1.1 锗金属产业发展现状

1.1.1 锗金属产业相关概念

锗（Germanium）元素是一种典型的稀有分散元素，在地壳中含量约百万分之七。锗具有亲石、亲硫、亲铁、亲有机的化学性质，很难独立成矿，一般以分散状态分布于其他元素组成的矿物中，成为多金属矿床的伴生成分，比如含硫化物的铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)矿床以及某些特定的煤矿。全球锗的资源比较贫乏，全球已探明的锗保有储量仅为8600金属吨，按照目前200吨/年的速度开采，则43年后全球存量锗就会耗尽。

锗与锡、铅在元素周期表中属同一族，后两种元素被古代人发现和利用均比锗早，而锗长时期以来没有被工业规模的开采并不是由于锗在地壳中的含量少，而是因为它是地壳中最分散的元素之一，含锗的矿石很少，被称为"稀散金属"。

直到20世纪30年代，由于冶炼工业的带动，锗和锗化合物的研究才有了进一步的发展。1942年，人们发现锗是优秀的半导体材料，可以用来代替真空管，这才形成了锗的工业化生产，成为半导体工业的重要原料。锗在20世纪六七十年代曾经是一种典型的半导体材料，在当时的科技水平和应用环境下，享有国家战略物资的地位。随着技术进步，稀缺而昂贵的锗在半导体领域的基础应用大量被丰富而廉价的硅替代，但锗的电子迁移率和空穴迁移率比硅大，适用于超高速转换开关电路，因而在高频快速低噪声的领域，锗器件的性能远远优于硅器件。

目前，锗是重要的半导体材料，在半导体、航空航天、核物理探测、光钎通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域都有着非常广泛的应用，是重要的战略储备资源。近年来，随着光纤通信产业的发展升级、红外光学在军用以及民用领域范围的拓展以及深化，再加上太阳能清洁能源利用率的提升带动太阳能电池在研发端、生产端都显示出了极大的发展潜力等因素的影响，全球锗行业的发展也迎来了振兴的势头，尤其是在中国光纤通信以及太阳能电池产业的快速发展带动下，中国锗的消费量快速增长。

锗一般不产生具有工业价值的聚集(除非洲亚米比亚锗某矿山)，主要富集在硫化物和硫酸盐(如闪锌矿、方铅矿等)、铁氧化物和氢氧化物(如赤铁矿和黄铁矿等)以及某些煤中(如褐煤等)。锗产业链的初级加工为：锗在主金属的选矿和冶金过程中被初步富集，品位一般不到千分之一，再经过火法冶金(或湿法冶金)等工艺制得锗精矿(一般含锗2%~20%)，经盐酸和氯气作用后，生成粗四氯化锗，粗四氯化锗经过水解得到二氧化锗，二氧化锗经过工业反应生成区熔锗。锗的深加工为：粗四氯化锗经过提纯得到光纤用四氯化锗，区熔锗经过加工制造得到锗单晶片。锗的元部件产业为：光纤用四氯化锗经加工制得光纤用四氯化棒，锗单晶片加工得到锗衬底和红外光学镜片，二氧化锗经过加工得到聚酷纤维(PET)催化剂。锗的终端应用为太阳能电池、红外仪器和光纤等。

图1-1 锗金属产业链

锗是红外光学、光纤、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、电子和太阳能工业等领域的重要应用材料。光纤是最大的消费领域。红外光学是第二大消费领域，消费份额为26%。进入21世纪以后，锗在红外领域的应用得到了极大的开拓和提升，红外光学用锗已经跃升为金属锗的第一市场。而近年来，随着绿色革命、新能源技术的开发和应用，锗在太阳能领域高转换率、抗辐射和长寿命的特殊优势日益显现，正在成为新能源的关键材料，受到世界各国的普遍重视。目前以锗为衬底的高效多节太阳能电池制造技术在国外已经成熟，在实验室里的光电转化效率达到40％以上，是硅太阳能电池的2-3倍，被广泛应用于人造卫星、航天飞机等空间航天器的太阳能电源和地面聚光太阳能发电系统。

其首要用途在光纤添加的四氯化锗方面。锗在通信光纤领域中的作用具有不可替代性。光纤到户的逐步推进将扩大光纤光缆行业对光纤级四氯化锗的需求；铜质电缆的被替代将扩大光纤光缆行业对光纤级四氯化锗的需求；3G及4G建设的推进将扩大光纤光缆行业对光纤级四氯化锗的需求；村通工程的建设将扩大光纤光缆行业对光纤级四氯化锗的需求。

其次是红外军工领域。据了解，由锗光学元件组成的红外光学镜头是热像仪产品里除探测器以外的重要关键部件，直接决定着红外热像仪的光学成像质量，随着现在军事装备的日益现代化对红外产品的需求加大，红外市场成了锗的另一大需求源。据美国陆军实验室估计，目前世界锗在红外光学领域的年需求量占整个锗消费量的30%左右。

