從技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化趨勢(shì)研判主要顯示技術(shù)方向的演進(jìn)

楊 斌， 王世榮

(1. 科學(xué)技術(shù)部 高技術(shù)研究發(fā)展中心，北京100040； 2. 天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300072)

1 引 言

當(dāng)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(xiàng)研發(fā)內(nèi)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(nèi)容主要以市場(chǎng)為導(dǎo)向。本文以國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料重點(diǎn)專項(xiàng)的新型顯示方向的主要技術(shù)系統(tǒng)為對(duì)象，運(yùn)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(shù)系統(tǒng)的市場(chǎng)表現(xiàn)、主要價(jià)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(jìn)化趨勢(shì)，從而為研發(fā)重點(diǎn)和研發(fā)內(nèi)容的確定提供參考依據(jù)。同時(shí)，本文根據(jù)不同顯示技術(shù)系統(tǒng)相關(guān)專利的年度發(fā)表數(shù)量與其發(fā)展?fàn)顟B(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析研發(fā)資源投入對(duì)產(chǎn)品生命周期的影響。

2 新型顯示主要技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展階段和發(fā)展方向研判

2.1 對(duì)新型顯示技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展階段的分析判斷

目前新型顯示領(lǐng)域主要的技術(shù)系統(tǒng)有液晶顯示(LCD)、有機(jī)電致發(fā)光顯示(OLED)、電子紙(E-Paper)、激光顯示(LD)、量子點(diǎn)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(shù)系統(tǒng)S曲線進(jìn)化趨勢(shì)，可以描述上述顯示技術(shù)系統(tǒng)分別處于不同的發(fā)展階段。

所謂S曲線進(jìn)化趨勢(shì)是指技術(shù)系統(tǒng)的每個(gè)主要價(jià)值參數(shù)(MPV)都隨時(shí)間呈S型曲線進(jìn)行演變，并先后經(jīng)過嬰兒期、過渡期、成長(zhǎng)期、成熟期和衰退期，如圖1所示[1-2]。MPV是指對(duì)客戶價(jià)值貢獻(xiàn)最大的參數(shù)，即影響消費(fèi)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(chǎng)表現(xiàn)是判斷技術(shù)系統(tǒng)所處發(fā)展階段的另一個(gè)重要依據(jù)。

圖1 S曲線進(jìn)化趨勢(shì)示意圖Fig.1 Trend diagram of S-curve evolution

處于嬰兒期的技術(shù)系統(tǒng)往往是概念性的，初步運(yùn)用作用原理實(shí)現(xiàn)了主要功能，但對(duì)產(chǎn)品整體的設(shè)計(jì)還不是十分清晰和精細(xì)，MPV普遍較低且增長(zhǎng)緩慢，無法進(jìn)入市場(chǎng)。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)入過渡期的標(biāo)志是產(chǎn)品接近上市或擁有小眾市場(chǎng)。之所以稱為過渡期，是因?yàn)樵诖穗A段，技術(shù)系統(tǒng)有可能在其他新興的或成熟度高的技術(shù)系統(tǒng)的強(qiáng)烈排斥下停止發(fā)展，也可能由于自身顯現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)得到認(rèn)可而獲得更多的投資資源，各種MPV開始增長(zhǎng)，技術(shù)成熟度提升而進(jìn)入成長(zhǎng)期。成長(zhǎng)期是技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，MPV迅速增長(zhǎng)，產(chǎn)品進(jìn)入批量生產(chǎn)，市場(chǎng)不斷擴(kuò)大。進(jìn)入成熟期后，技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展放緩，MPV幾乎沒有增長(zhǎng)。

進(jìn)入衰退期的技術(shù)系統(tǒng)，市場(chǎng)需求減少，產(chǎn)量大幅下降，為了保證整體價(jià)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(shù)系統(tǒng)的價(jià)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(duì)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行功能分析獲得定量的數(shù)據(jù)[3]。技術(shù)系統(tǒng)的這種進(jìn)化以使價(jià)值V總是提高的趨勢(shì)，是現(xiàn)代TRIZ中技術(shù)系統(tǒng)的另一個(gè)重要進(jìn)化趨勢(shì)，即提高價(jià)值進(jìn)化趨勢(shì)。

