日本在冷阴极电子源专利方面压倒性占优,当务之急是开拓用途

2016-08-310阅读0

  从专利申请情况来看,日本在几个技术领域有着压倒性优势。不过,日本的专利申请主要以在日本申请为主,在国外的申请件数偏少。但也有例外,其中之一就是冷阴极电子源。不但专利申请件数全球遥遥领先,而且在日本和海外的申请件数之差较小。在全球主要国家的专利申请件数中,日本几乎都位列第一,从全球专利战略来看,日本的立场非常有优势。不过现在的问题是,冷阴极电子源的应用范围没有扩大。日本要发挥冷阴极电子源的技术优势和技术积累,将冷阴极电子源应用于各类装置和产品,使拥有新功能的各类装置和产品投入实用。

  将电子从原子中释放到外部的电子源很早以前就开始用于电子显微镜、电子束曝光设备、平板显示器及X线设备等。电子源分为冷阴极电子源和热阴极电子源两类。热阴极电子源通过加热释放电子的阴极(发射极)来为电子提供从阴极释放的能量,而冷阴极电子源通过在阴极和阳极之间加载高电压来为电子提供从阴极释放的能量。冷阴极电子源与热阴极电子源相比耗电量小、可以实现小型化、响应速度快、释放的电子密度高等,具备技术优势。

  日本从2000年前后开始积极开发场发射显示器(FED)等使用冷阴极电子源的平板显示器。此外还证实,碳纳米管是在低电压下也会释放电子的冷阴极电子源,这作为碳纳米管的新用途引发了关注。碳纳米管的这一新用途在全球都备受期待,中国和韩国关于碳纳米管的专利申请也增多。

  在这样的背景下,日本专利厅在“平成27年度(2015年度)专利申请技术动向调查”中,调查了关于冷阴极电子源的专利申请和论文动向,在掌握日本积累了什么技术的同时,还明确了冷阴极电子源相关的技术开发和知识产权战略的方向。本文将介绍此次调查的概要。

  图1是关于冷阴极电子源的技术概览图。此次调查将“冷阴极电子源”分为“场发射型”、“半导体型”、“拥有垂直于面的电场的类型”和“拥有平行于面的电场的类型”,从“制造方法”、“目的和课题”、“用途”等角度出发,作为调查对象的技术范围。

  

图1:技术概览图

  申请件数最多的几乎都是日本籍申请人

  调查期间的冷阴极电子源相关专利申请件数的走势及申请件数比例见图2。首先来看1990年至2013年的申请件数比例,日本以52.6%的比例遥遥领先,其次为韩国20.7%,美国14.2%,欧洲7.3%,中国3.3%。从申请件数走势可以看出,除去2004年~2006年韩国申请件数猛增的时期之外,日本的申请件数一直遥遥领先。

  

图2:按申请人国籍统计的专利申请件数走势和份额 (申请国:日美欧中韩,1990~2013年的申请)

  日本籍申请人的申请数量在日本国内外都很多

  图3为各国之间的专利相互申请情况(申请收支)。先来看一下日本籍申请人,在日本的申请件数为5753件,在其他国家的申请件数为4484件,虽然在日本的申请数量相对较多,但可以看出在日本国内外均衡地进行了申请。在美国、欧洲和中国,日本籍申请人的申请件数约占各国申请件数的40%。

  再来看一下其他国籍的申请人,韩国籍申请人在韩国的申请件数为2427件,在其他国家的申请件数为1766件,与日本籍申请人呈现相同的趋势,在国内外的申请比较均衡。美国籍申请人、欧洲籍申请人和中国籍申请人方面,除了美国在欧洲申请500件,欧洲在美国申请273件之外,跨国申请均比较少。

  从图中可以看出,除了韩国以外,日本籍申请人在日本、美国、欧洲和中国的申请数量都是最多的。而在韩国则是韩国籍申请人的数量最多。

  

图3:日美欧中韩的申请收支(1990~2013年的申请)

