Приключения электродика
Представьте себе: вы взглянули на руку, чтобы узнать время, и там появился браслет с электронными часами. А когда свет экрана погас, гаджет сам по себе исчез. Фантастика? Не думаем! Такие чудеса «невидимой» техники – уже не из области фантастики, а вполне из реальной жизни. Так же, как гибкие смартфоны и прочие новшества, которые того и гляди обгонят в своём развитии само время. Любопытно, что подобные технологии рождаются не только на Западе, но и в России. Так, в АО «НИИграфит» разработан метод получения тонкого слоя для прозрачных электродов, которые используются в самых современных устройствах. Об уникальности, поисках и перспективах данного метода нам рассказал заместитель начальника отдела по инновационному развитию «НИИграфит» Егор Данилов.
Егор Андреевич, вас, как практического волшебника из научно-технической области, сначала хотелось бы спросить о ваших научных интересах, о том, как вы пришли к работе над совершенствованием прозрачных электродов?
В «НИИграфит» я работаю с 2013 года. Сначала был научным сотрудником, затем заместителем начальника отдела, до этого учился в аспирантуре. Наукой увлекаюсь давно, ещё в школе участвовал в олимпиадах по химии, физике, математике. Сначала нравилось химические опыты ставить, позднее заинтересовался больше физикой, закончил школу с математическим уклоном, затем – Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева. Во время учёбы меня увлекло материаловедение углеродных материалов: казалось бы, всего один элемент, но разнообразие физических свойств и структурных характеристик его модификаций поражает. Я стал заниматься углеродными наночастицами, и поскольку «НИИ-графит» специализируется на углеродных материалах, то решил пойти работать сюда. И сейчас я больше занимаюсь физической химией углеродных материалов.
Вообще, вокруг углерода выстроена большая часть моей научной деятельности: в студенчестве работал с углеродными нанотрубками, материалами на основе нанотрубок. Затем пришёл в лабораторию новых продуктов, где мы занимались всем, что связано с углеродом и что было интересно с научной точки зрения. Такая широкая тематика для меня очень привлекательна. Сначала мы делали здесь структурированную углеродную пену – пористый углеродный материал, который особенно перспективен для протезов костей. Нам удалось более или менее разработать соответствующую технологию, а сейчас эти работы продолжаются уже на несколько другом уровне. Наша группа выполнила аванпроект по этой теме, она была включена в тематический план, выполнено несколько проектов, касающихся применения этого класса материалов. Кроме
того, я занимался разными композиционными материалами, их электрическими свойствами, затем переключился на полимерные композиционные материалы, в частности, материалы для теплоотвода электроники. Было бы интересно создать радиаторы из лёгкого материала, например из лёгкого пластика без потери теплопроводности.
А сегодня какая ваша основная тематика?
Это прозрачные электроды и пьезоматериалы с их использованием. Эта тема возникла из работы нашей лаборатории, в результате которой одной из моих коллег была защищена диссертация по оригинальному способу получения графена методом ультразвукового расщепления природного графита. В результате этого процесса можно получить графеновые частицы, в том числе некоторое количество однослойного графена. К этой идее меня привлекли ещё до моей работы в «НИИграфит» в 2012 году как специалиста по углеродным наночастицам: тогда я помогал «поиграться» с химией поверхности, добавлять различные стабилизаторы, втянулся в эти эксперименты. И когда моя коллега защитила по этой теме диссертацию, мы стали думать о создании возможных конечных устройств, продуктов на основе этих наночастиц. Тут нам «подвернулась» российско-израильская программа «Роснано» по международному сотрудничеству, мы написали заявку, стали интересоваться тем, что нашим потенциальным партнёрам в мире хотелось бы сделать на основе графена. Выяснили, что многим интересны электроды – проводящие плёнки, тонкие и прозрачные. В этом направлении мы начали работать и первый год посвятили поискам метода, которым можно получать такие плёнки. По данной теме есть много литературы, в мире активно идут разработки в этой области, в первую очередь развит интерес к гибкой электронике. В итоге мы пришли к достаточно оригинальной методике на основе способа, который называется «Метод Ленгмюра – Блоджетт», а затем стали эту методику развивать, и полученные результаты оказались достаточно перспективными. Знаете, метод Ленгмюра – Блоджетт в последнее время вызывает всё больший интерес, поскольку позволяет создавать слой материала толщиной в один атом, одну молекулу. Это структурированные слои, которые интересны для планарной электроники, например, и в целом для такого тренда, как миниатюризация техники, поскольку позволяет создавать очень тонкие интегральные платы и электронные компоненты. Мы применили этот метод для графена, и в результате удалось получить очень тонкие, нанометровых толщин электропроводные пленки, которые в то же время прозрачны.