(1)

根據(jù)各技術(shù)系統(tǒng)的市場(chǎng)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(shù)系統(tǒng)的發(fā)展階段如表1所示。

圖2 新型顯示技術(shù)系統(tǒng)各年度全球?qū)＠麛?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(shù)系統(tǒng)所處發(fā)展階段分析結(jié)果Tab.1 Analysis result of development stage of the main new display system

從表1中的市場(chǎng)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(guān)的附加功能。從專利內(nèi)容看，仍以制造工藝、面板、背光技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和材料等液晶顯示器的核心技術(shù)為主，并非實(shí)用性不大的外觀和圖案設(shè)計(jì)等[4]，因此可以判斷LCD尚有發(fā)展空間。OLED處于成長(zhǎng)期和快速發(fā)展階段，但其MPV已經(jīng)沒有明顯增長(zhǎng)或沒有明顯增長(zhǎng)的必要，已接近成熟期[5]。E-Paper擁有電子書、商品價(jià)簽等小眾市場(chǎng)、顯示性能有待提高，專利出現(xiàn)第一個(gè)最高點(diǎn)，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(zhǎng)，這與其應(yīng)用背景較多，MPV的上限不明確造成的。QLED僅有樣機(jī)，Micro-LED技術(shù)系統(tǒng)尚不清晰，二者在市場(chǎng)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(shù)系統(tǒng)的發(fā)展方向和研發(fā)重點(diǎn)

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

OLED處于成長(zhǎng)期，由于得到研究者和市場(chǎng)的認(rèn)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(guān)注，高性能的材料和組件進(jìn)一步促進(jìn)了技術(shù)系統(tǒng)的提升。處于成長(zhǎng)期的技術(shù)系統(tǒng)已經(jīng)較為完善，重點(diǎn)是占據(jù)更多的市場(chǎng)，其研發(fā)內(nèi)容應(yīng)以優(yōu)化為主，不應(yīng)有大的改動(dòng)；因MPV增長(zhǎng)放緩，控制成本是保持價(jià)值V提高的主要途徑。

處于過渡期的技術(shù)系統(tǒng)，應(yīng)盡快進(jìn)入市場(chǎng)以獲得更多的可利用資源，并在性價(jià)比最高的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域發(fā)展自身。對(duì)于E-Paper，其突出的優(yōu)勢(shì)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(shù)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)[6]。過渡期的技術(shù)系統(tǒng)MPV較低，這需要其在技術(shù)上有較大的突破以克服技術(shù)瓶頸，因?yàn)槿粝朐谑袌?chǎng)站住腳，所有參數(shù)必須都是可以被使用者接受的。但技術(shù)上的較大突破并不意味著改變工作原理，即不應(yīng)退回嬰兒期。

LD也應(yīng)在最佳優(yōu)劣比的領(lǐng)域發(fā)展自身，針對(duì)特定的應(yīng)用明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，發(fā)揮高亮度、高色域的特點(diǎn)。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(duì)顯示效果具有決定性的影響[7]。當(dāng)LCD、OLED等顯示系統(tǒng)能夠滿足應(yīng)用場(chǎng)景的需求時(shí)，就會(huì)對(duì)以激光投影儀和幕布為主要組件的顯示系統(tǒng)構(gòu)成威脅。

