Заявка на участие в Конкурсе русских инноваций 1. Титульная страница

Заявка на участие в Конкурсе русских инноваций
1. Титульная страница
Номинация: «Перспективный проект»
Тема проекта: Разработка автоэмиссионных катодов на основе пекового углеродного волокна
Организация, представляющая проект: Институт химии твёрдого тела и механохимии СО
РАН.
Руководитель проекта: Бервено Александр Викторович, лаборант-исследователь.
Регион (республика или область), город: Кемеровская область, Кемерово
2. Аннотация проекта – предназначена для ознакомления с содержанием
заявки лиц, не являющихся специалистами в данной области.
Цель проекта: разработка технологии получения автоэмиссионных катодов из пекового
углеродного волокна и внедрение их в производство.
Автоэмиссионные катоды (холодные эмиттеры) - это источники электронов, принцип
работы которых основан на явлении автоэлектронной эмиссии, то есть на туннелировании
электронов под действием приложенного электрического поля через потенциальный барьер
на границе раздела "твердое тело-вакуум".
Автоэлектронная эмиссия – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими
телами под действием внешнего электрического поля, достаточно высокой напряженности.
Эффект автоэлектронной эмиссии был замечен для углеродных волокон, благодаря наличию
у них большого числа автоэмиссионных центров - дефектов.
Таким образом, перспектива разработки состоит в том, что она позволит создать автокатоды,
которые не будут нагреваться, что очень важно в микроэлектронике, радиотехнике,
осветительных приборах и других отраслях.
Эффект автоэмиссии - чисто квантовый, а значит в пределе КПД подобного процесса может
быть близок к 100%, то есть он может быть весьма экономичен.
Преимущества использования автоэмиссионных катодов из углеродного пекового волокна в
технике заключается в следующем:
- снижение цены на автоэмиссионные катоды, что повлечёт за собой и снижение цены на
катодлюминисцентные источники света;
- увеличение в несколько раз срока службы углеродных автокатодов в сравнении с
имеющимися (металлическими);
- высокая экономия энергии – не требуется высокого труднодостижимого вакуума, почти
полное отсутствие нагрева (за счёт быстрого переноса электронов);
Актуальность темы. Существующая потребность в световой технике и средствах
отображения информации постоянно возрастает. Создается всё больше новых световых
систем, проектируемых с учетом специальных требований к цветопередаче, уровню яркости
освещенности. Известно много различных источников света: лампы накаливания,
галогенные и люминесцентные лампы (для освещения внутри помещений и световой
рекламы), газоразрядные лампы высокого давления (освещение просторных площадок и
улиц), полупроводниковые (LED) и органические (OLED) светодиоды (системы подсветки,
светоэлементы видеоэкранов), катодолюминесцентные лампы. Но каждый источник света
обладает своим характерным недостатком (неидеальным спектром излучения, большим
временем готовности к работе, низким КПД). Поэтому непрерывно идет поиск новых
источников света и совершенствование имеющихся технологий.
На сегодняшний день в России отсутствует производство высокоэффективных
автоэмиссионных катодов.
Краткое описание проекта: В результате работы нашего коллектива (студентов КемГУ сотрудников Института химии твёрдого тела и механохимии СО РАН – Кемеровского
филиала) были выяснены: условия формирования большого количества эмиссионных
центров (дефектов) в углеродных пековых волокнах, физико-химические основы
зависимости свойств углеродных волокон от температуры получения и от времени
последующей химической активации, а также от состава поверхностных групп. Определены
условия получения углеродного пекового волокна и оптимальной обработки для
регулирования их автоэмиссионных свойств.
В настоящее время в катодолюминесцентных источниках света начинают использовать
автокатоды на основе углеродных материалов, в том числе и на основе пучков углеродных
волокон полученных из полиакрилонитрила. Инновационная составляющая проекта
заключается в использовании углеродных волокон полученных из каменноугольного пека.
К области применения катодолюминесцентных источников света относятся: осветительные
лампы, элементы подсветки ЖК-дисплеев. Пикселы больших плоских видеоэкранов
коллективного пользования. Светофоры, семафоры и источники резервного освещения.
Разработаны модели электронных микроскопов с использованием автокатодов в качестве
источника электронов в методах сканирующей и просвечивающей электронной
микроскопии.
Производство плоских дисплейных экранов развивается весьма динамично. Размеры экранов
могут варьироваться от единиц до сотен и даже тысяч дюймов, яркость достигает значений
до 10 000 кд/м2. Объём продаж плоских дисплейных экранов по прогнозам к 2010 году
превысит 70 биллионов долларов. Такой рост рынка ожидается благодаря улучшению
качества и доступностью жидкокристаллических дисплеев (LCD) [Экраны на основе
автоэлектронной эмиссии, А. Ламанов, М. Ломанов, Е. Шешин, А. Щука, www.chip-news.ru].
В результате, с каждым годом рынок требует всё большее количество безнагревных катодов.
