Väitös: Painotekniikat mahdollistavat elektroniikan valmistuksen myös hylkiville pinnoille

Elektroniikan merkitys jokapäiväisessä elämässä kasvaa jatkuvasti, mutta erilaisten laitteiden määrä ei voi loputtomasti lisääntyä, ja siksi onkin alettu etsiä tapoja sulauttaa elektroniikka ja älykkyys huomaamattomasti ympäristöön. Painettava elektroniikka voisi tarjota ratkaisun, sillä painamalla voidaan valmistaa mukautuvia laitteita, jotka voivat parhaimmillaan olla sekä moniulotteisia että pehmeitä, taipuvia ja jopa venyviä. Lisäksi painamalla voidaan saavuttaa etuja laitteiden painon, paksuuden ja hinnan osalta perinteisiin menetelmiin verrattuna. Edellä mainituista syistä painettua elektroniikkaa voitaisiin hyödyntää esimerkiksi ihmisen ja koneen välisissä käyttöliittymissä ja IoT-sovelluksissa esimerkiksi terveydenhuollossa, autoteollisuudessa ja kuluttajaelektroniikassa.

– Huomattavasta potentiaalistaan huolimatta painettavan elektroniikan eräs keskeinen ongelma on soveltuvien materiaalien rajallisuus. Esimerkiksi jos alusta hylkii nesteitä, voi elektroniikan kuviointi nestemäisillä musteilla osoittautua verrattain haastavaksi. Tällöin materiaaleja ei voida hyödyntää painetuissa laitteissa, vaikka niillä muuten olisi sovelluksen kannalta houkuttelevia sähköisiä tai mekaanisia ominaisuuksia, sanoo Mikkonen.

Innovatiivisia prototyyppejä mustesuihkutulostuksella

Väitöstyössään Mikkonen on tutkinut mahdollisuuksia pinnoittaa sähköisillä materiaaleilla alustoja, jotka hylkivät vettä ja monia muita nesteitä. Koska suurin osa laiteratkaisuista vaatii useamman toiminnallisen kerroksen lisäämistä, työn toinen tavoite oli kartoittaa mahdollisimman yksinkertaisia valmistustapoja monikerroselektroniikan valmistukseen painotekniikoin. Mikkonen kehitti työssään esimerkiksi mustesuihkutulostettavan silikonimusteen, jota hän käytti eristeenä monikerrosjohdinrakenteissa ja kosketusta havainnoivissa paineantureissa.

– Digitaaliset valmistusmenetelmät kuten mustesuihkutulostus ovat erityisen hyödyllisiä etenkin prototyyppien valmistuksessa, koska uusia rakenteita voidaan luoda yksinkertaisesti tulostimelle syötettävää kuvatiedostoa muokkaamalla. Lisäksi pisara pisaralta -lisäysmenetelmä vähentää valmistuksessa syntyvän jätemateriaalin määrää verrattuna menetelmiin, joissa tarvitaan esimerkiksi maskeja tai sabluunoja painokuvan muodostamiseen. Nykyään elektroniikkaa voi valmistaa kuluttajille suunnatuilla pöytätulostimilla, joten valmistusmenetelmien haltuunotto ja protoilu onnistuu keneltä tahansa, Mikkonen kertoo.

Valmistuksellisesti lopputulos on aina laitevaatimusten, materiaalivalintojen ja valmistustekniikoiden keskinäinen kompromissi. Mikkosen tutkimustulokset viittaavat kuitenkin siihen, että jos huolelliseen valmistukselliseen optimointiin sekoittaa ripauksen luovuutta, erilaisia sähköisiä ratkaisuja voi valmistaa verrattain helposti ja suoraviivaisesti jopa haastaville pinnoille. Esimerkiksi työssä valmistetut ohuet ja pehmeät silikonipohjaiset rakenteet voisi sulauttaa vaikkapa pehmorobotteihin.

Mikkonen on kotoisin Valkeakoskelta ja työskentelee tällä hetkellä tutkimus- ja kehitysinsinöörinä Forciotilla. Yritys kehittää IoT-anturiratkaisuja, jotka perustuvat painettavan ja venyvän elektroniikan ratkaisuihin.

Diplomi-insinööri Riikka Mikkosen elektroniikan alaan kuuluva väitöskirja Studies of Low Surface Energy Materials for Printed Electronics Applications tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnassa perjantaina 17.6.2022 klo 12 alkaen Tietotalon salissa TB109, Korkeakoulunkatu 1. Vastaväittäjänä toimii apulaisprofessori Wim Deferme Hasseltin yliopistosta. Kustoksena toimii professori Matti Mäntysalo informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnasta.