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基础研究与工程化技术开发的完美组合

2014-12-2 16:12| 发布者: admin| 查看: 2666| 评论: 0

摘要: ——从今年诺贝尔物理学奖谈起 张安文2014年10月7日下午,瑞典皇家科学院宣布今年诺贝尔物理学奖评选结果,日本科学家赤崎勇、天野浩和中村修二(美国籍)摘此桂冠,以表彰他们在蓝光LED基础研究及工程化技术研发取得 ...

——从今年诺贝尔物理学奖谈起

张安文

2014107下午,瑞典皇家科学院宣布今年诺贝尔物理学奖评选结果,日本科学家赤崎勇、天野浩和中村修二(美国籍)摘此桂冠,以表彰他们在蓝光LED基础研究及工程化技术研发取得的进展。今年的获奖项目,是基础研究和工程化技术开发的完美组合,这其中有不少值得回顾的往事,也会给我们一些很值得深思的启发。

  1907年英国马可尼公司的研究人员劳德在氮化硅片的两端加上直流电压,产生了电致发光的效应。马可尼公司是发明了无线电的老牌公司,而俄国人一直认为无线电是他们的同胞波波夫发明的,这是一段科技发展史上的轶闻。1962年美国GE公司的尼克发明了红光LED,其后他的学生乔治解决了黄光LED的技术问题。但蓝光LED的研制要艰难得多,直至1973年日本名城大学的赤崎勇教授,后来也是名古屋大学的教授,和他的学生天野浩在实验室开始了蓝光LED的相关基础研究。由于配位的困难,氮化镓或氮化铟镓在蓝宝石基面的生长是一个难题,也影响了其批量生产。而日本日亚公司的中村修二则以锲而不舍的精神突破了蓝光LED的量产技术。从1907年发现光电效应,到1996年日亚公司蓝光LED批量生产,经历了90年的漫长历程。

  让我们简单地回顾一下中村修二的创新探索之路。中村修二毕业于日本德岛大学,并获硕士学位。他原本可以像很多当年的大学毕业生一样去东京等都市的大公司求职,以获得更好的发展空间,但他在大学已结婚,毕业后为了更好的照顾妻子和孩子,虽然他已应试日本著名的京瓷公司,后来还是选择了位置相对偏远的家庭所在地德岛市工作,进入当时并不显赫的日亚公司。在从事了其他研究之后,1989年他在公司一个旧车库改装的实验室里开始了蓝光LED的工程化研究。由于配位的困难,因而各国科学家大多放弃氮化镓的路子,在较易生长的硫化锌、硒化锌、锑化镉等材料上下功夫,但发光效果不理想。

  面对蓝光LED研究的胶着状态,赤崎勇和他的学生天野浩,以及日亚的中村修二在技术路线上独辟蹊径,放弃锌基等材料,而选用了氮化镓、氮化铟镓生长于蓝宝石基底之上的方案,他们深知这是一条艰难的路子,但一旦突破会有较大的转换效率,从根本上实现蓝光LED的实用化。蓝光加上已经解决的红光、绿光发光,合成之后就是今天已经大量生产的白光LED

  当年的中村修二,研发条件之简陋难以想象,没有充足的实验条件,最初的试验经费只有一百多万日元。需要的一些实验室装置也买不到,他只好自己动手做各种装置,以至后来成了焊接石英玻璃器件的高手。他选择的技术路线是国际上不被看好的高难度项目,研发工作后来得不到公司认可,他的个别上司甚至见面就问“你怎么还没有辞职?”。他还曾去过美国的佛罗里达大学做访问学者,在那里没有得到同行最起码的礼遇,连一些学术会也不请他参加。在他历尽千辛万苦,用了多年的时间完成蓝光LED研发,得到公司的奖励只相当于人民币1141元。后来他愤而离开公司出走美国,结果日亚公司与他对簿公堂,理由是按有关法律,公司员工离职后三年内禁止从事原来从事的研究课题,即违反了禁业规定。但按涉及知识产权的有关法律,发明人享有相应产权,于是中村以发明权属及补偿问题提起反诉,并提出了200亿日元的权利要求。经过四年的拉锯战式官司,最终法院调解结果为日亚公司补偿中村8.4亿日元,合人民币4800万元。