В результатах проекта могут быть заинтересованы:
- Предприятия, специализирующиеся на производстве катодов (такие как ОАО «ЦНИИ
«Электрон» (С.-Петербург), ОАО «Экран» (Новосибирск), компания ОАО «Катод»
(Новосибирск) и др.). Начало производства нового вида катодов – с автоэлектронной
эмиссии принесёт новых потребителей и позволит более прочно закрепиться на рынке.
- Отечественные производители плоских дисплеев, микросхем и светотехники (Компании
ООО СпаркЛайн, ЗАО ЭМПЛ ПРО, ООО МТ Систем, ООО НПФ ДИЛАЗ, ООО ПРОСОФТ,
фирма LiteMax Electronics Co., Ltd, ЗАО Протон_Импульс, ООО Радиотех_Трейд, и др.).
Подобные технологии разрабатывают компании Sharp, NEC, Mitsubishi, Toshiba, Hitachi,
Philips и Samsung. По данным маркетинговой фирмы DisplaySearch, в 2006–2007 годы
мировой объем продаж ЖК-дисплеев вырос с 55,1 млн. до более чем 85 млн. шт., а
плазменных панелей – с 10,7 млн. до 17 млн. шт. По данным DisplaySearch, в первом
квартале 2008 года продажи крупноформатных ЖК-панелей составили 20,9 млрд. долл., что
на 61% больше показателей 1 квартала 2007 года. По прогнозам рынок дисплеев будет
только увеличиваться.
Аннотация научной части проекта:
Целью проекта является разработка технологии получения автоэмиссионных катодов из
пекового углеродного волокна.
Для этого необходимо решение следующих задач:
- разработать научные основы технологии получения автоэмиссионных катодов из
углеродного пекового волокна;
- разработать методы анализа свойств получаемых углеродных волокон, а затем и
автокатодов на их основе;
- отработать оптимальные условия получения катодов с автоэмиссионными свойствами;
- создать лабораторную установку получения автокатодов из углеродного пекового волокна,
подготовить технические условия на автоэмиссионные катоды;
- создать несколько модельных установок для получения и активации углеродного волокна с
автоэмиссионными свойствами из дешёвого каменноугольного пека;
- наработать опытную партию автокатодов для анализа потенциальными потребителями.
Провести приёмочные испытания.
На сегодняшний день проект реализуется на базе института химии твёрдого тела и механохимии,
КФ СО РАН, совместно с ПК «Вторполимер». В лаборатории УНМ КФ ИХТТМ СО РАН
имеется всё необходимое оборудование, часть приборов закупается. У ПК «Вторполимер»
имеются необходимые производственные и лабораторные площади – более 1000 кв. м., а
также необходимая инфраструктура.
Для удовлетворения существующего и перспективного спроса в холодных автоэмиссионных
катодах, в результате реализации проекта планируется разработать необходимые научные основы
для внедрения технологии получения автокатодов на основе пекового углеродного волокна в
производство.
3. Информация о заявителе проекта:
Ф.И.О. автора проекта: Бервено Александр Викторович.
Возраст: 22 года.
Образование: Кемеровский государственный университет, студент 5 курса химического
факультета.
Высшая школа бизнеса Томского государственного университета, менеджмент техниковнедренческого типа.
Открытый инновационный университет, Селигер 2009.
Тренинг-семинар Российской венчурной компании и Сообщества бизнес-ангелов России
«Практика развития малого инновационного бизнеса».
Основное место работы: Институт химии твёрдого тела и механохимии СО РАН.
Почтовый адрес: 650099, Кемеровская область, город Кемерово, проспект Советский 18.
Должность: лаборант-исследователь.
Домашний адрес: 650003, Кемеровская область, город Кемерово, проспект Ленинградский
дом 30, кв. 417.
Телефон: сот. 89234889619, дом. 8(3842)736823, раб. 8(3842)368717.
адрес электронной почты: [email protected], [email protected]
адрес страницы в Интернете:
http://zv.innovaterussia.ru/zv_project/member/short/3808
Роль в проекте:
Руководитель проекта. Функции:
- разработка проекта, экспериментальная работа и анализ, тестовые испытания образцов;
- организация и выполнение квантово-химических исследований;
- подбор персонала для работы по проекту и участие в руководстве научно-технической
работой.
Основные (важнейшие) публикации:
1. Molecular Pore Formation Mechanism in Nanostructured Carbon Fibers, CARBON 2005: Int.
Conf. on Carbon, Gyeongju, Korea: Book Abstr. Gyeonju: Korea Carbon Society, 2005. P. 36., fail
P01-08, Berveno A.V., Bryukhovetskaya L.V., Naimushina T.M., Sozinov S.A., Trushkin N.Y.,
Sharpenkova T.G., Berveno V.P., Petrov I.Y.
2. Conformation and sorption properties changes of carbon fiber nanofragments during the
reduction procedure, CESEP’07: The 2nd Int. Conf. on Carbon for Energy Storage and
Environment Protection. Book of Abstr., Krakow (Poland). 2007. P.7.1, Berveno V.P., Lyrshchikov
S.Y., Kogodeev S.E., Berveno A.V.
3. Carbon fiber nanofragments formation at a pitch spinning, CESEP’07: The 2nd Int. Conf. on
Carbon for Energy Storage and Environment Protection. Book of Abstr., Krakow (Poland). 2007.
