Текст книги "Патентование изобретений в области высоких и нанотехнологий"

Глава 5 Обычные устройства с элементами нанотехнологий

Сначала нанотехнологии стали использовать в высокотехнологичных устройствах и процессах, но через некоторое время они перешли в область обычных технологий и бытовые приборы.

При патентовании таких решений есть свои особенности. В том случае, если нанопризнаки кардинально улучшают характеристики устройства, то их присутствие в независимом пункте формулы изобретения уместно. При этом не лишним будет привести литературные ссылки с подробным описанием этих признаков, чтобы эксперту, не специализирующемуся в области высоких технологий, было проще разобраться в сущности устройства. Однако, если разработка и так самодостаточна без использования нанопризнаков, то нет необходимости (например, ради рекламы) вводить их в независимый пункт формулы изобретения. Иначе конкуренты не совсем обязательный нанопризнак могут не использовать и выйти из под действия такого патента.

Проиллюстрируем это на следующем примере. В патенте [1] описана электродуговая плазменная горелка, которая в качестве основных блоков содержит сопло 1 (рис. 5.1) и камеру для хранения рабочей жидкости, состоящую из первого 2 и второго 3 резервуаров. При разработке этого устройства выяснилось, что использование супертонкого базальтового волокна 4 в первом резервуаре 2 существенно увеличивает срок эксплуатации. При этом во втором резервуаре может быть практически любой влагопоглотитель 5.

^{Рис. 5.1. Электродуговая плазменная горелка: 1 – сопло; 2 – первый резервуар; 3 – второй резервуар; 4 – супертонкое базальтовое волокно; 5 – влагопоглотитель}

Это связано с тем, что сопло 1 нагревается во время работы и обыкновенный влагопоглотитель, расположенный вокруг него, испытывал бы перегрев и быстро выходил из строя. Это привело бы к ухудшению распределения жидкости по нему и, соответственно, к ухудшению работы горелки вплоть до выхода ее из строя. Применение супертонкого базальтового волокна обеспечивает равномерное распределение жидкости в зоне сопла 1, при этом термостойкость базальта, как основы волокна, намного превышает этот параметр для других материалов. Однако этот признак не был введен в независимый пункт формулы изобретения, так как не исключено, что в будущем будет изобретен более термостойкий материал. Даже если на решение с использованием нового материала в горелке будет получен патент, то применение его в описанной конструкции приведет к использованию всех признаков независимого пункта формулы изобретения и, соответственно, к использованию самого патента. Это позволит претендовать авторам первичного патента на часть прибыли от продажи горелки с новым термостойким материалом. При наличии супертонкого базальтового волокна в независимом пункте формулы его замена привела бы к выходу из под действия первичного патента.

Следующий пример представлен в патенте [2], где защищена «Ценная бумага». Здесь используется защитная нить из полиэстера толщиной 27–33 нм. Данный признак несомненно влияет на долговечность ценной бумаги. Однако он совершенно обоснованно выведен в зависимый пункт формулы изобретения, так как в независимом пункте формулы присутствует достаточное количество отличительных признаков изобретения, обеспечивающих его новизну и изобретательский уровень, таких, как волокна чистого хлопка, флуоресцентные волокна, объемный водяной знак.

И последний пример касается голографической наклейки [3], в которой покрытие выполнено из прозрачного материала. При этом толщина этого покрытия, изготовленного из селенида галлия, находится в пределах 20—140 нм. Здесь также вполне обоснованно эти параметры не внесены в независимый пункт формулы изобретения, чтобы не было возможности, слегка изменив толщину покрытия относительно указанных цифр, выйти из-под действия этого патента.

Таким образом, если при патентовании обычных изделий нет особой необходимости вносить нанопризнаки в независимый пункт формулы изобретения, то лучше этого не делать, чтобы не ограничивать объем притязаний таких изобретений.

Литература

1. Патент RU2343649. Электродуговая плазменная горелка. 12.07.2007.

2. Патент RU2170788. Ценная бумага. 14.04.2000.