  中村当然还是忿忿不平,后来在美国加州大学圣巴巴拉分校做了教授,成为美国公民并开办了自己的公司。

  当然,日亚公司也有慧眼识才的头头,曾任会长的小川信雄在公司高层不看好蓝光LED,并决定不再支持相关研究后,还接受了中村修二的越级申请,继续支持或者说认可了中村的课题。有报道说中村用了三个月的艰苦钻研,基本解决了双异质结构氮化镓生长问题。殊不知中村1979年硕士生毕业后从事了近十年的相关研究,为蓝光LED研究打下了坚实的基础,才可能厚积薄发,取得突破。中村也是一个有个性的科研人员,他在难以发论文的氛围中还是先后发表了200余篇论文,申报了百余项专利。同时面临日本那样的公司文化,敢于为自己维权而与老东家叫板。

  中村先生对中国还很友好的,他担任过上海复旦大学的兼职教授,并且是广东工业技术研究院和国家半导体照明联盟的顾问,多次往返于中美两国之间。

  有人形象地说中村修二名如其人,颇有些“二”的精神。其实这是褒义的“二”,即十分可贵的坚守精神,也是中村得以成功的主要原因。这种精神就是不跟风,不唯上,不盲从。一旦选定目标,不论面临天大的困难,就义无反顾地做下去。这种自信与执着,这份探索与坚持,正是科技开发中特别需要的“韧”的精神。

  今年诺贝尔物理学奖的颁发与稀土研发与应用有一定的关联,因而理所当然地应引发我们的思考。

  一、重大应用基础研究与工程化研究的结合一旦成功,将产生颠覆性创新成果和巨大的经济、社会效益

  值得一提的是诺贝尔奖金的最初来源,即为诺贝尔因黄色炸药等重大发明获得的可观收益,也是实验室成果成功转化的早期范例。多年来的物理、化学奖项,有相当多的授予了基础研究的重大进展,也有不少褒奖了能够为商业化生产打下基础的前沿技术,或重大工程化技术。而今年的物理奖则恰好是上述两种研究的最佳组合。两位大学教授,赤崎勇和他的学生天野浩多年从事蓝光LED的应用基础研究,而日亚公司即企业的技术人员中村修二完成了GaNGalnN在蓝宝石基底生长的关键工程化技术。

  白光LED 的产业化,在红光、绿光LED技术已经取得实用化之后,以蓝光LED技术的艰难突破,最终完成了红+绿+=白光及相关材料和工艺的组合技术,使全球的照明技术进入了一个崭新的时代——LED时代。

  白炽灯的发光效率为10Lm/w,寿命为2000小时。而白光LED150Lm/w,经技术优化提升可望达200Lm/w以上,寿命可高达10万小时以上。预计2020年我国发电量6万亿度,照明用电占发电量的12%,若LED发光的市场渗透率为50%,则每年约可节电2520亿度, 减少CO2排放2.5亿吨 ,减少粉尘排放6854万吨,减少SO排放750万吨。美国方面则估计,如全部采用LED照明,全美2050年照明用电量预计只相当于2015年照明用电量。一只小小的LED灯,将陆续取代其他的照明方式,在照明及显示方面给全球带来革命性的技术进步,并具有显著的经济效益和环境生态效益。这再一次雄辨地证明科学技术是第一生产力,而基础研究是一切近现代工程化技术之源。

  二、对重大基础研究和前沿技术研究给予持续支持

  重大基础研究和前沿技术研究是探索性、创新性活动,具有难度大和周期较长的特点,对前瞻性、关键重大的课题方向应给予长期持续支持,承认和尊重这一基本规律,并完善创新机制至关重要。

