石墨烯（Graphene）本身並非是壓電的材料，2012年史丹佛大學的材料工程師通過摻雜原子破壞對稱性的方式，從而發現可讓石墨烯產生壓電特性。由於石墨烯本身具有很強的韌性、導電性、導熱性、彈性、敏感度和透明性，因此是可穿戴感測器中最具開發潛力的候選者。本文通過專利檢索的方式找尋石墨烯壓電材料在生醫領域的應用，有鑑於生物醫療技術需要大量的監測感測裝置，石墨烯獨有的特性相當適合應用在生醫領域感測與檢測裝置上，前景相當看好。目前，該技術領域尚未出現巨頭企業，全球專利申請量不高，非常適合企業與科研單位提前進行技術的布局。

圖片來源：wikipedia.org

石墨烯簡介

石墨烯是一種新興材料，2004年由英國曼徹斯特大學的物理學家海姆（Sir Andre Konstantin Geim）和諾沃肖洛夫（Sir Konstantin Sergeevich "Kostya" Novoselov）從實驗中分離出來，兩人也因此發現於2010年獲得諾貝爾物理學獎。由於特殊的結構形態，使其具備世界上最硬、最薄的特質，同時也具有很強的韌性、導電性、導熱性、彈性、和透明性；其強大的親合力可以與其他特定的材料結合起來，產生出新的應用與功能，因此石墨烯被稱作21世紀新材料之王 (JWN, 2019)。

2012年史丹佛大學的兩名材料工程師Evan Reed與Mitchell Ong 展示石墨烯壓電材料，他們發現可以通過原子的選擇性表面吸附將壓電效應設計到非壓電石墨烯中。單面石墨烯的一側摻雜原子會破壞反演對稱性，從而產生壓電性(Ben,2012)，這是一個全新的發現。由於石墨烯是世界上最薄的材料之一，高靈敏度、柔性和可穿戴性等特點，已經廣泛地應用於可穿戴電子器件、電子皮膚、柔性顯示器、面部表情識別和智能機器人等領域。

壓電薄膜作為石墨烯的支撐材料，通過壓電材料將壓力信號轉變為電信號來監測身體健康，石墨烯的高柔韌性和出色的透光率也能滿足皮膚傳感器透明性的觸摸屏標準，超薄，透明且柔性的石墨烯電極材料已成為未來可穿戴設備應用中最有希望的候選者 (Young,2019)。

石墨烯及其衍生物應用在人體健康監測的傳感器已經非常常見，當前正在研究基於石墨烯的傳感器有兩個主要領域：非侵入性（可穿戴）傳感器和侵入性（可植入）設備。非侵入式健康監測傳感器，通常是可穿戴傳感器和電子人造皮膚（e-skin），與非侵入性對應物相比，靠近目標器官或組織的侵入性傳感器顯著提高了感應準確性和療效。據Haizhou Huang (2019) 的統計，目前石墨烯及其衍生物監測的傳感器應用很廣，包含體溫測量、心率、腕部脈搏、呼吸頻率、血壓、血糖、心電圖信號、肌電圖（EMG）信號和腦電圖儀（EEG）信號等等 (Huang, et al.2019)。

圖 1.  石墨烯感測器在身體上的監控應用

圖片來源：Huang, et al.2019

石墨烯專利分析

筆者於2020年7月透過Incopat專利檢索系統對石墨烯壓電技術進行了全球專利檢索，檢索範圍為2003年到2020年7月的公開專利，通過繁中、簡中、英、日、韓五種文字對石墨稀與壓電關鍵字在標題與摘要進行檢索，共整理出500餘篇專利，經過逐篇人工閱讀及篩選，最後統整剩下281篇，以下為針對281篇石墨烯壓電技術進行的分析。

● 石墨烯壓電專利數量統計

在281篇石墨烯壓電專利中，中國專利共有181件，占全部專利一半以上，專利總數最高；而美國、韓國同屬專利總數較高的國家。從授權專利來看，美國授權專利12件，授權比例約在36.36%，中國有64件專利已經授權，授權總數量最高，但授權比例僅佔35.35%。值得注意的是，台灣10件專利中有6件專利已經取得授權，授權率約在60%，這是否意味著在石墨烯壓電領域，申請台灣專利比其他國家更容易取得專利的授權？

