Joustava näyttö ja muita ihmeitä

Nanomittakaavan ohutkalvoilla voidaan saada telkkari taipumaan tai kattoelementti tuottamaan energiaa.

Projektitutkija Tommi Kääriäinen esittelee muovinpalaa, jonka keskiosassa voi nähdä vienon värinmuutoksen. Muovin päällä on ohutkalvo, jonka Kääriäinen on kasvattanut atomikerroskasvatusmenetelmällä, ALD:llä (Atomic Layer Deposition) Lappeenrannan teknillisen yliopiston Mikkelissä sijaitsevassa Astral-laboratoriossa.

Muovi on pinnoituksesta huolimatta läpinäkyvä. Ilman mikroskooppia kalvoa ei edes erota muuta kuin värinmuutoksesta, sillä ohutkalvo on vain nanometrien paksuinen. Yksi nanometri on miljardisosa metristä eli miljoonasosa millimetristä. Silmälasien puhdistaminen ei siis auta.

Ohuutensa ja muiden ominaisuuksiensa ansiosta nanometrien paksuinen kalvo voi tuoda paljon uutta muun muassa elektroniikkaan, pakkausteknologiaan, korroosionestoon ja energiantuotantoon. Uusi teknologia ei ole, sillä se löydettiin jo 1970-luvulla, kun tekniikan tohtori Tuomo Suntola kehitti elektroluminenssinäyttöjä. Samalla löydettiin menetelmä, jolla voidaan pinnoittaa joustava alusta, kuten muovi, kangas tai paperi, ohuella epäorgaanisella kalvolla.

Myös Neuvostoliitossa tutkittiin atomikerroskasvatusta 1970-luvulla. Ensimmäinen patentti tälle menetelmälle tuli kuitenkin Suomeen.

Lentomatkustajat katselivat ALD:n ensimmäistä kaupallista sovellusta noin kymmenen vuotta myöhemmin, vuonna 1983. Ohutkalvopinnoituksella toteutettiin näyttötaulu Helsinki-Vantaan lentoasemalle.

– Näyttöihin tarvittiin muun muassa eristekerros, jolla voitiin parantaa huomattavasti sen toiminnallisuutta, Kääriäinen  kertoo.

Uusi tuleminen 2000-luvulla

2000-luvulla ALD-teknologiaan liittyvien julkaisujen määrä on noussut samaan tahtiin kuin muunkin nanoteknologian tutkimus. Syynä on uusien, kustannustehokkaampien valmistustapojen etsiminen.

Muovien pinnoittaminen nanopinnoitteilla avaa mahdollisuuden kehittää uusia kustannustehokkaampia ratkaisuja, kun muoveilla voidaan korvata perinteisesti elektroniikan sovelluksissa käytettyjä lasi- ja piialustoja. Nanoteknologialla päästään myös tarpeeksi pieneen mittakaavaan.

– Prosessorien komponentit ovat jo niin pieniä, että tarvitaan nanoteknologiaa, Kääriäinen sanoo.

Kalvon kiinnittyminen joustaville materiaaleille avaa aivan uusia näkymiä elektroniikan kehitykseen. Esimerkiksi televisiot, tietokoneiden näytöt, tabletit tai puhelimet voidaan saada joustaviksi ohutkalvopinnoitteiden avulla. Televisio voi taipua kaarelle, tai tietokoneen voi taitella taskuun kuin paperin tai kangaspalan.

Nokia hahmotteli nano-
teknologian käyttöä Morph-konseptillaan jo vuonna 2008. Youtubestakin löytyvällä videolla animaation piirrosnainen taittelee kännykkänsä paperinohueksi liuskaksi ja kiinnittää sen ranteeseensa kellon tapaan. Nämäkin ideat ovat jääneet vielä kehityksen asteelle.

– Kaikkihan riippuu siitä, onko niille kysyntää. Onko taipuva näyttö vain jännittävä visio vai haluavatko kuluttajat niitä ihan oikeasti? Kyllähän kosketusnäytöistäkin mietittiin, että haluaako niitä kukaan, Kääriäinen sanoo.

Kääriäinen visioi myös uudenlaista näyttöä, jonka kehykseen vaihdettaisiin teknologian vaihtuessa vain paperinohut kalvo.

Teollinen mittakaava vielä kaukana

Vaikka Kääriäinen uskoo, että seuraavan sukupolven elektroniikan ratkaisut rakennetaan ohuille muovialustoille, niiden teollinen massatuotanto edellyttää erittäin korkealaatuisten ohutkalvojen valmistamista. Sitä Kääriäinen parhaillaan tutkii uuden rullalta rullalle -atomikerroskasvatuslaitteiston avulla. Uusi, suurikokoinen laite kätkee sisäänsä kaksi rullaa, joiden ympärillä kulkee muovikalvo. Muovin pinnalle laitteella pyritään tekemään mahdollisimman tasaista pinnoitusta.

Tekemistä on vielä paljon. Kääriäinen näyttää kalvoja, joissa on epätasainen väripinta. Se osoittaa, ettei nanopinnoite ole jakaantunut kalvolle tasaisesti.

