科學-技術-產業關聯視角下石墨烯發展國際比較——基于專利的計量研究

彭 帥，張春博，楊 陽，丁 堃

(大連理工大學科學學與科技管理研究所，遼寧 大連 116024)

0 引言

石墨烯由于具備特有的物質性能，具有極大的產業化價值，因而得到各國研發界的重視。歐盟及其成員國在歐盟第七框架計劃 (FP7)及其接續的 “地平線2020”計劃、歐盟研究理事會(ERC)、歐洲科學基金會(ESF)等都部署了相關研究項目，美國、日本、韓國等國，也在其各類研究計劃中資助石墨烯技術的研發[1]。我國在國家自然科學基金、973等一些相關的研發計劃中資助了石墨烯的研發，在 《 “十三五”國家科技創新規劃》中，也將石墨烯作為著力發展的先進功能材料和引領產業變革的顛覆性技術大力發展。

石墨烯從發現至今，作為納米這一科學和技術交叉融合特征鮮明、產業化前景被普遍認可的前沿領域，受到廣泛的重視。特別是從科學-技術-產業互動的視角來看，石墨烯經歷了怎樣的發展歷程和競爭態勢，一直受到學者們的關注。李牧南等人基于專利數據，借助TRIZ方法，分析和識別了石墨烯的技術創新演化階段[2]；孫曉玲等則以石墨烯領域為例，探索科學與技術關系中起關鍵作用的科學知識基因和技術知識基因[3]；黃魯成等通過專利引用和文本挖掘的方法，研究石墨烯的施引專利和被引專利，探索技術知識擴散的特征[4]；張鵬等強調科學在產業發展中的特殊作用，提出了基于科學的產業及其發展的一般模式[5];Liu等人分析了石墨烯應用在鋰電池行業的專利，發現我國在申請數量上已經處于世界領導地位，但產業化程度較低[6]；胡光元等對中美兩國的石墨烯研究的異同點進行了對比分析，對我國石墨烯產業的發展具有指導意義[7]。這些研究為揭示石墨烯的知識演化特征，推動基礎研究向應用研究乃至實現產業化應用，結合我國科技及產業發展實際，制定有效的科技及產業政策具有重要意義。為此本文根據科學-技術-產業互動的基本原理，以科學論文文獻表征科學成果，專利文獻表征技術成果，主要運用專利引用論文、專利引文分析方法，構建科學-技術關聯和技術擴散指標體系，揭示中、美、英、德、法、日、韓及中國臺灣地區石墨烯的發展特征和競爭格局，為相關部門決策提供依據。

1 測度指標與模型

1.1 科學-技術關聯及其測度

關于科學-技術關聯的概念，眾多學者都有自己的定義。Carpenter將之定義為：技術對科學的依賴關系，即指某一技術在知識上來源于或收益于科學的程度[8]。Narin則定義為科學與技術之間的知識傳遞關系，而且基礎知識向技術領域的知識傳遞還可以通過專利對科學論文的引用頻次來定量研究[9]。類似的研究主要研究對象集中在國家和產業技術層面如，Looy等人從國家宏觀層面上分析了產業的科學關聯度與技術能力的關系，用非專利引文的數量作為技術的科學強度，研究表明了代表技術能力的專利產出通常與科學關聯度正相關，同時驗證了科學強度的構建可以作為評估一個國家科技發展狀況的動態指標的合理性[10-12]。Zhang等人根據USPTO的專利數據，提出了一種新的傳遞函數模型用于計算基礎科學研究與技術專利之間的時滯，為促進知識的傳播、減少科學的延誤以提升國家專利競爭力[13]。除了專利引用論文，殷媛媛還從論文引用專利視角，研究了立體顯示領域的科學技術互動[14]。

本文將科學與技術之間的關聯強度定義為技術對科學的依賴程度，通過專利引用分析方法，使用科學關聯度和引用時滯兩個指標，從數量和時間維度分別對科學技術關聯強度進行測度。

