基于德温特专利共现网络的石墨烯核心技术变迁趋势分析.pdf 8页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn基于德温特专利共现网络的石墨烯核心技#术变迁趋势分析1,21,2**刘林峰，费钟琳5（1.南京工业大学经济与管理学院，南京211816；2.江苏省科技政策思想库，南京211816）摘要：中国是全球石墨烯技术研发和产业化起步较早的国家之一，从国家到地方都十分重视该领域的技术发展。文章基于德温特专利数据，采用originpro软件划分石墨烯技术发展阶10段，采用Ucinet软件构建共现网络，以m-核法识别各阶段的核心技术，并利用Citespace软件制作核心技术时区视图。一方面提出了基于技术发展阶段和共现网络构建核心技术变迁图的新思路；另一方面通过核心技术变迁图为相关企业和研发机构更准确地挖掘石墨烯技术未来发展趋势和制定技术发展战略提供了参考依据。关键词：石墨烯；共现网络；核心技术；技术变迁图15中图分类号：G306TheEvolutionTrendofGrapheneCoreTechnology:AnalysisBasedontheCo-occurrenceNetworkofDerwentPatent1,21,220LIULinfeng,FEIZhonglin(1.SchoolofEconomicsandManagement,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing211816;2.JiangsuResearchInstituteforScienceandTechnologyPolicy,Nanjing211816)Abstract:Chinaisoneofthecountrieswhichstartedresearchandindustrializationofgraphenetechnologyearly.Bothstatelevelandregionallevelattachgreatimportancetothedevelopmentof25graphenetechnology.ThispaperappliestheOriginprotodividethetechnologydevelopmenthistoryintoseveralstages,appliesUcinettobuildtheco-occurrencenetwork,appliesthem-coremethodtoidentifythecoretechnologyindifferentstage,andappliestheCitespacetomakethecoretechnologytime-zoneview.Thepaperputsforwardthenewideaofconstructingthecoretechnologychangemapbasedonthetechnicaldevelopmentstageandtheco-occurrencenetwork.Meanwhile,thecore30technologychangemapprovidesareferencetotherelevantenterprisesandresearchinstitutionsfortheiraccurateexploringoftechnologydevelopmenttrendandthetechnologydevelopmentstrategyformulation.Keywords:graphene;co-occurrencenetwork;coretechnology;technologychangemap350引言石墨烯（Graphene）是英国科学家在2004年通过微机械剥离法成功从石墨中分离出来的一种呈蜂巢晶格的平面薄膜，发现者凭此获得2010年诺贝尔物理学奖后，全球的石墨烯[1]专利数量急剧增长。专利是将科学研究的技术成果转化为知识产权。专利计量学是很多学[2,3]者对其理论和应用不断研究的一个比较独立的学科，主要是通过对技术进行专利计量分[4]40析，解读行业技术的发展趋势和重点，进而在行业竞争中占据主导地位。文章将基于德温基金项目：国家自然科学基金（71473120）；国家软科学研究技术项目（2014GXQ4D183）；江苏省软科学研究计划重点项目（BR2016058）作者简介：刘林峰(1993.1-),男,硕士，专利分析与技术创新通信联系人：费钟琳（1975.3-），女，教授、博士，研究方向：科技政策。产业技术预见、区域创新系统.E-mail:lilly.nj@163.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn特的石墨烯专利数据，运用可视化方法和专利计量分析，借助专业拟合软件originpro及可视化工具Ucinet、Netdraw、Citespace，对石墨烯专利数据进行可视化分析。利用专业拟合软件可以更准确的划分技术发展阶段，利用“m核”方法简化了技术共现网络图，可以清晰的辨别出链接强度最高的若干节点，识别出石墨烯核心技术，利用citespace软件所作的石墨45烯核心技术时间区图，可以动态的看出不同时区石墨烯核心技术发展重点和联系过程，最后通过绘制石墨烯核心技术变迁专利地图对石墨烯技术未来发展趋势进行了预测，希望能向以此为核心技术导向的专业研发提供发展策略上的参考。1文献综述不同关键词之间的关联与融和，说明某一学科领域中学术研究内容的内在关联性和微[5]50观结构。许多学者己经将这种方法用于研究专利技术领域共现网络，挖掘专利技术领域间相互关联的信息，用以揭示专利技术领域的结构特征。张杰等（2012）在以变频技术的专利数据为数据源进行核心技术领域识别研究时就已经使用到共现网络，并将m-核的分析方法[6]引入到共现网络的核心技术识别研究中，为以后各领域的核心技术识别提供了坚实的技术基础，例如：侯未等（2016）将共现网络应用到中药专利运营技术热点的研究上，以国际专55利分类号为研究对象，通过构建技术领域的共现网络图谱分析中药领域专利运营的技术热点[7]。但是使用UCINET进行核心技术的识别只是静态的，说明过去一段时间技术领域的核心，在方法上还有较大的完善空间。在专利数据源选择方面，德温特专利数据库(DII)收集了全世界40多个机构的专利数据，各国专利在公布后1-3个月就会被收录，而且德温特专利数据库的数据每周都会更新，60是全球最权威的专利数据检索系统。德温特手工代码(DMC)是德温特专利检索系统单独分配给每个专利的，以此标明该专利在哪些方面具有技术创新，但是一个专利通常会被分配到多个DMC，说明这个专利在多个技术领域具有创新点，DMC的共现关系和共现强度能表明[8]两个专利技术领域的联系及强弱。虽然国际专利分类号(IPC)也是单独分配给每个专利的，但是IPC只是对专利所处技术领域进行划分，因此，DII数据库为石墨烯领域共现网络的绘[9]65制提供了比较理想和规范的专业数据。文章结合现有研究方法，采用专业拟合软件originpro更准确地划分技术发展阶段，利用citespace软件所作的石墨烯核心技术时间区图，解决静态核心技术识别的不足，可以动态的看出不同时区石墨烯核心技术发展重点和联系过程，最后以技术发展阶段和共现网络图为基础构建核心技术变迁图，对石墨烯技术未来发展趋势进行了预测，掌握产业或技术领域70的核心技术发展趋势，能够为相关企业和研究机构制定研发策略提供决策支持，对于推动技术发展、提高国家(地区)的国际竞争力具有重要意义，也完善了使用核心技术变迁预测技术发展趋势的方法体系。2基于德温特专利共现网络的核心技术变迁趋势研究方法由于德温特数据结构的特殊性，文章设计了数据的准备、处理、拟合和可视化的实现步75骤，如图1。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图1核心技术变迁图制作的关键步骤Fig.1Keystepsintheproductionofcoretechnologychangemapa.按检索条件下载专利数据。本文利用技术领域关键词和德温特手工代码确定专利检索80策略。由于德温特专利数据库每次下载专利限量500条，数据量较大时需要先全部标记好再分批按制表符格式下载，最后导入EXCEL表。b.划分技术发展阶段。由于专利申请到公开时间一般需要1年左右的时间，发明专利可能会延迟两到三年，所以文章将以专利公开日来判断技术发展阶段。需将各年份的专利公开量在EXCEL表里整理好，导入originpro进行拟合曲线，再判断技术发展阶段。85c.