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WIPO發布鈦相關專利趨勢報告-陶瓷使用鈦及鈦塗料專利家族，臺灣全球排序第6

本報告概述了截至2022年4月，所發布的從鈦鐵礦中提取二氧化鈦和鈦金屬，以及與鈦化合物工業應用的專利活動。自2002年以來，從鈦鐵礦中獲取二氧化鈦的提取過程專利活動，有強勁的增長。二氧化鈦生產專利主要貢獻者，是來自中國大陸、澳洲和美國的公司，反映了這些國家對二氧化鈦工業生產的貢獻。

自2012年以來，越來越多且大量的專利，描述了二氧化鈦的工業應用，包括在電子產品的陶瓷絕緣體中、在電子設備及汽車電池中作為電極使用。二氧化鈦的工業應用領域主要參與者，是電子和汽車的跨國公司，主要來自日本、韓國和幾所中國大陸大學。數家領先的工業要角，都是非常頂級的，顯示了這些技術的成熟度及其廣泛的工業用途。

在陶瓷使用鈦的專利活動，以臺灣為第一先申請之國家專利家族數量，臺灣排序第6；依按管轄劃分，陶瓷相關專利家族至少有一被授予專利者，臺灣排序第7。在鈦為基礎的塗料專利活動，以臺灣為第一先申請之國家專利家族數量，臺灣排序第6；依按管轄劃分，鈦塗料專利家族至少有一被授予專利者，臺灣排序第7。

一、簡要介紹

鈦是地殼含量第九高的元素，總量約占地殼的0.6%，可應用在許多領域，最常見的應用形式為二氧化鈦(titanium dioxide)，也有鈦金屬(titanium metal)或鈦合金(alloy)的應用。二氧化鈦主要存在於重礦砂礦床，例如鈦鐵礦(ilmenite)、金紅石(rutile)和白鈦礦(leucoxene)。

通常加工鈦鐵礦可用來獲得鈦精礦(titanium concentrate)，如果它含有超過90%的TiO2(二氧化鈦)，稱為「合成金紅石」(synthetic rutile)，如果有較低的TiO2含量，則可以成為一般的「含鈦礦渣」(titaniferous slags)。鈦精礦(titanium concentrate)82%來自鈦鐵礦加工提取，而13%來自含鈦礦渣，5%來自「金紅石」(Rutile)。

本報告提供了2002年至2022年從鈦鐵礦砂(Ilmenite ore)生產/製造鈦、二氧化鈦、鈦金屬過程，相關的專利活動的概況。此外，還有包含一些工業應用的部分，包括二氧化鈦和鈦金屬的應用，例如陶瓷、電池電極、醫療科技、化妝品、塗料和淨水處理。