從技術的類別來觀察，石墨烯壓電的核心技術應較為適合採用發明專利來保護，然而從授權發明專利中可以發現，中國已授權的發明專利數量僅有36件，說明中國專利數量總數雖然高，在已授權專利中，發明專利比例較低，只有19.89%，相較於美國、日本、韓國及其他地區多以發明專利對技術進行保護，中國專利申請人在石墨烯壓電技術領域的保護意識仍有待加強改進。

表1.  石墨烯壓電專利數量統計

葉咨甫製表；數據來源：Incopat資料庫；2020年7月

●　石墨烯壓電專利申請區域統計

從專利申請地區來看，亞洲國家為主要的專利技術申請國，其中又以中國、韓國、日本與台灣等區域為主，在前６名中占據4個席位。中國專利數量比重最高，在國際五大局及台灣的專利總數中占整體68%，美國33件，占比12%，位居第二，韓國、日本分別為18件與14件，占比7%及5%，排名在第三與第四位；PCT專利11件，台灣專利10件；歐洲在該技術領域的專利申請數量較少。從專利申請的數量來看，中國和美國是石墨烯壓電技術領域主要的專利申請國家。

圖 2.   石墨烯壓電專利申請區域統計

葉咨甫製圖；數據來源：Incopat資料庫；2020年7月

●　石墨烯壓電專利主要申請人

在石墨烯壓電專利申請人前10名中，企業共有6家，大專院校占了4家，前5名主要都是企業所申請。其中，芬蘭的NOKIA公司共申請專利14件，從2010年到2016年分別在PCT、美國、中國、歐洲以及日本申請專利，主要針對4個核心的專利家族進行保護。台灣的研能科技股份有限公司共有9件專利分布在2個核心的專利家族，該公司集中在2017-2018年向台灣、中國、日本、美國及歐盟提出申請。韓國三星公司共有6件專利分布在2個核心專利家族，申請期間在2013-2015年，申請地點為美國、韓國與日本。

在前10名專利申請人中並沒有發現美國與日本的專利申請人的蹤跡，經查驗後發現該地區的專利申請人較為分散，除了前3名以外，其他都是中國的專利申請人。從專利申請路徑來看，除了中國電子科技大學以外，其他的專利申請人傾向在特定的年份申請大量的專利，而非有規劃性的逐步完善技術的保護範圍，此現象可能與國家政策科技補助的模式有關。

表2.  石墨烯壓電專利主要申請人

註：紅色的深淺代表專利數量的多寡，顏色越深數量越多
葉咨甫製表；數據來源：Incopat資料庫；2020年7月

●　石墨烯壓電專利申請趨勢

從石墨烯壓電專利申請的趨勢來看，申請日經過三個波峰，而且每次的增長都超過前一個波峰的高度，這表示該技術領域的技術能量正在逐步爆發當中，未來有較大的前景。受限於發明專利必須經過18個月才會公開的因素，2019-2020的部分資訊尚未揭露，因而導致申請數量的遞減現象，這是屬於正常的狀態。由於從截稿日往前推18個月的專利數量尚未完全公佈，故此數量僅供參考，該部分資料會隨著資料庫的更新而更加完善。值得注意的是，公告的專利逐年增長，在2012年到2014年還不到5件，在2019年已經達到25件的高峰，顯示，該技術在近5年有跳躍式的大幅增長。

圖 3.  石墨烯壓電專利申請趨勢

葉咨甫製圖；數據來源：Incopat資料庫；2020年7月

●　石墨烯壓電專利技術分佈

從石墨烯壓電合作專利分類（Cooperative Patent Classification, CPC）的技術分佈來看，主要的技術集中在H01L 41這個類別，該類別對應的技術類別是壓電設備的零件與處理，其中，H01L 41/0478是最相關的技術分類，非金屬導電材料的電極或電連接裝置用於壓電或電致伸縮設備分類共有17件。其他還有在B82Y 30/00奈米複合材料、H01L 29/1606 石墨烯半導體器件等分類。

表 3.  石墨烯壓電專利技術分佈

葉咨甫製圖；數據來源：Incopat資料庫；2020年7月

●  石墨烯壓電專利申請人技術分佈

石墨烯壓電專利申請數量較高的前10名專利權人技術應用在不同的技術領域，有壓電諧振器、致動器、脈搏檢測系統、感測器自校正系統、電子螢幕修復材料、壓電薄膜、光探測器等，顯見石墨烯壓電材料可以應用在不同的產品與項目之上，未來發展潛力無限。