Где наиболее востребован тренд миниатюризации электроники: в промышленности или в быту, для индивидуальных гаджетов например?
Тренд востребован и там, и там, это взаимосвязано. Интерес к миниатюризации есть и применительно к специальной технике, и в авиастроении, и в автомобилестроении. Понятно, что и масса, и площадь, занимаемая электронной начинкой, должны иметь максимально меньшие значения. Основной рынок – это потребительская электроника, у него гигантский финансовый оборот. Актуально, чтобы электронные устройства, смартфоны, в частности, были более плоскими, чтобы возможно меньшей была доля той части, которую мы непосредственно не наблюдаем. Важно максимальное соотношение площади экрана к толщине устройства. Гибкий смартфон – это интересно, и такое решение особенно востребовано любителями подобных гаджетов, которые интересуются последними веяниями в этой области. Кроме того, благодаря гибкости смартфоны становятся более надёжными в использовании, меньше подвержены сколам и механическим повреждениям. Гибкость важна также для эргономики таких электронных устройств, как телефон-браслет, телефон-часы, которые полностью представляют из себя экран. Такое устройство, как невидимый фитнес-браслет, по моему мнению, больше рассчитано на «вау-эффект», привлекает гиков – фанатов гаджетов – и простых пользователей своей необычностью. Его на руке не видно, но вдруг загорается экран – и оказывается, что на руке браслет!
Подобная пользовательская электроника рассчитана в первую очередь на маркетинг и эргономику. Хочу отметить, что мы не занимаемся непосредственно изготовлением прототипа устройства, об этом пока рано говорить. У нас есть технология, мы получаем материал, который, условно говоря, может в будущем являться неким интерфейсом между пользователем и тем, как внутренняя электронная начинка реагирует на прикосновения.
Как появились идеи сделать гибкие смартфоны и невидимые браслеты?
Данные гаджеты – это конкретные приложения нашей технологии. Есть литературные данные, презентации крупных корпораций, которые этой электроникой занимаются. Например, по технологии прозрачных электродов для альтернативных решений создана целая лаборатория в компании Samsung. У нас же не было конкретной цели делать гибкие смартфоны, мы не изготавливаем их прототипы. Наши идеи связаны строго с материалом. Области его применения в целом интересны, их можно установить, если просто следить за рынком, за научными публикациями.
В чём суть вашей технологии и её новизна?
Суть в том, что мы получаем очень тонкую плёнку высокой прозрачности при сохранении уровня проводимости по сравнению с материалами-аналогами. Сегодня для изготовления прозрачных электродов используют пленки на основе оксида индия-олова (ITO), они достаточно хрупкие, и о гибкости говорить не приходится. Если вы видели устройства, которые сейчас представляют гиганты электроники, то наверняка обратили внимание на то, что они гибкие только по определённым линиям, что также связано и со сложностью получения гибких аккумуляторов. Кроме того, наша технология позволяет получать плёнки с очень хорошими оптическими свойствами. Те материалы, которые применяются сейчас для прозрачных электродов, требуют цветокоррекции, поскольку довольно заметно, что они голубоватые. Скажем, на экранах дешёвых мобильных телефонов заметен синий цвет. А вот графен лишён такого недостатка, у него нет никаких перекосов цветовой гаммы.
Изменятся ли при использовании новой технологии технические характеристики электронных устройств? Того же смартфона, например?
Технические характеристики продукта не должны зависеть от материала его прозрачных электродов. С точки зрения проводимости свойства графена остаются на текущий момент такими же, как и у повсеместно используемого ITO, но в плане прозрачности и гибкости превосходят его. С точки зрения эргономики свойства смартфона, вероятно, станут лучше. А технические характеристики определяются электронной начинкой, это уже неостановимый процесс за счёт совершенствования электроники и систем обработки сигнала.
Для потребителя конечный новый продукт, например, гибкий смартфон, будет намного дороже, чем обычный?