(1)科學關聯度測度指標。科學關聯度是從數量維度上反映了基礎研究到技術開發之間的關聯強度的典型指標，Narin將專利的引文分析方法用于對科學關聯度的研究中，并通過顯性和定量的方式揭示了科學研究對產業發展的推動作用[15]。張鵬等對科學關聯度指標進行了變換[16]，并得到較好的推廣[17]。本文運用該指標——科學關聯度(Science Linkage，SL)測量在數量層面科學對技術的依賴程度，具體計算公式為：

(1)

其中：PNPR為擁有非專利引文(Non-patent-references,NPR)的專利總量；Ptotal為專利總數；j為國家。SL的值越大表明技術對科學的依賴性越強，負值代表低于平均水平。

(2)專利引用論文時滯及其測度模型。專利引用論文時滯是從時間維度上反映基礎科學到技術專利的轉化速度的典型指標，專利引用論文時滯可理解為科學知識吸收時間，專利引用專利時滯則為技術知識擴散時間[18]。

現有研究對專利引用時滯的測算標準認定不同，有的指專利優先權申請年和被引用的論文的發表年份之間的時間差距[19]，有的則定義為專利授權年份與其所引用論文發表時間的時間延遲[20]。筆者認為，專利申請公開時就已從技術角度表明該專利的誕生，盡管在制度上尚未被認可；而且如果以授權時間作為技術形成時間，必然會增加引用時滯，并不能真實反映科學到技術的轉化時間。基于此，本文提出用于在時間層面測量科學與技術關聯的計算指標：專利引用論文時滯=申請專利的優先權時間-論文的發表年份

當專利的非專利引文為多條時，因為每條非專利引文時滯都不一樣，這時根據算出的結果，取中位數代表這條專利的引用時滯。采用中值的方法可以排除極值所帶來的誤差，少數個別專利可能引用了較早的非專利文獻，如計算均值的話會差別很大，一般來說，判斷普遍意義上的某統計量的高低以中位數為標準要好于平均值。統計計算同一年發表的所有專利引用時滯的平均值代表這一年專利整體的專利引用論文時滯(考慮到以年為單位計算不能有效展示數值差距，因而采用以月為單位計算)，具體計算方法如圖1所示。

圖1 專利引用科學論文的時滯計算方法

1.2 產業技術擴散能力測度

以科學知識創造為邏輯起點，專利引用論文，可以看成是科學知識轉化為技術知識的行為，專利之間的引用，可以看成是技術知識的流動，也可以將其看成是技術擴散行為。顯然，通過文獻之間的引用關系，我們可以分析不同國家、不同領域之間存在著技術擴散過程。本文將通過技術擴散廣度、技術擴散速度、技術領域擴散寬度三個指標來衡量各國石墨烯產業技術的擴散能力。

(1)技術擴散廣度。本研究中，國際技術擴散廣度指的一項專利的施引專利所涉及的國家個數，即引進或者吸收該技術的國家數量(除去本國)。數量越多，表示該專利所代表的技術擴散的范圍越大，廣度也越大。從一定程度上能反映出被引專利國家在該技術領域的領先地位。具體計算方法為：在某一技術領域內，某一專利被其他國家的專利所引用時，所涉及到的國家的個數，即某一專利的跨國施引專利所涉及的國家個數(總體累計的新出現的國家數)。

(2)技術擴散速度。本研究中，技術擴散速度是指申請專利的優先權時間與其施引專利的優先權申請年之間時間差。時間越短，表示技術擴散的速度越快。從時間角度衡量了一次技術擴散所消耗的時間。具體計算方法為：在某一技術領域內，某一國家的各條專利的優先權申請年與其施引專利優先權申請年之間時間差的平均值。

(3)技術領域擴散寬度。技術領域擴散寬度是指某一專利所包含的技術作為后續技術創新的基礎，在不同技術領域的擴散程度。也就是更廣的技術領域擴散寬度意味著該專利會在更多的技術領域內存在影響力。

Trajtenberg提出的技術擴散指數[21]是當前應用較為廣泛的技術領域擴散寬度指標：

(2)

