CC BY
53
УДК 621.3
П. В. Афанасьев, О. С. Бохов, В. В. Лучинин
Кластер гибкой печатной технологии
Ключевые слова: микро- и нанотехника, гибкая печатная электроника, кластер, прототипирование, производство.
Keywords: micro- and nano- technics, flexible printing electronics, cluster, prototyping, production.
Технологии превосходства (т. е. непредвиденные, прорывные, критические технологии) характеризуются совокупностью наиболее часто связанных с ними определений — «междисциплинарные», «конвергентные», «бионические», «когнитивные», «атомно- и наноразмерные», «квантово-информационные», «спин-волновые». Целью настоящей работы является представление формируемого Санкт-Петербургским государственным электротехническим университетом «ЛЭТИ» нового научно-технологического базиса для создания изделий микро- и нанотехники (рис. 1), в основе которого лежат гибкость и (или) трехмерность субстрата, гетерогенность или конвергентность используемых композиций и мультидисциплинарный ор-гано-неорганический интерфейс.
Введение
С учетом общих тенденций развития мультидис-циплинарных прорывных технологий в качестве одного из стратегических направлений в области технологий превосходства в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» было определено направление:
«Бионические робототехнические и биомедицинские системы для обеспечения жизнедеятельности человека и расширения его функциональных возможностей», включая искусственные органы, интеллектуальную одежду и лаборатории-на-чипе.
Рис. 1
Базовые тенденции развития современной микро-
и нанотехники
Анализ показал, что определяющим фактором при реализации данного стратегического направления по трем указанным составляющим будет являться материаловедческий базис. Пути его эволюции применительно к научно-образовательным компетенциям, развиваемым и доступным коллективу СПбГЭТУ «ЛЭТИ», были сформулированы в рамках обобщенной концепции (рис. 2).
Эволюция физико-химической природы материалов, их структурной организации и, как следствие, функциональных свойств, необходимых для обеспечения дружественного и эффективного интерфейса «человек—машина», является одной из важнейших тенденций развития микро- и нанотехники. В рамках современных представлений это определяется выполнением совокупности таких требований, как миниатюрность, надежность, энергоэффективность и, безусловно, интегрируемость в рамках «in vivo» и «in vitro» биосовместимости.
Гибкая печатная технология
Термин «гибкая печатная технология» отражает две основные составляющие данного научно-технического направления:
• материаловедческий базис, т. е. конструктив-но-материаловедческие особенности подложки и функциональных печатных элементов;
• технологический базис как комплекс способов формирования функциональных элементов, основанных на печатных рулонно-трафаретных и ка-пельно-струйных технологиях.
Применительно к решению задач в области биотехносферы основные направления реализации изделий нового поколения при развертывании кластеров гибкой печатной технологии могут быть определены следующим образом:
• сверхминиатюрные сенсорные системы для обеспечения дистанционного сбора и передачи информации и идентификации личности и объектов;
• миниатюрные навигационно-ориентационные системы для автономной навигации биообъектов и их позиционирования;
биотехносфера
I № eÇ36)/2014
Междисциплинарная платформа «Биотехносфера»
Искусственно синтезируемые
Свойства зависят от состава композиции и интерфейса, в том числе органо-неорганического
•> Искусственные, неприродные
* Свойства зависят от архи-
\тектуры, физико- химического состава, структуры и агрегатного состояния
и
I
«УМНЫЕ)
МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЙ БАЗИС
Искусственно синтезируемые и естественно существующие
Свойства зависят от характеристического размера на уровне «нано»
/
Обучаемые Рефлексивные Обладающие элементами интеллекта
/
БИОСОВМЕСТИМЫЕ
ГИБКИЕ
\
/
/
Эластичные независимо от физико-химической природы Легко интегрируемые в одежду и среду обитания человека Двумерные системы, как правило создаваемые
высок опр оизв о дательными промышленными технологиями
\
\
Сенсорные и лечебные эпидермальные Диагностические и терапевтические внутриорганизменные Органо- и тканезвмещающие Идентифицирующие биообъекты
Рис. 2
Материаловедческий базис технологий превосходства в области микро- и нанотехники (концепция СПбГЭТУ «ЛЭТИ»)
• микроаналитические системы типа «лаборато-рия-на-чипе» матричного и капиллярного типов для высокочувствительного биомедицинского и технического контроля биотехносферы;
• интеллектуальная высокоинтегрированная мультифункциональная одежда, в том числе с эпи-дермальной и (или) внутриорганизменной распределенной сенсорно-исполнительной системой;
• миниатюрные (в том числе — распределенные и гибкие) источники энергии, включая рекуператоры из эфира и окружающей среды;
• микроробототехнические средства, в том числе бионические системы на основе интеграции моторики биообъектов, сенсорики и управления объектами микро- и нанотехники;
• биозамещающие импланты для направленной регенерации и трансплантации органов и тканей.