Пока да, наш материал пока выходит дороже, но это связано с тем, что промышленного производства графена фактически нет. Теоретически со временем он станет дешевле, и в целом это тоже неотвратимый процесс – придётся переходить на альтернативные материалы, поскольку те, что используются сейчас, содержат индий, достаточно редкий элемент. Его мировые запасы на 70–80 % уже исчерпаны, что связано, в основном, с производством смартфонов и современных экранов.
Что требуется для создания подобных гаджетов с использованием электродов на основе графена? Какое предполагается финансирование?
Разработка электронного устройства – это процесс крайне дорогой, фактически 90% всех электронных плат и устройств выпускается буквально на шести заводах в Китае и Тайване. Поэтому мы, скорее, сориентированы на производство штучных устройств, пока, возможно, экспериментальных. У нас в России есть специалисты. В контуре Росатома тоже есть институты, которые могут изготавливать соответствующие прототипы и готовую продукцию. Мы являемся обладателями технологии, нас больше интересует её лицензирование и её передача изготовителю конечных устройств.
Объём финансирования на налаживание запуска зависит от объёма выпускаемого продукта. Если это пока выпуск специальных устройств, то, возможно, речь может идти о пределах 100–150 млн рублей. Если объёмы большие, то в среднем устройство будет дешевле, но тогда необходимо создавать в России какие-то большие заводы по производству потребительской электроники, у которых будет широкий спектр продукции. В основном, всё упирается в производство самой начинки.
За какой период, по вашему мнению, реально воплотить идеи производства от экспериментальных образцов новой электронной продукции и до её выпуска в промышленных масштабах?
Это сложный вопрос. Определённые экспериментальные образцы у нас уже есть. Но если речь идёт о конечном устройстве, то, я думаю, это два-три года. Промышленное внедрение упирается в инфраструктуру, потому что если соответствующий завод будет создан, то вопрос внедрения займёт один год, возможно.
Какие ещё перспективы открывает разработанная вами технология?
Поскольку мы делаем электроды, то перспективы связаны с увеличением надёжности и объёма продаж существующей техники, в которой они используются. Сама технология относительно универсальна: она применима не только в смартфонах, например, но и в солнечной энергетике, в светодиодах. Там востребован верхний прозрачный проводящий слой, который бы пропускал свет и проводил бы электричество. Например, солнечный элемент – это сэндвич, где нижняя пластина металлическая, потом идёт фотоактивный слой, и сверху должен быть прозрачный электрод, который делается сейчас из традиционного материала на основе индия.
Верхний прозрачный слой пропускает свет, который затем в активном слое преобразуется в ток. К верхнему слою предъявляется два требования: он должен быть прозрачным и работать как электрод, то есть проводить электрический ток. Светодиод то же самое, только с обратным процессом: к пластине проводится электрический ток, и в активном слое он преобразуется в свет, поэтому одна из проводящих ток пластин должна быть прозрачной, чтобы выпустить образующиеся фотоны. Кроме того, сегодня модно делать на прозрачных электродах «умные окна», особенно это направление развивается в Китае, на Тайване и в Сингапуре. Там много небоскрёбов и становятся популярными самозатеняющиеся, самообогревающиеся окна. В стекло встраивается солнечный элемент, чтобы вырабатывать электрическую энергию.
При большой длительности светового дня такой подход может быть довольно энергоэффективным и обеспечивать, например, работу кондиционера. Если же активный слой – это не солнечная батарея, а, скажем, пьезоматериал, то можно создавать различные устройства: высокочувствительные сейсмографы, датчики движения для систем безопасности и «умного дома», гидрофоны, приборы для исследования морей и океанов, для эхолокации. Нам удалось создать достаточно универсальную технологию, использующих её устройств может быть довольно много, это уже не совсем наша задача. Технология в настоящее время нами запатентована, в 2018 году мы получили российский патент, сейчас подаём международную заявку.
Можно назвать технологию изготовления прозрачных электродов на основе графена уникальной?
В мире занимаются смежными технологиями, но, поскольку пока в литературе мы похожих работ не находили, её можно назвать уникальной. В этой области ведутся интенсивные работы, так как она перспективна с точки зрения практического применения. Ведь скоро будет ощущаться значительный дефицит традиционного материала.
