【編者按】 超材料是一種特種復合材料或結構，具有常規材料所不具備的超常物理性質，對國民經濟和國防安全具有重要意義。在國際上，超材料技術一直備受重視，《科學》雜志將其列入本世紀前十年的重要科學進展，美國國防部將其列為重點關注的六大顛覆性基礎研究領域之一。我國十分重視超材料技術的發展，國家“十三五”規劃綱要明確提出要大力發展超材料等納米功能材料。本期信息速遞通過檢索相關文獻和專利，分析超材料專利申請趨勢、技術領域分布、專利布局方向、主要研發單位情況等，深入研究超材料國內外技術發展現狀、技術側重領域和專利保護情況，并提出了相應建議。
一、超材料技術概述
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超材料是一種全新材料，是“具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料”，設計原理如圖1所示。
狹義上的超材料特指左手材料，又叫雙負材料，即一種介電常數ε和磁導率μ均為負的人工周期介質材料。廣義上的超材料指原本自然界中不存在，由人工設計、制造出來的，具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。包含左手材料、光子晶體、超磁性材料、頻率選擇表面、聲波超材料等。
超材料技術的研究已成為當前物理學、材料學與電磁學等研究領域中的前沿與熱點問題。迄今為止，人們所使用的各類功能材料都是建立在天然材料所具有性質的改進的基礎上，隨著天然材料各種性質及功能進一步發掘，其潛在的利用空間趨于極限，難以再有實質性的提升。超材料的出現，給先進軍用和民用產品、裝備的研制帶來了新的發展契機。
�。ǘ┌l展歷史簡述
超材料是由前蘇聯科學家維克托？韋謝拉戈于1964 年提出的，最早特指左手材料。隨著超材料概念的不斷擴展，其種類和范圍也在進一步擴大， 上世紀七十年代左右出現了頻率選擇表面技術，1987年由Yablonovitch和John各自獨立提出了光子晶體概念。1996～2001 年，英國物理學家和美國科學家證明了左手材料的存在。此后，英美國家掀起了超材料技術研究的高潮。
我國在超材料領域研究起步較晚，1998 年全年僅發表17 篇相關研究論文，但2003 年以后相關研究逐漸增多，發展迅速，產生了大量的科研成果。2004年12月，科技部正式啟動了名為《新型人工電磁介質的理論與應用研究》的國家重點基礎研究發展規劃（973）項目，2016年3月，國家“十三五”規劃綱要提出要大力發展超材料等納米功能材料。
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在應用方面，超材料技術已經得到多個西方發達國家政府、軍工企業、研究機構的高度重視，提升到戰略發展層面，投入了大量的人力和物力，并取得了顯著的成果。美國F-22 戰斗機己成功應用具有隱身功能的超材料－天線罩，瑞典的維斯比級護衛艦上傳感器被超材料天線罩封閉包圍，美國LPD17 圣安東尼奧級兩棲船塢運輸艦用超材料制成了全封閉式的隱身桅桿，俄羅斯海軍艦艇現代“激烈號”上使用了超材料干擾機天線罩。此外，美國海軍在新一代E2“鷹眼”預警機上安裝了超材料智能天線罩，解決了傳統天線罩圖像畸變問題。超材料天線率先在民用領域得到了應用，2009年10月，韓國LG 電子在最新款手機LG BL40 的天線部分采用了美國Rayspan 公司的左手材料，可以在不降低增益等特性時實現小型化。
鑒于超材料的重要意義，國內外相關企業和機構開展了多年研究，在全球范圍內開展了大量專利布局。為全面掌握超材料的技術發展趨勢、專利布局情況、重要研發機構和研發團隊情況，考慮到超材料技術包括左手材料、光子晶體、頻率選擇表面、磁性超材料等主要技術領域，本期信息速遞開展了全面的專利檢索。采用分類號G02B、H01B與相關關鍵詞相結合，在Derwent專利數據庫和Incopat專利數據庫中檢索，截至2016年7月，共檢索到13489項 相關專利，具體分析如下。
