锗金属关键技术专利的分析和优化探究

6.2.3.1　全球锗金属产业专利分析

（1）发展趋势及生命周期

产业的发展通常伴随着竞争格局的不断改变。专利作为一种排他性的权利，在很大程度上能反映出竞争的程度，进而映射出行业变化的趋势，产业创新实力也可通过专利申请数量和统计分析进行评价。因此，通过研究区域锗金属相关技术专利申请量随时间变化的情况，可以掌握锗金属相关技术的总体发展趋势。

图6-25　锗金属产业全球专利发展趋势及案件状态

图6-25为锗金属领域相关专利全球申请专利趋势，截至检索日，锗金属专利申请总量为18323项，专利申请量总体呈现先扬后抑的态势。近几年申请量下降的原因一部分是发明专利在申请后3～18个月公开，实用新型专利和外观设计专利在申请后6个月左右公开以及数据库收录滞后的原因；另一部分锗金属产业应用端研究热度较之前略有减退，使得整体专利申请数量有所下降。

图6-26显示锗金属产业全球专利上、中、下游的发展趋势。从产业链不同技术分支的发展趋势来看，上游提纯/精炼方面的专利主要集中在1944—1965年、1996年之后两个时间段，整体申请趋势呈现U形，其中1958年是上游专利申请量的最大值（87项）。中游产品和下游应用方面则先后出现了申请量的快速提升；中游产品分别在1994年出现了申请量的最大值158项，此后虽然在调整回落之后重新提升，但专利数量并未超过1994年，如2012、2019年中游产品相关专利均为152项；下游相关专利在1994年前后进入快速发展期，并于2016年达到最高值600项，近几年出现一定程度的回落。

图6-26　锗金属产业全球专利上中下游发展趋势

图6-27　锗金属产业全球专利生命周期

技术生命周期是科技领域中重要的研究主题之一，专利技术生命周期是根据专利统计数据绘制，以帮助确定相关产业技术当前所处的发展期。技术发展通常可以分为4个时期：技术萌芽起步期、技术发展期、技术成熟期和技术衰退期。

一般来讲，技术起步期是指任何一项新技术自诞生之后最初被引入市场的那段时期，该时期专利数量较小，大多是原理性的基础专利，并且申请专利的企业也较少。此外，随着年份的推移，专利申请量和申请人数量的年均增长幅度都比较小；随着基础技术问题的解决和市场不确定因素的消除，技术逐渐赢得市场认同并为部分厂家相继采用，迎来了快速成长的发展期，该时期市场不断扩充，进入市场的企业持续增加，技术分布的范围也逐渐扩大，相关专利申请和专利申请人的数量快速增加，并且增长率随着年份的推移显著加快；一项技术在经历了起步期和发展期后，赢得了社会的广泛认同，充分打开了市场局面，进入了为广大用户采用的技术成熟期，该时期市场容量的有限性凸显，进入技术领域的企业数量趋于稳定，表现为年专利申请量和申请人数量保持相对稳定；技术衰退期是指一项技术在经历了发展期和成熟期之后，技术的领先优势逐渐消失的时期，该时期技术的发展已经濒临饱和，此时的技术成为基础技术或常规技术，当技术老化后，企业也因收益递减而纷纷推出市场，此时有关领域的专利申请几乎不再增加，专利的年度申请量和申请人数量均表现出负增长的趋势。

图6-27表现了全球锗金属整体的技术生命周期发展趋势。就锗金属整体而言，大致经历了以下3个阶段：

1944—1991年，专利申请量和申请人数量增长都非常缓慢，年度专利申请量未超过200件，年度专利申请人数量未超过100。专利技术发展比较缓慢，属于锗金属的技术萌芽起步期。20世纪40年代，人们发现锗是优秀的半导体材料，可以用来代替真空管，形成了锗的工业化生产，成为半导体工业的重要原料。

