Tulevaisuuden elektroniikkaa kestävältä pohjalta: Tutkija Karem Lozano Montero kehittää laitteita, joiden elinkaari huomioidaan alusta alkaen

Elektroniikkalaitteet kertyvät huomaamatta, kunnes ongelmaa ei voi enää sivuuttaa. Vanhoja puhelimia, antureita ja piirilevyjä kertyy valtavia määriä, sillä kulutuselektroniikan tuotantotahti on jo pitkään ylittänyt sen, mitä laitteille tapahtuu niiden tullessa tiensä päähän. Tampereen yliopiston tulevaisuuden elektroniikan laboratoriossa (Laboratory for Future Electronics) työskentelevä tutkija ja opettaja Karem Lozano Montero kehittää valmistusmenetelmiä ja materiaaleja, jotka ottavat laitteen elinkaaren päättymisen huomioon ennen kuin ensimmäistäkään materiaalikerrosta on edes levitetty. 

Suunnittelua kierrätyksen ja hävittämisen ehdoilla 

Nykyisen elektroniikan valmistusketju nojaa vahvasti piihin, jota prosessoidaan kemiallisilla vaiheilla. Nämä vaiheet tuottavat huomattavia määriä vaarallista jätettä. Valmistuksessa käytettävien materiaalien, kuten harvinaisten maametallien, hankinta on vaikeaa, ja niiden talteenotto ja uusiokäyttö on vähintään yhtä haastavaa. 

– Tavoitteenamme on kehittää uudenlaisia elektroniikkajärjestelmiä, joissa kestävyys on keskeinen painopiste. Työtämme ohjaa maailmanlaajuinen ja polttava elektroniikkajätekriisi. Meidän on löydettävä tapoja valmistaa laitteita niin, että minimoimme ympäristöhaitat ja samalla maksimoimme luonnonvarojen tehokkaan käytön.

Tavoitteena ei ole korvata teollisuuden nykyistä tuotantoa yhdessä yössä, vaan pikemminkin tutkia uusia mahdollisuuksia, joita avautuu, kun kestävyys integroidaan suunnitteluun jo aivan ensimmäisistä vaiheista lähtien. 

Lisäävän valmistuksen tarjoamat mahdollisuudet 

Painettu elektroniikka on tämän tutkimuksen ytimessä. Painamisella tarkoitetaan tässä yhteydessä toiminnallisten materiaalien, kuten sähköä johtavien, eristävien tai puolijohteina toimivien musteiden, levittämistä alustalle samalla perusperiaatteella, jolla painetaan lehtiä tai t-paitoja. Keskeinen ero perinteiseen elektroniikkaan on valmistuslogiikassa: sen sijaan, että aloitettaisiin täydestä materiaalilevystä ja syövytettäisiin pois tarpeeton aines, painetussa elektroniikassa rakennetaan vain se, mitä todella tarvitaan. 

– Painetun elektroniikan suurin etu on se, että kyseessä on lisäävä eli additiivinen teknologia, jossa materiaalia viedään tarkasti vain sinne, missä sitä tarvitaan. Perinteinen piipohjainen elektroniikka puolestaan perustuu fotolitografiaan, joka on luonteeltaan poistava menetelmä. Tämä prosessi vaatii useita vaiheita ylimääräisen materiaalin syövyttämiseksi ja poistamiseksi, ja juuri näissä vaiheissa syntyy merkittävä osa jätteestä.

Lisäävä menetelmä mahdollistaa valmistuksen myös matalammissa lämpötiloissa ja joustaville alusmateriaaleille eli substraateille, kuten muoville. Tämä avaa reittejä sellaisten laitteiden kehittämiseen, jotka mukautuvat kaareville pinnoille. Puettava elektroniikka ja erityisesti iholle mukautuvat älylaitteet ovatkin merkittävä osa tutkimuksen tavoitteita. 

Itsenäisesti virtaa tuottavat anturit ja energiakysymys 

Lozano Monteron väitöskirjatutkimus suuntautui juuri tähän ja keskittyi puettaviin antureihin, jotka toimivat ilman ulkoista akkua tai paristoa. Teknisenä perustana oli pietsosähköisyys eli tiettyjen materiaalien ominaisuus tuottaa sähkövarausta mekaanisen muodonmuutoksen vaikutuksesta. Ilmiö on tuttu arkipäiväisistä esineistä, kuten kaasunsytyttimen sytyttimestä, mutta tutkimuskäytössä tästä voidaan muokata niin ohuita kalvoja, että niitä voidaan käyttää iholla. 

Kun tällaista teknologiaa sovelletaan ranteessa pidettävään ultraohueen ja joustavaan anturiin, on mahdollista mitata biosignaaleja, kuten pulssiaaltoa, pelkän kehon liikkeen tuottaman energian avulla. 

– Koska nämä laitteet tuottavat oman energiansa, ne toimivat itsenäisesti ilman ulkoista akkua. Paikoilleen asetettuina nämä joustavat anturit keräävät tietoa autonomisesti. Pietsosähköisten ja tribosähköisten mekanismien hyödyntämisen suuri etu on niiden kaksoisrooli: ne voivat toimia sekä aktiivisina antureina että energiankerääjinä muuntamalla mekaanisen muodonmuutoksen suoraan sähkösignaaliksi.