3. Патент RU2242802. Голографическая наклейка. 17.04.2003.

Глава 6 Использование нанообъектов в высоких технологиях

Уникальные свойства нанообъектов позволили создать на их основе новые устройства. Например, углеродные нанотрубки (УНТ), имея минимальный радиус закругления (единицы нанометров), могут использоваться в качестве высокостабильных катодов, автоэмиттирующих электроны. Это связано с тем, что предел текучести графеновых слоев, из которых состоят нанотрубки, на порядок выше аналогичных параметров самых прочных металлических и полупроводниковых материалов [1]. Например, удельная прочность УНТ составляет 4 ГПа (у стали 0,4 ГПа), удельный модуль упругости УНТ – 400 ГПа (у стали – 26 ГПа). Кроме этого, можно изготавливать массивы УНТ с незначительной дисперсией их диаметров в рамках одного процесса [2]. Также графеновые стенки нанотрубок имеют более высокую по сравнению с кремнием и германием термостойкость [1]. Все это позволяет на основе УНТ создавать плоские экраны дисплеев с высоким разрешением, мощные высокоэффективные осветительные приборы, а также усилители катодно-сеточных узлов вакуммных радиоламп и генераторов СВЧ-диапазона. Кроме этого, показана принципиальная возможность создания различных устройств наноэлектроники с использованием УНТ [3]. Причем, характеристики УНТ по сравнению с традиционно используемыми автоэмиттирующими остриями [4] принципиально улучшили эти приборы.

Тем не менее, при патентовании многих устройств на основе УНТ, если ограничиться введением в первый независимый пункт формулы изобретения только использование нанотрубок, то, сославшись на известные свойства нанотрубок, экспертиза может подвергнуть сомнению изобретательский уровень технического решения. Например, в заявке на усилитель-преобразователь [5] отличительный признак «выполнение катода на основе УНТ» был дополнен вариантом выполнения базовой основы катода 1 (рис. 6.1) на основе нано– или микроструктурированного алмаза 2, а пространство между нанотрубками 3 было заполнено алмазоподобной пленкой 4. Это повысило эффективность работы устройства, а также его изобретательский уровень.

Примером использования нанообъектов в нанотехнологических устройствах могут служить зонды, имеющие сенсорные элементы с радиусом закругления в несколько нанометров и предназначенные для получения атомарного разрешения. В 1992 г. был разработан способ изготовления сенсорных элементов в виде нитевидных кристаллов [6].

^{Рис. 6.1. Усилитель-преобразователь: 1 – основа катода; 2 – нано– или микроструктурированный алмаз; 3 – нанотрубки; 4 – алмазоподобная пленка}

^{Рис. 6.2. Способ формирования сенсорных элементов: 1 – электронный луч; 2 – зонд; 3 – углеродосодержащий материал; 4 – нитевидный кристалл; 5 – дополнительный электронный луч}

Суть способа заключалась в том, что электронный луч 1 (рис. 6.2) фокусируют на зонде 2, который содержит углеродосодержащий материал 3 (более точно на край этого материала) и из которого по направлению перемещения фокуса луча 1 в сторону от зонда 2 формируется нитевидный кристалл 4.

Данный способ не позволял контролируемо наносить исходный материал 3 на кончик зонда 2, а также не позволял управлять динамикой роста нитевидных кристаллов. Это было связано с тем, что на их поверхности образовывались зоны положительного заряда, которые искажали форму кристаллов. Этот недостаток был устранен введением «высокотехнологичного» признака – дополнительного электронного луча 5 для снятия положительного заряда с поверхности сенсорного элемента 4 через зонд 2 и введением «обыкновенного» признака нанесения исходного материала 3 из парогазовой фазы на специально обработанную поверхность зонда 2, имеющую заданные значения смачиваемости и шероховатости. Для повышения изобретательского уровня был использован ультразвук, как инициатор роста нитевидных кристаллов и контроль их роста по резонансной частоте колебаний [7].