二、鈦開採及生產概況

(一)鈦

鈦是一種具有高度產業價值和商業價值的金屬，並以二氧化物、元素金屬或合金形式，使用於許多應用中。

世界上約有94%的鈦，是用於生產二氧化鈦，其餘6%用於生產鈦金屬和鈦合金。

2002年至2022年間，中國大陸是最大的二氧化鈦和鈦金屬生產國，其次的二氧化鈦生產國為美國，鈦金屬生產國則為日本。

(二)鈦礦開採和世界生產

1.中國大陸係目前鈦礦開採活動最活躍的國家。世界上大約35%的鈦鐵礦是在中國大陸開採，占鈦礦石開採總量的33%（包括鈦鐵礦和金紅石）。

2.南非和莫三比克也是重要的貢獻者，分別占全球鈦鐵礦開採量的13%和12%。澳大利亞占鈦鐵礦開採總量的6%，並占金紅石開採總量的31%。

3.中國大陸是最大的二氧化鈦生產國，其次是美國和德國。

4.中國大陸也是鈦金屬生產的領導者，日本、俄羅斯聯邦和哈薩克，也逐漸成為這一領域的重要貢獻者。

(三)不同國家對含鈦礦石開採的貢獻

中國大陸在鈦礦石的開採及加工處理引領全球，其占全球鈦礦開採產量的33%，並占了將近50%的鈦和二氧化鈦總產量。

美國、澳大利亞、加拿大、烏克蘭和印度都積極參與鈦礦開採和加工處理。

南非、莫三比克、挪威、塞內加爾、肯亞和馬達加斯加只是開採礦石，並不涉及鈦加工處理。

日本、俄羅斯聯邦、哈薩克、沙烏地阿拉伯、德國、墨西哥和英國則不參與開採天然礦石，但對礦石或礦渣的加工處理以及二氧化鈦和鈦金屬的生產，皆是重要的貢獻者。

圖片1各國二氧化鈦產能

圖 1 2020年各國二氧化鈦生產量(千公噸)

中國大陸為二氧化鈦最大產能國家，其次為美國(圖1)。

圖片2e各國鈦礦開採及生產

圖 2 各國對於含鈦礦石開採、二氧化鈦生產、鈦生產的貢獻占比

有些國家在開採鈦礦及加工處理鈦皆有貢獻(中國大陸是首要國家)，有些國家(主要位於非洲)則僅有開採，還有一些亞洲及歐洲國家只針對加工處理投入心力(圖2)。

三、以鈦鐵礦生產二氧化鈦相關的專利活動，正在迅速增加

2002年至2022年間，以鈦鐵礦生產二氧化鈦相關專利家族數量共計459個，迅速增加，而且這個數字還在迅速成長中。

以鈦鐵礦生產二氧化鈦相關的專利活動於2014年至2019年的年均複合成長率(Compound Annual Growth Rate,CAGR)為8%(圖3) 。

圖片3e鈦鐵礦製造二氧

圖 3與鈦鐵礦生產二氧化鈦相關的專利家族

(一)這些專利中，有大部分的專利係在描述預處理(pre-treatment)過程，例如使用熔煉 (smelting separation)和磁選分離(magnetic separation)來提高低劣礦石中的鈦濃度，從而產生鈦精礦或礦渣(slags)。

(二)其他專利則描述了，以直接的濕法冶金(hydrometallurgical process)工法或透過兩種工業工法-硫酸鹽工法和氯化物工法（sulfate process and the chloride process）獲得二氧化鈦。

1.酸浸(Acid leaching)法可用於預處理(pre-treatment)或成為濕法冶金(hydrometallurgical process)工法的一部分，以直接獲得二氧化鈦或合成金紅石（>90% TiO2）。

2.硫酸鹽工法(sulfate process)生產二氧化鈦，占二氧化鈦總產量的40%，占相關專利家族總量的23%。

3.氯化法(chloride process）僅占專利家族總量的8%，但它提供了全球60%的二氧化鈦產能的生產量。

鑑於這份專利概況報告的調查結果，可以預期在未來幾年內，產業上使用氯化工法將逐漸減少，而直接施以濕法冶金(hydrometallurgical process)工法將越來越多，這種工法需要的步驟更少，也更方便。

(三)二氧化鈦生產專利的主要貢獻者是中國大陸、澳大利亞和美國的公司，反映了這些國家對二氧化鈦工業生產的重大貢獻。中國大陸攀鋼集團(Pangang)和龍佰集團(Lomon Billions)是主要貢獻者，他們擁有多元化的專利組合，涵蓋預處理和最終產物生產過程。

圖片4二氧化鈦生產工業商

圖 4 二氧化鈦生產專利活動(工業商)

可見主要的二氧化鈦生產(工業商)來自中國大陸、澳洲和美國(圖4)。

圖片5二氧化鈦生產學術及公家

圖 5 二氧化鈦生產專利活動(學術及政府機關)

二氧化鈦專利活動主要活躍的學術及政府機關，來自中國大陸、印度、俄羅斯聯邦(圖5)。

四、以鈦鐵礦製造鈦金屬相關專利活動保持穩定

2002年至2022年，共有92個專利家族描述了從鈦鐵礦製造鈦金屬的過程，這個領域的專利家族數量一直保持穩定。這些專利描述了從鈦鐵礦等礦石，開始製造鈦金屬，或是從二氧化鈦(TiO2)和四氯化鈦 (TiCl4,硫酸鹽工法中的化學中間產物)製造。