但該指標存在較為突出的局限，即:若施引專利為1，則運用該指標算出的值為0，這顯然不合理；而且該指標將大多數的專利只按一個技術分類號計算，但有些專利就屬于多領域交叉，不能只通過一個技術分類號代表該專利的技術領域。

國際專利IPC分類號規定，若一項專利有若干個分類號時，其中第一個稱為主分類號，即該專利主要應用的技術領域，而其他副分類號則代表應用的其他領域。基于觀測專利與其施引專利的IPC主副分類號關系，本文提出一種能反映專利的技術領域擴散寬度的新方法：

若觀測專利的主分類號與施引專利的主分類號對應，計為0，表示沒有跨領域的技術擴散；若觀測專利的主分類號與施引專利的主分類號沒有對應關系，但與副分類號對應，計為1，表示有較弱跨領域的技術擴散；若觀測專利的主分類號與施引專利沒有對應關系，但副分類號與施引專利的主分類號對應，計為2，表示有較強跨領域的技術擴散；若觀測專利的主分類號與施引專利沒有對應關系，但副分類號與施引專利的副分類號對應，計為3，表示有很強跨領域的技術擴散；若觀測專利的主副分類號與施引專利的主副分類號都沒有對應，計為4，表示有完全跨領域的技術擴散。

將相應的計數作為該觀測專利的技術領域擴散寬度；若有多條施引專利，則將多個值的加和作為該專利的技術領域擴散寬度。而對于某國某年的專利，則為該年該國所有專利擴散寬度值的平均值。

2 數據來源與描述

2.1 數據來源

本文研究數據選擇德溫特專利數據庫(Derwent Innovations Index)，以 “Graphene”為主題詞進行檢索，將數據檢索時間定為2004年(石墨烯被發現)至今，共檢索到36798件專利，但德溫特時間檢索是根據德溫特主入藏號進行的，并不能代表專利的申請時間，所以對下載的數據進行進一步處理，根據申請專利的優先權時間來判斷專利的申請年。

2.2 專利申請時間分布

圖2顯示了石墨烯技術專利的歷年申請量變化，可以發現，2004—2010年，石墨烯專利申請量逐步上升，但總體相對較少；2010年以后，專利申請量明顯增加，增長速率也相對較快，除了2012年有所放緩。

圖2 石墨烯技術專利申請量年度變化(2004—2016年)

2.3 專利申請區域及主體分布

本文根據專利優先權申請國家或地區來判斷一件專利的來源國家或地區，目前德溫特數據庫，按照申請人地址獲得國家信息是較為困難的事，而優先權人通常優先在本土申請專利，跨國公司的海外企業考慮到市場和制度因素，也通常會在海外當地申請，因而可以將優先權國家或地區粗略的視為該專利所在國家或地區。表1列出了石墨烯專利申請最多的8個國家和地區，本文也對這8個地區進行對比分析。中國專利申請量遠遠超過其他國家地區，不過在有NPR的專利占比上，中、日、韓及中國臺灣地區普遍低于歐美發達國家。同時，從專利申請的主體上來看，美、日等石墨烯產業發展較為成熟的國家，其企業申請率高達72.2%和83.4%，而中國高校申請量居多。

表1 主要國家或地區的專利申請數量與NPR占比(2004—2016年)

3 實證結果分析

3.1 科學技術關聯強度比較

石墨烯作為一種新興科技和產業領域，早期只是集中在少數幾個國家進行基礎研究和簡單的材料應用，Andre Geim和Konstantin Novoselov在2010年獲得諾貝爾獎后，各個國家逐漸認識到了石墨烯存在的巨大潛在價值，投入了大量的研究資源。通過對獲取數據的初步分析(第二階段起申請量激增)，為了使各國之間能夠進行有效的對比，并考慮到專利申請的18個月時滯期，最后確定選取2009—2014年的數據進行科學技術關聯強度與論文引用時滯的比較。