Второй вариант формирования зондов также использовал элементы нанотехнологии для выполнения нитевидных кристаллов 4 разной формы: конусообразной, изогнутой, Т-образной (не показаны) и различные их покрытия. Кроме этого, были использованы традиционные микроэлектронные технологии формирования зонда 2, откуда начинается рост сенсорного элемента [8].

Следовательно, даже если при использовании в высокотехнологичных устройствах нанообъектов «нанопризнаков» очевиден технический эффект, целесообразно по возможности приводить варианты их исполнения в сочетании с дополнительными, как обыкновенными, так и высокотехнологичными признаками.

Литература

1. Liu X., Lee С., Han S., И С., Zhou С. Carbon nanotubes: synthesis, devices, and integrated systems. – Molecular nanoelectronics. American Science Publishers, 2003, p. 120.

2. Bonard J.M. et. al. Field emission from carbon nanotubes: the first five years. – Solid Etste Electronics, 2001, v. 45, p. 893–914.

3. Неволин В.К. Зондовые технологии в электронике. – М.: Техносфера, 2005. – 148 с.

4. Патент US3622828. Flat Display Tube with Addressable. 23.11.1971.

5. Заявка RU2009100269. Усилитель-преобразователь. 11.01.2009.

6. Aristov Y.Y., Kislov Y.A., Khodos 1.1. Direct electron-beam-induced formation of nanometer-scale carbon in STEM. – Microsc. Microannal. Microstruct, 1992, 3, p. 313–321.

7. Патент RU2220429. Способ формирования сенсорного элемента сканирующего зондового микроскопа. 22.05.2000.

8. Патент RU2249263. Многозондовый датчик консольного типа для сканирующего зондового микроскопа. 26.09.2003.

Глава 7 Высокотехнологичные комплексы, объединяющие разные области знаний

Создание оборудования и технологии, включающих достижения различных областей знаний, часто приводит к интересным результатам при относительно небольших интеллектуальных и материальных затратах. Дело в том, что когда поиск новых решений идет в рамках одного направления, то чаще всего эти решения возникают при усложнении известных систем. В случае объединения двух разных технологий новое может возникать автоматически, при этом сами технологии берутся практически готовыми либо слегка адаптированными друг к другу. То есть, каких-либо особых трудностей при разработке новых комплексов на основе известных устройств и способов из разных областей обычно не возникает. А вот их патентование – далеко не простая задача. Пример этого хорошо иллюстрирует объединение криотома и сканирующего зондового микроскопа. Криотом – это устройство, в котором образец замораживается при азотных температурах (—190 °C), после этого осуществляется его срез. Далее по стандартной технологии образец со срезанной поверхностью помещают в жидкий азот, переносят в растровый электронный микроскоп и устанавливают на предметный столик. После этого, вакуумируя рабочий объем микроскопа, производят измерение срезанной поверхности образца. Данный процесс долог во времени, достаточно сложен, а сама измеряемая поверхность образца может претерпеть изменения от момента ее среза до начала измерения. Эти недостатки были устранены в патенте [1], где были объединены криотом и СЗМ. Внутри криокамеры 1 (рис. 7.1) с ножом 2 и образцом 3, расположенном на подвижном элементе 4, был установлен СЗМ 5 с зондом 6. В данной конструкции измерение срезанной поверхности образца 3 может проводиться сразу после его среза, подведя зонд 6 устройством предварительного сближения 7 к зоне измерения на образце 3.

Это устройство получилось довольно простым и имело явный положительный эффект, заключающийся в повышении достоверности измерений и их упрощении. Однако такое объединение двух известных устройств может рассматриваться экспертизой, как использование известных устройств по известному назначению. Конечно, имеется сверсуммарный эффект от их объединения (повышение достоверности измерений), но это надо доказывать, поэтому лучше поступить следующим образом.

