楊 斌， 王世榮

(1. 科學技術部 高技術研究發(fā)展中心，北京100040； 2. 天津大學 化工學院，天津 300072)

1 引 言

當前科技研發(fā)投入的主體主要是政府和企業(yè)。政府科技立項研發(fā)內容一方面來自科研工作者的自由探索，另一方面來自根據(jù)重大需求形成的指南。企業(yè)研發(fā)內容主要以市場為導向。本文以國家重點研發(fā)計劃戰(zhàn)略性先進電子材料重點專項的新型顯示方向的主要技術系統(tǒng)為對象，運用現(xiàn)代發(fā)明問題解決理論(TRIZ)中的S曲線分析工具，根據(jù)新型顯示技術系統(tǒng)的市場表現(xiàn)、主要價值參數(shù)(Main Parameter of Value, MPV)和專利數(shù)量等情況，綜合研判其所處的發(fā)展階段和進化趨勢，從而為研發(fā)重點和研發(fā)內容的確定提供參考依據(jù)。同時，本文根據(jù)不同顯示技術系統(tǒng)相關專利的年度發(fā)表數(shù)量與其發(fā)展狀態(tài)的對應關系，分析研發(fā)資源投入對產(chǎn)品生命周期的影響。

2 新型顯示主要技術系統(tǒng)發(fā)展階段和發(fā)展方向研判

2.1 對新型顯示技術系統(tǒng)發(fā)展階段的分析判斷

目前新型顯示領域主要的技術系統(tǒng)有液晶顯示(LCD)、有機電致發(fā)光顯示(OLED)、電子紙(E-Paper)、激光顯示(LD)、量子點電致發(fā)光顯示(QLED)和微發(fā)光二極管(Micro-LED)顯示。根據(jù)現(xiàn)代TRIZ理論的技術系統(tǒng)S曲線進化趨勢，可以描述上述顯示技術系統(tǒng)分別處于不同的發(fā)展階段。

所謂S曲線進化趨勢是指技術系統(tǒng)的每個主要價值參數(shù)(MPV)都隨時間呈S型曲線進行演變，并先后經(jīng)過嬰兒期、過渡期、成長期、成熟期和衰退期，如圖1所示[1-2]。MPV是指對客戶價值貢獻最大的參數(shù)，即影響消費者購買決策的因素。作為顯示系統(tǒng)，其主要MPV可以是色彩、分辨率、功耗、壽命、尺寸以及重量等。除MPV以外，市場表現(xiàn)是判斷技術系統(tǒng)所處發(fā)展階段的另一個重要依據(jù)。

圖1 S曲線進化趨勢示意圖Fig.1 Trend diagram of S-curve evolution

處于嬰兒期的技術系統(tǒng)往往是概念性的，初步運用作用原理實現(xiàn)了主要功能，但對產(chǎn)品整體的設計還不是十分清晰和精細，MPV普遍較低且增長緩慢，無法進入市場。技術系統(tǒng)進入過渡期的標志是產(chǎn)品接近上市或擁有小眾市場。之所以稱為過渡期，是因為在此階段，技術系統(tǒng)有可能在其他新興的或成熟度高的技術系統(tǒng)的強烈排斥下停止發(fā)展，也可能由于自身顯現(xiàn)的優(yōu)勢得到認可而獲得更多的投資資源，各種MPV開始增長，技術成熟度提升而進入成長期。成長期是技術系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，MPV迅速增長，產(chǎn)品進入批量生產(chǎn)，市場不斷擴大。進入成熟期后，技術系統(tǒng)發(fā)展放緩，MPV幾乎沒有增長。

進入衰退期的技術系統(tǒng)，市場需求減少，產(chǎn)量大幅下降，為了保證整體價值V的提升，必須降低功能以大幅降低成本，因此MPV有所降低。技術系統(tǒng)的價值如式(1)所示，是總的功能(ΣF)與總的成本(ΣC)的比值，總的功能可以通過對技術系統(tǒng)進行功能分析獲得定量的數(shù)據(jù)[3]。技術系統(tǒng)的這種進化以使價值V總是提高的趨勢，是現(xiàn)代TRIZ中技術系統(tǒng)的另一個重要進化趨勢，即提高價值進化趨勢。

(1)

根據(jù)各技術系統(tǒng)的市場表現(xiàn)、主要MPV以及自第一件專利出現(xiàn)到2020年專利數(shù)量的變化情況(圖2)，綜合判斷各新型顯示技術系統(tǒng)的發(fā)展階段如表1所示。

圖2 新型顯示技術系統(tǒng)各年度全球專利數(shù)量(Innography數(shù)據(jù)庫)。(a)LCD；(b)OLED；(c)E-Paper;(d)LD;(e)QLED;(f)Micro-LED。Fig.2 Global patents of new display technology system(Innography).(a)LCD;(b)OLED;(c)E-Paper;(d)LD;(e)QLED;(f)Micro-LED.