另外在太阳能电池需求方面，锗太阳能晶片的稳定性和光转化率目前遥遥领先其他材料。分析人士表示，航空航天领域及卫星市场的发展扩大了对太阳能电池的需求。

2.1产业格局的演进

2.1.1发展趋势及生命周期

产业的发展通常伴随着竞争格局的不断改变。专利作为一种排他性的权利，在很大程度上能反映出竞争的程度，进而映射出行业变化的趋势，产业创新实力也可通过专利申请数量和统计分析进行评价。因此，通过研究区域锗金属相关技术专利申请量随时间变化的情况，可以掌握锗金属相关技术的总体发展趋势。

图 2-1锗金属产业全球专利发展趋势及案件状态

上图为锗金属领域相关专利全球申请专利趋势，截至检索日，锗金属专利申请总量为18323项，专利申请量总体呈现先扬后抑的态势。近几年申请量下降的原因一部分是发明专利在申请后 3～18 个月公开，实用新型专利和外观设计专利在申请后6个月左右公开以及数据库收录滞后的原因，另一部分锗金属产业应用端研究热度较之前略有减退，使得整体专利申请数量有所下降。

图 2-2 锗金属产业全球专利上中下游发展趋势

上图显示锗金属产业全球专利上、中、下游的发展趋势。从产业链不同技术分支的发展趋势来看，上游提纯/精炼方面的专利主要集中在1944-1965年、1996年之后两个时间段，整体申请趋势呈现U形，其中1958年是上游专利申请量的最大值（87项）。中游产品和下游应用方面则先后出现了申请量的快速提升；中游产品分别在1994年出现了申请量的最大值158项，此后最然在调整回落之后重新出提升，但专利数量并未超过1994年，例如2012、2019年中游产品相关专利均为152项；下游相关专利在1994年前后进入快速发展期，并于2016年达到最高值600项，近几年出现一定程度的回落。

图 2-3 锗金属产业全球专利生命周期

技术生命周期是科技领域中重要的研究主题之一，专利技术生命周期是根据专利统计数据绘制，以帮助确定相关产业技术当前所处的发展期。技术发展通常可以分为四个时期：技术萌芽起步期、技术发展期、技术成熟期和技术衰退期。

一般来讲，技术起步期是指任何一项新技术自诞生之后最初被引入市场的那段时期，该时期专利数量较小，大多是原理性的基础专利，并且申请专利的企业也较少。此外，随着年份的推移，专利申请量和申请人数量的年均增长幅度都比较小；随着基础技术问题的解决和市场不确定因素的消除，技术逐渐赢得市场认同并为部分厂家相继采用，迎来了快速成长的发展期，该时期市场不断扩充，进入市场的企业持续增加，技术分布的范围也逐渐扩大，相关专利申请和专利申请人的数量快速增加，并且增长率随着年份的推移显著加快；一项技术在经历了起步期和发展期后，赢得了社会的广泛认同，充分打开了市场局面，进入了为广大用户采用的技术成熟期，该时期市场容量的有限性凸显，进入技术领域的企业数量趋于稳定，表现为年专利申请量和申请人数量保持相对稳定；技术衰退期是指一项技术在经历了发展期和成熟期之后，技术的领先优势逐渐消失的时期，该时期技术的发展已经濒临饱和，此时的技术成为基础技术或常规技术，当技术老化后，企业也因收益递减而纷纷推出市场，此时有关领域的专利申请几乎不再增加，专利的年度申请量和申请人数量均表现出负增长的趋势。

上图表现了全球锗金属整体的技术生命周期发展趋势。就锗金属整体而言，大致经历了以下三个阶段:

1944~1991年，专利申请量和申请人数量增长都非常缓慢，年度专利申请量未超过200项，年度专利申请人数量未超过100。专利技术发展比较缓慢，属于锗金属的技术萌芽起步期。20世纪40年代，人们发现锗是优秀的半导体材料，可以用来代替真空管，形成了锗的工业化生产，成为半导体工业的重要原料。

1992~2012年，专利申请量和申请人数量增长迅速，期间经历多次调整，总体于2012年时达到专利申请量和专利申请人数量的最高值。2012年，专利申请数量接近800件，申请人数量接近500，说明这段时间锗金属处于快速发展期。该时期内，锗金属产业在1997年前后和2006年前后经历了两次大的调整，分别对应于产业中游的专利骤减和产业下游的专利数量骤减。相关资料显示，该段时间

2012年之后，专利申请量和申请人数量整体出现震荡波动的态势，产业整体进入调整期。进入21世纪以后，锗在红外领域的应用得到了极大的开拓和提升，红外光学用锗已经跃升为金属锗的第一市场。而近年来，随着绿色革命、新能源技术的开发和应用，锗在太阳能领域高转换率、抗辐射和长寿命的特殊优势日益显现，正在成为新能源的关键材料，受到世界各国的普遍重视。

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