  1993年中村修二在小小的蓝宝石晶片上成功地生长出氮化镓薄膜,从而以稳定的工艺、可接受的成本、较理想的光电转换效率和足够的亮度使蓝光LED器件生产取得突破性进展。红、绿、蓝LED这三个兄弟,蓝色姗姗来迟。从1907年发现光电效应到1996年蓝光LED的批量生产,多国科学家和企业技术人员经历了长期的探索之旅。可见越是重大的或被称为颠复性创新和前沿技术,越是需要较长的研发周期,和可观的人力财力投入。目标一旦选定,就一定要坚持和坚守。

  反观我们在科研周期的安排上,更多是急于求成。从一段时间盛行的“短、平、快”项目,到目前仍存在的三五年出成果甚至一两年出阶段性成果,对重大创新项目而言是太急躁了,恐怕有违科研本身的规律。对于跟踪模仿的项目可设置相对短的周期,但真正做好引进消化及再创新,估计也很难一蹴而就。对于重大的原创性的创新,不能操之过急,要给时间,要有耐心,要鼓励创新,宽容失败,更不可以做类似拔苗助长的蠢事。

  三、重视科研团队尤其是领军人物的作用,完善创新的软硬环境

  中村在回顾他创新之路时,曾说了一句耐人寻味的话,大意是他所有努力的动因是愤怒。值得注意的是中村修二的“愤怒”,估计一是多年来得不到充分理解和尊重,二是研发环境不理想,三是他所在公司对这样重大成果只有微薄的奖励。总之软硬环境都不尽人意,这也是他愤而出走的主要原因。按照对发明或创新权属的奖励界定,有职务性与非职务性两种。目前普遍存在非职务性创新的奖励缺乏法律依据和力度不够的问题,也是争议较多又亟待解决的问题。因为从法律和道义两个层面看,公司给科研人员提供了薪酬,提供了科研的所有条件,甚至还提供了进一步培训等等,公司是科研开发活动所有资金的出资人,获得成果自然属于职务性,那么成果的收益权理应归于公司,因此出现奖励普遍偏低的状况。中村所在的日亚公司1979年销售收入40亿日元,只有200名员工,后来发展到有600员工,产值超过2000亿日元的小巨人企业,并成为行业的翘楚。而中村当年得到的奖励合人民币只有1140元。当然公司的发展也有其他因素,但蓝光LED肯定是重头戏,今后预期公司在专利转让及产品拓展上会有更好的收益。

  中村当年得到的很少奖励恐怕在日本也不是个别现象,他的付出与获得的补偿显然不对称。这方面欧美公司一般比日本公司做得好,可能是文化背景和价值观念的差异所致。

  不少国内外高科技公司,越来越重视科研团队尤其是领军人物的作用,这是明智之举。因为科技创新活动中人是最重要、最活跃的因素,人的积极性、主观能动性如能最大限度地被调动起来,会收到事倍功半的效果。不少公司积极培养使用自己的人才,高薪引进外来优秀人才;给领军人才配备精干的助手;提供装备精良的实验室;安排较充裕的经费等。但这还不够,还要注意营造软环境,要特别尊重领军人才,尤其是有个性、不合群的怪才。要激发他们的创新激情,保护好经他们奋斗获得的知识产权,当然这些知识产权目前基本上都是职务性的,希望今后能有所改变。应从行政立法和企业立制两方面解决知识产权资产化、股权化问题,以及主创人员的分享问题。对已获得成果除给予重奖外,可在量化的知识产权股权中,考虑让主创人员占一定比例,这样做有利于稳定人才,可进一步调动领军人才及团队的积极性和提高对公司的忠诚度。