在專利佈局的部分，排名前3的公司都在本國以外進行專利佈局，中國、美國、日本是該3家公司主要佈局的區域。從表4中也可以清楚發現中國的專利申請人只在中國區域進行專利的申請，並未在海外進行專利的佈局，顯示中國專利申請人對於中國市場地域性的偏好與海外專利佈局的缺陷。

表4.  石墨烯壓電專利申請人技術分佈

葉咨甫製圖；數據來源：Incopat資料庫；2020年7月

●　石墨烯壓電專利地圖

通過資料庫系統對於專利文獻技術領域進行分類，初步分為四個類別，分別是壓電協震器、紡織品(生理特徵)、壓電陶瓷材料、吸音塗料。

圖4.  石墨烯壓電專利地圖

葉咨甫製圖；數據來源：Incopat資料庫；2020年7月

從石墨烯壓電專利地圖中，可以看到壓電協振器所佔的比例最高，系統將薄膜體聲波協振器、單電子晶體管、致動器等歸在該類別中。紡織品則主要是與穿戴裝置相關的柔性感測材質。壓電材料的部分由許多複合材料所組成，主要是以聚偏氯乙烯材質為主。另外，還有一部分專利是屬於吸音材料，例如專利申請人Theodore W. Denney, III在專利號20170306166中揭露塗在房間牆壁上的聲學塗料，可以改善房間的聲學特性並相應地提高聲音的清晰度（例如，溫暖，豐富和細膩）。聲學塗料是一種塗料粉底，該粉底混有具有共振頻率的粉末狀壓電材料或粉末狀非壓電晶體材料，以便可以依據房間進行聲音控制。或許該技術未來會與生物聲學領域，例如人工喉結、耳膜等研究方向結合，帶給人們更多醫療技術上的創新革命。

結論

科學家一直在尋找一種採用可穿戴式材料、低功耗、具有高敏感度且低廉成本的生理數據監測儀器，作為21世紀新材料之王的石墨烯，具有獨特的透光度、敏感度、可彎曲、輕薄、奈米級特性，成為醫療感測器中最有希望的候選人之一。石墨烯壓電材料可以透過形變產生電流，若能將此電流妥善的運用並儲存，將有利於傳感器的自供電以及傳輸，如此一來，將有利於醫學上對特定的部位進行監控以及獲取相關生理數據。

從專利數據來看，中國在石墨烯壓電材料申請了許多專利，也有非常多的高校與企業參與石墨烯壓電材料的專利申請，中國已經成為該技術領域最主要的專利申請國，甚至遠超過美國、日本、韓國等全球科技大國。不過從三個層面可以看出專利的保護意識淡薄，申請專利數量雖然高，但專利的佈局程度較差。首先是授權的發明專利比例低，許多專利並非透過發明專利保護，且有很大的比重尚未取得授權。其次，是專利佈局的時間，部分高校並未有良好的專利佈局規劃，特定年份專利申請數量很高，但並沒有後續的延伸與對核心技術加強保護。最後是海外專利佈局量少，多數的中國企業只申請中國市場，並未向海外其他國家進行專利佈局，由於專利保護是屬地主義，且專利一旦公開全球都可閱讀，缺少海外佈局將造成核心技術的外流，不利技術的保護。在本文專利分析中可以發現，申請前三名的專利權人皆非中國籍，且在時間與地域上都有進行專利的佈局，可以作為一個相關的對比。

本文通過專利分析探索石墨烯壓電材料在生醫領域的應用，發現石墨烯壓電材料傳感器非常適合應用在生醫領域，穿戴式裝置會是主要的應用，勘入式體內監控裝置具有巨大潛力。除此之外，在觸覺感測器、聲學感測器、隱形眼鏡、腦神經領域、都有許多可以衍生的應用。部分資料還顯示相關技術可以應用在奈米發電機 ( Willatzen, and Wang,2018)、微機電系統 (Rahman,2016)、生化感測 (農藥、基因、抗體)( Roy , et al 2019；Miroslav,2018)、細胞和組織增生(耳蝸刺激、骨骼再生) ( Kausik,2020) 的應用，石墨烯壓電材料在醫療領域應用前景光明，然而，目前全球在石墨烯壓電材料技術領域尚未出現顯著的專利申請人與完善的專利佈局，企業或高校可以提前進入該技術領域並建立完善的專利保護。

參考資料：

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報立場。】

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