  日本在多种类型的电子源中占优势

  图4是按技术(类型)-申请人国籍(地区)划分的申请件数。关于“场发射型”,所有国籍的申请人都申请了大量专利。另外,日本籍申请人在“拥有平行于面的电场的类型”和“拥有垂直于面的电场的类型”中的申请件数与其他国家相比相对较多,尤其是“拥有平行于面的电场的类型”,其数量达到了申请件数最多的“场发射型”的约一半。

  

图4:按技术(类型)-申请人国籍(地区)划分的申请件数 (申请国:日美欧中韩,1990~2013年的申请)

  关于在按技术划分(类型)的申请件数中各国申请数量最多的“场发射型”,下面来看一下详细情况(图5)。除了中国籍申请人外,各国都是“在平面基板上形成”相关技术的申请最多。另外,中国籍申请人和韩国籍申请人在“碳纳米管(CNT)”方面的申请数量较多。

  再来看一下日本籍申请人,与其他国家相比,“金属和金属氧化物(W,W/ZrO等)”和“柱状和锥体”方面的申请相对较多。

  

图5:按技术(场发射型的具体情况)-申请人国籍(地区)划分的申请件数 (申请国:日美欧中韩,1990~2013年的申请)

  按照目的和课题划分的申请件数方面,所有国籍的申请人都是以“低成本、容易制造”为目的和课题的申请数量最多。另外,日本籍申请人除此之外还着眼于“再现性和可靠性”、“稳定性”、“空间均匀性”等目的和课题(图6)。

  

图6:按技术(目的和课题)-申请人国籍(地区)划分的申请件数 (申请国:日美欧中韩,1990~2013年的申请)

  研发重点是电流稳定性

  上面介绍了对冷阴极电子源的专利申请状况进行调查后了解到的动向。接下来要介绍的是,从论文发表情况掌握的各国研发动向的调查结果。

  图7为按照研究者所属机构的国籍划分的论文发表件数走势和论文发表比例。另外,图7中的曲线图是整体发表论文数量的走势。整体的论文数量方面,直到2008年一直呈上升趋势,但2008年之后直到2012年都呈减少趋势,之后的情况不甚明朗,走势接近于持平的状态。

  从按照国籍划分的论文发表件数来看,日本在1996年~2008年期间持续发表论文,但之后的件数逐渐减少。韩国比日本晚几年呈现与日本相同的倾向。美国和欧洲的发表件数从1990年上半年开始增多,但近年来也呈减少趋势。相反,从2005年前后开始,中国及其他国籍的发表数量增加。其他国籍主要为图7右下方表格中的国家。

  

图7:按研究者所属机构国籍(地区)统计的论文发表件数走势及论文发表件数比例

  按技术划分(目的和课题)的论文发表件数见图8。不分国籍,发表论文受到关注的课题依次为“电流量和电流密度的提高”、“低电压”、“稳定性”。

  

图8:按技术(目的和课题)-研究者所属机构国籍(地区)统计的论文发表件数

  继续开展冷阴极电子源的基础研究并开发应用产品

  冷阴极电子源具备耗电量小、可实现小型化、响应速度快、释放的电子密度高等特点,拥有技术优势,利用冷阴极电子源的这种优势开发的新产品有电子显微镜等。但由于未能克服兼顾电子源的稳定性和寿命以及寿命和电流值等课题,冷阴极电子源并没有广泛应用于产品。今后为了克服这些课题,继续开展基础研究至关重要,包括开发发射极材料等。

  另外,冷阴极电子源相对于热阴极电子源还具有“能在低电压下释放电子”、“可形成面状”等优势,因此还可以考虑将热阴极电子源换为冷阴极电子源,或者应用于以前利用热阴极电子源无法实现的领域。为了开拓采用冷阴极电子源的新应用领域,首先需要明确电子源的具体应用对象。不仅是基础研究,进行技术开发时还要时刻想着应用对象,实现适合应用产品的冷阴极电子源的实用化非常重要。(日本专利厅审查第一部调查室)

  (全文完)