1992—2012年，专利申请量和申请人数量增长迅速，其间经历多次调整，总体于2012年时达到专利申请量和专利申请人数量的最高值。2012年，专利申请数量接近800件，申请人数量接近500，说明这段时间锗金属处于快速发展期。该时期内，锗金属产业在1997年前后和2006年前后经历了两次大的调整，分别对应于产业中游的专利骤减和产业下游的专利数量骤减。

2012年之后，专利申请量和申请人数量整体出现震荡波动的态势，产业整体进入调整期。进入21世纪以后，锗在红外领域的应用得到了极大的开拓和提升，红外光学用锗已经跃升为金属锗的第一市场。而近年来，随着绿色革命、新能源技术的开发和应用，锗在太阳能领域高转换率、抗辐射和长寿命的特殊优势日益显现，正在成为新能源的关键材料，受到世界各国的普遍重视。

（2）发达国家/地区的产业构成

产业构成是指产业链不同专利技术占全部申请量配比的情况。图6-28显示出了全球锗金属产业结构配比随着时间发展的情况。从总量来看，位于下游的应用部分的专利数量达到了64.3%的比重，其次是产品23.0%，精炼/提纯方面的专利占比最小，仅为12.7%。上述数据表明：目前在锗金属产业方面研发的重点集中在应用领域，上游的精炼/提纯和产品制造相关方面的研发热度较低，专利数量较少。

图6-28　锗金属产业全球发达国家产业专利构成

从产业结构配比的发展趋势来看，1959年前中游专利占比极低，专利主要集中在上游和下游，尤其上游专利数量占据较大的比重，并在1959年达到峰值74.4%。1960年之后，下游应用方面的专利申请占比不断扩大，中游产品方面的专利占比则呈现稳中有增的态势，在1995年前后达到了最大值，并且连续三年超过了50%；上游专利占比不断减少。1995年之后，下游应用相关专利占比呈现快速提升，并于2002年达到最大占比85.2%，此后下游占比一直保持在70%～80%的绝对比重，直到近几年才出现回落；同一时期中游方面的专利占比不断下降，直至2001年中游占比趋于稳定，保持在15%～22%；而上游专利占比则在1992年触底后长期保持在较低水平，近几年出现了占比上升。

专利申请地区是专利权保护区域，是该产品的市场和产业所在地，通过对于锗金属产业的专利技术构成分析，可以初步了解在锗金属领域技术研发热点和优势技术所集中的区域。从专利申请量排名靠前的国家/地区产业链结构配比来看，各个国家均呈现出应用＞产品＞精炼/提取的态势。其中，中国、德国的上游专利申请占比较高，分别达到15.3%和19.1%；美国、日本和韩国上游专利占比较小、下游应用专利占比较大，美国的应用占比在5个国家中最大，达到了76.5%的比重。在所有5个国家中，韩国的上游占比最小，仅为2.2%，说明韩国对锗金属产品的进口依赖程度最高（见图6-29）。

图6-29　锗金属产业主要国家产业专利分布

从各个国家专利公布趋势可以将全球产业专利竞争格局分为以下几个阶段：①1972年之前，这个阶段仅有美国一个国家有相关专利公布；②1972—2010年，日本开始参与锗金属产业并逐渐取代美国成为锗金属产业数量最多的国家，专利申请态势呈现较大的波动，这种状态一直维持到2000年，其间，欧洲、韩国、中国分别出现相关专利；③2000—2010年，这段时间美国重新成为全球锗金属产业公开专利最多的国家，并且除了美国短暂的出现申请量超过100件外，其他国家的专利申请量均在100件以下；④2011年之后，中国成为公开相关专利最多的国家，并且随着年份的推移专利公开量呈现出较为快速提升，其他国家中，美国2016年前专利平稳增长并于2016年达到专利公布的峰值，欧洲、日本和韩国则各自在震荡中保持相对的稳定。整体而言，锗金属产业专利格局在2000年之前由美国和日本主导，2010年之后则由中国主导（见图6-30）。

图6-30　锗金属产业发达国家发展趋势

（3）产业技术布局重点

对产业链专利技术数量的研究可以获知整个产业内部的技术热点和研发较为集中的方向。图6-31是锗金属产业各技术分支全球专利申请的分布情况。可以看出，全球锗金属产业的专利申请中下游应用方面的专利占据一般以上的比重，上游精炼/提纯和中游产品分别占比12.7%和23%。

