Puusta elektroniikkaa?

Elektroniikan valmistuksessa keskeisiä ohjaavia tekijöitä ovat valmistuslämpötila ja energiankäyttö. Lämpötiloja pyritään laskemaan ja monissa tilanteissa päästäänkin jo huoneenlämpövalmistukseen. Eri materiaaleja optimoidaan käyttötarkoitukseen käytön kannalta: kestävyys, kierrätettävyys, saatavuus, ympäristöystävällisyys ja tietysti myös hinta, joka muodostuu hankinnasta, kuljetuksesta ja käsittelystä. Uudet valmistustavat liittyvät olennaisesti painettuun elektroniikkaan, mikä on Oulun alueella erittäin vahvaa. Puupohjainen elektroniikkatuotanto on yksi osa painetun elektroniikan kehittämisessä.

”Teemme parhaillaan 6G-radiolaitetta, jolla saadaan mahdollisimman nopeaa tietoliikennettä demonstroitua. 6G tarkoittaa, että signaalin taajuus on 300 gigahertsiä ja aallonpituus sellainen, että antennin kooksi riittää millimetri”, kertoo tutkijatohtori Sami Myllymäki Mikroelektroniikan tutkimusyksiköstä.

Signaalin suuntaaminen vastaanottimen antenniin on vaihe, jossa linssejä tarvitaan. Linssillä saadaan vahvistusta säteilysuuntaan ja kasvatettua etäisyyttä lähettimen ja vastaanottimen välillä eli pidempi kantama.

”Esimerkiksi kamerassakin on linssejä, koska sillä halutaan saada tarkka kuva. Samoin radiossa halutaan hyvälaatuiseen signaalinvälitykseen eli luomaan tarkka radioympäristökuva. Linssi on keskeinen osa uuden teknologian tekemisessä”, havainnollistaa radiotekniikkaan ja uusiin materiaaleihin erikoistunut Myllymäki.

Radiolaitteisiin 6G:ssä pitää saada nopeutta. Aiempaa massiivisesti isommat datamäärät halutaan tulevaisuudessa siirtää lähes viiveettömästi ja tietysti erittäin luotettavasti. Taajuuden nousulla tämä saadaan onnistumaan. Lähetettävän datan laskentakyvyn vaatimukset kylläkin nousevat huimasti.

“Laskentateho ja korkea taajuus ohjaavat laiteratkaisuja siihen, että piipohjainen mikroprosessori on kovilla ja transistorin nopeus vahvistimissa äärirajoilla. Piin tilalle ei toisaalta kannata ottaa mitään kalliimpaa materiaalia, mikä on huomioitava, kun uutta mietitään,” Myllymäki pohdiskelee.

Puolijohdeteollisuudessa käytetään muoveja, keraameja ja metalleja. Materiaalimielessä mietitään, mitä nyt käytetään ja mitä uusia materiaaleja voi siis ottaa tilalle. Pii on keskeinen materiaali, joten siihen kaikkea uutta verrataan. Uuden materiaalin pitää tietysti olla nykyistä parempi suorituskyvyltään mutta myös muuten.

”Elektroniikassa on perinteisesti haluttu asiat pieneen tilaan eli ne integroidaan tiiviisti. Tämä on tehty hyödyntämällä korkean permitiivisyyden materiaalia. 6G:ssä edelleen pienemmäksi puristaminen ei ole välttämätöntä. Integroinnin kannalta radiolaitteiden uusissa materiaaleissa pienuuden järkevä raja on jo monin osin saavutettu”, Myllymäki muistuttaa.

Radiolinssit nanosellusta

Jos muovin kokonaiskulutuksesta maailmassa laskee elektroniikan osuuden, se on varsin pieni. Puupohjainen elektroniikka ei siis yksistään tuo meille uutta metsäteollisuuden käyttökohdetta mutta se on yksi osa tulevaisuuden mahdollisuuksia.

”Muovia korvaavia raaka-aineita etsitään. Ympäristöystävällisyys on tärkeä, jopa tärkein, syy. Nanosellu on luonnonmukainen kiinnostava korvaava materiaali. Lisäksi kierrätettävyys on helpompaa, kun materiaali on vesiliukoista,” Sami Myllymäki sanoo ja jatkaa kertoen materiaalin olevan myös haurasta mutta silti erittäin potentiaalinen vaihtoehto.