P.3.9., Kogodeev S.E., Berveno V.P., Shchukin L.I., Kornievich M.V.
4. Исследование сорбционно-кинетических свойств углеродных молекулярных сит
(международный журнал ВАК Физикохимия поверхности и защита материалов, Т.45 N4
2009);
5. Changes in Н2/CO separation efficiency in the oxidized and reduced molecular sieve carbon
fibers, CARBON, Japanese, Nagano, 13th - 18th July 2008, A.V. Berveno,V.P.Berveno,
S.J.Lyrshchikov;
6. Проект № 401 – Selectivity of gas separations and molecules characteristics in elementary
textural fragments of pitch-based carbon molecular sieves, June 14-19 / Biarritz, France, The
Annual World Conference on CARBON;
7. Взаимосвязь наноструктуры и свойств углеродных молекулярных сит (журнал ВАК
Ползуновский вестник №3, 2008, с. 84-87);
8. Получение и исследование свойств углеродных ультрамикропористых материалов для
разделения газов (журнал ВАК Ползуновский вестник №3, 2009, с. 189-192).
Перечень важнейших работ:
Руководитель НИР: «Создание научных основ получения углеродных молекулярных сит из
каменноугольного сырья» - по договору с фондом содействия развития малых форм
предприятий в научно-технической сфере - проект № 7961 как победитель конкурса
У.М.Н.И.К. (Участник молодежного научно-инновационного конкурса) 2008 г.
Исполнитель НИР:
- «Синтез и исследование сорбции, концентрирования водорода углеродно-волокнистыми
наноструктурированными молекулярными ситами, допированными палладием, калием» по
договору с СПб НЦ 2004 г.
- По плану фундаментальных исследований РАН, в ИХТТМ СО РАН, в выполнении работ в
2006 – 2009гг. Тема: «19.1. Создание нового поколения материалов различного
функционального назначения для использования в технике, медицине, в химической
технологии. Химия наночастиц и нанообъектов. Нанодисперсные системы и нанокомпозиты
на их основе. Получение, свойства, применение».
- В рамках планов научного совета РАН по адсорбции и хроматографии в работе по теме
2.15.2У «Синтез и изучение свойств углеродных молекулярных сит с элементарными
нанофрагментами из пяти, семи молекул» 2007- 2009гг.
- НИР и НИОКР с Министерством промышленности и торговли Российской Федерации
в рамках ФЦП «Разработка, восстановление и организация производства стратегических,
дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения,
военной и специальной техники на 2009-2011 годы и на период до 2015 года»:
1. «Разработка технологии изготовления углеродного моноволокна (керн для волокон
карбида кремния)»;
2. «Разработка технологии модифицирования термопластичных связующих углеродными
частицами для формирования элементарных фрагментов углеродных матриц из семи и более
молекул»
4. Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта.
Новизна предлагаемого подхода по сравнению с известными.
Автоэлектронная эмиссия – испускание электронов проводящими твердыми и жидкими
телами под действием внешнего электрического поля, достаточно высокой напряженности.
Термин автоэлектронная эмиссия отражает отсутствие энергетических затрат на
возбуждение электронов, свойственных другим видам электронной эмиссии. При
автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер на границе
эмиттера, не проходя над ним за счет кинетической энергии теплового движения, как при
термоэлектронной эмиссии, а путем туннельного просачивания сквозь барьер, сниженный и
суженный электрическим полем.
Автоэлектронная эмиссия нашла серьезное применение практически в последнее
десятилетие. Автокатоды стали использовать в различных элементах вакуумной
микроэлектроники: транзисторах, преобразователях частоты, усилителях, различного рода
прецизионных датчиках давления, регулировки управления микрозазорами и др.
Наиболее яркие достижения последних лет связаны с двумя главными применениями.
1. Создание на базе многоострийных автокатодов нового класса дисплеев. Многоострийный
автокатод в таком дисплее представляет собой своего рода "ежа" с миллионами и десятками
миллионов острий на квадратный сантиметр. Против такого многоострийного ковра на
микронном расстоянии располагается сотовый анод таким образом, что каждое острие
находится внутри соответствующей сотовой ячейки. Поскольку радиус острия очень
маленький (20-30 Б), а расстояние катод-анод всего 1-2 мкм, напряжение, требуемое для
получения тока автоэмиссии, оказывается весьма низким - всего десятки, максимум сотни
вольт. Это обстоятельство позволило создать плоские дисплеи, по яркости, четкости и
разрешению существенно превышающие используемые в данное время. Кроме того, такие
дисплеи оказываются дешевле существующих.
2. Единичные автокатоды нашли применение в электронно-зондовых системах:
просвечивающих и растровых электронных микроскопах атомного разрешения, в системах
электронной литографии и оже-спектроскопии. Создание этого нового класса приборов
сверхвысокого разрешения стало возможно благодаря тому, что острийный автокатод
является почти идеальным точечным источником электронов с очень узким энергетическим
спектром и большой яркостью.