– ALD-prosesseissa tehdään kalvoja matalissa lämpötiloissa. Tutkin, miten nanomateriaali käyttäytyy prosesseissa, Kääriäinen sanoo.

Jos tutkimuksessa saadaan kehitettyä tarpeeksi hyvä menetelmä kalvon valmistamiseksi, elektroniikan komponenttien ja puolivalmisteiden valmistajat saattavat hyvinkin ottaa niitä käyttöönsä. Kyselyjä on jo nyt tullut maailmalta, koska valmistajien suhteellisen helppoa lisätä nanokerros vaikkapa nykyisiin polymeerituotteisiinsa.

Kahvipaketti, sähköä tuottava kattopaneeli…

Elektroniikka ei ole ainoa sovellusalue ohutkalvoille. Menetelmän avulla voidaan pinnoittaa monenlaisia materiaaleja suojakerroksen aikaansaamiseksi ympäristön kosteutta ja muita tekijöitä vastaan.

Esimerkiksi pakkausmateriaaleissa, vaikkapa kahvipaketissa, alumiinille pyritään etsimään korvaajia ja vähentämään muoviraaka-aineen tarvetta. ALD-menetelmällä valmistetun kalvon avulla aikaisempaa ohuempi muovipakkaus voisi riittää.

Vielä funktionaalisempi kalvo voidaan nähdä muualla kotitalouksissa aurinkokennojen muodossa. Energiatekniikan gurujen hahmottelujen mukaan yhä useampi meistä haluaa tuottaa oman sähkönsä tulevaisuudessa itse aurinko- tai tuulivoimalla sen sijaan, että ostaa sen sähköyhtiöltä. Nanoteknologian avulla voidaan tehdä yhä tehokkaampia aurinkokennoja, jotka ovat joustavia. Sähkö- tai lämpöenergiaa tuottava kalvo voisi olla myös esimerkiksi osa katto- tai seinärakennetta eikä erillinen paneeli.

– Miksei aurinkokenno voi olla esimerkiksi takissa, ja puhelin latautuu, kun sen laittaa taskuun, Kääriäinen hahmottelee.

Aalto-yliopiston Kemian tekniikan korkeakoulun tutkijat ovat soveltaneet atomikerroskasvatusta eli ALD:tä termosähköisten materiaalien valmistuksessa. Hukkalämpöä sähköksi muuttavat materiaalit ovat lupaava tapa tuottaa energiaa tulevaisuudessa edullisesti ja ilman hiilidioksidipäästöjä.

Termosähköiseen ilmiöön perustuva generaattori on yksinkertainen ja toimintavarma laite, joka soveltuu hankaliinkin tiloihin. Sen kennoissa käytetty materiaali tekee kaiken työn muuttaen lämpöenergiaa sähköksi.

Tulevaisuudessa sovelluskohteita on esimerkiksi asuintaloissa, joissa ne seiniin asennettuna voivat muuttaa lämpöä sähköksi. Ajoneuvoissa termosähkögeneraattorit voivat vähentää polttoaineen kulutusta. Jos termosähköisistä materiaaleista valmistettu generaattori asennetaan ihmiskehon lähelle, se muuttaa kehon lämpöä energiaksi.

Termosähköisiä materiaaleja on jo sovellettu esimerkiksi retkijääkaapeissa. Uusia materiaaleja on kuitenkin kehitettävä, sillä nykyiset materiaalit ovat kalliita ja jossain määrin myös myrkyllisiä.

Kääriäinen nostaa esille myös nanomittakaavan korroosiosuojauksen – yksittäinen partikkeli voidaan suojata ohutkalvolla, sillä sen veden- ja kosteudenkestävyys on huippuluokkaa. Nykyään esimerkiksi hopeakoruja on suojattu jo nanopinnoitteella.

– Perinteisiltä sovellusalueilta etsii suuntaansa. Nanoteknologialla on hienoja mahdollisuuksia, kunhan se vain lähtee lentoon. Perustutkimusta tarvitaan vielä paljon, Kääriäinen sanoo.

Onko nanoteknologian käyttäminen turvallista?

Kyllä ja ei, vastaa Kääriäinen kysymykseen turvallisuudesta. Nanoteknologian tuotteissa nanopartikkeleiden täytyy olla hallinnassa. Huomaamattomia nanopartikkeleita ei saa irrota tuotteista, tai ne voivat olla riski terveydelle.

– Ohutkalvoissa nanopartikkelit ovat kiinteässä muodossa, joten ne eivät irtoa helposti. Toki pinnoitteen hyvä kiinnittyminen materiaaliin on varmistettava, Kääriäinen sanoo.

Yksittäisten nanohiukkasten vapautuminen ilmakehään, vesistöön tai maaperään nanomateriaaleja hyödyntävistä tuotteista on kuitenkin epätodennäköistä. Todennäköisin vapautuminen ja mahdollinen altistuminen tapahtuu teollisessa tuotannossa kohderyhmän ollessa valmistusprosessin työntekijät. Siksi juuri teollisen mittakaavan tutkiminen on tärkeää.

Teksti: Päivi Piispa
Kuvat: Paula Myöhänen.