Анализ данных направлений позволяет сформулировать ряд рекомендаций:
• наиболее востребованными изделиями являются гибридные миниатюрные устройства, интегрирующие сенсорные и исполнительные микросистемы с инфокоммуникационными системами для сбора, обработки и передачи информации (например, ориентационно-навигационные или биомедицинские модули);
• наиболее перспективными направлениями реализации конструкторско-технологических решений следует признать микроробототехнику, бионические системы, интеллектуальную одежду и «лаборатории-на-чипе»;
• эффективными направлениями использования гибких печатных технологий являются фото-
электронные преобразователи на гибком субстрате, а также органо-неорганические гибкие аккумуляторы;
• представляет интерес развитие специальных текстильных технологий с использованием микро-и нановолокон с различными физико-химическими, теплофизическими, электрическими, оптическими и биологическими свойствами.
Базовые тенденции изменения технических и эксплуатационных характеристик при создании изделий нового поколения наряду с ранее указанными (см. рис. 1) можно сформулировать следующим образом:
• уменьшение массогабаритных показателей;
• снижение энергопотребления;
• увеличение времени автономного функционирования;
• повышение стойкости к внешним воздействиям;
• вариабельность конструктивного исполнения для оперативной адаптации изделия в минимальные сроки при изготовлении и использовании.
Кластер гибкой печатной технологии
Состав оборудования для формирования кластера гибкой печатной технологии определяется возможностью реализации на нем широкого класса изделий с проведением технологических операций по типовым технологическим маршрутам.
Анализ совокупности операций и решений, используемых в гибкой печатной технологии, позво-
№ БС3Б)/2014 |
биотехносфера
Рис. 3
Проект кластера на основе гибкой печатной технологии, разработанного и реализуемого ЗАО «МЦКП»
лил сформулировать ряд базовых положений-рекомендаций:
• наиболее широко используемыми и динамично перестраиваемыми технологиями в отношении топологической локализации и состава осаждаемого материала являются капельно-струйные технологии, обеспечивающие микронное разрешение;
• формирование трехмерных конструкций с микронным пространственным разрешением обеспечивается процессами объемной лазерной стерео-литографии;
• наиболее высокую скорость формирования сложной коммутации на поверхности 2Б- и 3Б-объектов позволяет реализовать лазерная конверсия (модификация) металлосодержащего полимерного субстрата.
В целях эффективного использования научно-технологического потенциала СПбГЭТУ «ЛЭТИ» на его базе в 2011 г. было создано ЗАО «Межвузовский центр прототипирования и контрактного производства микро- и нанотехники» (ЗАО «МЦКП»).
Несмотря на отсутствие в России комплекса системно упорядоченных НИОКР в области гибкой печатной электроники и фактически полное заимствование зарубежного технологического оборудования для вышеуказанных целей, нашему творческому коллективу удалось создать кластер гибкой печатной технологии (рис. 3), элементы которого проходят апробацию на базе Центра микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ».