根据发展阶段清洗数据集。文章基于共现网络的研究主要利用德温特专利信息的专利号（PN）和德温特手工代码（MC）。一个专利一般会有多个专利号和德温特手工代码，专利号单独成一列，而德温特手工代码从第二列开始，一个表格只能有一个手工代码，依次排列好，以便导入Ucinet构建共现矩阵。d.构建专利共现矩阵。将处理好的EXCEL表导入社会网络分析软件Ucinet，行标签为90德温特手工代码，列标签为专利号，存在共现关系的标记为1，不存在共现关系的标记为0。再按列标签对矩阵进行转置，从而生成该技术领域的共现矩阵。e.提取核心技术领域的共现网络。将处理好的共现矩阵导入Netdraw生成共现网络图，再用m-核的方法提取核心技术领域的共现网络图。利用阈值m进行筛选，最后取到10-15个左右的技术领域的共现网络图。95f.制作时间区图。将德温特专利数据在Citespace中转换成软件可以识别的数据格式，设置好相关参数并作出核心技术时间区图。g.绘制核心技术变迁图。以阶段性的共现网络图和年份为单位的时间区图为基础，结合技术发展阶段绘制出核心技术变迁图，从而进行核心技术变迁趋势分析。3石墨烯核心技术变迁趋势研究100对于一个技术成熟度处于迅猛增长阶段的技术，其技术领域之间的联系和分布状况将决定其未来的走向，也是相关企业和研究机构应该重点关注的领域，以核心技术领域为导向的专利研发策略必然会给企业和机构带来巨大裨益。结合专家意见，文章作者于2016年11月29日在德温特数据库对石墨烯进行检索。检索策略为(TI=(graphene*)orTS=(graphene*))andMC=(E05-U05CORE11-A01ORL03-A02BORL03-H05ORE11-F03ORE11-A02OR105X16-B01F1ORL03-E01B5BORE11-PORE05-U06ORA08-S02ORA12-W14OR-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnL03-E01B3ORA11-A03ORA08-R03)，时间跨度在2001~2015年，共检索到8940个专利。3.1划分技术发展阶段将整理好的EXCEL数据表导入originpro拟合软件，对图表进行多次拟合，使用五次多项式时拟合度最高，达到0.99684，结果如图2所示。110图2各年份专利公开量的拟合曲线图Fig.2Fittingcurveofpatentfiguresforeachyear由于石墨烯是最近几年兴起的新材料，正处于高速发展的阶段，所以根据图表显示，可将石墨烯技术发展分为两个阶段。第一阶段为2004-2010年，处于技术引入期，该阶段每年115的专利公开量都很少，且有波动趋势，但波动范围很小，之后成逐年缓慢上升的趋势。第二阶段为2011-2015年，处于技术发展期，这一阶段的专利公开量快速增长，成加速上升的趋势，根据拟合曲线为5阶的多项式可得，石墨烯在今后数年内还将处于技术的高速发展期。3.2核心技术领域的共现网络研究在EXCEL表中清洗数据，只留下专利号和德温特手工代码，导入Ucinet得到共现矩阵，120再将共现矩阵导入Netdraw软件中，得到两个阶段的共现网络图，如图3、图4所示。图3（2004年-2010年）石墨烯专利技术领域的共现网络图Fig.3(2004-2010)co-occurrencenetworkofthepatentedtechnologyforgraphene-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn125图4（2011年-2015年）石墨烯专利技术领域的共现网络图Fig.4(2011-2015)co-occurrencenetworkofthepatentedtechnologyforgraphene社会网络中的度数中心势指标表示某一节点在网络中的重要性，核心程度，通常这个指标越小，这个网络整合度和协调性越差。利用Netdraw软件对两个阶段的德温特手工代码进行可视化的共现输出，得出的中心势指数分别为16.16%、14.06%，网络的整合度较低，核130心度也一般，并没有达到很好的协调性。从两个阶段的共现网络图可以看出，网络太混乱复杂，无法找出核心技术，只能静态的看出石墨烯技术正在高速发展，随着各个领域的研究不断深入，两个阶段的石墨烯核心技术联系越发紧密且有扩散的趋势。