况对比

 

  权利要求是专利保护范围的载体,权利要求的数量从某种程度上能够反映出专利技术的先进性和专利的保护力度,权利要求的数量往往是单项专利质量的体现。一般来说,权利要求数量越多,专利的保护力度越大,专利质量往往越高。

  通过统计各国超材料专利的权利要求数量,可初步考量各国专利质量水平。由上表可知,美国专利平均权利要求数量最多,每件专利有28.4条,其次为英国、德国。亚洲国家专利权利要求数量普遍较低,韩国有13.6条,日本为10.9条,中国为8.3条。由此可知,从权利要求数量角度看,欧美国家专利质量较高,我国专利质量有待提高。

  (二)原创地域专利宏观保护力度分析


 
图5 原创地域专利宏观保护力度图

 

  同族专利是指,申请人为加强对技术的专利保护力度,针对同一技术在不同国家或地区申请专利,或者从不同角度申请专利。这样就会出现一项技术对应多项专利的情形。同族专利的数量多少能够反映出申请人对技术的宏观专利保护力度。同族专利数量越多,宏观专利保护力度越大。

  通过对超材料研究主要国家的专利同族专利数量进行统计,求得各国同族专利平均数,如图5所示。其中,英国超材料专利同族专利数量最高(6.0),宏观保护力度最大,德国超材料专利同族专利数量次之(4.5),中国超材料专利同族专利数量仅为1.5。经深入分析,中国申请人大部分只在国内申请专利(68.8%),有些申请人会在申请发明专利的同时,申请一项实用新型专利。由此可见,我国超材料技术的专利宏观保护力度有待提高。

  (三)布局国家和区域分析


 
图6 布局国家或区域分布图

 

  专利申请的地域往往是申请人的目标市场所在。通过统计不同地域专利公开的数量,能够体现出各地的市场活跃程度。如图6所示,在美国公开的专利最多,有4253项,中国有3618项位居第二,说明美国和中国是超材料技术专利布局的热点,市场活跃程度较高。

  中国申请人主要在中国境内申请专利,此外,有76项PCT专利,大部分为光子晶体技术专利(92.1%),在美国有60项专利申请,同样多数涉及光子晶体技术(88.3%),此外在欧专局有3项专利申请,在中国台湾有1项专利申请。

  表2 中国申请人专利去向

 

  表3 在华专利申请人分布

 

 

  除了本国申请人外,在中国大陆申请专利的国家或地区主要有日本(196),美国(97)、韩国(34)和德国(12)等。日本在中国大陆申请专利主要为左手材料技术(78.1%),美国在中国大陆申请专利以为光子晶体技术居多(64.9%)。

  四、技术领域分析

  (一)技术领域专利申请布局总体情况


图7 技术领域专利申请布局总体分布图

 

  超材料技术专利在各个技术领域的分布情况如图7所示。光子晶体有9077项专利,左手材料有1952项专利,频率选择表面技术有1117项专利,光子晶体技术专利最多。

  (二)技术领域专利申请趋势

 

  图8 技术领域专利申请趋势图

 

  频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是由相同的贴片或孔径单元按二维周期性排列构成的无限大平面结构,它对具有不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波具有频率选择特性,因而在电磁领域得到广泛应用。早在上世纪六七十年代就得到了广泛的关注与研究。频率选择表面专利最早出现于1972年,此后,专利数量平稳发展,年专利申请量始终未超过100项。

  左手材料是指介电常数和磁导率都为负值的物质,电磁波在其中的传播满足“左手定则”,因而得名“左手材料”(Left-handed metamaterials)。1967年前苏联理论物理学家Veselago从理论上研究了左手材料的性质,但此后30年国际上均未制造或发现这类物质,研究一度陷入中断。1996年Pendry等经理论研究证明周期性排列的金属杆(Wires)的电响应与金属等离子体类似,其介电常数。在电磁波的频率小于等离子体频率时为负值。1999年Pendry等又证明周期性排列的金属开口谐振环((Split ring resonators,SRRs)的磁导率产在谐振频率附近为负值。2001年Shelby等把这两种材料进行组合,首次实现了微波段的负折射,获得了左手材料。左手材料技术专利最早出现于1991年,此后逐年上升,在2006年,年申请量超过了100项,在2013年时达到了顶峰142项。

  光子晶体(Photonic Crystals, PhCs)是介质的周期排列而构成的一种人工微结构材料,由于电磁波在其中的传播可以用类似于电子在半导体中传播的能带理论来描述,故而得光子晶体之名。光子晶体在1987年由Yablonovitch和John各自独立提出。光子晶体技术的专利在1989年时开始出现,在1999出现了大幅度的上升,在2013年达到顶峰,年申请719项专利。

 

  图9 技术生命周期图

 

  (三)技术生命周期分析

  图9为超材料各技术领域的技术生命周期图,以每5年内申请人数量为点绘制,体现该技术领域的吸引力和研发活力。由图9可知,光子晶体技术自2000年以来技术生命周期曲线快速上升,吸引力较强,但是在2005年以后趋势略有下降。左手材料技术吸引力持续上升,但是幅度小于光子晶体,频率选择表面技术虽然发展较早,但是当前仍然保持了上升的趋势。说明超材料各技术领域仍处于成长期,技术吸引力较强。