表1 主要新型顯示技術系統(tǒng)所處發(fā)展階段分析結果Tab.1 Analysis result of development stage of the main new display system

從表1中的市場表現(xiàn)和MPV狀態(tài)可以看出，LCD處于成熟期，但其功能仍以顯示為主，并未獲得與主要功能無關的附加功能。從專利內容看，仍以制造工藝、面板、背光技術、驅動和材料等液晶顯示器的核心技術為主，并非實用性不大的外觀和圖案設計等[4]，因此可以判斷LCD尚有發(fā)展空間。OLED處于成長期和快速發(fā)展階段，但其MPV已經(jīng)沒有明顯增長或沒有明顯增長的必要，已接近成熟期[5]。E-Paper擁有電子書、商品價簽等小眾市場、顯示性能有待提高，專利出現(xiàn)第一個最高點，因此判斷其處于過渡期。LD也處于過渡期，但它的MPV表現(xiàn)與E-Paper不同，在持續(xù)明顯增長，這與其應用背景較多，MPV的上限不明確造成的。QLED僅有樣機，Micro-LED技術系統(tǒng)尚不清晰，二者在市場上均沒有成熟產(chǎn)品，均處于嬰兒期。

2.2 不同階段顯示技術系統(tǒng)的發(fā)展方向和研發(fā)重點

阻止處于成熟期的技術系統(tǒng)的MPV進一步增長的因素主要有：(1)達到了工作原理的物理極限；(2)如果提升性能會造成成本明顯升高；(3)受到更先進的技術系統(tǒng)的排斥而被迫退出市場，如LCD面臨OLED的激烈競爭等。此外，達到使用者(用戶)需求的極限或外圍服務組件的極限，也會限制技術系統(tǒng)MPV的進一步增長。為此，LCD系統(tǒng)的中短期研發(fā)目標主要是降低成本，長期研發(fā)目標是跳到另一條S曲線。也就是要么發(fā)展一個處于早期發(fā)展階段的MPV，如視角、重量、柔性化等；要么針對同一個MPV，通過轉變工作原理來克服發(fā)展極限。

OLED處于成長期，由于得到研究者和市場的認可，獲得了大量的資金、人力等資源。此外，OLED材料及其他專用組件的開發(fā)和生產(chǎn)也受到人們的關注，高性能的材料和組件進一步促進了技術系統(tǒng)的提升。處于成長期的技術系統(tǒng)已經(jīng)較為完善，重點是占據(jù)更多的市場，其研發(fā)內容應以優(yōu)化為主，不應有大的改動；因MPV增長放緩，控制成本是保持價值V提高的主要途徑。

處于過渡期的技術系統(tǒng)，應盡快進入市場以獲得更多的可利用資源，并在性價比最高的優(yōu)勢領域發(fā)展自身。對于E-Paper，其突出的優(yōu)勢是類紙性，如雙穩(wěn)態(tài)、極低功耗，這是其區(qū)別于所有其他顯示技術系統(tǒng)的優(yōu)勢[6]。過渡期的技術系統(tǒng)MPV較低，這需要其在技術上有較大的突破以克服技術瓶頸，因為若想在市場站住腳，所有參數(shù)必須都是可以被使用者接受的。但技術上的較大突破并不意味著改變工作原理，即不應退回嬰兒期。

LD也應在最佳優(yōu)劣比的領域發(fā)展自身，針對特定的應用明確系統(tǒng)設計方案，發(fā)揮高亮度、高色域的特點。激光投影儀不直接作用于人眼，沒有人眼視覺極限的限制，而直接作用于人眼的幕布對顯示效果具有決定性的影響[7]。當LCD、OLED等顯示系統(tǒng)能夠滿足應用場景的需求時，就會對以激光投影儀和幕布為主要組件的顯示系統(tǒng)構成威脅。