Самым последним достижением является реализация идеи электронной голографии. В
электронной голографии удается получить объемное изображение атомных объектов. Этот
результат был получен благодаря тому, что острийный автоэмиттер обладает одновременно
большой яркостью и высокой пространственной и временной когерентностью
[Автоэлектронная эмиссия (Фурсей Г.Н., Соросовский журнал, 2000), ФИЗИКА].
Эффект автоэлектронной эмиссии был замечен для углеродных волокон, благодаря наличию
у них большого числа автоэмиссионных центров - дефектов.
Таким образом, перспектива разработки состоит в том, что она позволит создать автокатоды,
которые не будут нагреваться, что очень важно в микроэлектронике, радиотехнике,
осветительных приборах и других отраслях.
В настоящее время в катодолюминесцентных источниках света начинают использовать
автоэмиссионные катоды на основе углеродных материалов, в том числе и на основе пучков
углеродных волокон полученных из полиакрилонитрила. Но автоэмиссионные свойства
углеродного пекового волокна лучше, чем у волокна из ПАН, что достигается более высоким
содержанием автоэмиссионных центров.
В результате работы, нами были выяснены методы формирования текстуры, наноструктуры
и зависимости свойств углеродных волокон от температуры получения, от состава
поверхностных групп.
Командой проекта были определены основные условия получения пековых углеродных
волокон обладающих достаточно большой проводимостью и низким сопротивлением, что
делает их пригодными для изготовления автоэмиссионных катодов в лабораторных
масштабах.
Были синтезированы лабораторные образцы углеродных волокон с наличием большого
количества автоэмиссионных центров для проведения исследований. Обладая большой
прочностью и высокой пористостью (где скапливаются дефекты – эмиссионные центры),
автокатоды из нашего углеродного волокна будут проявлять большую стабильность в
работе, а следовательно и работать дольше, чем обычные катоды, хорошая проводимость и
низкая стоимость даст возможность нашим автокатодам занять своё место на рынке.
Катодолюминесцентные источники света широко применяются в виде электронно-лучевых
трубок в мониторах и телевизорах. Пиксел автоэмиссионного дисплея состоит из трех
подпикселей - автоэмиссионных диодов, триодов или тетродов, анодные пластины которых
прозрачны и покрыты люминофорами трех основных цветов - красным, синим и зеленым.
Автоэмиссионные дисплеи главным образом отличаются от электронно-лучевых другим
принципом работы. В электронно-лучевых дисплеях электронная пушка общая для всех
пикселей, а у дисплеев с автокатодами для каждого подпикселя своя. Такой подход не
требует громоздких фокусирующих систем, как в электронно-лучевых дисплеях, и позволяет
сделать дисплей компактным, сравнимым по толщине с жидкокристаллическими дисплеями.
С развитием электровакуумных технологий, а именно направления автоэмиссионных
технологий, открываются новые области применения, где катодолюминесцентные источники
света могут реализовать свои преимущества (в том числе и СВЧ). Идут интенсивные
исследования
в
области
создания
плоских
автоэмиссионных
дисплеев
и
катодолюминесцентных пальчиковых ламп на основе автоэмиссионных катодов.
Разработаны модели электронных микроскопов с использованием автокатодов в качестве
источника электронов в методах сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей
электронной микроскопии.
Большими плюсами источников света с автокатодами являются их высокая экологичность,
широкий диапазон рабочих температур, высокая устойчивость к механическим вибрациям,
низкая инерционность, широчайший диапазон цветности и высокая долговечность.
Благодаря применению автокатода электронный прожектор катодолюминесцентного
источника света не имеет греющихся частей, таким образом, вся энергия идёт на свет.
Дополнительная информация, характеризующая компетенции участника проекта:
Результаты научно-исследовательской работы с 2004 года представлены в трёх
опубликованных статьях в журналах, входящих в список ВАК (Ползуновский вестник 2008,
2009 и Физикохимия поверхности и защита материалов, вестник НГУ), в устных докладах на
20 международных и всероссийских конференциях, в 28 тезисах в сборниках и в 15 статьях в
трудах конференций.
Проект участвовал в выставке смены "Техническое творчество и инновации" всероссийского
молодёжного форума "Селигер".
25 января 2010 года был выигран грант губернатора Кемеровской области 2010 на
поддержку социально-значимых проектов.
Основные публикации в сборниках материалов международных и всероссийских
конференций:
1. Моделирование формы элементарных фрагментов текстуры молекулярно-ситового
углеродного волокна, Международная конференция «Физико-химические процессы в
неорганических материалах» - Т.2.- Кемерово, Кузбассвузиздат, 2004, с. 170-173, В.П.
Бервено, А.В. Бервено, Н.В.Трушкин, Т.Г.Шарпенкова, Л.В Брюховецкая
2. Molecular Pore Formation Mechanism in Nanostructured Carbon Fibers, CARBON 2005: Int.
Conf. on Carbon, Gyeongju, Korea: Book Abstr. Gyeonju: Korea Carbon Society, 2005. P. 36., fail
P01-08, Berveno A.V., Bryukhovetskaya L.V., Naimushina T.M., Sozinov S.A., Trushkin N.Y.,
Sharpenkova T.G., Berveno V.P., Petrov I.Y.