(一)礦石的提取，如果有需要，須將這些原始材料(starting materials)加以純化，然後使用還原劑，透過化學還原過程(chemical reduction process)將其轉化為鈦金屬。

各種工法的主要區別，在於用於將原始材料轉化為鈦金屬的還原劑：鎂(magnesium)是最常提及的還原劑，也是工業生產中使用最多的還原劑。

(二)該領域的主要參與者是日本的公司，特別是Toho Titanium公司和Osaka Titanium Technologies，它們都專注於使用「鎂」來進行還原。攀鋼集團(Pangang)對鈦金屬生產也做出了貢獻，並擁有描述熔鹽電解還原(molten salt electrolysis)的專利。

由於該領域的專利活動變動緩慢，而且大多數工業參與者，著重於標準工業流程，因此，預測該流程在未來幾年不會發生重大轉變。其中一項正在新興的技術，就是攀鋼集團(Pangang)開發的熔鹽電解。

圖片6鈦鐵礦製造鈦金屬6

圖 6 2002年至2021年鈦鐵礦製造鈦金屬生產專利家族

自2002年起，以鈦鐵礦製造鈦金屬相關的專利活動一直都保持穩定，沒有較大的成長幅度(圖6)。

五、二氧化鈦和鈦金屬在工業應用上用途廣泛

二氧化鈦主要用於生產顏料，用於油漆、造紙和塑料工業，其餘的二氧化鈦則在化學工業中用於製造碳化物(carbides)和其他化合物。

鈦金屬和鈦合金用於以下用途：

• 航太和軍事工業中的太空梭和導彈的生產，因為其強度重量比(strength-to-weight ratio)特性。

• 船舶和海水冷卻發電廠的塗料，因為它們對於鹽腐蝕(salt corrosion)有很高的對抗性。

• 煉油廠和化學工業的催化劑。

• 醫療人工關節、支架(stents)和手術器械的生產。

• 輕量的產品和運動器材，例如珠寶、高爾夫球桿和自行車。

二氧化鈦和鈦金屬的工業應用，專利格局非常廣，反映了這些化合物在非常不同領域中的廣泛應用。

本報告以2012年至2022年已授予或申請中的專利為範圍，進行分析，以便專注於近期的申請，並估計未來幾年的新興趨勢，共檢索收集5萬3,754個專利家族，從這個數據中，選擇了一些特定的技術領域，進行深入研究分析。

這些領域是根據專利類型選擇的（側重於產品，不包括沒有特定用途的流程、分析方法和一般組成成分），特別選擇「高科技」應用和新興技術，反映自2012年以來專利活動的變化。

2012年至2022年二氧化鈦及鈦工業應用專利分析，焦點著重於六個技術領域：陶瓷、電池電極、醫療科技、化妝品、塗料和淨水處理。

陶瓷(ceramic)

有2,027個專利家族描述了陶瓷中使用二氧化鈦和鈦複合物的情形增加。

這些材料在電子產品中，被當作絕緣體來使用，也用於一些產品（烤箱塗料）、建築和裝潢（瓷磚）。

數家領先的工業要角，都是非常頂級的，顯示了這項技術的成熟度及其廣泛的工業用途。在這些頂級工業企業集團中，三個是跨國公司和電子元件和設備的世界領導者：TDK、LG 和三星。

圖 7 2012年至2021年陶瓷使用鈦及二氧化鈦的專利家族

從2016年開始，可見鈦於陶瓷工業應用的成長，於2014年至2019年的年均複合成長率(Compound Annual Growth Rate,CAGR)為15%(圖7)。

中國大陸在陶瓷使用鈦的專利活動處於領先地位，83%的專利家族是以中國大陸作為第一先申請國家，其次是日本和韓國，臺灣排序第6(圖8)；陶瓷相關專利家族至少有一被授予專利者，臺灣於全球排序第7(圖9)。

