【光電熱門大家談】分析和TRIZ技術進化理論的LED照明產品研究

議題：基於專利分析和TRIZ技術進化理論的LED照明產品研究

時間：2018年10月31日周三晚20：00開始

地點：廣東省光電技術協會群

主講人：張欣

張欣，英文名Annie。本科畢業於南京理工大學，碩士畢業於廣州美術學院，博士畢業於廣東工業大學，國家公派米蘭理工大學訪問學者。作為副教授受聘於廣東工業大學藝術設計學院。廣東省一級工業設計師、國家二級創新工程師、國際MTRIZ三級創新工程師。獲得廣東省「十大工業設計師」、「巾幗建功先進個人」、「技術能手」、「十大新銳設計師」等稱號。獲得美國IDEA設計大賽、德國紅點等國內外大賽大獎，作品多次參加展覽，獲得汪洋等國家主管人高度評價。主持參與項目10餘項，主持了3項省級縱向課題1項校級縱向課題。發表學術論文十多篇，編寫教材和著作五本。並多次接受南方都市報、廣東電視台、東莞電視台和東莞日報採訪報導。

這時這個是這個題目的研究背景。

近年來，大陸製造業受到各種內外部因素影響，由過去的高速增長轉為中高速增長的新常態。與互聯網產業的風光無限相比，製造業目前可謂在重重困難之中艱難跋涉。中國製造過去的發展模式主要是靠要素驅動，特別是人口紅利以及投資驅動，而近幾年，我們可以看到中國製造正面臨內外雙重壓力。當前製造業的發展出路在於依托創新尤其是技術創新來支持企業產品和質量的變化。

企業的技術創新能夠做到企業的先發優勢，使企業在競爭中處於有利地位，是企業競爭優勢的主要來源，對企業具有重要的戰略意義。因此，我們需要加強自主創新，重塑製造業競爭優勢。

大陸的企業特別是製造業企業也意識到創新是引導發展的第一動力，部分的企業投入了一定的資金和資源在技術創新和產品研發方面。

但是存在很多的問題：

1、盲目追求新技術、新方向，不考慮產品所處階段，造成資源及資金的浪費。

2、新產品開發成功率不高，未從產品進化發展全局找準方向。

3、由於沒有對產品未來的預測規劃，很多企業只能失去市場先機，成為行業中的跟隨者。

因為國內LED企業數量急劇增長，但是規模普遍偏小，已經具有一定規模或即將具備規模的企業所占比例不高。並且國內的產業鏈不完整，主要集中在中下遊領域，產業分布也不均衡。另外國內的LED企業缺乏核心專利，已經被美、日、德等國的專利網包圍。

那麼，我們該怎麼進行技術創新呢？我在這方面做了一些初步的研究想請各位專家指導。技術創新分為漸進式技術創新和突破性技術創新。

漸進式技術創新是通過技術成熟度預測判定技術發展階段的位置而進行的創新。

突破式技術創新我們後面再講，我們現看漸進式技術創新。

因此，我們可以看到，當工程技術系統處於嬰兒期和成長期的時候，採用漸進型創新的方法。需要盡快的做到技術產品化和市場化，確立技術領先優勢。或者對產品和技術進行優化提升，不斷推出基於該核心技術的升級產品，改善產品的各項性能指標，增強企業核心競爭力，贏得市場。

我們可以看到嬰兒期和衰退期風險最大，成熟期風險最小。而獲利能力嬰兒期和衰退期最小，成熟期最大。這也是企業在合適的節點選擇導入新的技術至關重要。

廠商關心led處於什麼技術階段,是否很快被淘汰。 隨著產品迭代速度的加快,人們很有危機感怕LED被OLED替代,然後企業轉型不成功。在過去LED替代熒光燈的時候，我們看到很多很大的企業由於轉型太慢最終被淘汰，而有的企業又由於太早介入不成熟的技術而最難以維系，最終關門。

對於任何技術在任何進化過程中都有個生命周期,有嬰兒期、成長期、成熟期、衰退期。成長期導成熟期技術指標依次成熟。左圖 是TRIZ發明問題解決理論的創造者Altshuller所畫的，系統的性能參數、專利數量、發明級別和利潤在不同的生命周期的變化情況。在嬰兒期性能參數很低，但是專利數量是上升的，但是由於最初這個領域是空白的所以發明級別就會很高，但是由於初期技術還不成熟所以利潤率很低。

