新型量子点光电器件专利分析
陈迎春
(华中科技大学图书馆查新站 国家知识产权信息服务中心，湖北 武汉 430074)
摘 要： 分析了世界主要国家量子点光电器件专利情况，美国、韩国和日本量子点光电器件发展比中国快，但是中国未来发展潜力巨大；国外机构在量子点光电器件领域的专利申请有比较全面、完整的布局。对中国量子点光电器件发展提出了建议。
关键词： 专利；量子点；光电器件
0 引言
量子点是指三维尺寸小于或者等于其对应体相材料激子玻尔半径的半导体纳米晶[1]，一般为1～20 nm的球体或类球体，包含大约几十到上万个原子。2016年科技部将“量子点发光显示关键材料和器件研究”列入“战略性先进电子材料”重点专项[2]；工信部将量子点显示纳入国家“十三五”规划重点发展的关键技术[3]；国家发改委更是将量子点显示列入重点消费品更新升级的国家战略[4]。量子点光电器件领域经过近30年的发展，美国整体上处于领先地位，中国、韩国、日本等紧跟其后。同时也在最初专利技术的基础上发展出新工艺，建立了较为全面的保护体系。作为一项“颠覆性技术”，量子点光电器件将在未来信息行业掀起一场技术革命，为我国信息产业突破国外技术和专利封锁，占据产业科技制高点，实现“换道超车”提供了良好的契机[5]。笔者将结合光电器件领域的主要方向，分析全球及中国量子点光电器件专利的技术分布及发展情况。
1 数据来源与检索策略
数据来源于中国国家知识产权局、美国专利商标局、欧洲专利局Espacenet和德温特等专利数据库。通过咨询量子点光电器件专家并进行试检索的方式确定检索式，检索时间为2019年6月，对检索结果进行了较为细致的人工去噪处理，得到量子点光电器件相关的全球专利申请853件，授权285件。2018年的数据有部分未被收录，由于专利从申请到公开有一定的时滞期，但对分析并不产生实质性影响[6]。
2 量子点光电器件专利宏观分析
表1列出了世界主要国家量子点光电器件专利申请及布局情况。
表 1世界主要国家量子点光电器件专利申请及布局情况
图1反映了量子点光电器件专利主要国家的布局态势。光电器件量子点专利申请主要在美国、中国、韩国、日本和欧洲等，美国1993年出现第一件量子点专利，并一直保持领先地位。2000年以前该领域专利申请较少，2004年开始，韩国和中国加入该领域的研究，并持续有技术成果产出，随着我国在科研投入的增加，一跃成为重要的专利申请国家。2006年中国专利申请突破5件，并持续保持年均5件以上的专利申请速度，2010 年后，中国的新型光电器件行业开始逐渐发展，涌现出如TCL、京东方科技集团、杭州纳晶科技和深圳聚飞等一批知名的量子点光电器件生产企业[7]，在2016年的专利申请多达51件，成为单年全球申请最大的国家。近几年，随着综合国力的增强，中国逐渐成为全球量子点光电器件的生产基地，这在很大程度上进一步刺激了量子点光电器件行业的快速发展。
图 1量子点光电器件专利布局态势
美国量子点光电器件起步比中国早，2010年之前发展速度明显快于中国。韩国由于三星电子等国际级企业的存在，其起步阶段也早于中国。我国量子点光电器件技术起步阶段发展比较缓慢，但随着科技政策的完善和投入的增加，企业积极性高涨，量子点光电器件技术也随之快速增长。可以推断，未来中国量子点光电器件产业发展潜力巨大。
2.5 敲低 lncRNA-8439 能降低 nanog 表达水平和肿瘤细胞悬浮球数量 使用 siRNA-2 在 Huh7和 Hep3B 细胞中敲低 lncRNA-8439 的表达后，分别收集细胞利用实时荧光定量 PCR 和蛋白质印迹法检测 nanog 的表达量，结果显示干扰组中的 nanog 表达量在 RNA（图5A）和蛋白水平（Huh7 细胞：40.57±1.19 vs 435.81±6.75，Hep3B：18.50±0.75 vs 470.13±2.18；图5B）均降低，与对照组相比差异均有统计学意义（P 均＜0.01）。同时，干扰组的肿瘤细胞悬浮球数量明显少于对照组（图5C）。
表 2量子点光电器件专利布局国申请前 10位的专利权人及专利申请数量(单位：件)
3 技术比较分析
通过对专利的技术小类进行标引分类统计，得到不同地区量子点光电器件专利重点技术领域分布，见表3。