如表2所示，從石墨烯產業主要申請國在2009—2014年科學關聯度 (SL)變化情況來看，美德英法等歐美國家科學關聯度 (SL)值普遍高于中韓日臺等東亞國家和地區，前者的科學關聯度 (SL)均為正值，而東亞國家地區則普遍為負值，只有中國在2010年有了由負到正的躍遷。我國雖然起步晚，但從2010年開始，逐漸重視基礎知識的積累，已經逐漸趕上歐美等發達國家的腳步，與相鄰國家和地區也已拉開距離。

從主要申請國家地區在2009—2014年專利引用論文時滯變化來看，可以發現東亞四強的平均引用時滯明顯短于歐美國家，即中日韓及中國臺灣地區石墨烯產業的科學知識向技術專利轉化的速度快于美德法英。各地六年整體的平均引用時滯中，日本最短，平均26.8個月；英國作為石墨烯的發源地，其引用時滯卻是最長的，為55.4個月。通過數據的深入挖掘，發現東亞地區尤其日韓及中國臺灣地區較低的平均引用時滯與其較低的科學關聯度有直接關系。

表2 主要國家或地區的科學關聯度與引用時滯的變化趨勢(2004—2016年)

3.2 產業技術擴散能力比較

(1)原始指標。根據不同國家申請石墨烯產業專利數量的排名，并考慮到各國之間形成有效數據的對比，同樣選取中、韓、日、美、德、法、英及中國臺灣地區2009—2014年數據作為技術擴散能力的評價對象，利用前文所構建的用于測度產業技術擴散能力的三個指標對產業技術擴散進行測度研究。根據對相關專利及其引文數據的處理和分析結果，得到8個國家地區的各項指標(見表3)。由于這三個指標對于衡量各個國家地區技術擴散能力的側重點不同，結果也有所差異，英國作為石墨烯的發源地，其技術領域擴散寬度與技術擴散速度都能反映出其有較好的擴散能力，但其技術擴散廣度相對于中美來說較低。中美作為目前石墨烯領域的兩個大國，各項指標都反映出其有較好的擴散能力，而且中國的技術擴散速度較與美國來說，還具有一定的優勢。

表3 各國家與地區在石墨烯領域的技術擴散指標值

(2)熵權整合。為了讓各國之間的技術擴散能力能夠進行比較，現對指標進行熵權處理。

首先，根據獲取的各個國家的專利數據，計算衡量技術擴散能力的各項指標后，對其進行正向化和無量綱化 (比重法)處理，在所選取的指標當中，只有技術擴散速度為逆向指標，而技術擴散廣度與技術領域擴散寬度均為正向指標，所以首先對這個指標數據進行正向化處理：

(3)

然后對所有指標進行去量綱化處理，處理方法如下：

(4)

處理后的結果見表4。然后基于熵權法，分別對技術擴散能力的三個指標進行指標評價。本文選取的熵權法是一種客觀的賦值法，它可以根據各個指標的變異程度來賦予指標相應的權重。如果指標在評價中起的作用越大，其相應的權重也就越大。因此，在確定各個指標的權重之后，可得到各項指標對技術擴散能力的影響程度，再通過對所有指標進行加權計算出各個國家的綜合得分。

表4 各國家與地區在石墨烯領域的技術擴散指標值(正向化與去量綱化)

表5 各國家與地區技術擴散能力的綜合評分結果

通過計算可以得到，技術擴散廣度、技術擴散速度、技術領域擴散寬度相對于技術擴散能力的相對重要性分別為：0.812、0.102、0.086。由表5可見，中美兩國綜合得分依舊遙遙領先于其他國家，其中中國的技術轉化時間最快，說明我國十分重視技術知識的擴散，而美國技術擴散廣度最大，在世界范圍更受到關注。值得注意的是英國作為石墨烯發源地，在擴散速度和廣度上并沒有優勢，但其技術領域擴散寬度是最大的，說明其技術更注重各項領域間的交叉融合。

3.3 匹配關系分析

從石墨烯產業的科學關聯度 (SL)與技術擴散能力的匹配來看，各個國家之間也體現出來很大的差異性。

首先，從石墨烯產業的科學關聯度 (SL)與技術擴散能力的二維匹配來看(見圖3)，主要分成了三個部分：中美處于第一象限，屬于高科學性-高技術擴散能力國家和地區；韓日及中國臺灣地區處于第三象限，屬于低科學性-低技術擴散能力國家；英德法處于第四象限，屬于高科學性-低技術擴散能力國家。