二、專利申請趨勢分析
由圖2可知，超材料技術專利申請經歷了三個重要飛躍。第一次為從無到有的飛躍，1972年第一項超材料技術專利申請在美國出現，是關于頻率選擇表面技術的專利。此后1989年出現了第一項光子晶體材料專利，在1991年出現了第一項左手材料專利。這一時期是一個超材料從無到有產生的萌芽時期。
1998年以后，超材料技術專利出現了第二次飛躍，這一飛躍主要由左手材料和光子晶體材料帶動。1996年和1999年，英國皇家學院Pendry等人相繼提出，周期性排列的金屬直導線陣列和開口諧振環陣列在微波波段分別能夠產生呈現負值的有效介電常數和有效磁導率，并在2000年指出，利用負折射率材料可以制造出能夠實現近場成像，而且能夠突破衍射極限限制的超級透鏡。此后，對特異材料的研究才引起科學界人士濃厚的興趣。
2011年，超材料技術專利出現了第三次飛躍，專利申請數量直線上升，專利增長率達到60%，這次飛躍歸因于中國一家高科技初創企業--深圳光啟創新技術有限公司（以下簡稱“深圳光啟”）。深圳光啟在2011年申請了703項超材料技術專利，成為全球擁有超材料技術專利數量最多的專利申請人。
三、區域分析
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1.原創地域分布
超材料技術專利原創地域是指開發超材料技術并擁有專利申請的國家或地區。由圖3可知，全球擁有超材料技術專利最多的國家是中國，共擁有4718項專利。其次為美國，擁有3210項超材料技術專利，此后為分別擁有3017項和1077項專利的日本與韓國。英國、德國分別申請了285項和208項超材料技術專利。以上六國是超材料技術最重要的技術原創國家。
2.各國專利申請趨勢情況
各超材料研究的主要國家的超材料專利申請趨勢具有各自特點，如圖4所示。
美國超材料研究起步最早，1972年，美國最先申請了頻率選擇表面超材料技術專利，在2001年時專利申請出現一次飛躍，此后逐漸上升，到2004年達到頂峰（267項）。
中國超材料技術專利申請較晚，在1990年開始申請專利，自2002年專利申請數量開始上升，在2011年專利數量實現了一次巨大的飛躍，2011年當年專利申請達到了1082項，與2010年相比，增長了289.0%，占全球當年超材料專利申請總量的68.0%。
日本超材料專利最早申請于1980年，此后緩慢上升，在2004年達到頂峰，近年來專利申請呈現下降趨勢。
韓國自1993年開始超材料技術專利申請，在2010年達到頂峰，韓國超材料專利申請趨勢早期與中國相近，但是并未出現2011年的飛躍。英、德兩國專利申請趨勢相近，保持較低數量的平穩發展。
結合超材料技術全球專利申請趨勢分析可知，在1972年至1998年之間，超材料技術專利申請起主導作用的是美、日兩國，兩國專利申請之和占全球總量的68.0%。在1999年至2010年間，美日兩國專利數量仍然占優（63.1%），但中、韓等國家專利所占比重在增加，并呈現上升趨勢，而美日兩國專利數量開始下降。在2011年以后，中國專利數量全面超越了其他國家，中國的專利申請占全球總量的75.7%，而美國僅占12.0%。
3.各國權利要求數量對比
權利要求是專利保護范圍的載體，權利要求的數量從某種程度上能夠反映出專利技術的先進性和專利的保護力度，權利要求的數量往往是單項專利質量的體現。一般來說，權利要求數量越多，專利的保護力度越大，專利質量往往越高。