QLED和Micro-LED目前處于嬰兒期。若想進(jìn)一步發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)進(jìn)入市場(chǎng)，必須明確各自的“冠軍參數(shù)”。所謂“冠軍參數(shù)”是指一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)明顯優(yōu)于其他所有競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)的性能參數(shù)，意味著實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，是技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用并進(jìn)入市場(chǎng)的理由。例如，LCD替代陰極射線管(CRT)成為市場(chǎng)上的主流顯示技術(shù)，是因?yàn)槠湓诒∧ぞw管(TFT)驅(qū)動(dòng)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(shì)。高畫質(zhì)、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(chǎng)地位。而OLED被市場(chǎng)認(rèn)可的冠軍參數(shù)有多個(gè)，如主動(dòng)發(fā)光、可實(shí)現(xiàn)柔性顯示、廣視角、高對(duì)比度、高色彩飽和度等，這些獨(dú)特的性能使其具有很大的發(fā)展?jié)摿Χ皇袌?chǎng)期待。因此，對(duì)處于嬰兒期的QLED和Micro-LED等技術(shù)系統(tǒng)，應(yīng)判斷自身發(fā)展的極限以獲得清晰的研發(fā)方向和計(jì)劃，明確相對(duì)于LCD和OLED具有哪些“冠軍參數(shù)”。這個(gè)階段的技術(shù)系統(tǒng)還可能被明顯地改進(jìn)，甚至是工作方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等的重大重構(gòu)，以期獲得市場(chǎng)認(rèn)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(yīng)用市場(chǎng)，因此必須強(qiáng)化并進(jìn)一步改進(jìn)“冠軍參數(shù)”，以便技術(shù)系統(tǒng)得到發(fā)展進(jìn)入成熟期。E-Paper技術(shù)系統(tǒng)是獨(dú)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(shù)系統(tǒng)的特征[7]。但其顯示速度慢和實(shí)現(xiàn)全彩色顯示具有很大的技術(shù)難度，因此在技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化過程中要充分挖掘“冠軍參數(shù)”的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)有別于LCD和OLED的應(yīng)用領(lǐng)域，才能進(jìn)入成熟期，得到廣泛的市場(chǎng)認(rèn)可。LD顯示從RGB晶體激光顯示發(fā)展到藍(lán)光激光激發(fā)熒光粉發(fā)光和RGB半導(dǎo)體激光顯示等技術(shù)路線，其有別于其他顯示技術(shù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是投影式顯示，具有超高清、超高色域、臨場(chǎng)感強(qiáng)和大面積顯示等“冠軍參數(shù)”，但其便攜性差和價(jià)格高等因素限制了應(yīng)用領(lǐng)域。因此，該技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)一步強(qiáng)化“冠軍參數(shù)”的特性，深度開發(fā)家庭影院、會(huì)議場(chǎng)所、指揮系統(tǒng)等顯示市場(chǎng)，使其進(jìn)入成熟期。

由于技術(shù)系統(tǒng)在不同階段的發(fā)展方向不同，研發(fā)工作的重點(diǎn)不同，所以研發(fā)內(nèi)容的難度和技術(shù)發(fā)明的水平也不同。通常技術(shù)系統(tǒng)成熟度越低，解決其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)明級(jí)別越高。因此，處于嬰兒期的技術(shù)系統(tǒng)，往往是來自基礎(chǔ)理論的或顛覆性的發(fā)明；處于過渡期的技術(shù)系統(tǒng)，突破技術(shù)瓶頸和解決關(guān)鍵問題往往需要借助跨領(lǐng)域的技術(shù)。例如，LCD利用電場(chǎng)作用下液晶分子排列方向的變化調(diào)控外光源透光率實(shí)現(xiàn)顯示，OLED利用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下載流子的注入與復(fù)合實(shí)現(xiàn)發(fā)光，這種技術(shù)系統(tǒng)誕生時(shí)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(shù)的運(yùn)用使LCD克服了彩色顯示的瓶頸，迅速成長(zhǎng)為市場(chǎng)主流的顯示系統(tǒng)；真空蒸鍍成膜技術(shù)解決了OLED的器件結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化問題，使其成為有競(jìng)爭(zhēng)力的顯示系統(tǒng)。