3. Происхождение и эволюция пор в углеродных молекулярных ситах, X Международная
конференция Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии,
Москва – Клязьма, Сб. трудов, Москва, 2006, с.41 42., В.П. Бервено, Л.В. Брюховецкая, С.Ю.
Лырщиков, Т.М. Наймушина, М.В. Корниевич, Л.И. Щукин, А. Бервено
4. Изменение конформации и сорбционных свойств ассоциатов аренов – нанофрагментов
углеродного волокна при восстановлении, Международная научная конференция Химия
химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий, Томск, 2006, А.В. Бервено,
С.Ю. Лырщиков, С.Е. Когодеев, Бервено В.П.
5. Формирование нанофрагментов углеродного волокна и особенности реакционной
способности ароматических молекул в них, XLV Международная научная студенческая
конференция «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2006, Бервено А.В.,
Когодеев С.Е., Бервено В.П., Щукин Л.И., Корниевич М.В.
6. Происхождение молекулярных пор и дизайн нанофрагментов молекулярно-ситовых
углеродных сорбентов, XI Всероссийский симпозиум «Актуальные проблемы теории
адсорбции, пористости и адсорбционной селективности», Клязьма, 2007, Бервено В.П.,
Брюховецкая Л.В., Корниевич М.В., Щукин Л.И., Лырщиков С.Ю., Наймушина Т.М.,
Бервено А.В.
7. Ширина пор и размеры нанофрагментов молекулярно-ситового углеродного волокна, XLV
Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический
прогресс», Новосибирск, 2007, Бервено А.В., Бервено В.П., Лырщиков С.Ю., Когодеев С.Е.
8. Conformation and sorption properties changes of carbon fiber nanofragments during the
reduction procedure, CESEP’07: The 2nd Int. Conf. on Carbon for Energy Storage and
Environment Protection. Book of Abstr., Krakow (Poland). 2007. P.7.1, Berveno V.P., Lyrshchikov
S.Y., Kogodeev S.E., Berveno A.V.
9. Carbon fiber nanofragments formation at a pitch spinning, CESEP’07: The 2nd Int. Conf. on
Carbon for Energy Storage and Environment Protection. Book of Abstr., Krakow (Poland). 2007.
P.3.9., Kogodeev S.E., Berveno V.P., Shchukin L.I., Kornievich M.V.
10. Нанофрагменты углеродного волокна и реакционная способность молекул в них,
Международная конференция «Физико-химические процессы в неорганических
материалах», Кемерово, 2007, Когодеев С.Е., Бервено В.П., Бервено А.В., Щукин Л.И.,
Корниевич М.В.
11. "Молекулярно-ситовое углеродное волокно из каменноугольного пека" – В.П.Бервено,
Л.В.Брюховецкая, Т.М.Наймушина, А.А.Волгин, VII Всероссийский симпозиум с участием
иностранных ученых "Актуальные проблемы теории адсорбции, модифицирования
поверхности разделения веществ", Москва-Клязьма, 2002 г., тезисы докладов, стр. 49.
12. Victor.P. Berveno, Lyudmila V. Bryukhovetskaya, Tatiana M. Naimushina, Sergey A. Sozinov,
Mikhail Y. Klimovich, Vadim G. Dodonov, Valery M. Pugachev, Lev I. Shchukin, Ivan Y. Petrov /
Coal tar pitch-based molecular siev carbon fiber: synthesis, properties and nanotexture
characterization. // Carbon-2004, Brovn University, Carbon Society July 11-16. Providence, Rhode
Island. USA., J005, 5 p.
13. Бервено В.П., Брюховецкая Л.В., Наймушина Т.М., Созинов С.А., Додонов В.Г., Пугачёв
В.М., Щукин Л.И., Нанотекстура углеродного волокна из пека. // Химия в интересах
устойчивого развития, т. 13 (2005), с. 423-426.
14. Бервено В.П., Брюховецкая Л.В., Наймушина Т.М., Трушкин Н.В.Изменение
парамагнитных свойств и скорости газообмена кислорода и водорода в медьсодержащем
углеродном волокне из пека при восстановлении меди. - ПЖТФ, 2006, том 32, выпуск 6, с 49
– 54.
15. В.П. Бервено, Л.В. Брюховецкая, С.Ю. Лырщиков, Т.М. Наймушина, М.В. Корниевич,
Л.И. Щукин, А. Бервено. Происхождение и эволюция пор в углеродных молекулярных ситах.
// X Международная конференция Теоретические проблемы химии поверхности,
адсорбции и хроматографии 24 - 28 апреля 2006 года Москва – Клязьма, : Сб. трудов,
Москва, 2006, с.41 – 42
16. Бервено В.П. Распределение электронной плотности в нанофрагментах углеродной
матрицы и механизм формирования и эволюции молекулярных пор. // Сб. тезисов Четвёртой
Международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки,
материаловедение, технология. Москва, 26-28 октября 2005 г
17. Бервено В.П., Брюховецкая Л.В., Наймушина Т.М., Созинов С.А., Трушкин Н. Ю.,
Бервено А.В. Углеродное молекулярно-ситовое волокно для выделения и очистки водорода:
Сб. материалов Междунар. науч.-практ конф., Кемерово, 10-12 мая 2005 г. Кемерово, 2005.