圖3 各國家與地區科學關聯度與技術擴散能力值

其次，從石墨烯產業的專利引用論文時間滯后與技術擴散能力的二維匹配來看(見圖4)，也是主要分為三個部分：中美處于第二象限，屬于高轉化速度-高技術擴散能力國家；日韓法及中國臺灣處于第三象限，屬于高轉化速度-低技術擴散能力國家和地區；英德處于第四象限，屬于低轉化速度-低技術擴散能力國家。除英德兩個國家以外，其他國家和地區專利在基礎科學到技術專利的轉化效率，日本的時間滯后值最低，但同時中美兩國的技術擴散能力同樣也處于領先地位，值得注意的是英國作為石墨烯的發源地，并沒有將其深厚的理論基礎轉化為技術專利，而在石墨烯領域逐漸沒有了優勢。

圖4 各國家與地區專利引用論文時滯與技術擴散能力值

4 研究結論及政策建議

通過上述的專利數據分析及其二維匹配結果，本文得到如下結論與建議：

首先，從科學技術關聯強度的角度來看，中、美、德、英、法各國的專利都有較強的科學性，即注重對基礎科學知識的吸收，但同時中、美的技術擴散能力明顯高于德、英、法，說明在石墨烯領域，中、美的專利更具有可用性；而日、韓、臺專利的科學知識支撐性較差，其技術擴散能力也并不是很強。東亞國家地區與歐美發達國家相比，石墨烯產業的基礎科學建設存在較大差距，歐美國家能更注重該領域技術對科學知識的吸收。近年來，我國專利數量逐漸增加，已經成為全球石墨烯專利申請量最多的國家，但其國際競爭力并不強，研究成果主要集中在基礎領域，原始性創新少，且產業化水平低。然而各個國家及其產業都有其本身所特有的產業創新體系，而基礎科學與技術創新之間的適當匹配是我們在提高產業競爭力時所要考慮的重要維度，是提升產業原始創新能力的重要措施。我國應當更加關注科學的重要性及其科學、技術、產業間的互動關系，推動重大科研成果的產業化。

其次，技術擴散能力對產業的創新支撐作用愈發的明顯，美、日和歐盟等石墨烯產業相關技術研發部門已經形成以企業為主，韓國也已形成產學研相結合的局面，而在我國仍以大學和科研機構為研發主體。在石墨烯產業化程度上遠不及國外發達國家，仍處于一個追趕者的地位，應當在高校為主體基礎研究的基礎上，引導更多的企業參與研發，加強對市場需求的探索，避免知識創新與技術需求的脫節，加速科技成果轉化，鼓勵產業向價值鏈的前端延伸，突破石墨烯材料規模化關鍵技術，從而推動整個產業領域的均衡發展。同時，提高對基礎科學的重視，優化技術能力結構，對于依賴于科學新發現的石墨烯整個產業的升級布局來說，具有基礎性的推動作用，也是產業轉型升級的關鍵。

最后，納米科學與技術領域是一個典型的科學與技術交叉融合趨勢明顯的學科，學科交叉發展前沿往往是科學新的增長點，受到各級政府的密切關注。石墨烯巨大的潛在價值，加上可能引起新一輪的技術革命，引起了嗅覺靈敏的資本市場的注意，各國都競相在這新一輪的技術革命和產業化發展的高技術競爭中搶占先機。英、法側重于對理論知識的吸收，日本則更傾向于最新的技術前沿，把握各國的研究動態，有利于指導后續開展國際科技合作，強強聯合。我國在 《 “十三五”國家科技創新規劃》 《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》等政策中對這一產業的發展提出了明確的要求。所以，我國應當把握目前良好的形勢，在新一輪的產業競爭中，加強對產業化的引導、堅持以市場為導向、深化科技體制改革、提升自主創新能力，為該領域的發展提供良好的機會與平臺。