^{Рис. 7.1. Криотом, совмещенный с СЗМ:1 – криокамера, 2 – нож; 3 – образец; 4 – подвижный элемент; 5 – СЗМ; 6 – зонд; 7 – устройство предварительного сближения; 8 – подвижка; 9 – передаточный механизм}

Во-первых, при объединении двух различных устройств в одном комплексе они могут претерпеть некие изменения, которые вполне могут оказаться отличительными признаками, достаточными для выполнения критериев «новизна» и «изобретательский уровень». Во-вторых, можно попытаться известные признаки первого устройства использовать в работе второго и наоборот, что и было реализовано в патенте [1]. В криотоме существует подвижка 8 ножа 2 относительно образца 3, чтобы осуществлять каждый последующий срез на вполне определенную толщину. При этом шаг этой подвижки составляет величину в несколько десятков нанометров. Такой же шаг необходим и в СЗМ для предварительного сближения зонда 6 и образца 3. Для взаимного использования признаков было осуществлено объединение подвижки 8 и устройства предварительного сближения 7 посредством передаточного механизма 9. В результате этого объединения устройство 7 можно делать другим: например, с малым перемещением и высокой точностью либо вообще его исключить, упростив комплекс и повысив, соответственно, его надежность.

Дальнейшая модернизация этого комплекса в рамках уже общих законов развития традиционного оборудования может происходить за счет его усложнения с приданием ему дополнительных функций. В патенте [2] подвижный элемент 4 (рис. 7.2) после осуществления среза объекта 3 ножом 2 механически соединяется с СЗМ 5 соединительным элементом 9, в результате чего в процессе измерения уменьшаются нефункциональные перемещения зонда 6 и образца 3 друг относительно друга и, соответственно, повышается точность измерения.

В патенте [3] зона измерения образца 3 (рис. 7.3) и зонд 6 сопряжены с модулем функциональных воздействий 9, расширяющим возможности комплекса.

^{Рис. 7.2. Микротом, совмещенный с помехозащищенным СЗМ: 1 – корпус; 2 – нож; 3 – образец; 4 – подвижный элемент; 5 – СЗМ; 6 – зонд; 7 – устройство предварительного сближения; 8 – подвижка; 9 – соединительный элемент}

^{Рис. 7.3. Криотом, совмещенный с модулем функциональных воздействий:}

^{1 – криокамера; 2 – нож; 3 – образец; 4 – подвижный элемент; 5 – СЗМ; 6 – зонд; 7 – устройство предварительного сближения; 8 – подвижка; 9 – модуль функционального воздействия}

В обоих случаях патентование упрощалось тем, что не было необходимости выходить из-под действия первого независимого пункта патента [1]. Это оказалось возможным, так как патентовладелец у всех патентов [1, 2, 3] одно и то же лицо. Дополнительный вывод, который следует из вышесказанного, заключается в том, что при разработке новых направлений целесообразно делать быстрое патентование первичного решения, а потом, ссылаясь на него в качестве прототипа, оформлять следующие патенты. Дело в том, что если пытаться делать сразу зонтичные патенты, то из-за недостатка времени можно лишь слегка обозначить интересные направления, которые в дальнейшем, скорее всего, получат дополнительное развитие, а первичный зонтичный патент в этом случае может помешать дальнейшему патентованию.

Следующим примером объединения известных решений является объединение зондовых, электронных и ионных технологий. Были созданы комплексы, в которых высоковакуумные электронные и ионные устройства дополняются сканирующим зондовым микроскопом [4, 5]. При этом электронный микроскоп брался в неизменном виде, СЗМ в вакуумном исполнении также не было необходимости сильно менять. Технический эффект, который при этом возникает, обычно связан с расширением функциональных возможностей за счет объединения возможностей разных технологий. Кроме этого, в таком объединении чаще всего возникает новый продукт, который может служить аргументом для выдачи патента. Тем не менее, даже в этом случае можно найти элемент, адаптированный под объединенные технологии и подтверждающий новизну и изобретательский уровень комплекса. Этим элементом будет транспортная система, которая должна обеспечить передачу зондов и образцов в зону измерения.

