Oulun ammattikorkeakoulu
ePooki 89/2019

Painetulla älyllä uusia mahdollisuuksia perinteisen elektroniikan rinnalle

Metatiedot

Nimeke: Painetulla älyllä uusia mahdollisuuksia perinteisen elektroniikan rinnalle. Teoksessa M. Paldanius (toim.) Oulun alueen ja Pohjois-Suomen kehitystä tuetaan monipuolisella tutkimus-, kehitys- ja innovaatiotyöllä

Tekijä: Tuomaala Tomi; Määttä Harri

Aihe, asiasanat: diagnostiikka, esineiden internet, serigrafia, teknologia, terveys, tulostettava elektroniikka, älyvaatteet

Tiivistelmä: Oulun ammattikorkeakoulun Prinlab ‒ painetun älyn laboratoriossa on jo yhdeksän vuoden ajan kehitetty painettavaa elektroniikkaa erilaisissa hankkeissa yhteistyössä Oulun VTT:n sekä Oulun yliopiston kanssa. Oulun ammattikorkeakoulun rooli tutkimustyössä on enemmän käytäntöön soveltavaa, mikä tukee ja edistää tutkimulaistosten tutkimustyön kehittämistä lähemmäs valmista tuotetta. Yhteistyö Oulun alueen tutkimuslaitosten ja ammattikorkeakoulun kesken on kehittynyt viime vuosien aikana, mikä nopeuttaa ja tehostaa teknologian kehitystä alueella. Painettavan älykkyyden pitkäjänteinen tutkimus ja kehittäminen onkin tuonut alueelle paljon yritystoimintaa ja työpaikkoja. Oulun ammattikorkeakoululla insinööriopintoihin sisältyykin jo perusteita painettavaan elektroniikaan, mikä synnyttää osaajia kasvaviin tarpeisiin. Teknologia on kovaa vauhtia integroitumassa laitteisiin perinteisen elektroniikan rinnalla, tuoden uusia mahdollisuuksia uusien innovatiivisten tuotteiden kehitykseen.

Julkaisija: Oulun ammattikorkeakoulu, Oamk

Aikamääre: Julkaistu 2019-12-11

Pysyvä osoite: http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2019110536728

Kieli: suomi

Suhde: http://urn.fi/URN:ISSN:1798-2022, ePooki - Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut

Oikeudet: CC BY-NC-ND 4.0

Näin viittaat tähän julkaisuun

Tuomaala, T. & Määttä, H. 2019. Painetulla älyllä uusia mahdollisuuksia perinteisen elektroniikan rinnalle. Teoksessa M. Paldanius (toim.) Oulun alueen ja Pohjois-Suomen kehitystä tuetaan monipuolisella tutkimus-, kehitys- ja innovaatiotyöllä. ePooki. Oulun ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitystyön julkaisut 89. Hakupäivä 1.3.2021. http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2019110536728.

Oulussa painetun älyn kehittäminen aloitettiin 2000-luvun alussa. Oulun alueen osaaminen on vähitellen kehittynyt koko maailman mittakaavassa edistyksellisimmäksi painetun älyn valmistusmenetelmien osaajaksi. Tutkimuslaitosten investoinnit valmistus- ja kehitysympäristöihin sekä PrintoCent-yhteisön pitkäjänteinen kehitystoiminta ovat edesauttaneet synnyttämään alueelle merkittäviä kasvuyrityksiä. 

Painetulla älyllä tai painettavalla elektroniikalla tarkoitetaan toiminnallisten materiaalien painamista perinteisillä graafisessa teollisuudessakin jo kauan käytössä olleilla painomenetelmillä eri painoalustoille. Alustat ovat yleensä venyviä, taivuteltavia ja ohuita, muovia, kangasta tai kuitupohjaisia materiaaleja. Painettu elektroniikka tai äly sulautuukin helposti monenlaisiin laitteisiin ja rakenteisiin myötäillen niiden monimutkaisia 3D-pintoja ja muotoja. Se ei tule korvaamaan perinteistä elektroniikkaa, mutta tuo uudenlaisia mahdollisuuksia elektronisten laitteiden valmistamiseen ja kehittämiseen.

Valmistusmenetelmä on lisäävä menetelmä, jossa perinteisen syövytyksen sijaan annostellaan juuri tarvittava määrä materiaalia alustalle. Menetelmä vähentää materiaalihukkaa ja kustannuksia valmistusprosesseissa sekä keventää lopputuotteita. Esimerkiksi silkkipaino taso- ja rullaprosesseina (kuva 1) ovat käytetyimpiä painetun älyn valmistusmenetelmiä tällä hetkellä. Valmistusmenetelmän valintaan merkittävimmin vaikuttavat kerrospaksuusvaatimukset sekä painomusteen ja painoalustan ominaisuudet.

Esimerkki rullalta rullalle painoprosessista

KUVA 1. Esimerkki rullalta rullalle painoprosessista KUVA 1. Esimerkki rullalta rullalle painoprosessista. Teoksessa Kaisto, I. 2018. Printocent_05_2018_intro.

Oululaista osaamista painetun älyn sovellusalueilla

Painettua älyä hyödynnetään monilla eri teknologian osa-alueilla. Oulun alueella toimii useita yrityksiä painetun älyn kehityksessä ja valmistuksessa. Yksi merkittävimmistä kasvua tällä hetkellä tekevistä yrityksistä on Oulunsalossa toimiva TactoTek Oy, joka kehittää IMSE™ (Injection Molded Structural Electronics) ratkaisuja rakenteellisen elektroniikan valmistamiseen (kuva 2). Teknologia tuo uusia mahdollisuuksia hybridituotteisiin eli elektroniikan integroimiseen 3D-muovituotteisiin muun muassa autoteollisuuden haastaviin tarpeisin. Teknologia mahdollistaa uudella tavalla muotoillut ja keveät rakenteet sekä yksinkertaistaa massavalmistusprosessia.

IMSETM-tuotteita

KUVA 2. IMSE™-tuotteita KUVA 2. IMSE™-tuotteita. Teoksessa Tactotek Oy. 2018. Kuva-arkisto. PuckWhite ja Quin3a. Lupa 7.10.2018.

Terveysteknologia hyödyntää myös painetun älyn tuomia mahdollisuuksia. Muun muassa kotiolosuhteissa käytettäväksi tarkoitettujen pikatestialustojen kehitys on maailmalla kovassa kasvussa. Painoprosessein valmistettujen pikatestialustojen kehitys ja osaaminen Oulun alueen yrityksissä ja tutkimuslaitoksissa on edistyksellistä. Esimerkiksi kauppojen hyllyiltäkin jo löytyvä ajokuntoa indikoiva ja alkoholin syljestä mittaava Goodwiller Oy:n kehittämä promilletestiliuska on Oulussa kehitetty. Painoteknologiat tuovat myös pikadiagnostiikan näytteenkäsittelyyn uusia mahdollisuuksia. Esimerkiksi painettujen mikrofluidiikkakanavien käyttö pikadiagnostiikan näytteiden käsittelyssä tulee kehittymään ja sitä myöten vauhdittaa kotidiagnostiikkaan tarkoitettujen testialustojen kehitystä ja markkinoille tuloa. Oulussa toimii painomenetelmin medikaalituotteiden valmistukseen perehtynyt ISO 13485 sertifioitu sopimusvalmistaja Screentec Oy. 

Oulun ammattikorkeakoulun Prinlab-laboratoriossa kehitettyä pikadiagnostiikkaa

KUVA 3. Oulun ammattikorkeakoulun PrinLab-laboratoriossa kehitettyä pikadiagnostiikkaa

Oulussa Haukiputaalla toimii Flexbright Oy, joka mahdollistaa rullalta rullalle LED-valokalvojen valmistuksen ainoana maailmassa (kuva 4). Sähköä johtavat elektrodit valmistetaan perinteisin painomenetelmin, jonka jälkeen perinteiset LED-komponentit ladotaan koneellisesti jatkuvatoimisessa rullaprosessissa. Tämä mahdollistaa mielikuvituksellisilla muodoilla ja suuressa mittakaavassa tehtyjen valaistus- tai näyttöratkaisujen kehittämisen tai vaikkapa kodin tai julkisten tilojen sisustamisen designvalaisimilla. Mikä parasta, valmistus voidaan kustannustehokkaasti ja nopeasti aloittaa rullalta ja lopettaa rullaan. 