QLED和Micro-LED目前處于嬰兒期。若想進一步發(fā)展以及實現(xiàn)進入市場，必須明確各自的“冠軍參數(shù)”。所謂“冠軍參數(shù)”是指一個技術系統(tǒng)明顯優(yōu)于其他所有競爭系統(tǒng)的性能參數(shù)，意味著實現(xiàn)實際應用的競爭優(yōu)勢，是技術系統(tǒng)實現(xiàn)實際應用并進入市場的理由。例如，LCD替代陰極射線管(CRT)成為市場上的主流顯示技術，是因為其在薄膜晶體管(TFT)驅動下的平板顯示方式，具有輕薄性、低耗電量、低輻射、高色域、畫面柔和等多方面LCD顯示不可比擬的優(yōu)勢。高畫質、大面積顯示在目前是LCD的冠軍參數(shù)，使其處于無可替代的市場地位。而OLED被市場認可的冠軍參數(shù)有多個，如主動發(fā)光、可實現(xiàn)柔性顯示、廣視角、高對比度、高色彩飽和度等，這些獨特的性能使其具有很大的發(fā)展?jié)摿Χ皇袌銎诖?。因此，對處于嬰兒期的QLED和Micro-LED等技術系統(tǒng)，應判斷自身發(fā)展的極限以獲得清晰的研發(fā)方向和計劃，明確相對于LCD和OLED具有哪些“冠軍參數(shù)”。這個階段的技術系統(tǒng)還可能被明顯地改進，甚至是工作方式和系統(tǒng)結構等的重大重構，以期獲得市場認可。

E-Paper和LD處于過渡期，也有明確的“冠軍參數(shù)”，但由于面臨完全不同的應用市場，因此必須強化并進一步改進“冠軍參數(shù)”，以便技術系統(tǒng)得到發(fā)展進入成熟期。E-Paper技術系統(tǒng)是獨特的反射式顯示，其“冠軍參數(shù)”是類紙性、雙穩(wěn)態(tài)、近零功耗和環(huán)境友好等特性，是其區(qū)別于目前所有其他顯示技術系統(tǒng)的特征[7]。但其顯示速度慢和實現(xiàn)全彩色顯示具有很大的技術難度，因此在技術系統(tǒng)的進化過程中要充分挖掘“冠軍參數(shù)”的優(yōu)勢，開發(fā)有別于LCD和OLED的應用領域，才能進入成熟期，得到廣泛的市場認可。LD顯示從RGB晶體激光顯示發(fā)展到藍光激光激發(fā)熒光粉發(fā)光和RGB半導體激光顯示等技術路線，其有別于其他顯示技術系統(tǒng)的特點是投影式顯示，具有超高清、超高色域、臨場感強和大面積顯示等“冠軍參數(shù)”，但其便攜性差和價格高等因素限制了應用領域。因此，該技術系統(tǒng)應該進一步強化“冠軍參數(shù)”的特性，深度開發(fā)家庭影院、會議場所、指揮系統(tǒng)等顯示市場，使其進入成熟期。

由于技術系統(tǒng)在不同階段的發(fā)展方向不同，研發(fā)工作的重點不同，所以研發(fā)內容的難度和技術發(fā)明的水平也不同。通常技術系統(tǒng)成熟度越低，解決其關鍵技術的發(fā)明級別越高。因此，處于嬰兒期的技術系統(tǒng)，往往是來自基礎理論的或顛覆性的發(fā)明；處于過渡期的技術系統(tǒng)，突破技術瓶頸和解決關鍵問題往往需要借助跨領域的技術。例如，LCD利用電場作用下液晶分子排列方向的變化調控外光源透光率實現(xiàn)顯示，OLED利用電場驅動下載流子的注入與復合實現(xiàn)發(fā)光，這種技術系統(tǒng)誕生時基本原理上的發(fā)明具有很高的創(chuàng)新性。但在發(fā)展初期，顯示效果并不理想。TFT技術的運用使LCD克服了彩色顯示的瓶頸，迅速成長為市場主流的顯示系統(tǒng)；真空蒸鍍成膜技術解決了OLED的器件結構和性能優(yōu)化問題，使其成為有競爭力的顯示系統(tǒng)。

顯示技術系統(tǒng)是具有顯著的電子流動和電能、光能轉化的技術系統(tǒng)，而這些過程均與材料的微觀結構密切相關。在技術系統(tǒng)進化過程的各個階段，新材料開發(fā)的目標不同。在嬰兒期需要特定分子結構的材料根據(jù)器件工作原理實現(xiàn)基本功能，如在電場作用下分子排列發(fā)生變化的液晶分子，具有特定發(fā)射波長的OLED材料，攜帶特定電荷和電量、在電場作用下發(fā)生運動的E-Paper電泳粒子等。過渡期的研發(fā)重點是突破技術瓶頸，提高MPV。在成長期和成熟期，技術系統(tǒng)改進較小，材料研發(fā)主要是配合整體優(yōu)化和降低成本。進入衰退期的技術系統(tǒng)可能因為一種新材料或新技術的出現(xiàn)獲得重生而重新回到過渡期或成長期。