上游专利中，涉及锗金属精炼的专利占比6.9%，涉及提纯方面的专利占比5.8%。产品相关专利中，有机锗方面的专利数量最多，占到所有专利比重的14%；其次是锗单晶4.5%和二氧化锗3%；占比最少的是四氯化锗分支，仅有1.1%。下游应用方面，专利数量占比最大的是半导体器件方面，占到所有专利比重的33.7%；其次是红外光学，占比约10%；再次为光纤应用和太阳能电池方面，分别占比8.4%和7.9%；占比较少的是保健品/药品/化妆方面的应用和PET催化剂方面，分别占比5.1%和0.3%。从发展趋势上来看，占比最多的半导体器件是在2000年之后迅速增多，在过去20年形成了量的积累；有机锗相关专利则是在20世纪90年代和2010年后出现了两次阶段性的增加。

图6-31　锗金属产业全球专利技术布局

综上所述，全球锗金属产业专利中，应用相关占比最高，其次是中游产品，上游精炼/提纯占比最低。二级分支中半导体器件、有机锗、红外光学是全球锗金产业专利布局重点。

（4）各个技术方向近五年发展趋势

从近5年各个分支专利申请情况，可以了解到哪些技术方向是未来申请和布局的热点所在。图6-32显示锗金属产业近五年专利的技术分布，从图中可以看出，上游的精炼，中游的有机锗、锗单晶，下游的半导体器件、红外光学和光纤属于专利申请数量较多的技术分支；而从近五年各个二级分支专利申请在当年的申请量占比和平均增长率来看，上游的精炼，中游的锗单晶、有机锗，下游的半导体器件、红外光学、太阳能电池等平均占比较大；从平均增长率来看上游的精炼、提纯，中游的四氯化锗、二氧化锗、锗单晶等分支呈现正向增长，其他二级分支均为负向增长。综合两方面的数据，可以看出，上游精炼、提纯；中游锗单晶四氯化锗、二氧化锗几个分支近几年研发热度较高。

一直以来申请量较大的分支，如产品中的有机锗，应用的半导体器件、红外光学等多个分支，虽然申请量占比仍然较大，但是出现了负面增长，表明近几年在这些二级分支上申请量一直在减少，申请热度出现减退的趋势，一定程度上预示着这些领域的研发进入了平台期或者遇到了瓶颈，有待进一步突破。

图6-32　锗金属产业近5年专利技术分布

6.2.3.2　云南锗金属产业竞争力定位

（1）技术创新区域定位

技术创新区域定位是通过对研究区域专利数量在全球、全国的定位情况进行分析，了解该区域相关产业在全球、全国产业链的具体位置、创新实力，以及专利技术分布情况。了解技术创新的区域定位，有助于了解该区域整体创新实力、发展趋势以及目前产业专利结构情况。

图6-33　锗金属产业国内外区域分布

图6-33显示出锗金属产业地域。从图中可以看出，在全球锗金属产业，公布专利数量最多的是美国，共有3662件专利；其次为中国和日本，分别公开了3525件和2494件专利。上述3个国家/地区公布的专利数量与其他国家/地区相比，在数量上呈现出较为明显的优势，属于专利申请的第一梯队，专利申请量总和超过了全球所有锗金属产业专利申请量的50%。其余公开国家/地区的专利中，德国和韩国位于第二梯队，专利申请数量超过1000件，分别为1189件和1096件，其他国家/地区的专利申请数量均不足1000件。(www.xing528.com)

图6-33还显示了全国前十省份及直辖市锗金属产业的专利排名情况。可以看出，在全国排名的前十省份及直辖市中，上海市锗金属产业的专利申请量共453件，位列全国第一；江苏省以363件专利申请位列第二；云南省位列第三，相关专利申请300件。紧随其后的是北京市和广东省，分别有285和216件申请。其余靠前的省份是浙江省、陕西省、湖北省和天津市，分别有相关专利184、175、133和104件，其余省份或直辖市的专利数量不足100件。