右圖是企業的風險、獲利能力、價格在技術的不同 生命周期的變化。我們可以發現企業在嬰兒期和退出期的獲利能力較低,而風險增加那麼如果在成長期中期和成熟期介入該系統會 風險較低,而獲利能力較強。為了要判斷一個系統到底處於什麼時期可以對其進行技術成熟度預測,幫助企業選擇合適的時機切入 技術非常重要。

因此，我們可以看出在成長期末端引入新的技術，是相對更明智的選擇，那我來一起以OLED為例來說明。

圖中是法蘭克福展上LG的Display的展廳

LG將OLED做成方形可以彎曲任意曲面

讓設計師看到更多的創意空間，將古典的燈具形態和裝飾燈的輪廓，通過序列感組合來進行設計。

將OLED和環境融合，由於OLED可以做的很薄，可以和百葉窗結合。如果發光材料可做做成塗層，那麼未來的燈具可能是我們可以任意塗在牆上，就變成一盞燈，可能根本不需要燈具的形態。

右圖的OLED的效果，就好像牆面的裝飾畫產生卷曲的感覺，讓人有個視覺的誤差，為設計師創意的空間，打破了燈具原有的形態。

LG也有設計一些其它類型的燈具，例如左圖的台燈，運用了古典的元素。有圖則將燈盒智能音響組合在一起。

下左圖是直接用OLED燈帶的折彎來替代光源盒燈罩等部分。有圖用OLED的等待來進行編制，使燈具有很多種可能性。

Artemide運用OLED來作為光源,在外 面做了玻璃的燈罩,在形式上突破了傳 統燈具的形態。

那是不是OLED時代就來了呢？它離我們究竟還有多遠呢？

這是光源進化的過程。在技術進化的過程中,技術呈現不斷交錯成長的狀態。 從油燈、白熾燈、氣體放電燈、LED、OLED光源的不斷進化的過程。

並不是由一個技術突然跳躍到另外一個技術。

如果當我們經過技術成熟度預測，發現一個技術還處於成長期的時候，那麼我們可以採用漸進式創新的方法進行。

這是我根據TRIZ發明問題解決理論的創造者Altshuller，對每個生命周期中技術所呈現的特徵繪制的白織燈的S曲線。

氣體放電燈的S曲線

LED的S曲線

根據研究白熾燈S曲線進化趨勢發現符合之前的進化趨勢研究理論，如下：

（1）第一階段（嬰兒期）特徵

相對於弧光燈，燈具由固體燃燒照明進入固體加熱照明。尚未進入市場，出現技術瓶頸難以市場化，斯旺燈研發的白熾燈壽命短，只有一兩個小時壽命，難以市場化。只有消除瓶頸才能夠市場化，愛迪生發現延長白熾燈壽命的關鍵是提高燈泡真空度和採用耗電少、耐熱、發光強、價格便宜的材料做電阻絲。在白熾燈的嬰兒期未有很多資金投入，成本大於收益，但是研發異常艱難。

（2）第二階段（成長期）特徵

工程系統遠未達到極限，白熾燈的發光效率和發光時間一再被刷新和改進。出現了充入惰性氣體和新的鎢絲材料。發展資源建立相應的發電廠和輸電網，改變了嬰兒期僅僅在蒸汽船上使用的情況，使電燈普及到家用成為可能。第二階段末期差異性變小，基本上都採用玻璃外罩，燈絲用鎢絲；把燈絲保持在真空，或低壓的惰性氣體之下防止燈絲在高溫之下氧化。

（3）第三階段（成熟期）特徵

發展遇到瓶頸，由於發光原理的物理局限，大部分白熾燈會把消耗能量中的90%轉化成無用的熱能，只少於10%的能量會成為光，所以白熾燈光效偏低。出現高度定制化資源，設計出了各種各樣的台燈、吊燈、壁燈等燈具和個性化的產品。

（4）第四階段（衰退期）特徵

工程系統產量大幅下降，熒光燈系統已經進化到第二階段，並且開始迫使白熾燈退出市場。工程系統的主要功能失去實用性，因此工程系統變得不實用，現代白熾燈根據鎢絲形狀的不同設計成創意鎢絲白熾燈，用於娛樂和裝飾。

經過我的初步判定LED在成長期末期，要進入成熟期。

講白織燈的這個階段，對應和LED進行對比。

將氣體放電燈的這個發展階段和LED進行對比。

發現了一些相同點：

（1）尋找理想的材料

1）對白熾燈材料的研究中，愛迪生認為延長白熾燈壽命的關鍵是採用耗電少、發光強的耐熱材料作燈絲，只要燈絲的價格足夠便宜，就能受到大家的歡迎。於是他先後試用了包括各種金屬、石墨、木材、稻草、亞麻、竹子等在內的1600多種耐熱材料。