  四、科技开发体制机制改革有待深化,企业的创新机制有待完善

  我们在科研体制机制的改革方面历经多年的艰苦努力,也取得了相应的巨大进展。但是仍有很多不尽人意之处,如科技开发经费的投入产出比不够理想;科研立项不够公平;项目多头管理和碎片化;成果评价体系有待改进;重复劳动突出和项目集成聚焦不够;成果转化率不高;企业作为技术进步主体的地位和作用有待强化等。科研体制机制改革的深化和再出发显得十分迫切。

  企业在完善创新的激励机制、优化创新环境方面还有很多值得探讨之处。首先观念(理念)决定企业的高度和效益,要确立创新驱动的理念,提倡创新第一,创新者为王,创新形成企业核心竞争力;把创新作为企业文化的核心内容之一;要加大企业研发投入,并突出重点,尽快突破;对科研团队尤其是领军人物,在项目立项、经费使用、人员组合、研发进度等方面给予更多的自主权;更多地鼓励原始创新,特别要重视非共识技术原理或技术路线的研发;在企业确立官本位和技术本位两种晋升路线,领军人才可享受本企业高管薪酬;对于更多涉及工艺诀窍即“Know How”科技人员的业绩考量,可适当淡化论文甚至专利的要求;注重多学科组合、渗透;加强包括工艺、装备、检测等多专业的集成、联动;安排一定比例的重大、前瞻性工程化课题,设置较长周期,给予长期持续支持,并对失败有一定宽容度,这样才有利于出大成果,而不是一味地跟踪模仿。

  五、企业作为技术进步的主体最有利于成果转化

  蓝光LED的研发,从实验室的基础研究到最终的商业化生产,接棒者日亚公司的中村修二最接地气,深谙实现产业化的关键技术和诀窍所在。当然,这一成果有中村先生特别能吃苦,能够“板凳坐得十年冷”,特别能耐寂寞去攻关的偶然因素。但偶然中有必然,企业作为成果转化的主体的有效性决不是个案。企业最了解市场,最了解什么是最需要的技术,也了解国外相关技术状况,以及国内外技术提供方和可能的合作方。企业是技术进步投入的主体,研发的主体,转化的主体,自然也是获得收益的主体。

  国内外不少成功的企业尤其是高科技企业,不论其规模大小,都拥有自己的研究中心或实验室。这些企业自设的研发平台,以工程化技术研究为主,以获取成果转化的最大效益为目标,同时确立在行业中的领先地位。一般研发投入占销售收入的5-10%,甚至更高。国外的如美国GE、日本的日立、韩国的三星、德国的西门子等公司,国内的如华为、迈瑞等公司莫不如此。这些公司的研发中心,不仅在工程化技术的研发转化方面居于国际领先水平,还开展了有应用前景的应用基础研究和前沿技术开发,从而形成了核心竞争力,在激励的国际竞争中立于不败之地。

  当然产学研用的一体化,产字当头,以企业为主体是理所当然的。院所高校的成果,从实验室走向产业化,把论文和数据转为现实生产力,这个大舞台必然是企业。实验室的小试要经过中试、扩试,要进行二次开发,需要更多的人力、财力的投入。无数案例不断地在证明,实验室成果应用到商业化生产,决不是简单的放大。优化顺行的工艺流程,技术与装备的最佳结合,最大化的收率(产率),可接受的成本,理想的性价比等,都需要在工业化生产中完善、改进、成熟,并实现企业效益最大化。一般来说,企业牵头的重点科技项目,成果转化率都是比较高的。

  文章到此该打住了,还有两个情况还要说一下。一个是此次获奖的蓝光LED,本身并没有用到稀土,但红光与绿光LED粉都要用稀土,而红绿蓝光的一定比例的组合,产生了接近太阳光的白光,至于需要偏暖还是偏冷的光色是可以调整的。还有一点也很重要,蓝光LED需要的镓(Ga),是丰度(克拉克值)很低的稀有金属,它的克拉克值只有14 ,比稀土少得多。说起替代,那么镓的替代技术和减量技术更为紧迫,因为在半导体和其他高技术领域也需要这一宝贵的金属。这方面的研究已经被提到日程上了。

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