圖片8陶瓷第一優先

圖 8陶瓷使用鈦的專利家族數量(以第一先申請之國家)

圖片9陶瓷專利授予

圖 9 陶瓷相關專利家族至少有一被授予專利(按管轄劃分)

電池電極(electrodes for batteries)

有1,874個專利家族是在保護二氧化鈦在電極中的使用，這個數字增加迅速，部分原因是因「電動汽車」的發展。

專利主要集中於鈦基化合物作為陰極(cathodes)在鋰基二次電池中的應用，用於電子產品或汽車。

頂尖要角的幾家大公司的存在，顯示了該技術的成熟度及其廣泛的工業應用。名列前茅的公司，是在電子和汽車產業的幾家跨國公司，目前有LG、三星、東芝、豐田和日產。

圖片10電極

圖 10 2012年至2021年以鈦為基礎的電池電極專利家族

此類專利家族活動自2012年開始成長，於2014年至2019年的年均複合成長率(CAGR)為11%(圖10)。

圖片11電極第一優先

圖 11以鈦為基礎電池電極的專利家族數量（以第一先申請之國家)

中國大陸在電池電極相關專利活動中處於領先地位，有76%的專利家族以中國大陸為第一先申請國家，日本、韓國和美國也是重要的貢獻者(圖11)。

(三) 醫療科技(Medical technology)

1.1,182個專利家族係在醫療科技領域，使用了鈦金屬和鈦合金，這是由於鈦本身的高強度重量比和化學穩定性，數量迅速增加。

2.植入式產品，如骨假體、皮質板、支架和鉗夾是最常被提及的應用。

3.一些專利也跟這類植入式產品和非植入式手術設備的塗層有關。

4.中國大陸的公司和大學在這個應用領域占據主導地位，上海交通大學醫學院是最大的貢獻者。

圖片12醫療科技

圖 12 2012年至2021年醫療科技使用鈦及二氧化鈦之應用專利家族

此類專利家族活動自2012年開始成長，於2014年至2019年的年均複合成長率(CAGR)為23%(圖12)。

圖片13醫療科技第一優先

圖 13醫療科技使用鈦之專利家族數量（以第一先申請之國家)

中國大陸在醫療科技使用鈦的專利申請中領先，79%的專利家族將其列為第一先申請國家(圖13)。

(四) 化妝品

1.953個專利家族保護含有二氧化鈦的化妝品組成成分，主要因其不透明/遮光性(opacity)和高遮蓋力以及抗紫外線 (UV)而被使用。

2.專利商品涵蓋了染髮/美髮、防曬霜、牙膏、皮膚美白、皮膚或唇部彩妝產品。

3.頂級大公司的大量存在反映了這項技術的成熟度。法國跨國公司歐萊雅(L’Oréal)擁有53個有效專利，位居榜首，緊隨其後的是資生堂和花王等多家日本公司。

圖片14化妝品

圖 14 2012年至2021年以鈦為基礎的化妝品專利家族

此類專利家族活動自2012年開始小幅成長，於2014年至2019年的年均複合成長率(CAGR)為12%(圖14)。

圖片15化妝品第一優先

圖 15以鈦為基礎的化妝品專利家族數量（以第一先申請之國家)

在該申請領域的專利家族，有87%係以亞洲國家為第一先申請的國家。中國大陸是第一先申請最多的國家，接續是日本和韓國(圖15)。

(五)塗料

1.908 個專利家族描述了二氧化鈦和復合材料在塗料中的使用。

2.這個領域主要由中國大陸的學術機構和公司主導，江豐國際材料(Konfoong Materials International)為半導體鍍膜材料的專家，肇慶宏旺金屬工業(Zhaoqing Hongwang Metal Industry)是一家鋼鐵製造商，而廣州紫外線科技材料是另一家玻璃、光電(photovoltaics)和裝飾品塗料的製造商。

圖片16塗料