（2）對LED材料的研究中，科學家們不斷地尋找和研發材料。

1994年，日本科學家中村修二在GaN基片上研制出了第一只藍色發光二極管。20世紀90年代後期，研制出通過藍光激發YAG熒光粉產生白光的LED。

用透明襯底AlInGaP材料。

第二個共同點（2）技術發展的制約和成本高限制了發展。

白熾燈在1850年到1880年期間，由於燈絲材料不理想和抽空技術比較差，壽命較短，使用時有95%的電能耗費在加熱上，只有5%的電能才是轉化為能見的光，不環保，不具備實用價值。

LED燈價格較高，影響了消費者的購買欲望，市場的價格也參差不齊，從外觀很難辨別產品質量的好壞，很多LED燈還沒有真正經過過長的時間考驗。

當然也有很多的不同點：

（1）白熾燈的發展受到時代技術發展的影響和制約較大，發展的非常緩慢。

（2）LED成長期發展迅速：在短短十年時間LED主要價值參數上漲迅速。

（3）應用領域的轉變。

和氣體放電燈的相同點：

（1）無論是熒光燈還是LED燈在成長期都進入了大規模生產階段，它們都開始應用到各領域當中去，主要應用室內外的照明。

（2）緊湊型熒光燈和LED燈都與原有系統集成。

由於技術或材料等的限制都存在著自身的不足，在成長期熒光燈和LED都受技術上和成本上的因素限制了發展。

我畫了這個圖來說明他們每個階段發展的不同。

那麼我們可以說根據技術系統主要價值參數（MPV）隨時間呈S曲線變化的特徵，嬰兒期技術系統僅有有限的實用性，必須借用主導地位的系統來發展；

成長期，主要價值參數發展迅速，超系統資源開始適應本系統的發展；成熟期，技術系統發展遇到瓶頸，產品穩定，降低成本成為獲取利潤的重要手段；衰退期，產量下降，技術系統失去實用性，退出市場。

為了驗證我做的定性研究是否準確，我就基於專利做了一個定量的研究。

見右圖：從圖上可以看出，在技術嬰兒期技術處於探索和選擇階段，所以基本談不上彌補缺陷或降低成本。

TRIZ理論專家也對產品技術成熟度預測方法進行了很多研究，主要有如下模式：Altshuller模式、DarrellMann模式、Aurigin模式和TMMS模式。

Altshuller模式是通過研究產品性能、專利數量、發明級別和利潤之間的關係來預測產品技術的成熟度，並對專利進行了五個等級的劃分。利用四種曲線用於技術形態在S曲線上所處位置的預測，這四條曲線分別是：單位時間內的專利數量、專利等級、性能、獲利能力。各個曲線如左圖所示。

Darrell Mann模式則是重點考察了降低成本彌補缺陷這兩種特殊專利在生命周期曲線中的分布情況，來判斷產品技術的成熟度。降低成本的專利是指能夠使產品的成本降低，從而使產品的市場價格降低的專利。彌補缺陷的專利是指通過引入補充技術、結構或方法來彌補專利所指向的技術中存在的缺陷，以至對技術系統做出不太多改變前提下提高技術性能。

在技術成長期後技術還沒有最終定型，技術向著一個方向快速發展，由於對技術性能提高的迫切需要，主要發明集中在問題的解決，往往不是簡單的缺陷彌補，而是引起系統的較大變化。因此這個時期降低成本和彌補缺陷的專利數量也較少。

技術進入成熟期後，這時技術基本定型，技術中存在的重大問題基本得到解決，但激烈的競爭使企業不斷通過技術創新降低成本，彌補技術缺陷，提高技術性能。

見上圖的左圖的曲線：而右圖的是張換高的TMMS模式的。

Aurigin模式主要考查的是專利被引用的次數與專利價值之間的關係，專利被引用的次數與產品技術成熟度有關。

應用引用紀錄能夠提供一個鑒定專利極端重要性的方法。按照引用頻率的高低對專利進行分類，可以加速預測者確定當前產品在S－曲線上的位置（產品技術成熟度）的過程，加上技術方面的專家知識，就為預測者提供了一種挑戰專家做出產品成熟度結論的客觀方法。

張換高在綜合Altshuller和Darrell Mann關於成熟度研究成果的基礎上，開發了產品技術成熟度預測系統（TMMS）軟件。

TMMS軟件在分析技術的專利中，以美國、歐洲、日本和中國的專利數據庫的專利數據為檢索依據。

檢索時必須採用正確的檢索式的關鍵詞，並限定IPC（國際專利分類號），檢索得到專利的初級資料，然後對專利進行清洗得到有效專利。再將有效專利進行處理分級分類後匯總。匯總後的數據包含年份、專利數量、平均專利等級、消除缺陷專利數量，並輸入進TMMS軟件。

