Painettavalla elektroniikalla on tulevaisuudessa suuria mahdollisuuksia osana erilaisia komponentteja. Mikroelektroniikan tutkimusyksikön arvoketju-ajattelussa keskeistä on laaja kombinaatiokyky.

Oululainen sähkökeraamiosaaminen ulottuu koostumuksesta komponentteihin

Tietoliikenteen kehitys haastaa elektroniikassa käytettävien sähkökeraamien ominaisuudet.  Oulun yliopiston mikroelektroniikan tutkimusyksikkö lähestyy aihetta kokonaisuuden näkökulmasta.

Arvoketju. Tähän käsitteeseen kiteytyy mikroelektroniikan yksikön valttikortti sähkökeraamitutkimuksen saralla. Arvoketjuajattelun yksikköön teollisuusuraltaan tuonut professori Heli Jantunen avaa termiä:
”Kehitämme uusia ja paremmin toimivia sähkökeraameja teollisuuden tarpeisiin, pidämme mielessä millaiseen tuotteeseen materiaali tulee, suunnittelemme komponentit ja mietimme parhaan valmistustavan.”
Kokonaisuuden hallinta on Jantusen johtaman ryhmän ydinosaamista. ”Maailmalla ei ole vastaavaa tutkimusyksikköä, jolla olisi näin laaja kombinaatiokyky. Tiedän sen, koska tunnen kaikki muut yksiköt”, hän naurahtaa.

Kokonaisuudet puolestaan muuttuvat. Lähitulevaisuudessa Internet of Things, laitteiden ja koneiden verkottuminen, tuo arkeemme valtavan määrän erilaisia sensoreita, mittausantureita. Tämä asettaa sähkökeraameille uusia vaatimuksia: esimerkiksi energiansäästöstä ja ympäristöystävällisyydestä tulee välttämättömyyksiä.
Molemmat kuuluvat mikroelektroniikan yksikön tavoitteisiin jo entuudestaan. ”Pyrimme välttämään sekä myrkyllisiä että kriittisiä aineita, kuten harvinaisia metalleja. Jo asiakkaidemme tehtaiden valtavat volyymit edellyttävät tätä”, Jantunen sanoo.

Sähkökeraamien perinteinen valmistustapa, sintraus yli tuhannessa celsiusasteessa, on puolestaan energiasyöppö.  Tämän vuoksi yksikkö on kehittänyt ensimmäisenä maailmassa koostumuksia, joista voidaan valmistaa sähkökeraameja ”ultramatalassa” lämpötilassa. Lisäksi ne mahdollistavat monimutkaiset keraamikomponentit ja useiden toimintojen yhdistämisen samalle alustalle.
”Näitä koostumuksia on kaksi luokkaa. Huoneenlämmössä valmistettavat perustuvat liukoisiin keraameihin. Seos puristetaan tiiviiksi, jolloin keraamista kylläinen neste reagoi paineeseen ja kiteytyy kiinteäksi kappaleeksi. 300−500 asteessa sintrattavat taas ovat keraami-lasikoostumuksia.”

Kohti energian harvestointia ja nanoelektroniikkaa

Mikroelektroniikan tutkimusyksikkö esitteli vuonna 2017 mullistavan KNBNNO-materiaalin, joka avasi uuden tutkimusalueen. Sen energian harvestointitapa sopii esimerkiksi älyliikenteeseen.

Energiansäästöön on toinenkin tie: energian kerääminen eli ”harvestointi”. Se onnistuu pietsosähköisen ilmiön avulla: pietsosähköinen sähkökeraami muuttaa sähköjännitteen liike-energiaksi (vaikkapa kännykän värinäksi) ja vastaavasti reagoi liike-energiaan, kuten tärinään tai puristukseen, tuottamalla sähköjännitteen.

Energian harvestointi tulee tarpeeseen Internet of Thingsin sensoripaljoudessa. Mikroelektroniikan yksikössä se liittyy jo prototyyppiasteella oleviin käyttökohteisiin, kuten teollisuuden mittaustekniikkaan, puettavaan elektroniikkaan ja ihmisen aktiivisuutta mittaaviin sovelluksiin.
Kohteiden erilaisuus edellyttää jälleen kokonaisuuden hallintaa. ”Metsäkoneeseen tarvitaan erilainen harvesteri kuin hengityksen mittaamiseen”, Jantunen havainnollistaa. ”Maailmassa on hyvin paljon pietsosähköisten sähkökeraamien kehittäjiä, mutta suurin osa vain kehittää materiaalin ja that’s it. Me teemme koko arvoketjun.”