С. 115-117.
Кроме публикаций автора проекта, у научного руководителя имеются публикации по
тематике проекта.
При реализации проекта будут, в частности, использоваться патенты участников работы:
1. Патент № 1838376 на изобретение: «Способ получения волокнообразующего мезофазного
пека». Авторы: Бервено Виктор Петрович и Бабенко Виктор Семёнович.
2. Патент № 2052774 на изобретение: «Ультразвуковое устройство для измерения
физических параметров жидких сред». Авторы: Шадрин Александр Васильевич, Зайцев
Геннадий Иванович и Бервено Виктор Петрович.
3. Патент № 2040789 на изобретение: «Способ измерения физических параметров веществ».
Авторы: Зайцев Геннадий Иванович, Шадрин Александр Васильевич и Бервено Виктор
Петрович.
4. Патент № 2072638 на изобретение «Устройство для СВЧ нагрева жидких продуктов».
Авторы: Бервено В П, Кроман Г П и Бессагонов А Я.
5. Патент № 2069036 на изобретение «Устройство для СВЧ нагрева». Авторы: Бервено
Виктор Петрович и Кроман Геннадий Павлович.
6. Патент № 2020476 на изобретение: «Способ определения долговечности образцов из
композиционных материалов». Авторы: Егоров Петр Васильевич, Иванов Вадим
Васильевич, Колпакова Любовь Александровна, Мальшин Анатолий Александрович,
Бервено Виктор Петрович, Пимонов Александр Григорьевич.
Ежегодно автором проекта делается доклад на отчётных лабораторных и институтских
семинарах Кемеровского филиала института химии твёрдого тела и механохимии СО РАН
и на конференциях Кемеровского государственного университета о проделанной за год
работе.
5. Сущность предлагаемой разработки.
Сегодня в России нет промышленного производства автоэмиссионных катодов.
В настоящее время в катодолюминесцентных источниках света только начинают
использовать автоэмиссионные катоды на основе углеродных материалов, в том числе и на
основе пучков углеродных волокон полученных из полиакрилонитрила (ПАН).
Инновационная составляющая проекта заключается в использовании автокатодов на основе
более механически и термически устойчивых углеродных волокон полученных из
каменноугольного пека, по сравнению с углеродными волокнами из ПАН.
В результате работы созданы научные основы получения углеродных волокон из
каменноугольного пека с требуемыми для производства автоэмиссионных катодов
свойствами.
На основе пекового углеродного волокна нами разработаны основы взаимосвязи наноструктуры,
состава функциональных групп, электронообменных свойств
молекул аренов в
элементарных нанофрагментах матрицы с их сорбционно-кинетическими характеристиками.
Предполагается осуществить получение плёночных автоэмиссионных катодов. Известно что:
1. Пучок углеродных волокон, подвергнутый плазмохимическому травлению в коронном
разряде на воздухе, приобретает закругленную геометрическую форму. У автокатодов на
основе обработанных таким образом пучков углеродных волокон улучшается стабильность
эмиссионного тока и увеличивается равномерность распределения эмиссионных центров по
рабочей поверхности катода.
2. При покрытии автокатодов тонкими наноразмерными металлическими пленками из
разных материалов, например молибдена, можно добиться улучшения эмиссионных свойств,
понизить рабочее напряжение, а также продлить срок службы таких автокатодов (на
практике нами отработаны методы нанесения различных наноматериалов на поверхность
углеродного волокна).
При формировании автокатода из углеродных порошковых материалов, с помощью метода
печати, мы сможем улучшить их эксплуатационные характеристики, что позволит повысить
качество приборов, работающих на их основе.
Основными непревзойденными достоинствами углеродных волокон являются долговечность
автокатодов в условиях отпаянных эмиссионных приборов, а также доступность и дешевизна
материала для производства автокатодов. Восстановление эмиссионных центров
обеспечивает высокую стабильность эмиссионного тока и длительную работоспособность
автокатода. Углеродные волокна имеют более длительное время жизни, они доступнее и
технологичнее в сравнении с другими типами автокатодов, и углеродными нанотрубками в
частности. Углеродные волокна не требуют сверх высокого вакуума в отпаянном приборе. В
условиях технического вакуума время жизни автокатода из углеродных волокон на основе
ПАН составляет более 10 000 часов.
Тем не менее, до настоящего времени выпуск серийных приборов с автокатодами на основе
углеродных волокон был ограничен. Предлагалось множество вариантов изготовления
автокатода из углеродных волокон, но ни один из них не являлся достаточно технологичным
для производства.
На рисунке представлен пучок углеродных волокон.
Рисунок 1. Внешний вид автокатода из пучка волокон.
Рисунок 2. Текстура углеродного волокна, полученного при 10000С (разрешение 0,14нм, 200 кВ)
Для реализации проекта требуется проведение НИОКР.