通過統計各國超材料專利的權利要求數量，可初步考量各國專利質量水平。由上表可知，美國專利平均權利要求數量最多，每件專利有28.4條，其次為英國、德國。亞洲國家專利權利要求數量普遍較低，韓國有13.6條，日本為10.9條，中國為8.3條。由此可知，從權利要求數量角度看，歐美國家專利質量較高，我國專利質量有待提高。
�。ǘ┰瓌摰赜驅＠暧^保護力度分析
同族專利是指，申請人為加強對技術的專利保護力度，針對同一技術在不同國家或地區申請專利，或者從不同角度申請專利。這樣就會出現一項技術對應多項專利的情形。同族專利的數量多少能夠反映出申請人對技術的宏觀專利保護力度。同族專利數量越多，宏觀專利保護力度越大。
通過對超材料研究主要國家的專利同族專利數量進行統計，求得各國同族專利平均數，如圖5所示。其中，英國超材料專利同族專利數量最高（6.0），宏觀保護力度最大，德國超材料專利同族專利數量次之（4.5），中國超材料專利同族專利數量僅為1.5。經深入分析，中國申請人大部分只在國內申請專利（68.8%），有些申請人會在申請發明專利的同時，申請一項實用新型專利。由此可見，我國超材料技術的專利宏觀保護力度有待提高。
�。ㄈ┎季謬液蛥^域分析
專利申請的地域往往是申請人的目標市場所在。通過統計不同地域專利公開的數量，能夠體現出各地的市場活躍程度。如圖6所示，在美國公開的專利最多，有4253項，中國有3618項位居第二，說明美國和中國是超材料技術專利布局的熱點，市場活躍程度較高。
中國申請人主要在中國境內申請專利，此外，有76項PCT專利，大部分為光子晶體技術專利（92.1%），在美國有60項專利申請，同樣多數涉及光子晶體技術（88.3%），此外在歐專局有3項專利申請，在中國臺灣有1項專利申請。
除了本國申請人外，在中國大陸申請專利的國家或地區主要有日本（196），美國（97）、韓國（34）和德國（12）等。日本在中國大陸申請專利主要為左手材料技術（78.1%），美國在中國大陸申請專利以為光子晶體技術居多（64.9%）。
四、技術領域分析
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超材料技術專利在各個技術領域的分布情況如圖7所示。光子晶體有9077項專利，左手材料有1952項專利，頻率選擇表面技術有1117項專利，光子晶體技術專利最多。
（二）技術領域專利申請趨勢
頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，FSS）是由相同的貼片或孔徑單元按二維周期性排列構成的無限大平面結構，它對具有不同工作頻率、極化狀態和入射角度的電磁波具有頻率選擇特性，因而在電磁領域得到廣泛應用。早在上世紀六七十年代就得到了廣泛的關注與研究。頻率選擇表面專利最早出現于1972年，此后，專利數量平穩發展，年專利申請量始終未超過100項。
左手材料是指介電常數和磁導率都為負值的物質，電磁波在其中的傳播滿足“左手定則”，因而得名“左手材料”（Left-handed metamaterials）。1967年前蘇聯理論物理學家Veselago從理論上研究了左手材料的性質，但此后30年國際上均未制造或發現這類物質，研究一度陷入中斷。1996年Pendry等經理論研究證明周期性排列的金屬桿（Wires）的電響應與金屬等離子體類似，其介電常數。在電磁波的頻率小于等離子體頻率時為負值。1999年Pendry等又證明周期性排列的金屬開口諧振環（（Split ring resonators,SRRs）的磁導率產在諧振頻率附近為負值。2001年Shelby等把這兩種材料進行組合，首次實現了微波段的負折射，獲得了左手材料。左手材料技術專利最早出現于1991年，此后逐年上升，在2006年，年申請量超過了100項，在2013年時達到了頂峰142項。
