2.2.P.05: Inżynieria powierzchni materiałów funkcjonalnych

Transkrypt

1 2nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials in Białka Tatrzańska, Poland 29th-30th November Panel nt. Produkt oraz materiał z jakiego dany produkt został wykonany zdeterminowany przez oczekiwane własności funkcjonalno-użytkowe wynikające z potrzeb klienta 2.2.P.05: Inżynieria powierzchni materiałów funkcjonalnych M. Drak Politechnika Śląska Materiały funkcjonalne charakteryzują się unikalną cechą polegającą na tym, że pod wpływem określonych czynników zewnętrznych potrafią zmieniać w szerokim zakresie swoje własności fizyczne. Materiały te charakteryzują się specyficznymi własnościami elektronicznymi, optycznymi, magnetycznymi lub inteligentnymi. Ze względu na funkcję jaką pełni można je podzielić na: materiały dla optyki, optoelektroniki i fotoniki, materiały dla elektroniki i elektrotechniki, materiały inteligentne

2 Grupy wyrobów określanych jako elektroniczne: sektor elektroniczny: PKD 30, 32, 22.3, 31.2, 33.2, 33.3 Wyroby elektroniczne rozumiane jako podzespoły pojedyncze: elektroniczne układy scalone i mikromoduły, diody, tranzystory i inne podobne urządzenia półprzewodnikowe, lampy elektronowe w tym kineskopy, elementy pasywne, kondensatory, rezystory, przełączniki i wyłączniki, transformatory, filtry i rezonatory, kable i przewody w tym światłowody, obwody drukowane (PCB), nośniki zapisów audio i wideo nie zapisane. Podzespoły i moduły elektroniczne stosowane w innych wyrobach finalnych, Wyroby elektroniczne rozumiane jako produkty finalne, Rynek podłoży i warstw półprzewodników w USA w bilionach dolarów Rynek OLED w USA w bilionach dolarów

3 Procentowy udział elementów optycznych w badaniach i urządzeniach w krajach europejskich w roku (Opera2015) Struktura finansowania Nano w Europie Synteza kierunków priorytetowych w zakresie nanonauki i nanotechnologii w programach badawczych Unii Europejskiej, Stanów Zjednoczonych i Polski Adam Mazurkiewicz (2006). Podział prac badawczych w programie PHYSICAL SCIENCE PHYSICAL SCIENCES PROGRAMME

4 Udział badań w laboratoriach w Polsce 1-9 laboratoriów laboratoriów laboratoriów >50 laboratoriów Liczba przedsiębiorstw Liczba laboratoriów Laboratoria badawcze w Europie w dziedzinie optyki i fotoniki Opera2015 Zjawisko w nanoskali Duża powierzchnia właściwa, duża reaktywność Zastosowanie Baterie słoneczne, kondensatory, czujniki gazów Przewidywany rozwój światowego rynku nanotechnologii Zmiana przerwy energetycznej w półprzewodnikach Zwiększenie oporu elektrycznego Zwiększona niezawodność i wytrzymałość zmęczeniowa Optoelektronika, nanofotonika Elektronika Elementy elektroniczne Przezroczystość dla światła LED Najczęściej wykorzystywane własności w odniesieniu do nanocząstek Własności mechaniczne Własności chemiczne Własności cieplne Własności elektryczne Własności optyczne Własności magnetyczne Powierzchnia

5 Szkła specjalne zastosowania w technice solarnej, elektronice i optoelektronice: szkła z powłokami, w tym antyrefleksyjnymi (pokrycia kolektorów) elektroprzewodzącymi jako podłoże dla następnych warstw ogniwa fotowoltaicznego, powłoki luminescencyjne na podłożach ceramicznych i szkle na wyświetlacze i źródła światła szkła z powłokami ciekłokrystalicznymi (LCD), szkła absorbujące promieniowanie, szkła o własnościach ochronnych, szkła hydrofobowe, szkła hydrofilowe, Szkła specjalne zastosowania w technice solarnej, elektronice i optoelektronice: pokrycia kolektorów słonecznych, ogniwa fotowoltaiczne, wskaźniki, wyświetlacze i źródła światła, diody elektroluminescencyjne, szkła z powłokami ciekłokrystalicznymi (LCD) na wyświetlacze i wskaźniki ciekłokrystaliczne, ekrany telewizyjne, ekrany monitorowe, wskaźniki obrazowe zmieniające przepuszczalność światła osłony i ściany działowe w budownictwie, szkła o dyfuzyjnie modyfikowanej powierzchni szkła z kontrolowaną przepuszczalnością i odbiciem promieniowania UV/IR oraz cieplnego promieniowania słonecznego, Sprzedaż modułów podświetlenia LCD w mln sztuk CCFL i EEFL 259,8 295,5 320,5 345,2 LED i FFL 2,3 10,5 28,5 44,8 Stosunek liczby LED i FFL do CCFL i EEFL 0,89% 3,55% 8,89% 12,98%

6 Metody pokrywania szkła Przykłady zastosowania powłok na szkle Rodzaje powłok Cechy charakterystyczne zastosowanie Powłoki antyreflekyjne Szerokopasmowe, wąskopasmowe, dwupasmowe Precyzyjna optyka szklana, ultracienkie płytki krzemowe Filtry światła białego Oddzielanie barw Urządzenia optyczne i optoelektroniczne Lustra metaliczne Warstwy nanoszone na podłoża polerowane lub szkło płaskie Urządzenia optyczne Bezbarwne elektroprzewodzące Lustra dielektryczne Warstwy o różnej przepuszczalności światła Wielowarstwowe układy z materiałów dielektrycznych Optoelektronika, elektronika, wyświetlacze LCD Układy optyczne wymagające niskiej absorpcji i wysokiej reflektywności