На этом этапе необходимо:
- разработать научные основы технологии получения автоэмиссионных катодов из
углеродного пекового волокна;
- разработать методы анализа свойств получаемых автокатодов;
- отработать оптимальные условия получения катодов с автоэмиссионными свойствами;
- создать укрупнённую установку получения автокатодов из углеродного пекового волокна,
подготовить технические условия на автокатоды;
- наработать укрупнённые
образцы, опытную партию автокатодов для анализа
потенциальными потребителями. Провести приёмочные испытания.
Социальная и общественная значимость решаемых задач:
Количество задействованных рабочих мест, в том числе вновь созданных: Для работы по
данному проекту уже приняты на работу 4 выпускников химического и физического
факультета КемГУ, КузГТУ. Планируется создание 40 рабочих мест, в том числе 36 новых.
Сокращение импортной зависимости: В результате реализации проекта Россия сможет
избавиться от зависимости от зарубежных поставок автоэмиссионные катодов, создав
собственные конкурентоспособные автокатоды из дешёвого сырья. На сегодняшний день все
используемые автоэмиссионные катоды привозят из-за рубежа.
Для Кузбасса – в регион будут привлечены инвестиции, созданы новые рабочие места для
молодых учёных. Кроме того, достигнутые договорённости с партнёрами (ПК
«Вторполимер») поднимут престиж области и привлекут молодые квалифицированные
кадры.
Методы, с помощью которых выполняется проект:
Получение углеродных волокон с автоэмиссионными свойствами проводим с помощью
стандартной установки, а также с помощью установки низкотемпературной плазмы. Для
проведения постоянного структурно-химического анализа исходного материала и продуктов
активации идёт изготовление, сборка и отладка плазмохимического реактора с блоком
анализа газообразных продуктов. Наноструктура, текстура и элементный состав
анализируется
на
растровом
электронном
сканирующем
микроскопом
с
энергодисперсионной приставкой. Состав функциональных групп изучается по ИКспектрам. Для изучения кинетики активации волокна в плазме и диффузионных
характеристик проводится анализ углеродного волокна на электронном парамагнитном
резонансе (ЭПР).
После организации производства автокатодов контроль качества будет осуществлять аналитический
центр при предприятии, а также заказчик продукции.
6. Права на интеллектуальную собственность:
НОУ-ХАУ (в режиме коммерческой тайны), в дальнейшем планируется патентование
технологии и продукта. Планируется получить как российский патент, так и на
территории Европы, США, Китая и Японии.
7. Конкурентные преимущества.
Для удовлетворения существующего и перспективного спроса в автоэмиссионных
катодах, в результате реализации проекта планируется создать производство автокатодов
из углеродного пекового волокна в Кузбассе, где имеются большие запасы дешёвого
исходного материала – каменноугольного пека.
Объектом коммерциализации выступают автокатоды, полученные плазмохимической
обработкой пучков углеродных волокон из дешёвого каменноугольного пека в
низкотемпературной кислородной плазме или коронным разрядом на воздухе. Этот способ
формовки позволяет значительно улучшить эмиссионные свойства автокатодов: пучки
волокон, прошедшие обработку коронным разрядом на воздухе, при работе в вакууме дают
стабильный эмиссионный ток, а эмиссионные центры распределены равномерно по рабочей
поверхности катода.
8. Рынок сбыта.
К области применения катодолюминесцентных источников света относятся: осветительные
лампы, элементы подсветки ЖК-дисплеев, ЖК-мониторов ноутбуков. Плоские
автоэмиссионные экраны. Пикселы больших видеоэкранов коллективного пользования.
Светофоры, семафоры и источники резервного освещения. Сигналы спасения на воде и в
горах. Любые источники света высокой яркости с возможностью подбора спектра излучения.
Катодолюминесцентные источники света широко применяются в виде электронно-лучевых
трубок в мониторах и телевизорах.
Также на основе углеродного волокна планируется выпуск многоразовых электродов нового
поколения для электрокардиографии (с большей чувствительностью за счёт быстрой
регистрации импульсов).
Еще одной областью использования автоэмиссионных катодов является создание микросенсоров,
которые могут работать как датчики давления, акселерометры, измерители перемещений, элементы
микрофонов. В микросенсоре коллектор решетки автокатодов представляет собой упругую
проводящую пластину, смещение которой зависит от внешнего давления. Поскольку
напряженность поля на острие зависит от расстояния до коллектора, смещение последнего будет
изменять ток эмиссии. Известны экспериментальные данные для микросенсора с полевыми
автокатодами, изготовленными из кремния. В режиме постоянного тока (при изменении прогиба
изменяется напряжение, чтобы не менялся ток) при общем токе 1 мкА измеренная
чувствительность составляла 6,6 В " мкм-1. В режиме постоянного напряжения (при смещении
пластины регистрируется изменение тока) при изменении смещения от 0,3 до 2,0 мм ток изменялся
на два порядка (рабочее напряжение было 4000 В).
Объём рынка светотехники в России около 1,7 млрд. долларов. Рынки офисных светильников
составляют 400 млн. долл., промышленного освещения - 167 млн. долл. и уличных светильников 80 млн. долл. Всё это позволит в перспективе заместить импорт светильников и диодов в Россию, и
перейти на новый технологический этап освещения.