Формирование состава оборудования (рис. 4) научно-технологического комплекса экспресс-прото-типирования и производства микро- и нанотехники нового поколения осуществлялось в рамках ранее
поставленных задач, с оптимальным набором технологических операций и контрольно-диагностических процедур, обеспечивающих постановку технологических маршрутов изготовления изделий и отличающихся новым конструктивно-технологическим обликом и ранее недостижимыми техническими характеристиками, мобильностью в производстве, вариабельностью и адаптивностью при использовании.
Основные направления реализации изделий микро- и нанотехники нового поколения при развертывании научно-технологического комплекса гиб-
Рис. 4
Базовые компоненты инфраструктуры технологического кластера гибкой печатной технологии
биотехносфера
| № Б(3Б)/2014
70
Междисциплинарная платформа «Биотехносфера»
кой печатной технологии можно сформулировать следующим образом:
• бионические микроробототехнические комплексы, включая миниатюрные навигационно-ори-ентационные системы для автономной навигации и позиционирования;
• интеллектуальная высокоинтегрированная мультифункциональная одежда, в том числе с эпи-дермальной распределенной сенсорно-информационной системой;
• микроаналитические системы типа «лаборато-рия-на-чипе» для высокочувствительного биомедицинского контроля и мониторинга биотехносферы;
• сверхминиатюрные инфокоммуникационные модули (в том числе интегрированные с сенсорными и исполнительными микросистемами) для обеспечения сбора и передачи информации, идентификации личности и объектов;
• миниатюрные (в том числе распределенные и гибкие) источники энергии, включая рекуператоры из эфира и окружающей среды.
Исходя из ранее указанных особенностей гибкой печатной технологии в качестве одного из приоритетных направлений реализации ее инновационного потенциала и высокой экономической эффективности следует, безусловно, выделить «умную» одежду. Развитие данного направления обеспечивает:
• интеграцию в одежде совокупности сенсорно-информационных миниатюрных систем для обеспечения жизнедеятельности человека и повышения уровня его коммуникабельности;
• реализацию концепции биомедицинского интерфейса «человек—машина» нового поколения, обеспечивающего внедрение принципов персональной оперативной телемедицины;
• внедрение персональных миниатюрных носимых медицинских систем — аналогов «лабораторий-на-чипе» или биосовместимых материалов, сочетающих контрольно-диагностические и исполнительно-терапевтические функции, включая оперативный
контроль и поддержание определенных параметров внутренней среды организма;
• использование материалов и конструктивно-технологических решений, расширяющих функциональные возможности человека в экстремальных условиях.
Материалы и композиции, создаваемые для изготовления «умной» одежды с использованием гибких печатных технологий, могут быть классифицированы по функциональным возможностям:
• химически-, тепло- и радиационностойкие;
• механопоглощающие;
• опто-, ИК- и СВЧ-маскирующие;
• тепловыделяющие, теплопоглощающие и те-плогенерирующие;
• механически рекуперирующие и усиливающие;
• опто- и СВЧ-рекуперирующие;
• опто- и СВЧ-излучающие;
• оптически и радиоидентифицирующие;
• тактильно-чувствительные;
• биосенсорные.
Особый интерес представляет создание так называемых сверхтонких микро- и нанокомпозици-онных «перманентных» покрытий (опто- и СВЧ-хамелеонов), квантовых точек как базовых элементов средств идентификации и распознавания, волокон, выделяющих бактерицидные и противовоспалительные средства, распределенных источников и рекуператоров энергии.
В рамках новых текстильных технологий развивается технологическое направление «информационный текстиль», в котором используются:
• кодирование переплетением;
• сочетание интегрального и локального кодирования рисунков;
• скрытые многослойные ЭБ-изображения;
• скрытые рельефные 2Б-изображения;
• скрытые гетерогенные изображения, в том числе на основе перманентных свойств волокон.
№ Б(3Б)/2014 |
биотехносфера