光子晶體（Photonic Crystals, PhCs）是介質的周期排列而構成的一種人工微結構材料，由于電磁波在其中的傳播可以用類似于電子在半導體中傳播的能帶理論來描述，故而得光子晶體之名。光子晶體在1987年由Yablonovitch和John各自獨立提出。光子晶體技術的專利在1989年時開始出現，在1999出現了大幅度的上升，在2013年達到頂峰，年申請719項專利。
�。ㄈ┘夹g生命周期分析
圖9為超材料各技術領域的技術生命周期圖，以每5年內申請人數量為點繪制，體現該技術領域的吸引力和研發活力。由圖9可知，光子晶體技術自2000年以來技術生命周期曲線快速上升，吸引力較強，但是在2005年以后趨勢略有下降。左手材料技術吸引力持續上升，但是幅度小于光子晶體，頻率選擇表面技術雖然發展較早，但是當前仍然保持了上升的趨勢。說明超材料各技術領域仍處于成長期，技術吸引力較強。
（四）原創地域技術領域分布
為發現各超材料技術研發國家的技術側重點，本期信息速遞統計了各原創地域的專利技術領域分布，如圖10所示。中國光子晶體技術領先于其它國家，美國的頻率選擇表面技術專利遠多于其他國家。日本則在左手材料技術專利方面拔得頭籌。
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中、美、日三國各項超材料技術專利申請趨勢如圖11所示，中國的光子晶體技術專利在2006年以后，保持了高速增長的趨勢，年申請量增長率達到了25.9%，而美國、日本等國在2006年左右起，光子晶體技術專利申請量進入了衰退期。
美國的頻率選擇表面技術專利出現最早，在2001年以后出現了快速上升，并保持了較高的年申請量。同時，美國的左手材料技術專利在2009年前后取得了較高水平的發展。
日本的左手材料技術專利申請出現最早，同時，至今仍保持了較高的年申請量。日本頻率選擇表面技術專利申請較少，光子晶體技術的專利近年來呈現下降趨勢。
�。⿷妙I域分析
為明確全球對超材料技術的最新應用情況，根據對2005年以來的超材料技術專利進行的聚類分析結果得知，超材料技術近年來主要應用于波導、微腔、超材料復合材料、傳感器、電磁波輻射控制、電磁測量、發光二極管LED、飛行器溫度控制、光纖、激光器、頻率選擇、太陽能電池、衛星、天線、天線罩、無線通訊、顯示器、照相機、樣品缺陷檢測等。
五、申請人分析
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全球超材料技術單位專利情況如上表所示。在超材料專利申請前32位的單位中，日本有14家，中國單位有10家，美國有5家，韓國有2家。中國的深圳光啟公司（深圳光啟指深圳光啟創新技術有限公司、深圳光啟高等理工研究院）排名全球第一，中科院系統（中國科學院及其下屬各研究所，以及中國科學院大學）排名第二，這兩個單位代表了中國的科研和轉化能力。日本在前10名中單位占比高，美國在前十名中單位雖不多，但是其專利總量排名全球第二，說明其申請人總量多。
一個國家專利申請人的類型比例，能夠反映出該國技術所處在的階段。研究機構多于企業，則說明技術處于基礎研發階段；企業多于研究機構，則說明技術處于產業發展階段。在此，我們定義T為研究機構數量R與企業數量C之比。T值越小，產業化程度越高。
對中、美、日、韓四國排名前50的申請人類型進行統計和對比，結果如圖14所示。中國T值為43/7，美國為10/30，日本為2/48，韓國為32/18。T日本<T美國<T韓國<T中國，說明日本在超材料領域產業化程度較高。
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中國超材料技術專利申請人前20名如下表所示。從專利情況來看，深圳光啟是中國超材料研究領先的單位。中國科學院下屬各家研究所開展超材料研究的實力較強。深圳大學位于超材料創新的前沿，亦具有不俗的科研能力。