  (四)原创地域技术领域分布


 
图10 原创地域技术领域分布图

 

  为发现各超材料技术研发国家的技术侧重点,本期信息速递统计了各原创地域的专利技术领域分布,如图10所示。中国光子晶体技术领先于其它国家,美国的频率选择表面技术专利远多于其他国家。日本则在左手材料技术专利方面拔得头筹。

  (五)原创地域技术领域发展

  中、美、日三国各项超材料技术专利申请趋势如图11所示,中国的光子晶体技术专利在2006年以后,保持了高速增长的趋势,年申请量增长率达到了25.9%,而美国、日本等国在2006年左右起,光子晶体技术专利申请量进入了衰退期。

  美国的频率选择表面技术专利出现最早,在2001年以后出现了快速上升,并保持了较高的年申请量。同时,美国的左手材料技术专利在2009年前后取得了较高水平的发展。

  日本的左手材料技术专利申请出现最早,同时,至今仍保持了较高的年申请量。日本频率选择表面技术专利申请较少,光子晶体技术的专利近年来呈现下降趋势。

 

  图11 中国超材料技术领域专利申请趋势

 

 

  图12 美国超材料技术领域专利申请趋势


 


图13 日本超材料技术领域专利申请趋势

 

  (六)应用领域分析

  为明确全球对超材料技术的最新应用情况,,根据对2005年以来的超材料技术专利进行的聚类分析结果得知,超材料技术近年来主要应用于波导、微腔、超材料复合材料、传感器、电磁波辐射控制、电磁测量、发光二极管LED、飞行器温度控制、光纤、激光器、频率选择、太阳能电池、卫星、天线、天线罩、无线通讯、显示器、照相机、样品缺陷检测等。

  表4 超材料技术应用分布表

  五、申请人分析

  (一)全球申请人排名


表5 全球研究机构专利数量排名表

序号

申请人

国籍

数量

 

序号

申请人

国籍

数量

1

深圳光启

中国

1331

 

17

索尼公司

日本

73

2

中国科学院系统

中国

344

 

18

浙江大学

中国

72

3

三星公司

韩国

282

 

19

北京科技大学

中国

68

4

三菱公司

日本

272

 

20

尼康公司

日本

67

5

佳能公司

日本

263

 

21

东南大学

中国

66

6

LG电子

韩国

139

 

22

NEC 公司

日本

60

7

富士公司

日本

131

 

23

精工爱普生

日本

55

8

深圳大学

中国

129

 

24

加利福尼亚大学

美国

54

9

日立公司

日本

127

 

25

天津大学

中国

53

10

理光株式会社

日本

107

 

26

康宁公司

美国

51

11

奥林巴斯

日本

93

 

27

富士通公司

日本

51

12

住友电子

日本

91

 

28

SEARETE公司

美国

51

13

麻省理工学院

美国

90

 

29

中国计量大学

中国

48

14

惠普公司

美国

87

 

30

雷锡恩公司

美国

48

15

尼康公司

日本

84

 

31

清华大学

中国

47

16

DOKURITSU 公司

日本

82

 

32

哈尔滨工业大学

中国

44

 

  全球超材料技术单位专利情况如上表所示。在超材料专利申请前32位的单位中,日本有14家,中国单位有10家,美国有5家,韩国有2家。中国的深圳光启公司(深圳光启指深圳光启创新技术有限公司、深圳光启高等理工研究院)排名全球第一,中科院系统(中国科学院及其下属各研究所,以及中国科学院大学)排名第二,这两个单位代表了中国的科研和转化能力。日本在前10名中单位占比高,美国在前十名中单位虽不多,但是其专利总量排名全球第二,说明其申请人总量多。

  一个国家专利申请人的类型比例,能够反映出该国技术所处在的阶段。研究机构多于企业,则说明技术处于基础研发阶段;企业多于研究机构,则说明技术处于产业发展阶段。在此,我们定义T为研究机构数量R与企业数量C之比。T值越小,产业化程度越高。

  对中、美、日、韩四国排名前50的申请人类型进行统计和对比,结果如图14所示。中国T值为43/7,美国为10/30,日本为2/48,韩国为32/18。T日本<T美国<T韩国<T中国,说明日本在超材料领域产业化程度较高。


 
图14 四国研究机构类型

 

  (二)中国申请人排名

  中国超材料技术专利申请人前20名如下表所示。从专利情况来看,深圳光启是中国超材料研究领先的单位。中国科学院下属各家研究所开展超材料研究的实力较强。深圳大学位于超材料创新的前沿,亦具有不俗的科研能力。