综合来看，中国锗金属产业专利数量在全球排名第二，仅次于美国；云南省锗金属产业的专利申请量位于我国第一梯队，仅次于上海和江苏。

图6-34　锗金属产业国内各省市技术分布

从产业格局上来看，排名前10的省份/直辖市可以分为两组：云南和湖南在产业格局上表现出较大的相似性，专利均主要集中在上游和中游，仅有较少的专利涉及应用下游；其他个省（自治区、直辖市）的专利格局与云南、湖南相反，均在应用方面的专利占比最高（加图6-34）。

从专利数量上来看，上海的专利数量最多的是下游的半导体器件技术分支，专利数量有338件，其余技术分支最多的仅是半导体器件技术分支的1/10，特别是PET催化剂方面专利数量为零。江苏省在锗金属全产业链分布较为平均，仅PET催化剂方面专利数量明显少于其余分支专利数量；云南省相关专利涉及最多的是锗的精炼，专利数量有159件，其他技术分支数量明显少于该技术分支，且云南省在应用各分支专利数量上明显较少，特别是PET催化剂和光纤方面专利数量为零；北京、陕西、天津三个地域的专利技术分布与上海较为类似，以半导体器件应用专利为主，其他方面专利数量较少；广东在锗的精炼、太能电池、半导体器件应用方面的专利数量相对较多；湖北省最多的专利数量在于锗在光纤方面的应用，湖南最多的专利涉及锗的提纯。

图6-35　云南锗金属产业专利发展趋势及专利类型

图6-35显示了云南省的专利申请趋势，从图中可以看出，云南省的专利申请趋势整体呈现波动上升的趋势。云南省锗金属产业的最早发明出现在1992年，是一件可控双球面锗单晶生长方法的专利，申请人为昆明冶金研究所。第一阶段1992—1994年共申请4件专利，其中3件授权，涉及从褐煤和锅炉尾气中提取锗的方法等，申请人是云南临沧鑫圆锗业股份有限公司和云南省临沧南汀化工厂。其后在2001—2007年，陆续有少量申请间断出现，这些专利全部获得授权。2008年开始，申请量快速提升，2020年达到最大申请量44件，近几年授权比例约在60%～70%。云南省的所有专利中，发明专利占比较高，达到62%，但是相较于全国发明专利申请占比85%和全球发明专利申请占比96%来说，仍然存在一些差距。

（2）企业创新实力定位

通过对特定时期专利申请者所申请专利的总数可以发现特定技术领域的主要创新主体和竞争对手。通过各个创新主体专利数量的统计，可以获知这些企业的研发实力，通常专利占有比例大的创新主体，其研发阶段较长、研发投入较多、创新实力较为雄厚，团队合作、集体智慧趋势更为明显，这些申请人即为该技术领域的主要创新者。

图6-36是锗金属产业全球、中国以及云南本地企业和高校、科研院所的专利布局排名情况。可以看到，IBM、西门子、英特尔三个跨国企业排名全球锗金属产业专利申请数量的前3位，排名前10位的企业中，日本和美国企业占据绝大多数席位，中国进入前30位排名的仅有上海华虹宏力半导体制造有限公司和杭州麦乐克科技股份有限公司两家企业，分别排名第12和26位。云南无一家企业进入全球前50位。排名最靠前的云南企业是云南临沧鑫圆锗业股份有限公司和云南驰宏国际锗业有限公司，专利申请量排在全球第59位和第60位；另外，云南申请量排名靠前的还有昆明汇泉高纯半导材料有限公司，排名第90位。可见云南企业和高校的锗金属产业专利创新实力在全球范围内还相对较弱，与其作为锗金属产业上游主要提供来源和龙头企业所在地的地位存在不匹配的情况。