將中國超材料研究機構和企業分別排名，如上表所示。專利信息顯示，中國超材料研究企業呈現出一家獨大的局面，深圳光啟超材料技術與產品實力雄厚，而其他企業的超材料技術多處于初創時期。中國研究機構專利數量總體多于企業，有一定的科研成果具有轉化潛力，其技術團隊是我國超材料研發的中堅力量和重要財富。
六、結論與建議
通過深入分析超材料技術的發展趨勢、專利布局情況、重要研發機構和專利保護情況，得出如下結論及建議。
1.超材料技術得到了普遍重視，但是各國發展重點不同，國外已經減少了光子晶體等成熟技術的投入，我國要及時調整，有針對性地加強超材料技術領域的研發。
超材料領域光子晶體、左手材料、頻率選擇表面三大技術專利分布不同。光子晶體專利數量最多，有9077項專利，左手材料有1952項專利，頻率選擇表面技術有1117項專利。從技術生命周期來看，左手材料和頻率選擇表面技術還處于成長期，光子晶體技術已進入成熟期。美國、日本的國家自2005年起，已開始逐年減少光子晶體技術的專利布局。雖然我國近十年來在超材料技術領域布局了大量專利，并成為超材料技術全球第一大專利申請國。但是我國超材料技術專利主要集中在光子晶體領域。
建議我國要深入研究超材料各技術領域的研究現狀和應用前景，有針對性地加強超材料技術的研發。對于左手材料、頻率選擇表面技術，要加大投入，鼓勵基礎技術和關鍵技術的攻關。對于光子晶體技術，要通過專利分析，充分利用國外技術信息；與國外先進企業合作，引進技術成果；明確該領域的重點技術攻關方向，集中力量開展研發工作。
2.國外超材料技術產業化程度較高，我國要加強超材料技術成果轉化，推進超材料技術產業化發展。
全球超材料技術申請人主要分布在美國、日本、中國、韓國等國家或地區。中國的深圳光啟公司和中科院專利數量占據前2名。美國申請人數量總量多，日本在前10名中單位占比高。通過分析各國專利申請人的類型比例發現，中國研究機構與企業數量之比43/7，美國為10/30，日本為2/48，韓國為32/18，即日本在超材料領域產業化程度較高，中國產業化程度較低。
建議加強超材料技術的成果轉化，促進技術產業化發展�？梢劳鞋F有基礎，培育優勢企業，以點帶面，實現超材料技術的產業化發展。鼓勵中科院、各大高校培養具有扎實研發基礎的技術人才，促進其以專利許可、技術入股等方式開展超材料技術成果轉化。通過政策和資金的傾斜，加強對深圳光啟等超材料技術企業的扶助，培育更多的各具特色的超材料技術優勢企業。
3.國外超材料技術的專利保護力度較強，我國需提升超材料技術專利保護水平。
在宏觀方面。通過分析各國超材料技術申請同族專利保護的情況發現，英國平均單項技術有6件同族專利，宏觀保護力度最大，德國平均有4.5件，中國平均同族專利數量僅為1.5件。在微觀方面，通過統計各國超材料專利的權利要求數量，初步考量出各國專利質量水平。美國專利平均權利要求數量最多，每件專利有28.4條，其次為英國、德國。亞洲國家專利權利要求數量普遍較低，韓國有13.6條，日本為10.9條，中國僅為8.3條。
建議提升超材料技術的專利保護水平，一方面要加強重要技術成果的海外專利布局，另一方面要提高專利的撰寫質量。雖然我國超材料技術專利數量已經世界領先，但是，在專利布局范圍和專利撰寫質量方面，還與發達國家存在差距。應鼓勵有需求的企業加強海外專利布局，同時引導企業提升專利撰寫水平，以實現最大的專利保護。（中國航天科工集團知識產權研究中心 李峰供稿）
本文僅代表研究基地專家觀點，未經許可，不得轉載。
【注釋】
1 一項專利是指一項德溫特同族專利，即對同一技術在不同國家或地區申請的，或者從不同角度申請的多項專利歸并計算為一項。