  表6 中国申请人前20

序号

专利权人整理

类型

专利数量

1

深圳光启

企业

1331

2

中国科学院系统

研究所

343

3

深圳大学

大学

129

4

浙江大学

大学

72

5

北京科技大学

大学

68

6

东南大学

大学

66

7

天津大学

大学

53

8

中国计量大学

大学

48

9

清华大学

大学

47

10

哈尔滨工业大学

大学

44

11

江苏大学

大学

38

12

北京航空航天大学

大学

37

13

上海交通大学

大学

35

14

西北工业大学

大学

34

15

南京邮电大学

大学

34

16

天津科技大学

大学

34

17

南开大学

大学

31

18

厦门大学

大学

28

19

中国电子科技集团

企业

27

20

广东汉唐量子光电科技有限公司

企业

19

  表7 中国申请人分类表

中国研究机构前十

 

中国企业前十

序号

机构名称

专利数量

 

序号

机构名称

专利数量

1

中国科学院系统

343

 

1

深圳光启

1331

2

深圳大学

129

 

2

中国电子科技集团

27

3

浙江大学

72

 

3

广东汉唐量子光电科技有限公司

19

4

北京科技大学

68

 

4

西安金和光学科技有限公司

16

5

东南大学

68

 

5

上海龙延光电子技术公司

13

6

天津大学

66

 

6

华为科技公司

12

7

中国计量大学

61

 

7

玉金光电公司

11

8

清华大学

53

 

8

晶元公司

10

9

哈尔滨工业大学

48

 

9

联想公司

10

10

江苏大学

47

 

10

武汉锐科光纤激光技术股份有限公司

10

 

  将中国超材料研究机构和企业分别排名,如上表所示。专利信息显示,中国超材料研究企业呈现出一家独大的局面,深圳光启超材料技术与产品实力雄厚,而其他企业的超材料技术多处于初创时期。中国研究机构专利数量总体多于企业,有一定的科研成果具有转化潜力,其技术团队是我国超材料研发的中坚力量和重要财富。

  六、结论与建议

  通过深入分析超材料技术的发展趋势、专利布局情况、重要研发机构和专利保护情况,得出如下结论及建议。

  1.超材料技术得到了普遍重视,但是各国发展重点不同,国外已经减少了光子晶体等成熟技术的投入,我国要及时调整,有针对性地加强超材料技术领域的研发。

  超材料领域光子晶体、左手材料、频率选择表面三大技术专利分布不同。光子晶体专利数量最多,有9077项专利,左手材料有1952项专利,频率选择表面技术有1117项专利。从技术生命周期来看,左手材料和频率选择表面技术还处于成长期,光子晶体技术已进入成熟期。美国、日本的国家自2005年起,已开始逐年减少光子晶体技术的专利布局。虽然我国近十年来在超材料技术领域布局了大量专利,并成为超材料技术全球第一大专利申请国。但是我国超材料技术专利主要集中在光子晶体领域。

  建议我国要深入研究超材料各技术领域的研究现状和应用前景,有针对性地加强超材料技术的研发。对于左手材料、频率选择表面技术,要加大投入,鼓励基础技术和关键技术的攻关。对于光子晶体技术,要通过专利分析,充分利用国外技术信息;与国外先进企业合作,引进技术成果;明确该领域的重点技术攻关方向,集中力量开展研发工作。

  2.国外超材料技术产业化程度较高,我国要加强超材料技术成果转化,推进超材料技术产业化发展。

  全球超材料技术申请人主要分布在美国、日本、中国、韩国等国家或地区。中国的深圳光启公司和中科院专利数量占据前2名。美国申请人数量总量多,日本在前10名中单位占比高。通过分析各国专利申请人的类型比例发现,中国研究机构与企业数量之比43/7,美国为10/30,日本为2/48,韩国为32/18,即日本在超材料领域产业化程度较高,中国产业化程度较低。

  建议加强超材料技术的成果转化,促进技术产业化发展。可依托现有基础,培育优势企业,以点带面,实现超材料技术的产业化发展。鼓励中科院、各大高校培养具有扎实研发基础的技术人才,促进其以专利许可、技术入股等方式开展超材料技术成果转化。通过政策和资金的倾斜,加强对深圳光启等超材料技术企业的扶助,培育更多的各具特色的超材料技术优势企业。

  3.国外超材料技术的专利保护力度较强,我国需提升超材料技术专利保护水平。

  在宏观方面。通过分析各国超材料技术申请同族专利保护的情况发现,英国平均单项技术有6件同族专利,宏观保护力度最大,德国平均有4.5件,中国平均同族专利数量仅为1.5件。在微观方面,通过统计各国超材料专利的权利要求数量,初步考量出各国专利质量水平。美国专利平均权利要求数量最多,每件专利有28.4条,其次为英国、德国。亚洲国家专利权利要求数量普遍较低,韩国有13.6条,日本为10.9条,中国仅为8.3条。

  建议提升超材料技术的专利保护水平,一方面要加强重要技术成果的海外专利布局,另一方面要提高专利的撰写质量。虽然我国超材料技术专利数量已经世界领先,但是,在专利布局范围和专利撰写质量方面,还与发达国家存在差距。应鼓励有需求的企业加强海外专利布局,同时引导企业提升专利撰写水平,以实现最大的专利保护。(中国航天科工集团知识产权研究中心 李峰供稿)

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【注释】

  1 一项专利是指一项德温特同族专利,即对同一技术在不同国家或地区申请的,或者从不同角度申请的多项专利归并计算为一项。