В патенте [6] помимо использования транспортных систем 1 и 2 (рис. 7.4) возникла необходимость совмещения топологических рисунков при переустановке образцов 3. Для этого комплекс был снабжен системой совмещения 4. В комплексе могут использоваться блоки плазменной 5 и температурной 6 очисток, например, зонда 7 и образца 3. При этом модуль нанолокальных технологий 8 сопряжен с модулем формирования структур 9, модулем плазменных технологий 10 и загрузочным модулем 11. В каждом из этих модулей также может присутствовать и очистка, и совмещение, и транспортировка зондов и образцов.

Использование такого количества дополнительного оборудования, с одной стороны, облегчает получения патента. С другой стороны, объем материала при составлении заявок на такие решения может быть огромным. Это необходимо, чтобы доказать выполнение критерия «промышленная применимость». Чтобы объем заявки несколько сократить, можно все модули, входящие в комплекс, изобразить максимально условно и дать взаимосвязь между ними. Те модули, которые претерпевают изменения, выделить в зависимые пункты формулы изобретения и привести на чертежах с конкретизацией их исполнения. Известные модули описать кратко с приведением литературных ссылок на их конкретное исполнение.

^{Рис. 7.4. Нанотехнологический комплекс НАНОФАБ 100:1, 2 – транспортные системы; 3 – образец; 4 – система совмещения; 5 – модуль плазменной очистки; 6 – модуль температурной счистки; 7 – зонд; 8 – модуль нанолокальных технологий; 9 – модуль формирования структур; 10 – модуль плазменных технологий; 11 – загрузочный модуль}

При этом в патенте [6] была приведена 41 ссылка на литературу с описанием конкретной реализации отдельных составляющих. Это позволило существенно сократить объем материалов заявки.

В патенте [7] также на нанотехнологический комплекс изобретательский уровень был обеспечен благодаря сочетанию известных модулей и известных их составляющих, дающих явный сверхсуммарный эффект. А именно, была использована оригинальная транспортная система, объединяющая весь комплекс. В этой системе были использованы дополнительные захваты объектов, их перевороты и т. п., что расширило функциональные возможности комплекса.

Объединение различных областей возможно и при создании новых способов. В патенте [8] были объединены известная технология детекции токсичных белков на основе их взаимодействия с антителами, а также технология измерения изменяющихся размеров образованных молекулярных образований методом СЗМ. При этом обе технологии были встроены одна в другую и многие признаки первой технологии влияли на признаки второй технологии. Например, создание четырех тестовых полей, являющихся новым признаком в классической детекции токсических белков, и традиционное исследование этих полей в зондовой микросропии в совокупности дало повышение достоверности измерений.

В патенте [9] были объединены технология определения качества полимеров методом плазменного травления и технология измерения зон травления методом СЗМ. Для того чтобы выполнить критерий «новизна» процесс образования зон травления был разбит на этапы, а зондовые измерения контролировали эти этапы. В результате этого сам процесс создания зон травления уже отличался от известного, что способствовало получению патента.

Таким образом, при патентовании новых устройств и способов на основании объединения известных решений целесообразно завязывать их признаки между собой.

Литература

1. Патент RU2233490. Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством механической модификации поверхности объекта. 05.06.2003.

2. Патент RU2287129. Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством срезания тонких слоев объекта. 27.04.2006.

3. Патент RU2282257. Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством механической модификации поверхности объекта. 24.08.2005.

4. Патент ЕР1329786. Integrated measuring instrument. 23.07.2003.

5. Патент RU2089968. Комбинированный сканирующий туннельный микроскоп – растровый микроскоп. 31.05.1994.

6. Патент RU2308782. Нанотехнологический комплекс. 06.05.2006.

7. Патент RU2390070. Нанотехнологический комплекс на основе эпитаксиальных и ионных технологий. 12.11.2007.

8. Патент RU2267787. Способ детекции токсичных белков на основе сканирующей зондовой микроскопии. 16.07.2003.

9. Патент RU2206882. Способ определения концентрации и качества распределения высоко дисперсных наполнителей в полимерных композициях. 25.05.2001.