Maailmassa ei sen sijaan ole toista tahoa, joka olisi kehittänyt ”multiharvesterin”, sähkökeraamikoostumuksen, joka kerää energiaa liikkeen ohella myös valosta ja lämmöstä. Tällainen materiaali on KNBNNO, jonka mikroelektroniikan tutkimusyksikkö esitteli vuonna 2017. KNBNNO avasi aivan uuden tutkimusalueen (senkaltaisen multiharvestoinnin ei uskottu olevan mahdollista) ja kehitystyö on vasta alussa. Suurimpana haasteena on ilmiön maksimointi koostumusta säätämällä.

KNBNNO tuo monikäyttöisemmän ja tehokkaamman harvestointitavan pietsosähköisten materiaalien rinnalle ja voi täydentää näitä silloin kun liike-energian saatavuus vaihtelee, kuten vaikkapa älyliikenteessä tai puettavassa elektroniikassa. Tulevaisuudessa häämöttää yhteinen tavoite: paristojen ja lataamisen korvaaminen.

Jatkossa harvestointi on tarkoitus yhdistää ultramatalien lämpötilojen koostumuksiin. ”Testit ovat meneillään. Siinä yhdistyisi kaksi todella uutta juttua”, sanoo akatemiatutkija Jari Juuti.
Uutta on myös nanoteknologian mukaantulo. Syynä on jälleen Internet of Things: se tulee perustumaan 5G- ja 6G-tasoiseen langattomaan tiedonsiirtoon, joka tapahtuu nykyistä korkeammilla radiotaajuuksilla. Jopa terahertseihin yltävä taajuusalue tuo sähkökeraameihin millimetrin miljoonasosilla operoivan nanoelektroniikan, sanoo Heli Jantunen.
”Todennäköisesti mennään komponenttirakenteisiin, joita ei vielä ole olemassa. Oulun yliopiston 5G- ja 6G-tutkimuksessa me olemme korkean taajuuden sähkökeraamimateriaalien osaamisyksikkö.”

Matka huipulle alkoi 1970-luvulla

Tiivistettynä mikroelektroniikan tutkimusyksikön toimintamalli kuuluu: teollisuus kertoo mitä tarvitaan, yksikkö tuottaa uutta tietoa ja yhdistelee tutkimustuloksia innovaatioiksi. ”Ja noin viiden vuoden välein avaamme uusia tutkimusalueita ihan tietoisesti.”
Niinpä kansainvälisten tutkimusyhteyksien on toimittava joka suuntaan, ja oululaisten tiedon on oltava haluttua, jotta he saavat muiltakin uusinta tietoa. Tärkeä keino tässä on huippujulkaisujen määrän kasvattaminen.

”Meiltä ilmestyy 40−50 tutkimusartikkelia vuodessa. Julkaisemme ainoastaan kansainvälisissä tieteellisissä lehdissä ja pyrimme vaikeimman kautta aina vain korkeatasoisempiin. Tällä alalla julkaisun merkittävyyttä kuvaava impact factor [vaikuttavuuskerroin] on tavallisesti korkeimmillaan noin 3, ja monilla meidän julkaisuillamme se on nyt 10:n molemmin puolin”, Jantunen kertoo.

Tutkimusyhteisön huipulle on matkattu 1970-luvulta saakka. Tehoelektroniikasta alkanut sähkökeraamien kehitystyö eteni suprajohteisiin, painettavaan elektroniikkaan sekä pietsosähköisiin sensoreihin ja mikromoottoreihin. Pietsosähköiset harvesterit tulivat kuvioihin kymmenisen vuotta sitten. Teollisuuden rahoituksen osuus on kasvanut 70 prosenttiin, ja noin 50 hengen monialaista tutkijaryhmää on rakennettu kuin palapeliä, pestaamalla tarvittuja asiantuntijoita Kiinasta, Japanista, Unkarista, Nigeriasta, Intiasta, Brasiliasta…
”Teemme yhteistyötä kaikille muille mantereille paitsi etelänavalle”, Jantunen kiteyttää.

Pääkuva: Painettavalla elektroniikalla on tulevaisuudessa suuria mahdollisuuksia osana erilaisia komponentteja. Mikroelektroniikan tutkimusyksikön arvoketju-ajattelussa keskeistä on laaja kombinaatiokyky.

Teksti: Jarno Mällinen

Viimeksi päivitetty: 23.5.2018