顯示技術(shù)系統(tǒng)是具有顯著的電子流動(dòng)和電能、光能轉(zhuǎn)化的技術(shù)系統(tǒng)，而這些過程均與材料的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化過程的各個(gè)階段，新材料開發(fā)的目標(biāo)不同。在嬰兒期需要特定分子結(jié)構(gòu)的材料根據(jù)器件工作原理實(shí)現(xiàn)基本功能，如在電場(chǎng)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(zhǎng)的OLED材料，攜帶特定電荷和電量、在電場(chǎng)作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)的E-Paper電泳粒子等。過渡期的研發(fā)重點(diǎn)是突破技術(shù)瓶頸，提高M(jìn)PV。在成長(zhǎng)期和成熟期，技術(shù)系統(tǒng)改進(jìn)較小，材料研發(fā)主要是配合整體優(yōu)化和降低成本。進(jìn)入衰退期的技術(shù)系統(tǒng)可能因?yàn)橐环N新材料或新技術(shù)的出現(xiàn)獲得重生而重新回到過渡期或成長(zhǎng)期。

針對(duì)成熟度低的技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)內(nèi)容具有基礎(chǔ)性和前沿性，由于經(jīng)濟(jì)收益低，往往不會(huì)被列為企業(yè)的研發(fā)投入重點(diǎn)，應(yīng)得到政府的充分重視。而成熟度高的技術(shù)系統(tǒng)，其優(yōu)化和降低成本的目標(biāo)有可能通過同一領(lǐng)域的技術(shù)和相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得以實(shí)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(jì)效益。此外，進(jìn)入成長(zhǎng)期后，技術(shù)系統(tǒng)的差異性增加，研發(fā)內(nèi)容逐漸遠(yuǎn)離共性的關(guān)鍵技術(shù)，成果的共享性低，應(yīng)當(dāng)以企業(yè)自身作為投資主體。

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

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

CRT顯示技術(shù)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(zhǎng)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(zhǎng)；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(diǎn)2014年，經(jīng)歷了50年的時(shí)間。其間，1958年3月，我國(guó)第一臺(tái)黑白電視機(jī)“北京牌”35.4 cm(14 in)寸黑白電視機(jī)在天津712廠誕生；1970年12月，我國(guó)第一臺(tái)彩色電視機(jī)也在天津誕生，拉開了中國(guó)彩電生產(chǎn)的序幕，對(duì)應(yīng)于CRT專利的顯著增長(zhǎng)期，即技術(shù)系統(tǒng)開始成長(zhǎng)。而專利數(shù)量開始顯著減少的2001年，也對(duì)應(yīng)于CRT被液晶替代逐漸退出市場(chǎng)的時(shí)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(dá)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(dá)到最高值(7 416件)，之后開始減少。液晶和PDP兩種顯示技術(shù)系統(tǒng)的專利數(shù)量變化趨勢(shì)相同，均經(jīng)歷了一個(gè)明顯的增長(zhǎng)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(shí)在2005～2006年出現(xiàn)專利數(shù)量的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，三者競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果是PDP和液晶專利數(shù)量開始減少，而OLED在兩年后開始進(jìn)入第二個(gè)增長(zhǎng)期，并在2017年超過了液晶顯示的專利。專利數(shù)量增加或長(zhǎng)時(shí)期維持較高的水平，代表了持續(xù)的研發(fā)投入，這會(huì)使技術(shù)系統(tǒng)不斷成長(zhǎng)完善并變得強(qiáng)大，從而賦予其較長(zhǎng)的生命周期。

4 結(jié) 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(zhǎng)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(shù)系統(tǒng)的發(fā)展方向，研發(fā)投入應(yīng)有不同的側(cè)重點(diǎn)：基礎(chǔ)研究投入應(yīng)側(cè)重于嬰兒期，共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)投入應(yīng)側(cè)重于過渡期和成長(zhǎng)期的初期；處于成長(zhǎng)期后期和成熟期的技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)投入應(yīng)以企業(yè)為主體；嬰兒期、過渡期和成長(zhǎng)期初期的研發(fā)成果對(duì)應(yīng)較高的發(fā)明級(jí)別，是政府科技投入的重點(diǎn)。

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

(4)在科技立項(xiàng)中，確定技術(shù)指標(biāo)(MPV)應(yīng)考慮技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景和使用者限制。對(duì)新技術(shù)系統(tǒng)的培育應(yīng)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。