石墨烯（Graphene）本身并非是压电的材料，2012年史丹佛大学的材料工程师通过掺杂原子破坏对称性的方式，从而发现可让石墨烯产生压电特性。由于石墨烯本身具有很强的韧性、导电性、导热性、弹性、敏感度和透明性，因此是可穿戴传感器中最具开发潜力的候选者。本文通过专利检索的方式找寻石墨烯压电材料在生医领域的应用，有鉴于生物医疗技术需要大量的监测感测装置，石墨烯独有的特性相当适合应用在生医领域感测与检测装置上，前景相当看好。目前，该技术领域尚未出现巨头企业，全球专利申请量不高，非常适合企业与科研单位提前进行技术的布局。

图片来源：wikipedia.org

石墨烯简介

石墨烯是一种新兴材料，2004年由英国曼彻斯特大学的物理学家海姆（Sir Andre Konstantin Geim）和诺沃肖洛夫（Sir Konstantin Sergeevich "Kostya" Novoselov）从实验中分离出来，两人也因此发现于2010年获得诺贝尔物理学奖。由于特殊的结构形态，使其具备世界上最硬、最薄的特质，同时也具有很强的韧性、导电性、导热性、弹性、和透明性，其强大的亲合力可与其他特定的材料结合起来，产生出新的应用与功能，因此石墨烯被称作21世纪新材料之王 (JWN, 2019)。

2012年史丹佛大学的两名材料工程师Evan Reed与Mitchell Ong 展示石墨烯压电材料，他们发现可以通过原子的选择性表面吸附将压电效应设计到非压电石墨烯中。单面石墨烯的一侧掺杂原子会破坏反演对称性，从而产生压电性 (Ben,2012)，这是一个全新的发现。由于石墨烯是世界上最薄的材料之一，高灵敏度、柔性和可穿戴性等特点，已经广泛地应用于可穿戴电子器件、电子皮肤、柔性显示器、面部表情识别和智能机器人等领域。

压电薄膜作为石墨烯的支撑材料，通过压电材料将压力信号转变为电信号来监测身体健康，石墨烯的高柔韧性和出色的透光率也能满足皮肤传感器透明性的触摸屏标准，超薄，透明且柔性的石墨烯电极材料已成为未来可穿戴设备应用中最有希望的候选者 (Young,2019)。

石墨烯及其衍生物应用在人体健康监测的传感器已经非常常见，当前正在研究基于石墨烯的传感器有两个主要领域：非侵入性（可穿戴）传感器和侵入性（可植入）设备。非侵入式健康监测传感器，通常是可穿戴传感器和电子人造皮肤（e-skin），与非侵入性对应物相比，靠近目标器官或组织的侵入性传感器显著提高了感应准确性和疗效。据Haizhou Huang (2019) 的统计，目前石墨烯及其衍生物监测的传感器应用很广，包含体温测量、心率、腕部脉搏、呼吸频率、血压、血糖、心电图信号、肌电图（EMG）信号和脑电图仪（EEG）信号等等 (Huang, et al.2019)。

图 1. 石墨烯传感器在身体上的监控应用

图片来源：Huang, et al.2019

石墨烯专利分析

笔者于2020年7月透过Incopat专利检索系统对石墨烯压电技术进行全球专利检索，检索范围为2003年到2020年7月的公开专利，通过繁中、简中、英、日、韩五种文字对石墨稀与压电关键词在标题与摘要进行检索，共整理出500余篇专利，经过逐篇人工阅读及筛选，最后统整剩下281篇，以下为针对281篇石墨烯压电技术进行的分析。

● 石墨烯压电专利数量统计

在281篇石墨烯压电专利中，中国专利共有181件，占全部专利一半以上，专利总数最高；而美国、韩国同属专利总数较高的国家。从授权专利来看，美国授权专利12件，授权比例约在36.36%，中国有64件专利已经授权，授权总数量最高，但授权比例仅占35.35%。值得注意的是，台湾地区10件专利中有6件专利已经取得授权，授权率约在60%，这是否意味着在石墨烯压电领域，申请台湾专利比其他国家更容易取得专利的授权？

