Научная статья на тему 'Кластер гибкой печатной технологии'

Кластер гибкой печатной технологии Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

CC BY
193
53
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МИКРОИ НАНОТЕХНИКА / ГИБКАЯ ПЕЧАТНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА / FLEXIBLE PRINTING ELECTRONICS / КЛАСТЕР / CLUSTER / ПРОТОТИПИРОВАНИЕ / PROTOTYPING / ПРОИЗВОДСТВО / PRODUCTION / MICROAND NANOTECHNICS

Аннотация научной статьи по прочим сельскохозяйственным наукам, автор научной работы — Афанасьев Петр Валентинович, Бохов Олег Сергеевич, Лучинин Виктор Викторович

Технологии превосходства (т. е. непредвиденные, прорывные, критические технологии) характеризуются совокупностью наиболее часто связанных с ними определений «междисциплинарные», «конвергентные», «бионические», «когнитивные», «атомнои наноразмерные», «квантово-информационные», «спин-волновые». Целью настоящей работы является представление формируемого Санкт-Петербургским государственным электротехническим университетом «ЛЭТИ» нового научно-технологического базиса для создания изделий микрои нанотехники (рис. 1), в основе которого лежат гибкость и (или) трехмерность субстрата, гетерогенность или конвергентность используемых композиций и мультидисциплинарный органо-неорганический интерфейс.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по прочим сельскохозяйственным наукам , автор научной работы — Афанасьев Петр Валентинович, Бохов Олег Сергеевич, Лучинин Виктор Викторович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Flexible printing electronics cluster

Technologies of superiority (that is unforeseen, cross-cutting, extreme technologies) are characterized by group of related definitions «interdisciplinary», «convergent», «bionic», «cognitive», «atomic and nanosized», «quantum and informational», «spin wave». The purpose of the article is presentation of a new scientific and technological basis for creating microand nanotechnics production (pic. 1) that is formed by Saint-Petersburg electrotechnical university «LETI». The idea of it is based on flexibility, and (or) substratum tridimensionality, heterogeneity or convergence of the employed compositions and a multidisciplinary organic-inorganic interface.

Текст научной работы на тему «Кластер гибкой печатной технологии»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.