三星电子是国外在中国布局最多的机构，TCL是国内专利申请最多的机构，本文对三星和TCL的技术发展脉络进行简要对比，如图4所示。可以看出，三星电子于2006年开始在中国布局量子点存储器，2015年开始布局量子点显示器件，主要技术是开发无镉、无铅的QLED。为适应我国推动重点消费品更新升级的国家战略，TCL集团2015年开始布局，前两年主要集中在量子点合成与提纯、稳定性提高等，2016年着手将量子点应用于发光与显示器件。
表 3世界主要国家量子点光电器件专利申请技术领域分布表(单位：件)
3.1 专利技术发展演进
中国是全球新型光电器件的最大消费国，外国企业和研发机构2004年就开始在中国实行专利布局。图3是国外机构在中国的量子点光电器件专利申请情况。
表2列出了量子点光电器件专利布局国申请前10位的专利权人及专利申请数量。可以看出，三星电子是在全球布局专利最多的企业。我国的TCL、京东方和深圳聚飞等企业虽然也开始布局此领域的专利，但都只局限于国内。可能是由于我国企业和研发机构对知识产权战略的意识不强，也可能是对美欧日韩等国的知识产权制度研究不够透彻。为了抢占量子点光电器件领域的制高点，我国有必要加大国际专利布局。
图 2量子点光电器件技术发展演进图
基于量子点的光电探测器，主要包括光电导体、 光电二极管和场效应光电晶体管3类，专利总申请122件，授权32件。2005年，Sargent通过选取不同的量子点表面配体和合适的金属电极，使用溶液法制备的纯PbS量子点的红外光电探测器，调节金属微结构阵列的结构与量子点尺寸，实现高灵敏、可调谐的窄带光电探测器[9]。
石灰质量符合Ⅲ级以上标准，并在使用前7d进行充分消解。水泥采用32.5级复合硅酸盐水泥，初凝时间不小于4h，终凝时间不小于6h。
除了上述主要器件外，量子点光纤波导和存储器等专利总申请87件，授权39件。
3.2 国外机构在华专利的历年申请分析
通过选取量子点光电器件领域的重要专利来梳理发展路线，得到技术演进图，如图2所示。2000年之前的专利申请涉及的是量子点合成工艺及其性能的优化，合成方法包括热注入、阳离子交换、配位基团交换和室温合成等，专利申请246件，授权89件，内容涵盖量子点的钝化、溶剂稳定性、核壳结构等；随着合成技术的成熟，2000-2010年专利主要涉及光伏器件的制备及光电转化效率的提高，很多研究者尝试了不同材料不同结构的量子点太阳电池，量子点光伏电池领域总申请123件，授权30件，最高转换效率可达21%以上；2010年之后，量子点越来越多被用于发光显示、探测器、光纤波导、单光子光源和存储器等。量子点发光二极管(QLED)具有光谱可调、半峰宽窄、色彩饱和度高、发光效率高等优点，能更好地还原物体的原始色彩，是新一代显示技术的发展方向，也是我国重点发展的产业之一。量子点发光和显示器件总申请274件，授权93件。QLED的发光效率仍不够理想，主要原因是以CdSe量子点的空穴注入势垒高，载流子复合效率低。为了解决该难点，彭笑刚课题组在发光层与载流子传输层中加入阻挡层PMMA，降低了电子的传输效率，得到了发光波长为640 nm、半峰宽为28 nm的高饱和度发光器件，该器件外量子效率达到20.5%[8]。三星电子开发了基于CuInS2量子点的QLED器件。CuInS2量子点是具有500～800 nm吸收波长的低毒材料，量子产率和半峰宽分别高达80%和90～120 nm，这些特征使得CuInS2量子点可成为下一代无毒白光光源的优良器件。
在培养人才的同时，也要注重高层次人才的引入。对于企业，除了企业自身能够提供优厚的待遇吸引人才，政府也应当提供人才落户的相关优惠政策，从而吸引更多的电子商务高端人才进入宿迁市的各企业工作。
加拿大多伦多大学Sargent教授和浙江大学彭笑刚教授是国内外量子点光电器件研发的先行者。图5描述了他们的专利技术发展演进及布局情况。
图 3国外机构在华的专利布局情况
3.3 主要申请人在中国专利布局发展演进
现采用三维反求技术进行建模并结合3D打印技术研制待修复复杂曲面，其原理如图1所示。首先对待修复的复杂曲面通过数据采集运算单元进行高精度提取，其次通过优化算法计算曲面边缘不宜测量的数据，从而得到完整零件的原始曲面模型数据以及不规则的待修复曲面模型数据，最终将此提取表面输入到3D打印机中，直接打印成型预修复零件的破损部位。然后通过精密抛光或光整加工将3D打印所取得的零件曲面进行后处理，得到超精密曲面，最后通过粘结技术将该修复曲面粘结到缺损零件的缺损部位中。