”Nanosellulla on paljon hyötyjä: kevyt, mekaanisesti luja, sähköisesti pienihäviöinen rakenne, materiaalia on saatavilla. Keveys ja pienet häviöt ovat tärkeitä. Signaalin hävikki materiaalissa pitää saada pieneksi. Parhaimmissa materiaaleissa voi olla 99% ilmaa ja silloin hävikin osuus on ultrapientä. Voimme jo nyt tutkimuskäyttöön tulostaa ilman kaltaista materiaalia eli se on äärimmäisen kevyttä. Toki se on myös haurasta”.

Nanosellu on materiaaleissa sideaineena. Se muodostaa painettavan pinnan. Kun mennään pienen permitiivisyyden materiaaleihin, ne alkavat olla niin huokoisia, että niissä ei ole yhtenäistä pintaa sähköjohteelle. Sellu tekee niistä painokelpoisia ja tuo tarvittavan tukirakenteen. Ne muodostuvat nanoputkirakenteista eli ilmaa on seassa paljon. Sami Myllymäki kertoo asiasta innostuneesti vaikka vesiliukoinen ja hauras elektroniikkakomponentti kuulostaa vähintäänkin jopa oudolta lähtökohdalta.

”Tutkijoina me tuodaan esille myönteisiä mahdollisuuksia. Ongelmakohtiin ei jäädä jumiin. Uskon myös, että markkinat ratkaisevat eli esimerkiksi linsseille voidaan kehittää suojapinnoite, jolloin ne ovat riittävän kestäviä eikä vesiliukoisuus ole este käytölle mutta kierrätysvaiheessa se on merkittävä etu.”

Oulun yliopiston monitieteisyys osoittaa jälleen voimansa, kun samasta talosta uuden elektroniikan kehittäjät saavat pohjoissuomalaisena käsityönä valmistettua nanosellua mittatilaustyönä. Massa tulee Kuitu- ja partikkelitekniikan tutkimusyksiköstä, jonka tavoitteena on edistää kiertotalouden ja biotalouden toteutumista materiaalitutkimuksen avulla. Sellusta tehdään komponentteja eri tavoin: muottivalutekniikka, painotekniikka, 3D-tulostus.

Isoja pintoja ja älypölyä

Sami Myllymäki on erikoistunut radiotekniikkaan ja mikroelektroniikkaan.

”Minulla on insinöörin identiteetti ja olen linkki-ihminen eri aihealueiden ja niiden tutkijoiden välillä”.

Langattoman tietoliikenteen kasvaessa rakennetussa ympäristössä heijastavat pinnat pitää saada auttamaan signaalin etenemistä. Millaisia ne voisivat olla? Tästä päästään suuren kokoluokan painettavan elektroniikan materiaaleihin. Materiaalin pitää olla sähköisesti säädettävissä eli kontrolloitavissa. Kun radiolaitteella osoitetaan pintaan signaali, sen pitää itse pystyä suuntaamaan se haluttuun kohteeseen. Uusien materiaalien tutkiminen ja suuntaavien linssien kehittäminen liittyy siis keskeisesti myös rakennetun ympäristön isoihin pintoihin.

”5G ja 6G vievät meidät kohti sitä, että on raskas radioinfrastruktuuri ja kovat laskentavaatimukset ja sitten on verkkoon kytkeytyvät IoT-laitteet. Yksittäinen erittäin pieni laite riittää tietyn informaation tuottamiseen eli vaikka lämpötilan mittaamiseen. Samaan aikaan kehittyy rakenteellinen elektroniikka eli laitteet ja materiaalit ovat itsessään toiminnallisia, elektroniikka on integroitu niihin sisään jo valmistusvaiheessa”.

Myllymäen seuraava intressi on pohtia isojen heijastavien pintojen lisäksi äärimmäisen pientä älypölyä eli mahdollisesti tulevaisuudessa tehtäviä niin pieniä laitteita, että ne ovat kuin pieniä hiukkasia.

”Me tutkijat tarjoamme vaihtoehtoja. Mihinkään uuteen ei voida siirtyä, jos sitä ei ensin ole kehitetty. Kokeilukulttuuria pitää pitää yllä. Sitä me saamme tehdä, kun mietimme, miten 6G toimii. Tutkittu tieto voittaa aina arvailun”.