从技术的类别来观察，石墨烯压电的核心技术应较为适合采用发明专利来保护，然而从授权发明专利中可以发现，中国已授权的发明专利数量仅有36件，说明中国专利数量总数虽然高，在已授权专利中，发明专利比例较低，只有19.89%，相较于美国、日本、韩国及其他地区多以发明专利对技术进行保护，中国专利申请人在石墨烯压电技术领域的保护意识仍有待加强改进。

表1. 石墨烯压电专利数量统计

叶咨甫制表；数据来源：Incopat数据库；2020年7月

● 石墨烯压电专利申请区域统计

从专利申请地区来看，亚洲国家为主要的专利技术申请国，其中又以中国、韩国、日本与台湾地区等区域为主，在前6名中占据4个席位。中国专利数量比重最高，在国际五大局及台湾地区的专利总数中占整体68%，美国33件，占比12%，位居第二，韩国、日本分别为18件与14件，占比7%及5%，排名在第三与第四位；PCT专利11件，台湾专利10件；欧洲在该技术领域的专利申请数量较少。从专利申请的数量来看，中国和美国是石墨烯压电技术领域主要的专利申请国家。

图 2. 石墨烯压电专利申请区域统计

叶咨甫制图；数据来源：Incopat数据库；2020年7月

● 石墨烯压电专利主要申请人

在石墨烯压电专利申请人前10名中，企业共有6家，大专院校占了4家，前5名主要都是企业所申请。其中，芬兰的NOKIA公司共申请专利14件，从2010年到2016年分别在PCT、美国、中国、欧洲以及日本申请专利，主要针对4个核心的专利家族进行保护。台湾地区的研能科技股份有限公司共有9件专利分布在2个核心的专利家族，该公司集中在2017-2018年向台湾地区、中国、日本、美国及欧盟提出申请。韩国三星公司共有6件专利分布在2个核心专利家族，申请期间在2013-2015年，申请地点为美国、韩国与日本。

在前10名专利申请人中并没有发现美国与日本的专利申请人的踪迹，经查验后发现该地区的专利申请人较为分散，除了前3名以外，其他都是中国的专利申请人。从专利申请路径来看，除了中国电子科技大学以外，其他的专利申请人倾向在特定的年份申请大量的专利，而非有规划性的逐步完善技术的保护范围，此现象可能与国家政策科技补助的模式有关。

表2. 石墨烯压电专利主要申请人

注：红色的深浅代表专利数量的多寡，颜色越深数量越多
叶咨甫制表；数据来源：Incopat数据库；2020年7月

● 石墨烯压电专利申请趋势

从石墨烯压电专利申请的趋势来看，申请日经过三个波峰，而且每次的增长都超过前一个波峰的高度，这表示该技术领域的技术能量正在逐步爆发当中，未来有较大的前景。受限于发明专利必须经过18个月才会公开的因素，2019-2020的部分信息尚未揭露，因而导致申请数量的递减现象，这是属于正常的状态。由于从截稿日往前推18个月的专利数量尚未完全公布，故此数量仅供参考，该部分数据会随着数据库的更新而更加完善。值得注意的是，公告的专利逐年增长，在2012年到2014年还不到5件，在2019年已经达到25件的高峰，显示，该技术在近5年有跳跃式的大幅增长。

图 3. 石墨烯压电专利申请趋势

叶咨甫制图；数据来源：Incopat数据库；2020年7月

● 石墨烯压电专利技术分布

从石墨烯压电合作专利分类（Cooperative Patent Classification, CPC）的技术分布来看，主要的技术集中在H01L 41这个类别，该类别对应的技术类别是压电设备的零件与处理，其中，H01L 41/0478是最相关的技术分类，非金属导电材料的电极或电连接装置用于压电或电致伸缩设备分类共有17件。其他还有在B82Y 30/00奈米复合材料、H01L 29/1606 石墨烯半导体器件等分类。

表 3. 石墨烯压电专利技术分布

叶咨甫制图；数据来源：Incopat数据库；2020年7月

● 石墨烯压电专利申请人技术分布

石墨烯压电专利申请数量较高的前10名专利权人技术应用在不同的技术领域，有压电谐振器、致动器、脉搏检测系统、传感器自校正系统、电子屏幕修复材料、压电薄膜、光探测器等，显见石墨烯压电材料可以应用在不同的产品与项目之上，未来发展潜力无限。