图 4主要申请人在中国专利技术发展演进
3.4 重点发明人的技术演进及专利布局
从统计曲线中可以看出，国外机构申请较多的年份出现在2014年以后，每年都有专利产出，年申请最大达13件。在华布局专利最多的机构依次是三星电子、佛罗里达州立大学、康宁公司和夏普公司。为了能够在市场和技术竞争中争取有利地位，我国从事量子点光电器件研发的机构应当将国外同类机构列为重点关注对象，密切关注其技术及市场战略的发展。
（3）注重系统的稳定性与开放性。平台依附于企业级服务器，系统稳定运行的情况下，尽可能减少和杜绝系统漏洞，在此基础上丰富系统功能，全面改进稳定性，形成客户端技术层面上的与用户需求相贴合的体验。
图 5重点发明人的专利技术发展演进及布局情况
Sargent教授在本领域申请的专利最多，计有29件，布局涵盖美国、加拿大、中国、韩国、日本等国家，他于2004年开始布局本领域的专利，主要包括量子点在光探测和成像传感器的应用和技术开发。为了使研究成果商业化，他于2006年创立了InVisage技术公司，主要生产量子点探测器和传感器，用于提高移动数码设备的成像质量。事实上，InVisage公司在美国的专利布局量仅次于三星电子，列第二位。
彭笑刚教授2000年开始在美国、日本、欧洲和加拿大布局专利。他早期的专利主要集中于镉系量子点的合成及性能的提高，由于镉的毒性限制了这些量子点的器件应用。2014年以后，他开始着手非镉量子点的制备及器件应用，应用领域主要为发光器件和单光子源，特别是QLED。同样为了促进成果转化，于2009年创办了纳晶科技，从事量子点的研发、相关应用技术与产品开发，应用于光电、显示、照明和生物领域。
4 结论及建议
通过前述对比分析，国外机构在量子点光电器件领域的专利有比较全面、完整的布局，而国内公司在专利布局方面有较为明显的差距。
为了促进我国量子点光电器件技术健康发展，建议如下：①由于无镉无铅量子点具有较为广阔的市场前景，因此，国内研发机构应加大对此研发投入，尤其要防止国外企业和科研机构在这些技术上产生垄断性优势。②目前各类量子点光电器件仍处于基础研发阶段，在专利方面的限制较少。为了能够在市场竞争中占据主动，国内企业应对研发成果通过合理布局及时申请知识产权保护，形成以核心技术为主体的专利合围，可将各技术功效中的空白点与研发工作相结合，探索是否能够在该空白点处实现技术的突破和专利的挖掘。
参考文献：
[1] KAGAN C R，LIFSHITZ E，SARGENT E H，et al.Building devices from colloidal quantum dots[J].Science，2016，353:885-894.
[2] 战略性先进电子材料重点专项——“量子点发光显示关键材料与器件研究”项目启动会在杭州召开[EB/OL].[2019- 07- 24].http://www.most.gov.cn/kjbgz/201611/t20161123_129114.htm.
[3] 史冬梅，杨斌.量子点材料与显示技术发展现状与趋势[J].科技中国，2017(12): 8-10.
[4] 国家发展改革委员会，生态环境部，商务部.关于印发《推动重点消费品更新升级 畅通资源循环利用实施方案(2019-2020年)》的通知[EB/OL].[2019- 07- 24].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201906/t20190606_938326.html.
[5] 金一政，彭笑刚.量子点显示——中国显示行业“换道超车”的曙光[J].浙江大学学报(理学版)，2016，43(9): 635-637.
[6] 陈摇军，张韵君，王健.基于专利分析的中美人工智能产业发展比较研究[J].情报杂志，2019，38(1)：41-47.
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[9] 高亮.硫化铅量子点的光电应用：光电探测器和发光二极管研究[D].武汉：华中科技大学，2018.
doi: 10.3969/j.issn.1006-8554.2019.12.019
作者简介： 陈迎春( 1967-)，女，江西九江人，硕士，副研究馆员，主要从事科技查新、知识产权及大数据信息服务工作。