針對成熟度低的技術系統(tǒng)的研發(fā)內容具有基礎性和前沿性，由于經(jīng)濟收益低，往往不會被列為企業(yè)的研發(fā)投入重點，應得到政府的充分重視。而成熟度高的技術系統(tǒng)，其優(yōu)化和降低成本的目標有可能通過同一領域的技術和相對簡單的優(yōu)化實驗得以實現(xiàn)，雖然創(chuàng)新性不顯著，但有望在近期獲得顯著的經(jīng)濟效益。此外，進入成長期后，技術系統(tǒng)的差異性增加，研發(fā)內容逐漸遠離共性的關鍵技術，成果的共享性低，應當以企業(yè)自身作為投資主體。

3 市場主流顯示系統(tǒng)的生命周期分析

除了目前占據(jù)主流市場的液晶顯示技術和發(fā)展迅速的OLED顯示技術，曾經(jīng)活躍于市場的顯示技術系統(tǒng)還有陰極射線管顯示(CRT)技術和等離子顯示(PDP)技術，它們的市場表現(xiàn)明顯不同[8-10]。通過分析各種顯示技術系統(tǒng)相關專利的數(shù)量及變化趨勢，可以從一個重要角度了解其獲得的研發(fā)經(jīng)費、人力投入資源和技術產(chǎn)品應用的發(fā)展歷程。圖3是上述4種顯示技術系統(tǒng)從原始申請年至2020年的專利數(shù)量變化趨勢圖。

圖3 市場主流顯示系統(tǒng)的專利數(shù)量變化趨勢Fig.3 Comparison of the number of patents for mainstream display systems in the market

CRT顯示技術發(fā)明于1897年[7]。從圖3可以看出，CRT的第一件專利出現(xiàn)在1949年，其專利數(shù)量的快速增長期為1964年(573件)至1973年(4 101件)；1973～2001年(6 511件)的28年間，專利數(shù)量保持了穩(wěn)定增長；2001～2014年(509件)為快速減少期。從專利數(shù)量開始快速增加的1964年至快速減少的終點2014年，經(jīng)歷了50年的時間。其間，1958年3月，我國第一臺黑白電視機“北京牌”35.4 cm(14 in)寸黑白電視機在天津712廠誕生；1970年12月，我國第一臺彩色電視機也在天津誕生，拉開了中國彩電生產(chǎn)的序幕，對應于CRT專利的顯著增長期，即技術系統(tǒng)開始成長。而專利數(shù)量開始顯著減少的2001年，也對應于CRT被液晶替代逐漸退出市場的時間。

液晶顯示的第一篇專利誕生于1970年，至2020年的50年期間，專利數(shù)量經(jīng)歷了明顯的增加和降低，并在2006年達到最高值(21 561件)。PDP的第一篇專利出現(xiàn)于1957年，1969年專利數(shù)量超過100件，1972年超過400件，1991年超過1 000件，2005年達到最高值(7 416件)，之后開始減少。液晶和PDP兩種顯示技術系統(tǒng)的專利數(shù)量變化趨勢相同，均經(jīng)歷了一個明顯的增長和降低的過程，但從專利總數(shù)上看，液晶明顯高于PDP。

從圖3還可以看出，PDP、液晶和OLED幾乎同時在2005～2006年出現(xiàn)專利數(shù)量的一個轉折點，三者競爭的結果是PDP和液晶專利數(shù)量開始減少，而OLED在兩年后開始進入第二個增長期，并在2017年超過了液晶顯示的專利。專利數(shù)量增加或長時期維持較高的水平，代表了持續(xù)的研發(fā)投入，這會使技術系統(tǒng)不斷成長完善并變得強大，從而賦予其較長的生命周期。

4 結 論

(1)根據(jù)S曲線分析判斷LCD和OLED顯示分別處于成熟期和成長期，電子紙和激光顯示處于過渡期，QLED和Micro-LED處于嬰兒期。

(2)處于不同階段的技術系統(tǒng)的發(fā)展方向，研發(fā)投入應有不同的側重點：基礎研究投入應側重于嬰兒期，共性關鍵技術研發(fā)投入應側重于過渡期和成長期的初期；處于成長期后期和成熟期的技術系統(tǒng)研發(fā)投入應以企業(yè)為主體；嬰兒期、過渡期和成長期初期的研發(fā)成果對應較高的發(fā)明級別，是政府科技投入的重點。

(3)專利數(shù)量越多，反應出研發(fā)投入越大，技術系統(tǒng)發(fā)展越完善，生命周期越長。

(4)在科技立項中，確定技術指標(MPV)應考慮技術系統(tǒng)的應用場景和使用者限制。對新技術系統(tǒng)的培育應考察其是否具有明確的冠軍參數(shù)，考慮其MPV的發(fā)展極限。