Nanosellusta linssejä 6G-verkkoihin? Oulun yliopistossa tutkitaan puupohjaista elektroniikkaa

Vasemmalta oikealle PE-muovista sorvattu linssi 5G-taajuudelle, ABS-muovista 3D-tulostettu linssi 6G-taajuudelle ja nanosellusta muottivalettu keraamilinssi 6G-taajuudelle.

Oulun yliopistossa tutkitaan myös materiaalien käyttöä uudella tavalla elektroniikan tuotannossa, ja erityisesti puupohjainen elektroniikka on yksi keskeinen tutkintalinja painetun elektroniikan osana. Tavoitteena on kokonaisuutena kestävämpi tuotanto kuin tällä hetkellä.

Tehtävä tutkimus yhdistää tietoliikennetekniikkaa ja materiaalitekniikkaa.

Sovelluskäyttöä ei vielä kannata ennustaa, mutta esimerkiksi radiolähettimen signaaleja suuntavia linssejä on tutkimuskäyttöön jo tehty nanosellusta, kertoo Oulun yliopisto.

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.

Elektroniikan 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.

Linssejä tarvitaan signaalin suuntaamiseksi vastaanottimen antenniin. 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.

Tulevaisuuden 6G-verkot luovat jälleen uusia haasteita yhteyksien toteuttamiseen.

Aiempaa massiivisesti isommat datamäärät halutaan tulevaisuudessa siirtää lähes viiveettömästi ja tietysti erittäin luotettavasti, ja tämä vaatii jälleen taajuuksien nousua uudelle tasolle. Samalla se asettaa rajuja uusia vaatimuksia.

“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.

Jos muovin kokonaiskulutuksesta maailmassa laskee elektroniikan osuuden, se on varsin pieni. Puupohjainen elektroniikka ei siis yksistään muodosta 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”.

Oulun yliopistolla elektroniikan kehittäjät saavat samasta talosta 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.

Nanosellu on materiaaleissa sideaineena. Se muodostaa painettavan pinnan. Materiaaliin liittyy toki omat haasteensa, kuten vesihuokoisuus ja hauraus.

”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”, Myllymäki sanoo.

Langattoman tietoliikenteen kasvaessa rakennetussa ympäristössä heijastavat pinnat pitää saada auttamaan signaalin etenemistä, mikä voi avata mahdollisuuksia suuren kokoluokan painettavan elektroniikan materiaaleissa. Materiaalin pitää olla sähköisesti säädettävissä eli kontrolloitavissa. Kun radiolaitteella osoitetaan pintaan signaali, sen pitää itse pystyä suuntaamaan se haluttuun kohteeseen.

”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.

Mainos: Noin 1 600 000 tuotteen hintavertailu ja hintaseuranta - katso Hinta.fistä mistä saat halvimmalla