在专利布局的部分，排名前3的公司都在本国以外进行专利布局，中国、美国、日本是该3家公司主要布局的区域。从表4中也可以清楚发现中国的专利申请人只在中国区域进行专利的申请，并未在海外进行专利的布局，显示中国专利申请人对于中国市场地域性的偏好与海外专利布局的缺陷。

表4. 石墨烯压电专利申请人技术分布

叶咨甫制图；数据来源：Incopat数据库；2020年7月

● 石墨烯压电专利地图

通过数据库系统对于专利文献技术领域进行分类，初步分为四个类别，分别是压电协震器、纺织品(生理特征)、压电陶瓷材料、吸音涂料。

图4. 石墨烯压电专利地图

叶咨甫制图；数据来源：Incopat数据库；2020年7月

从石墨烯压电专利地图中，可以看到压电协振器所占的比例最高，系统将薄膜体声波协振器、单电子晶体管、致动器等归在该类别中。纺织品则主要是与穿戴装置相关的柔性感测材质。压电材料的部分由许多复合材料所组成，主要是以聚偏氯乙烯材质为主。另外，还有一部分专利是属于吸音材料，例如专利申请人Theodore W. Denney, III在专利号20170306166中揭露涂在房间墙壁上的声学涂料，可以改善房间的声学特性并相应地提高声音的清晰度（例如，温暖，丰富和细腻）。声学涂料是一种涂料粉底，该粉底混有具有共振频率的粉末状压电材料或粉末状非压晶体管材料，以便可以依据房间进行声音控制。或许该技术未来会与生物声学领域，例如人工喉结、耳膜等研究方向结合，带给人们更多医疗技术上的创新革命。

结论

科学家一直在寻找一种采用可穿戴式材料、低功耗、具有高敏感度且低廉成本的生理数据监测仪器，作为21世纪新材料之王的石墨烯，具有独特的透光度、敏感度、可弯曲、轻薄、奈米级特性，成为医疗传感器中最有希望的候选人之一。石墨烯压电材料可以透过形变产生电流，若能将此电流妥善的运用并储存，将有利于传感器的自供电以及传输，如此一来，将有利于医学上对特定的部位进行监控以及获取相关生理数据。

从专利数据来看，中国在石墨烯压电材料申请了许多专利，也有非常多的高校与企业参与石墨烯压电材料的专利申请，中国已经成为该技术领域最主要的专利申请国，甚至远超过美国、日本、韩国等全球科技大国。不过从三个层面可以看出专利的保护意识淡薄，申请专利数量虽然高，但专利的布局程度较差。首先是授权的发明专利比例低，许多专利并非透过发明专利保护，且有很大的比重尚未取得授权。其次，是专利布局的时间，部分高校并未有良好的专利布局规划，特定年份专利申请数量很高，但并没有后续的延伸与对核心技术加强保护。最后是海外专利布局量少，多数的中国企业只申请中国市场，并未向海外其他国家进行专利布局，由于专利保护是属地主义，且专利一旦公开全球都可阅读，缺少海外布局将造成核心技术的外流，不利技术的保护。在本文专利分析中可以发现，申请前三名的专利权人皆非中国籍，且在时间与地域上都有进行专利的布局，可以作为一个相关的对比。

本文通过专利分析探索石墨烯压电材料在生医领域的应用，发现石墨烯压电材料传感器非常适合应用在生医领域，穿戴式装置会是主要的应用，勘入式体内监控装置具有巨大潜力。除此之外，在触觉传感器、声学传感器、隐形眼镜、脑神经领域、都有许多可以衍生的应用。部分数据还显示相关技术可以应用在奈米发电机 ( Willatzen, and Wang,2018)、微机电系统 (Rahman,2016)、生化感测 (农药、基因、抗体)( Roy , et al 2019；Miroslav,2018)、细胞和组织增生(耳蜗刺激、骨骼再生) ( Kausik,2020) 的应用，石墨烯压电材料在医疗领域应用前景光明，然而，目前全球在石墨烯压电材料技术领域尚未出现显著的专利申请人与完善的专利布局，企业或高校可以提前进入该技术领域并建立完善的专利保护。

参考数据：

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