图6-36　锗金属产业全球、中国及云南创新主体排名

从全国范围看，上海华虹宏力半导体制造有限公司的专利申请量高居榜首，相关申请多达138件，是排名第2位的电子科技大学专利申请量的2倍之多，西安电子科技大学排名第3位。云南省的云南驰宏国际锗业有限公司排名全国第五位，云南驰宏国际锗业有限公司排名第8位。排名前50位的还有昆明汇泉高纯半导材料有限公司、昆明理工大学、云南驰宏锌锗股份有限公司、昆明云锗高新技术有限公司、云南中科鑫圆晶体材料有限公司，分别位于全国排名的13、22、26、30和50位。可见在全国范围内，云南省相关企业的创新实力较强，整体提升了云南在全国锗金属产业的创新实力。

云南本地锗金属产业专利中，云南驰宏国际锗业有限公司、云南临沧鑫圆锗业股份有限公司、昆明汇泉高纯半导材料有限公司、云南东昌金属加工有限公司、昆明理工大学占据当地排名前五的位置。排名前十的申请人中有两所大学：排名第五的昆明理工大学和排名第十的云南大学，其余申请人均为企业申请人。

其中，排名第一的云南驰宏国际锗业有限公司是一家以铅锌锗产业为主，综合回收稀贵金属，集地质勘探、采矿、选矿、冶炼、化工、深加工、贸易和科研为一体的国有控股上市公司。排名第六的云南驰宏锌锗股份有限公司是其母公司。 2018年，驰宏锌锗专门成立了全资子公司驰宏锗业拓展锗业务，目前拥有高纯四氯化锗、高纯二氧化锗、锗单晶、锗毛坯片及成套红外设备等先进生产线，具备年产锗金属60吨的生产能力，在锗金属市场掌握行业具备相当话语权。

排名第二的云南临沧鑫圆锗业股份有限公司简称云南锗业，主要从事锗矿开采、精深加工和研发，锗产业链较为完整。是全球最大的锗系列产品生产商与供应商，新材料行业领军企业。该公司拥有丰富的锗资源，国家超大型锗矿，锗金属保有储量890吨，占全国的26%，是国内锗产业链最完整、锗金属保有储量最大、产销量最大的锗系列产品生产商和供应商，是全国唯一拥有锗矿开采、火法富集、湿法提纯、区熔精炼、精深加工及研究开发一体化产业链的锗企业。该公司年锗产量为40.5吨，约占中国产量的35%，全球产量的25%，属于全球锗金属产业链龙头企业。排名第四、七、八、九位的云南东昌金属加工有限公司、昆明云锗高新技术有限公司、云南中科鑫圆晶体材料有限公司、云南鑫耀半导体材料有限公司均为云南锗业的下属公司，昆明云锗高新技术有限公司是规模化和专业化的红外光电产品研发、设计、加工制造中心，云南中科鑫圆晶体材料有限公司是专业生产低位错、高性能VGF锗单晶衬底的企业，云南鑫耀半导体材料公司生产Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底。

排名第三位的昆明汇泉高纯半导材料有限公司是2000年5月由日本东昌贸易株式会社出资在昆明注册成立的外资独资企业，至今已有近20年的锗、铟生产和销售历史，是国内较早从事锗系列产品生产及销售的外贸企业之一，经营范围包括生产和销售自产的锗、铟、触媒（催化剂）等高纯半导体材料等。

锗金属产业全球主要创新分布见表6-3.

表6-3　锗金属产业全球主要创新技术分布

续表6-3

（3）创新人才储备定位

图6-37显示出锗金属产业全球、中国和云南本地专利申请量前12的发明人。可以看出，在云南本地的发明人中，普世坤、彭明清、崔丁方、唐安泰、李建平、陈知江、子光平、朱知国、缪彦美、何兴军等人位列前十。其中普世坤以55件专利申请的数量位列第一。而中国排名前十的发明人中，除了第1、3、9位发明人来自其他地区外，其他发明人全都来自云南。全球锗金属产业排名靠前的发明人中，来自IBM公司的发明人REZNICEK，ALEXANDER贡献了最多的发明数量，其专利主要涉及包含硅锗层的整流器、晶体管等半导体器件；排名第二的发明人CHENG，KANGGUO同样来自IBM公司。排名第三和第四的发明人来自英特尔公司。

