Анализ инновационных технологиЙ в секторе фотоники: 6-ой технологический уклад или технологическая «матрешка»?

Отправлено 3 мар. 2015 г., 21:31 пользователем Vladislav Moiseev   [ обновлено 3 мар. 2015 г., 22:41 ]



Анализ инновационных технологиЙ в секторе фотоники:

6-ой технологический уклад или технологическая «матрешка»?


                                                                                                                                            С.Н.Соколов


Ключевые слова

Фотоника, аддитивные технологии, инновации, полупроводниковые лазерные диоды, технологические уклады.

Photonics, additive technologies, innovations, semiconductor laser diodes, techno-economic paradigm.


Аннотация:

Проведен анализ инновационных технологий и концепции технологических укладов в секторе фотоники. Показано, что развитие нового VI технологического уклада и разработка изделий в сфере фотоники проходит не только замещением технологии предшествующих технологических укладов. Научно-технический прогресс в производстве изделий полупроводниковой квантовой электроники осуществляется путем создания прорывных инновационных технологий, гармоничного развития, сочетания и взаимного дополнения технологий, относимых к предшествующим ТУ подобно технологической «матрешке».


Abstracts:

An analysis is made of innovative technologies and concepts of technological structures in the sector of photonics. It is shown that the development of a new VI techno-economic paradigm and product development in the field of photonics extends not only to the replacement of previous technology technological structures. Scientific and technological progress in the production of semiconductor quantum electronics by creating breakthrough innovation, harmonious development, and a combination of mutually complementary technologies that are attributable to the previous specifications such technological "Matryoshka" (set of nesting dolls).


«Ключевым фактором доминирующего сегодня технологического уклада является микроэлектроника и программное обеспечение. В число производств, формирующих его ядро, входят электронные компоненты и устройства, электронно-вычислительная техника, радио- и телекоммуникационное оборудование, лазерное оборудование, услуги по обслуживанию вычислительной техники. Генерирование технологических нововведений, определяющих развитие этого технологического уклада, происходит внутри указанного комплекса отраслей и опосредовано сильными нелинейными обратными связями между ними.» [1]. «Мы стоим на пороге освоения, по сути, не шестого индустриального, а первого постиндустриального технологического уклада (примерно 2030-2090 гг.), в основе которого, вероятно, будет наноэнергетика: молекулярные, клеточные и ядерные технологии: нанотехнологии, нанобиотехнологии, нанобионика, микроэлектронные технологии, наноматериалы, нанороботизация и другие наноразмерные производства… В основе этого технологического уклада – нанотехнологии, оптотехнологии, генная инженерия и другие» [2].

Структура нового (VI) технологического уклада и его составляющие показаны на рис.1. [4].




 «По мере его становления происходит развитие новых, адекватных ему технологических совокупностей, генерирующих собственный спрос на новую продукцию, и формируется второй контур накопления – новый технологический уклад входит в режим расширенного воспроизводства на собственной технологической основе. Это становится возможным с созданием соответствующих целостных производственно-технологических систем, способных к расширенному воспроизводству ключевого фактора и ядра нового технологического уклада.»[3]. 

Особое место в инновационных прорывных технологиях 21 века занимает фотоника. «Фотоника (англ. photonics) — область науки и техники, которая занимается изучением фундаментальных и прикладных аспектов генерации, передачи, модуляции, усиления, обработки, детектирования и распознавания оптических сигналов и полей, а также применением указанных явлений при разработке и создании оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств различного назначения» [5], основанная на явлениях квантовой физики и электроники. Предполагается [2,3,4], что развитие 6 технологического уклада (ТУ) будет замещать технологии предшествующих ТУ, однако, проведенный анализ технологий используемых в производстве изделий полупроводниковой квантовой электроники (фотоники), относимые к 5 ТУ, показывает гармоничное развитие, сочетание и взаимное дополнение технологий 3, 4, 5 и 6 ТУ, подобное технологической «матрешке».

Современные полупроводниковые лазерные диоды (ПЛД), например, изготавливаются на основе уникальных промышленных нанотехнологий: эпитаксиального выращивания полупроводниковых гетероструктур с наноразмерными слоями (квантовыми «ямами», точками), из металлорганических соединений в газовой фазе (MOCVD) или молекулярно–лучевой эпитаксии (MBE), созданных в конце 1970-х и 1960-х годов, соответственно (6 ТУ). Кристалл ПЛД формируется по основным технологическим процессам постростового планарного цикла (5 ТУ), которые непрерывно совершенствуются: прецизионные фотолитографические процессы формирования геометрии полупроводникового кристалла; скрайбирование лазерное и алмазным резцом с последующим разделением полупроводниковых и керамических пластин на элементы; плазмохимические процессы травления и очистки RIE/ICP/CVD; прецизионные процессы автоматизированной сборки и монтажа кристаллов; вакуумное нанесение диэлектрических тонких плёнок (с толщиной нанометрического диапазона) методом электронно-лучевого и ионного испарения (сочетание 5 и 6 ТУ). В конструкции ПЛД применяются: 

1) различные типы теплоотводов, из высоко-теплопроводящих материалов на основе высокотехнологичных процессов: бескислородной меди (4 ТУ); псевдосплавов Сu-W (4 ТУ); монокристаллического SiC (осажденный из газовой фазы – CVD (5 ТУ), поликристаллического керамического AlN (5 ТУ); естественного или искусственного (CVD) монокристаллического алмаза (5ТУ), оксид бериллиевой керамики (5 ТУ).

2) герметичные металлостеклянные корпуса со стеклянным окном для выхода оптического излучения из корпуса и электрически изолированными вводами на основе спаев стекло-металл, первоначально использованных еще в вакуумной лампе Эдисоном в 1883г. (3 ТУ) или металлокерамические корпуса (5 ТУ).

3) коллимирущие асферические микро оптические элементы (технология, разработанная фирмой LIMO в 1990-х г. (5 ТУ). 

В результате совершенствования комплекса эпитаксиальных и пост-эпитаксиальных (планарных) технологических процессов и конструкций ПЛД и достижения рекордной выходной оптической мощности излучения и эффективности, современные ПЛД стали силовыми полупроводниковыми приборами: КПД преобразования электричества в лазерное излучение достигает 75% и выше, выходная оптическая мощность излучения в непрерывном режиме составляет десятки кВт. На основе высокомощных  наборных решеток ПЛД созданы лазерные технологические установки (ЛТУ) для обработки материалов излучением диодных лазеров: упрочнение и очистка поверхности, нанесение плакирующих покрытий, сварка, резка. Таким образом, лазеры стали технологическим драйвером создания   инновационных технологических процессов и изделий в машиностроении (4 ТУ). Новейшие аддитивные технологии невозможны без использования лазеров для селективного лазерного спекания и изготовления деталей сложной объемной формы из порошковых материалов (металлов, керамики и пластмасс) по 3D компьютерным моделям. Такие детали невозможно изготовить, используя традиционные технологии резания, штамповки и др. В технологии лазерного формообразования материальный объект сложного вида создается «снизу-вверх» из частиц материалов микрометрических размеров и практически не требует затем дополнительной механической обработки. Лазерные аддитивные и другие технологии имеют широчайшие перспективы применения на предприятиях авиакосмического, оборонного комплекса, автомобильной промышленности, двигателестроения, приборостроения, в медицинских изделиях и др., вызывая революционные изменения в традиционных технологиях обработки материалов и качественные изменения технических параметров и характеристик изделий. Так, например, в результате применения установок селективного лазерного спекания/плавления (прототипирования) созданы уникальные полностью керамические газотурбинные двигатели, не имеющие аналогов в мире, которые являются предшественниками нового витка промышленной революции в двигателестроении [5]. Применение ЛТУ обеспечивает предприятиям уникальные технологические возможности, повышение экономической эффективности, высокое качество и конкурентоспособность продукции. 

Очевидно, что переход к промышленным технологиям 6 ТУ, таким например, как нанотехнологии, не должен «закрывать дорогу» технологиям, предшествующих ТУ, поскольку задачи обеспечения благоприятной среды обитания человека, эргономика, транспорт, энергетика, необходимость защиты электронных компонентов от воздействия окружающей среды, неизбежно требуют производства деталей, машин, механизмов и изделий больших форм-факторов,  на основе технологий предшествующих ТУ.

Научно-технический прогресс на современном этапе обеспечивается комплексом взаимопроникающих и непрерывно развивающихся технологий различных технологических укладов развивающихся в гармоничном сочетании с прорывными технологиями-драйверами.


Список использованных источников

  1. Глазьев С.Ю. Возможности и ограничения социально-экономического развития России в условиях структурных изменений в мировой экономике. – Научный доклад РАН, отделение общественных наук, 2008.
  2. Белоусов В.И., Белоусов А.В. Технологические уклады и преодоление экономических кризисов 19.01.2010, http://www.kapital-rus.ru/articles/article/175896 (дата обращения: 27.02.2015).
  3. Глазьев С.Ю. Развитие российской экономики в условиях глобальных технологических сдвигов Научный доклад. М.: НИР, 2007. – 134 с.
  4. Глазьев С. Ю. О политике опережающего развития в условиях смены технологических укладов. Электронное научное издание «Устойчивое инновационное развитие: проектирование и управление», www.rypravlenie.ru, том 9, № 2(19), 2013, ст. 2, с.15-21. (дата обращения: 27.02.2015).
  5. «Словарь основных нанотехнологических и связанных  с нанотехнологиями терминов. ОАО «Роснано». http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1899?sphrase_id=28236

(дата обращения: 27.02.2015).

6. Сударев А.В., Тихоплав В.Ю. О создании корабельных керамических ГТУ. Судостроение, 2003, № 3, с. 23-31.



Comments