7 Materiały dielektryczne w technologii półprzewodników: Warstwy dielektryczne na półprzewodnikach wytwarza się w celu: maskowania półprzewodników w procesach dyfuzji, izolowania elektrycznego elementów składowych lub różnych obszarów w obrębie przyrządu, pasywowania powierzchni półprzewodnika, zabezpieczenia przyrządu przed oddziaływaniami zewnętrznymi. Warstwy powinny spełniać następujące wymagania: duża stabilność chemiczna, prostota i zgodność technologii półprzewodnika i warstwy, odpowiednie własności cieplno-mechanicze układu półprzewodnik-dielektryk jednorodność warstwy pod względem składu, struktury, brak zanieczyszczeń, odpowiednia grubość i jej jednorodność zwartość struktury

8 Procesy technologiczne odwzorowujące kształty Wzór przenoszony na płytkę za pośrednictwem emulsji Metoda substraktywna Litografia+trawienie Metody odwzorowywania kształtów Metoda addytywna Litografia+odrywanie Wzór przenoszony na płytkę bez pośrednictwa emulsji Bezpośrednie trawienie skanującą wiązką jonową Typy litografii Optyczna (głównie ultrafiolet) Rentgenowska (promienie X o małej energii) Elektronowa (dł. fali dla energii 10keV 1Angstroem ) Jonowa Fotolitografia Przygotowanie podłoża, Nakładanie warstwy kopiowej, Suszenie wstępne, Centrowanie, Naświetlanie, Wywoływanie, Suszenie końcowe, Wytrawianie, Usuwanie warstwy kopiowej,

9 Porównanie głównych cech układów scalonych opartych na tranzystorach bipolarnych i polowych CMOS Struktura CMOS Wytwarzanie chipów Prognoza zmiany gęstości pamięci i rozdzielczości układów scalonych w latach

10 Schemat laserowego teksturowania krzemu polikrystalicznego Technologia wytwarzania polikrystalicznych krzemowych ogniw fotowoltaicznych Schemat stanowiska do nanoszenia warstwy antyrefleksyjnej TiOx metodą CVD Porównanie efektywnego współczynnika odbicia dla różnych tektur w zakresie długości fal nm Efektywny Lp. Metoda teksturowania współczynnik odbicia R eff Trawienie w roztworach bez maskowania ~24 1. NaOH lub KOH z maskowaniem fotolitograficznym ~20 Trawienie w roztworach bez maskowania ~9 2. HNO 3 -HF z maskowaniem fotolitograficznym ~3 3. Trawienie w plazmie ~3 4. Teksturowanie mechaniczną piłą diamentową ~5 5. Teksturowanie laserowe ~10 Zależność efektywnego współczynnika odbicia światła dla płytek z krzemu polikrystalicznego od rodzaju obróbki laserowa tekstura odpowiadającej siatce rowków wykonanych z prędkością skanowania wiązki laserowej 50 mm/s przy odstępie między rowkami 0,05 mm, usunięcie warstwy o grubości 40 µm uszkodzonej w wyniku obróbki laserowej,

11 a) b) e) c) d) Tekstura laserowa odpowiadająca siatce rowków wykonanych z prędkością skanowania wiązki laserowej 20 mm/s przy odstępie między rowkami 0,05 mm po usunięciu warstwy uszkodzonej w wyniku obróbki laserowej o grubości: a) bez trawienia, b) 20 µm, c) 40 µm, d) 60 µm, e) 80 µm 21 energia słoneczna Hiszpania, Czechy

12 Światowa sprzedaż produktów opartych na inteligentnych szybach Zastosowanie: produkcja elementów optoelektronicznych, produkcja soczewek w cienkich, światłoczułych filmach optyczne magazyny pamięci masowe okna w budynkach, zmieniające wystrój j pokoju Światowa sprzedaż materiałów inteligentnych Zastosowanie: polimery przewodzące plastyczne baterie i kondensatorów, baterie z anodą litową i katodą z polimeru przewodzącego), konstrukcje wskaźników elektrochromowych, wyświetlacze, fotoreceptory w kserografach, budowa termometrów, czujniki wykrywające różne gazy, akumulatory, tranzystory, diody wysyłające światło i matryce,

13 Priorytety zastosowania materiałów inteligentnych w aplikacjach biomedycznych: technologie modyfikacji powierzchni w celu wytwarzania innowacyjnych, wielofunkcyjnych warstw na implantach, nowe technologie produkcji materiałów inteligentnych, materiały typu SMP (stimuli responsive materials) w produkcji inteligentnych urządzeń chirurgicznych i sztucznych implantów, materiały dla adaptacyjnych kombinacji lek-urządzenie, badania podstawowe połączeń materiałów heterogenicznych w protezach - likwidacja barier i poprawa jakości życia osób niepełnosprawnych

14 Analiza SWOT Czynniki wewnętrzne Mocne strony (9,15) Czynniki zewnętrzne Szanse (7,3) Czynniki wewnętrzne Słabe strony (7,6) Czynniki zewnętrzne Zagrożenia (6,5) Mocne strony Słabe strony Szanse Strategia agresywna MAXI-MAXI Zalecenia: Silna ekspansja i zdywersyfikowany rozwój Strategia konkurencyjna MINI-MAXI Zalecenia: Wykorzystywanie nadążających się szans przy niwelowaniu słabości wewnętrznych Zagrożenia Strategia konserwatywna MAXI-MINI Zalecenia: Przezwyciężanie zagrożeń z wykorzystaniem dużego potencjału wewnętrznego Strategia defensywna MINI-MINI Zalecenia: Podjecie starań o przetrwanie, ewentualnie szukanie dróg łagodnego wycofania się