图6-37　锗金属产业全球、国内以及云南发明人排名

图6-38显示云南锗金属产业发明人合作研发的情况，从图中可以看出发明人普世坤、朱知国隶属于云南临沧鑫圆锗业股份有限公司，分别是云南锗业的法定代表人和总经理。排名第二的彭明清与崔丁方、陈知江、子光平、缪彦美、何兴军等人属于一个研发团队，均隶属于云南驰宏锗业，其中崔丁方是法定代表人，彭明清是该公司高级工程师，其专利申请主要涉及锗单晶、锗多晶的提取和二氧化锗、四氯化锗的制备。排名第三的李建平与唐安泰隶属于昆明汇泉高纯半导材料有限公司，其中李建平是该公司的总经理，李建平与唐安泰是该公司的所有专利申请的署名发明人，主要专利涉及二氧化锗、四氯化锗、区熔锗、锗单晶的制备方法和系统。

图6-38　云南锗金属产业发明人合作研发

（4）合作研发及专利运用定位

合作研发即专利申请人/专利权人数量2名以上的专利或专利申请，图6-39显示出全球、中国和云南合作研发专利占该地区所有专利申请的比重。从图中可以看出，全球和中国合作研发专利占比均达到10%的比重，而云南省的合作专利占比达到20%，远超全球和中国的平均水平。云南的合作申请专利中，既有企业与企业之间的合作研发，也有企业与高校之间的产学研合作，企业之间的合作主要涉及母公司与子公司、同一母公司的子公司之间进行合作申请，产学研合作则主要涉及当地企业与当地或外地高等院校的协作研发。

图6-39　锗金属产业专利合作研发占比及云南合作研发关系

云南的合作申请专利中，云南临沧鑫圆锗业股份有限公司、昆明云锗高新技术有限公司、昆明理工大学等申请人合作申请较多，云南临沧鑫圆锗业股份有限公司分别与云南东昌金属加工有限公司、红河学院、云南大学、武汉云晶飞光纤材料有限公司有17件、2件、2件和1件合作申请，主要涉及从锗精矿、冶炼渣、褐煤、含锗烟尘、含锗废料等原料中进行提取和富集锗的方法。

昆明云锗高新技术有限公司和云南鑫耀半导体材料有限公司、云南中科鑫圆晶体材料有限公司共同申请了14件专利申请，主要涉及直拉法和区熔法提取锗单晶，以及高纯度锗多晶的制备等方法和相关产品。昆明理工大学的主要合作申请对象是云南驰宏锌锗股份有限公司（3件）、哈尔滨众达电子有限公司（2件）、国网上海能源互联网研究院有限公司（2件），以及云南驰宏资源综合利用有限公司（1件），主要涉及含锗锌浸渣的处理方法、从含锗锌浸出渣中高效提取有价金属及减量化处理方法，以及改进的Ge光电探测器及其制备方法等。

图6-40　锗金属产业全球、中国、云南专利运用占比及主要运用类型数量

云南锗金属产业的专利运用数量相对较少，共30件，占云南所有专利中的10%，其中专利转让是最主要的专利运用方式，共有15件，质押9件、许可专利6件。从全国来看，锗金属产业涉及专利运用438件，占所有专利总量的12.4%，同样转让专利数量占比最大，位384件，此外质押29件、许可19件、保全4件、诉讼1件、无效1件。从全球来看，专利运用数量达到2528件，占据所有专利数量的13.8%，其中1957件涉及转让、432件涉及质押、124件涉及许可、9件涉及保全、4件涉及诉讼、2件涉及专利无效。

云南省申请量占全国锗金属产业所有申请量的8.4%，而专利运用数量仅占全国专利运用数量的6.9%。由此可以看出，云南省专利运用程度相较全国和全球来说均处于偏弱的状态。云南省涉及的专利运用具体类型及详情如表6-4所示。

表6-4　云南省运用专利具体类型及详情

续表6-4