为提取石墨烯核心技术领域的共现网络图，利用m-核的方法来去掉网络中的弱链接和孤立节点，最终得到两个阶段的核心技术领域的共现网络图，如图5、图6所示。如果共现135网路图中两个节点连线上的数值越大，连线就会相应的越粗，表明这两个技术领域之间的联系越密切、共性越强、依赖程度越高。节点越大，说明网络中和这个技术领域连线越多，此技术领域应用范围越广。图5（2004年-2010年）石墨烯核心技术领域的共现网络图（m=10）140Fig.5(2004-2010)Co-occurrencenetworkofgraphenecoretechnology(m=10)当m=12时，得到第一阶段技术引入期核心领域的网络图，如图3-4。网络节点数为11，约占整体网络节点数的0.92%，但这些节点之间的链接对主成分的贡献率高达11.1%。说明，主成分网络对这11个节点的依赖程度非常之高。这11个节点之间连接比较分散，而且连接-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn强度较低，说明此阶段石墨烯正在萌芽阶段，具体方向还没有那么明确。在2004-2010期间145的第一阶段，石墨烯核心技术主要集中在非金属导体-碳和石墨（L03-A02B），半导体加工-电极（L04-C11C），其他电子加工与处理，主要IC元件和材料（L03-J），纳米技术（A12-W14），导电纳米材料（L03-A02G），半导体纳米材料（L04-A05），纳米结构材料（U11-A14），纳米薄膜（E05-U05C），辐照、照相工艺、设备（E11-P），环化过程、装置（E11-A01），碳纳米管（E05-U03）。由于L03-A02B和L03-A02G之间连线最粗，说明这两个应用领域150技术联系最密切，依赖程度最高。因为L03-A02B节点最大，所以石墨烯作为非金属导体的研究与其他领域共性最多，联系最强。图6（2011年-2015年）石墨烯核心技术领域的共现网络图（m=142）Fig.6(2011-2015)Co-occurrencenetworkofgraphenecoretechnology(m=142)155当m=227时，得到第二阶段技术引入期核心领域的网络图，如图3-5。只有9个节点，但是节点间的数值相对其他节点间的连接数值异常的大，所以这些节点之间依存度很高。这9个节点约占整体网络节点数的0.31%，但对主成分网络贡献度高达20.6%，虽然第二阶段的专利数量是第一阶段的20倍之多，而贡献度却是第一阶段的两倍，说明第二阶段之间的连接比第一阶段核心技术连接更紧密，而且连接数值远过第一阶段，可见石墨烯技术正处于160发展的黄金时间段。在2011-2015期间，石墨烯核心技术主要集中在纳米薄膜（E05-U05C），环化-过程、设备（E11-A01），开环过程和装置（E11-A02），环保的发明(成分/应用程序)（E11-W），碳原子的烷基化、芳基化、酰化、缩合，其他碳链的扩展和重整（E11-F03），辐照、摄影-流程、装置（E11-P），其他含杂原子的纳米三维结构（E05-U06），加氢(E11-D02)，化学工程、污染控制（A12-W11）。由于E05-U05C和E11-A01之间连线最粗，说明这两165个应用领域技术联系最密切，依赖程度最高。因为E05-U05C节点最大，说明石墨烯在纳米薄膜领域的研究与其他领域共性最多，联系最强。3.3石墨烯核心技术变迁及发展趋势分析为了可以更加直观的观察石墨烯核心技术变迁过程和趋势，结合两个技术发展阶段的石墨烯核心技术共现网络图，需要制作石墨烯核心技术变迁专利地图，但是技术变迁图需要根170据技术随时间的推移变化，citespace软件所作的时间区图可以动态地看出不同时区石墨烯核心技术发展重点和联系过程，所以把石墨烯专利数据在citespace软件中转换并设置好参数作出相应的时间区图，如7所示。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图7石墨烯核心技术共现网络图谱(Time-zoneview)175Fig.7Co-occurrencenetworkofgraphenecoretechnology(Time-zoneview)根据图7显示，石墨烯在2004年-2010年发展较为缓慢，主要偏纳米材料和非金属导体材料这一研究领域，在2010之后的技术发展期，石墨烯进入飞速发展阶段，其中纳米薄膜领域专利量很是惊人，石墨烯的研究重点很大一部分转移到纳米薄膜领域，也反应了石墨烯在纳米薄膜领域有很大的成就，这主要取决于石墨烯物理和化学方面的特异性能。