由於Altshuller模式是研究產品性能、專利數量、發明級別和利潤之間的關係來預測技術的成熟度，但是這四條曲線想要獲得準確的數據是非常難的，並且工作量巨大，不具備實操性。

Darrell Mann模式，張換高產品技術成熟度預測系統（TMMS）軟件，是一種定量的研究方法，研究結果準確，但是需要對專利進行分級，工作量較大，不適合對專利數量較多產品的分析。

因此我定量分析沒有選用以上的TRIZ領域的分析方法。

我選用了專利技術生命周期的方法。

專利技術生命周期圖的方法是根據專利權人的數量和專利數量的關係來進行技術成熟度預測。專利技術生命周期圖，通常用折線表示，橫軸表示一定年份的專利權人的數量，縱軸表示年份內專利申請的數量，透過技術生命周期圖可發現產業所處的技術狀況。

這兩種數據獲得相對容易，結果也比較準確，所以最後我選用了專利技術生命周期圖的方法來進行LED光源的技術成熟度預測。標準的專利技術生命周期圖如下圖，需要繪制LED光源的專利技術生命周期圖與之進行對比，來判定所處的階段。

然後我檢索了2016年以前的所有LED的光源相關的國內外的專利。

這是我的檢索式。

LED光源採用((((TTL:(熒光粉 OR Fluorescent powder) OR ABST:(熒光粉 OR Fluorescent powder)) AND IPC:(H01L33/50 OR H01L33/52 OR C09K11 OR F21V3 OR F21V9/08 OR F21V9/10)) NOT (封裝 OR 液晶 OR 裝置 OR 顯示 OR 絲)) NOT (package)) NOT (LCD)AND有效、(((((TTL:(LED鋁基板 OR LED aluminum substrate) OR ABST:(LED鋁基板 OR LED aluminum substrate)) AND IPC:(F21V5 OR F21V7 OR F21Y101 OR F21V23 OR F21V29 OR F21V9 OR F21V15 OR F21V17 OR F21V8 OR F21V19 OR F21S2 OR F21S8 OR F21K OR H01L33 OR H01L25 OR H05K1 OR C09K11)) NOT (LED光源 OR LED light source)) NOT (藍色發光二極管 OR 藍光LED OR Blue light emitting diode)) NOT (LED熒光粉 OR 熒光粉 OR phosphor)) NOT (包裝 OR package)AND有效、(((((TTL:(藍色發光二極管 OR 藍光LED OR Blue light emitting diode) OR ABST:(藍色發光二極管 OR 藍光LED OR Blue light emitting diode)) AND DESC:(藍色發光二極管 OR 藍光LED OR Blue light emitting diode) AND IPC:(F21V OR F21S2 OR F21S8 OR F21K OR H01L33 OR H01L25 OR H05K1 OR C09K11)) NOT (display or 顯示 or 電視 or television OR 攝影 OR 錄影 Camera OR photography OR 液晶 OR LCD OR liquid crystal)) NOT (LED熒光粉 OR 熒光粉 OR phosphorLED OR 光源 OR LED light source OR 鋁基板 OR LED aluminum substrate))AND有效、((TTL:(LED光源 OR LED light source) OR ABST:(LED光源 OR LED light source)) AND DESC:(LED光源 OR LED light source) AND IPC:(F21V OR F21Y101 OR H01L33 OR H01K OR H01J OR H05B OR G02B)) NOT (熒光粉 OR phosphor OR 藍光LED OR Blue light emitting OR 鋁基板 OR LED aluminum substrate OR 液晶 OR LCD OR 控制 OR control)AND有效，為檢索式。

右下圖是我畫出的LED光源的專利技術生命周期圖。與經典的LED光源的專利技術生命周期圖進行對比，驗證了我的想法，是處於成長期末期和成熟期的階段。

因此，可以確定企業的策略是根絕技術成熟度成熟期的特徵發展LED的產品。

隨著技術系統的近一步進化，發展的方向是向著光效更高、壽命更長、顯色指數更高、更節能、更小型化、更多樣化、更智能的方向發展。

密切關注OLED的發展，看其並行的過渡時期的特徵，然後尋找適合的點切入市場。

那麼LED在成熟期，如果要增強競爭力也需要，降低成本，增加多樣化和附加值，這也是工業設計所做的工作。因此，也有越來越多的廠家意識到這個問題，開始引入工業設計，提升產品附加值。