從技術系統進化趨勢研判主要顯示技術方向的演進

楊 斌， 王世榮

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

1 引 言

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

2 新型顯示主要技術系統發展階段和發展方向研判

2.1 對新型顯示技術系統發展階段的分析判斷

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

所謂S曲線進化趨勢是指技術系統的每個主要價值參數(MPV)都隨時間呈S型曲線進行演變，并先后經過嬰兒期、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，即影響消費者購買決策的因素。作為顯示系統，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，市場表現是判斷技術系統所處發展階段的另一個重要依據。

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往往是概念性的，初步運用作用原理實現了主要功能，但對產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。技術系統進入過渡期的標志是產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，技術系統有可能在其他新興的或成熟度高的技術系統的強烈排斥下停止發展，也可能由于自身顯現的優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。成長期是技術系統發展最快的階段，MPV迅速增長，產品進入批量生產，市場不斷擴大。進入成熟期后，技術系統發展放緩，MPV幾乎沒有增長。

進入衰退期的技術系統，市場需求減少，產量大幅下降，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進行功能分析獲得定量的數據[3]。技術系統的這種進化以使價值V總是提高的趨勢，是現代TRIZ中技術系統的另一個重要進化趨勢，即提高價值進化趨勢。

(1)

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

圖2 新型顯示技術系統各年度全球專利數量(Innography數據庫)。(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所處發展階段分析結果Tab.1 Analysis result of development stage of the main new display system

從表1中的市場表現和MPV狀態可以看出，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尚有發展空間。OLED處于成長期和快速發展階段，但其MPV已經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表現與E-Paper不同，在持續明顯增長，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技術系統尚不清晰，二者在市場上均沒有成熟產品，均處于嬰兒期。

2.2 不同階段顯示技術系統的發展方向和研發重點

阻止處于成熟期的技術系統的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MPV的進一步增長。為此，LCD系統的中短期研發目標主要是降低成本，長期研發目標是跳到另一條S曲線。也就是要么發展一個處于早期發展階段的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和生產也受到人們的關注，高性能的材料和組件進一步促進了技術系統的提升。處于成長期的技術系統已經較為完善，重點是占據更多的市場，其研發內容應以優化為主，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，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勢領域發展自身。對于E-Paper，其突出的優勢是類紙性，如雙穩態、極低功耗，這是其區別于所有其他顯示技術系統的優勢[6]。過渡期的技術系統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也應在最佳優劣比的領域發展自身，針對特定的應用明確系統設計方案，發揮高亮度、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構成威脅。

QLED和Micro-LED目前處于嬰兒期。若想進一步發展以及實現進入市場，必須明確各自的“冠軍參數”。所謂“冠軍參數”是指一個技術系統明顯優于其他所有競爭系統的性能參數，意味著實現實際應用的競爭優勢，是技術系統實現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顯示不可比擬的優勢。高畫質、大面積顯示在目前是LCD的冠軍參數，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有多個，如主動發光、可實現柔性顯示、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展潛力而被市場期待。因此，對處于嬰兒期的QLED和Micro-LED等技術系統，應判斷自身發展的極限以獲得清晰的研發方向和計劃，明確相對于LCD和OLED具有哪些“冠軍參數”。這個階段的技術系統還可能被明顯地改進，甚至是工作方式和系統結構等的重大重構，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”，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”，以便技術系統得到發展進入成熟期。E-Paper技術系統是獨特的反射式顯示，其“冠軍參數”是類紙性、雙穩態、近零功耗和環境友好等特性，是其區別于目前所有其他顯示技術系統的特征[7]。但其顯示速度慢和實現全彩色顯示具有很大的技術難度，因此在技術系統的進化過程中要充分挖掘“冠軍參數”的優勢，開發有別于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晶體激光顯示發展到藍光激光激發熒光粉發光和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”，但其便攜性差和價格高等因素限制了應用領域。因此，該技術系統應該進一步強化“冠軍參數”的特性，深度開發家庭影院、會議場所、指揮系統等顯示市場，使其進入成熟期。

由于技術系統在不同階段的發展方向不同，研發工作的重點不同，所以研發內容的難度和技術發明的水平也不同。通常技術系統成熟度越低，解決其關鍵技術的發明級別越高。因此，處于嬰兒期的技術系統，往往是來自基礎理論的或顛覆性的發明；處于過渡期的技術系統，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顯示，OLED利用電場驅動下載流子的注入與復合實現發光，這種技術系統誕生時基本原理上的發明具有很高的創新性。但在發展初期，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；真空蒸鍍成膜技術解決了OLED的器件結構和性能優化問題，使其成為有競爭力的顯示系統。

顯示技術系統是具有顯著的電子流動和電能、光能轉化的技術系統，而這些過程均與材料的微觀結構密切相關。在技術系統進化過程的各個階段，新材料開發的目標不同。在嬰兒期需要特定分子結構的材料根據器件工作原理實現基本功能，如在電場作用下分子排列發生變化的液晶分子，具有特定發射波長的OLED材料，攜帶特定電荷和電量、在電場作用下發生運動的E-Paper電泳粒子等。過渡期的研發重點是突破技術瓶頸，提高MPV。在成長期和成熟期，技術系統改進較小，材料研發主要是配合整體優化和降低成本。進入衰退期的技術系統可能因為一種新材料或新技術的出現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的研發內容具有基礎性和前沿性，由于經濟收益低，往往不會被列為企業的研發投入重點，應得到政府的充分重視。而成熟度高的技術系統，其優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化實驗得以實現，雖然創新性不顯著，但有望在近期獲得顯著的經濟效益。此外，進入成長期后，技術系統的差異性增加，研發內容逐漸遠離共性的關鍵技術，成果的共享性低，應當以企業自身作為投資主體。

3 市場主流顯示系統的生命周期分析

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

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

CRT顯示技術發明于1897年[7]。從圖3可以看出，CRT的第一件專利出現在1949年，其專利數量的快速增長期為1964年(573件)至1973年(4 101件)；1973～2001年(6 511件)的28年間，專利數量保持了穩定增長；2001～2014年(509件)為快速減少期。從專利數量開始快速增加的1964年至快速減少的終點2014年，經歷了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的序幕，對應于CRT專利的顯著增長期，即技術系統開始成長。而專利數量開始顯著減少的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，專利數量經歷了明顯的增加和降低，并在2006年達到最高值(21 561件)。PDP的第一篇專利出現于1957年，1969年專利數量超過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兩種顯示技術系統的專利數量變化趨勢相同，均經歷了一個明顯的增長和降低的過程，但從專利總數上看，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年出現專利數量的一個轉折點，三者競爭的結果是PDP和液晶專利數量開始減少，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。專利數量增加或長時期維持較高的水平，代表了持續的研發投入，這會使技術系統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的發展方向，研發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研發投入應以企業為主體；嬰兒期、過渡期和成長期初期的研發成果對應較高的發明級別，是政府科技投入的重點。

(3)專利數量越多，反應出研發投入越大，技術系統發展越完善，生命周期越長。

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