图中180L03-A02B、E05-U05C边缘处于较红的状态，说明纳米薄膜、导体材料的研究和其它研究领域联系很密切，而且到现在为止这方面的研究还在继续，以后也很有可能是许多研究领域的基础。虽然石墨烯核心研究领域随着时间在转移，但是石墨烯制备方法和设备的开发和改进一直是石墨烯领域的研究热点，这源于石墨烯制备的难度和市场石墨烯的较高价格导向。在图谱最上端的研究领域处于萌芽状态，说明石墨烯在环保、污染控制方面的应用开始引起关185注。结合两个技术发展阶段的石墨烯核心技术共现网络图和石墨烯核心技术时区视图作出石墨烯核心技术变迁图8。图8石墨烯核心技术变迁图190Fig.8coretechnologychangemapofgraphene-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn4研究结论与启示综上，结合两个技术发展阶段的核心技术变迁情况，可以得出以下结论和启示：（1）石墨烯技术在今后数年内仍将处于高速发展期，历年专利数量都呈加速增长趋势。相关企业与研发机构应关注石墨烯核心技术领域和未来发展趋势，加强专利布局，为我国在195石墨烯领域的长远发展打下良好基础。各级政府和社会各界应加强对石墨烯产业发展的引导，加大对石墨烯产业发展的投资，重视石墨烯产业发展的人才培养；（2）在石墨烯技术不同发展阶段，其核心技术之间的联系越发紧密且有扩散趋势。在技术引入期（2004-2010年），石墨烯技术研发主要集中在导电材料和半导体材料应用上。而到技术发展期（2011-2015年）逐渐向薄膜、光伏、环保等多个领域拓展，尤其在纳米薄200膜领域取得很多成果，并成为其他应用的技术基础。在目前全球关注污染控制和环境治理的大环境下，石墨烯环保材料将有很大发展潜力；（3）制备高质量、低成本的石墨烯既是该技术领域的研究热点也是产业发展的重点。目前石墨烯制备成本居高不下，影响其在应用领域的发展。气相沉积CVD法不仅可以大规模制备石墨烯，且取得的石墨烯结构完整，质量较好。利用气相沉积与氧化还原法等化学方205法制备更高质量、成本更低的石墨烯将成为日后研究和产业化主流；（4）为提高石墨烯量产效率和产品质量，采用低能耗、智能化的高性能装置及生产系统将是大势所趋，因此石墨烯产业化所需的相关配套设备也将成为研究热点。[参考文献](References)210[1][1]王小晓，丁堃．高速列车寿命预测技术专利计量分析[J]．科技管理研究，2010，30(4)：212-215.[2][2]GuanJiancheng，HeYing.Patent-bibliometricanalysisontheChinesescience-technologylinkages[J].Scientometrics，2007，72(3)：403-425.[3][3]张杰，娄永美，翟东升．基于专利的技术发展趋势实证研究--以纤维混凝土为例[J]．科技管理研究，2010(023)：166-169.215[4][4]包昌火，谢新洲.竞争情报与企业竞争力[M]．北京：华夏出版社，2001.[5][5]谢彩霞，梁立明，王文辉.我国纳米科技论文关键词共现分析[J].情报杂志，2005,24(3):69-73.[6][6]张杰，刘粉香，翟东升，黄鲁成.基于共现网络的核心技术领域识别研究[J].情报杂志，2012,31(11):35-39.[7][7]侯未,李林珂,袁红梅.基于共现网络的中药专利运营技术热点研究[J].中草药,2016,(13):2390-2396.[8][8]王立学，冷伏海.简论研究前沿及其文献计量识别方法[J].情报理论与实践，2010(3):54-58.220[9][9]H.Penan.R&Dstrategyinatechno-economicnetwork:Alzheimer"sdiseasetherapeuticstrategies[J].ResearchPolicy,1996(25):337一358.-8-'