Näiden joustavien komponenttien yhdistäminen perinteisiin jäykkiin piireihin, joista useimmat järjestelmät ovat edelleen riippuvaisia, on kuitenkin yhä yksi alan suurimmista haasteista. 

ROPALD-hanke raivaa tietä kaupallistamiselle 

Nykyinen ROPALD-projekti keskittyy ratkaisemaan tiettyä valmistusteknistä rajoitetta. Atomikerroskasvatus eli ALD on menetelmä, jolla kasvatetaan erittäin ohuita ja tasaisia materiaalikalvoja pinnalle atomikerros kerrallaan. Menetelmää käytetään kuitenkin tyypillisesti lämpötiloissa, jotka vaurioittaisivat tai tuhoaisivat joustavassa ja biologisesti hajoavassa elektroniikassa tarvittavat polymeerisubstraatit. 

Suomen Akatemian Proof of Concept -rahoitusta saaneessa ROPALD-hankkeessa testataan uutta lähestymistapaa, jossa laser integroidaan suoraan ALD-prosessiin. 

– Integroimalla laserin ALD-prosessiin pystymme kohdistamaan materiaalin kasvun erittäin tarkasti. Laser tuo paikallista lämpöä juuri sinne, missä sitä tarvitaan, jolloin voimme välttää koko kammion korkeat lämpötilat. Tämä poistaa lämpötilarajoitteet, jotka aiemmin estivät meitä käyttämästä herkkiä ja joustavia alustoja.” 

Valikoiva, laseravusteinen kasvatus poistaa kemiallisen syövytyksen tarpeen, mikä on muutoin yksi perinteisen ohutkalvoprosessoinnin eniten kemikaaleja kuluttavista vaiheista. Hanke toteutetaan yhteistyössä Teknologian tutkimuskeskus VTT:n kanssa, ja VTT tuo projektiin osaamisensa transistorien valmistuksesta. Onnistunut lopputulos osoittaisi, että sinkkioksiditransistoreita voidaan valmistaa ilman fotolitografiaa lämpötiloissa, jotka sopivat polymeereille ja mahdollisesti myös biohajoaville alusmateriaaleille. 

Mitä biohajoavuus todellisuudessa vaatii 

Sana biohajoava on painava termi alalla, jolla sitä on harvoin voitu soveltaa. Lozano Montero on tarkka siitä, mitä käsite tällä hetkellä tarkoittaa. 

– Tällä hetkellä biohajoavat materiaalit eivät pysty kilpailemaan piin sähköisen suorituskyvyn kanssa. Tämän kuilun umpeen kurominen vaatii intensiivistä materiaalikehitystä ja epätavallisten orgaanisten yhdisteiden tutkimista. Esimerkiksi tekstiileissä yleisesti käytettävä väriaine indigo on osoittanut suurta potentiaalia puolijohteena, mutta se vaatii vielä lisätutkimusta ja optimointia, ennen kuin sitä voidaan luotettavasti integroida toimiviin laitteisiin.

Toistaiseksi tavoitteena on yhdistelmämenetelmä, joka keskittyy myrkyllisistä kemikaaleista riippuvaisten prosessivaiheiden vähentämiseen, valmistusvaiheista selviävien alusmateriaalien kirjon laajentamiseen sekä sellaisen materiaalitutkimuksen mahdollistamiseen, jelle ei ole aiemmin ollut käytettävissä toimivaa valmistusprosessia. 

Pidemmän aikavälin näkymät 

Elektroniikka-ala tarjoaa itsessään varoittavan esimerkin. Maailmanlaajuisesti kertyvä sähkö- ja elektroniikkaromu on osittain seurausta siitä, että laitteiden elinkaaren päättymistä ei otettu huomioon alkuperäisessä suunnittelussa. Lozano Montero vetää tästä suoran linjan tekoälyinfrastruktuurin nykytilaan, jossa energian ja veden kulutus kasvaa nopeasti, usein ilman että nämä vaikutukset olisivat yhtä näkyviä kuin teknologian tarjoamat uudet mahdollisuudet. 

Tämä näkökulma muovaa myös Lozano Monteron tapaa opettaa. Opiskelijoiden tuominen tutkimusympäristöön, jossa painitaan jatkuvasti suorituskyvyn ja kestävyyden välisten kompromissien kanssa, pohtien sitä, mitä jokin menetelmä mahdollistaa ja mitä se maksaa ympäristölle, on itsessään osa prosessia, jossa seuraavan sukupolven tutkijat oppivat kysymään oikeita kysymyksiä. 

– Kun kehitämme uutta teknologiaa tutkijoina, meidän on nähtävä välittömiä teknisiä tavoitteitamme pidemmälle. Velvollisuutemme on tarkastella asioita kaikista näkökulmista ja arvioida, miten tänään esittelemämme innovaatiot vaikuttavat yhteiskuntaan tulevaisuudessa.

Tulevaisuuden elektroniikan laboratoriossa tehtävä tutkimus on ennen kaikkea pitkän aikavälin puheenvuoro sen puolesta, että nämä kysymykset esitettäisiin huomattavasti nykyistä aikaisemmin.