Производство плоских дисплейных экранов развивается весьма динамично. Размеры экранов
могут варьироваться от единиц до сотен и даже тысяч дюймов, яркость достигает значений
до 10 000 кд/м2. Объём продаж плоских дисплейных экранов по прогнозам к 2010 году
превысит 70 биллионов долларов. Такой рост рынка ожидается благодаря улучшению
качества и доступностью жидкокристаллических дисплеев (LCD) [Экраны на основе
автоэлектронной эмиссии, А. Ламанов, М. Ломанов, Е. Шешин, А. Щука, www.chip-news.ru].
В результате, с каждым годом рынок требует всё большее количество безнагревных катодов.
В результатах проекта могут быть заинтересованы:
- Предприятия, специализирующиеся на производстве катодов (такие как ОАО «ЦНИИ
«Электрон» (С.-Петербург), ОАО «Экран» (Новосибирск), компания ОАО «Катод»
(Новосибирск) и др.). Начало производства нового вида катодов – с автоэлектронной
эмиссии принесёт новых потребителей и позволит более прочно закрепиться на рынке.
- Отечественные производители плоских дисплеев, микросхем и светотехники (Компании
ООО СпаркЛайн, ЗАО ЭМПЛ ПРО, ООО МТ Систем, ООО НПФ ДИЛАЗ, ООО ПРОСОФТ,
фирма LiteMax Electronics Co., Ltd, ЗАО Протон_Импульс, ООО Радиотех_Трейд, и др.).
Подобные технологии разрабатывают компании Sharp, NEC, Mitsubishi, Toshiba, Hitachi,
Philips и Samsung. По данным маркетинговой фирмы DisplaySearch, в 2006–2007 годы
мировой объем продаж ЖК-дисплеев вырос с 55,1 млн. до более чем 85 млн. шт., а
плазменных панелей – с 10,7 млн. до 17 млн. шт. По данным DisplaySearch, в первом
квартале 2008 года продажи крупноформатных ЖК-панелей составили 20,9 млрд. долл., что
на 61% больше показателей 1 квартала 2007 года. По прогнозам рынок дисплеев будет
только увеличиваться.
Потенциальным потребителем выступает компания Самсунг, которая находится в Особой
экономической зоне г. Калуга, в 300-х км от Москвы, где запущено производство мониторов,
ЖК-панелей и другой электронной техники, где можно использовать автокатоды, вместо
устаревшей электронно-лучевой трубки.
9. Порядок коммерциализации результатов разработки.
Для коммерциализации разработки планируется запатентовать технологию и продукт.
Возможна продажа как продукта – при запуске производства на территории партнёра, так и
технологии.
10. Организация работ.
Команда исполнителей:
Бервено Александр Викторович, Бервено Виктор Петрович, Лырщиков Сергей Юрьевич,
Наймушина Татьяна Михайловна, Когодеев Сергей Евгеньевич, Пенцак Евгений Олегович,
Кудашкина Инна Александровна и др.
Для реализации проекта требуется увеличить численность исполнителей до 30 человек
(бухгалтера, химиков и физиков, механиков, инженеров, технологов).
Ресурсное обеспечение деятельности:
Имеющееся в лаборатории УНМ ИХТТМ СО РАН оборудование: лабораторные установки
для получения углеродного волокна, электронный сканирующий микроскоп с рентгеновским
микроанализатором, спектрометры: ифракрасный, электронного парамагнитного резонанса,
ядерного магнитного резонанса, хроматографы, рентгеновские дифрактометры, сорбционные
установки для оценки распределения пор по размерам.
Для реализации проекта недостаточно финансовых средств, которые сейчас привлекаются с
помощью подачи проекта на конкурс «СТАРТ» Фонда Бортника (готовится заявка).
12. Предстоящие затраты по проекту.
Приводится и обосновывается величина предстоящих затрат на реализацию
проекта. Следует учесть, в том числе, затраты на НИОКР, на подготовку
производства, на формирование оборотных средств, на сертификацию, на рекламу и
продвижение предлагаемого продукта к потребителю.
Большая часть средств пойдёт на закупку необходимого оборудования, зарплату
сотрудникам.
Кроме этого, требуется приобретение дорогостоящего оборудования для создания
аналитического центра технического контроля продукции.
Финансовые показатели по проекту
Наименование статей затрат
№ п/п
Сумма, руб.
1
НИОКР
2
Подготовка проектной документации
3
Пуско-наладочные работы и запуск производства
80 млн.
4
Создание промышленных установок
80 млн.
5
Выход на рынок
20 млн.
Итого
30 млн.
5 млн.
215 млн.
Для лучшей реализации продукции планируется участие в тематических выставках и
конференциях, создание собственного сайта и размещение информации о продукте,
снятие видеоролика, демонстрирующего возможности адсорбента, а также рассылка
автокатодов на тестирование в компании, производящие дисплеи, приборы ночного
видения, радиотехнику и микроэлектронику.
В результате реализации проекта будет разработаны научные основы получения углеродного
волокна, пригодного для создания на его основе автоэмиссионных катодов для
использования в качестве энергосберегающих катодолюминесцентных источников света.