Flexbrigh Oy valmistamia LED-kalvo tuotteita

KUVA 4. Flexbrigh Oy valmistamia LED-kalvo tuotteita KUVA 4. Flexbrigh Oy valmistamia LED-kalvo tuotteita. Flexbright Oy. 2018. Kotisivu. Hakupäivä 25.5.2018. http://flexbright.fi/

Edellä mainittua LED-kalvoa voidaan integroida esimerkiksi lasin sisään, kuten Tekesin HILLA-ohjelmaan kuuluvassa Flex-in-Glass projektissa tehtiin. Painetun älykkyyden avulla voidaan kehittää uudenlaisia älykkäitä laminoituja lasituotteita sekä arvoketjuja niiden tuotekehitykseen, valmistamiseen ja elinkaareen. Flex-in-glass ratkaisussa läpinäkyvät ja taipuisat elektroniikkakalvot laminoidaan lasirakenteen sisään. Painetun älyn ja IoT-teknologioiden avulla voidaan toteuttaa läpinäkyviä ja ympäristöltä hyvin suojattuja älyikkunoita erilaisiin julkisen liikenteen ja rakentamisen tarpeisiin. 

Esineiden internet eli IoT kehittyy kovaa vauhtia. Painettua älyä tarvitaan erilaisten antureiden kehitystyössä, mikä mahdollistaa niiden integroimisen laitteisiin perinteistä elektroniikka sulautuvammin. Esimerkiksi NFC ja RFID-tunnisteita valmistetaankin jo perinteisiä painotekniikoita hyödyntämällä. IoT-ratkaisut edistävät myös pikadiagnostiikan kehitystä. Painettujen NFC-tunnisteiden ja lukijalaitteiden avulla testitulos siirtyy pilvipalveluun ja on sieltä lääkärin tai lähiomaisen tarkasteltavissa. 

Painettu äly tuo myös uusia mahdollisuuksia liittää älykästä toiminnallisuutta perinteisiin pakkauksiin. Toiminnalliset materiaalit voidaan lisätä perinteisin painomenetelmin samankaltaisissa prosesseissa kuin väritkin jo lisätään. Esimerkiksi ohut, taivuteltava tai jopa venyvä painettu paristo tai aurinkopaneeli voidaan integroida pakkaukseen kiinnittämällä tai painamalla se suoraan pakkausmateriaaliin. Kun erilaiset anturit, näyttöelementit tai aurinkopaneelit voidaan lähitulevaisuudessa painaa pakkauksiin perinteisin painomenetelmin, saadaan aikaan älykäs toiminnallinen pakkaus. (Kuva 5.)

Painettua älyä lähitulevaisuudessa

KUVA 5. Painettua älyä lähitulevaisuudessa

Painettu älykkyys integroituu lähes saumattomasti myös erilaisiin puettaviin sovelluksiin lähtien perinteisemmästä sykkeen tai muun ihmiskehon sähköisen toiminnan mittauksesta ja edeten aina kiihtyvyyden, venymän tai paineen mittauksiin asti. Kehon toimintoja mittaavat anturit ovat painomenetelmin integroitu tekstiilin ja nykyään puhutaankin jo älyvaatteista. Myös designvaatteita valmistavat yritykset ovat kehittäneet mitä erikoisempia tuotteita hyväksikäyttäen painetun elektroniikan tuomia mahdollisuuksia. Yksi painettavan älykkyyden sovelluksista puettavassa teknologiassa on Oululaisen MoveSole Oy:n kehittämä älykäs kengänpohjallinen, joka toimii terveydenhoidon ammattilaisten tukena kävelyn analysoinnissa. 

Oulussa on myös kehitetty ratkaisua ääreishermoston pinnetilojen löytämiseksi (kuva 6). Tekniikan avulla voidaan arvioida ja indikoida mahdollisia hermoston neuropatioita. Elektrodien valmistuksessa käytetään hyväksi perinteisiä painomenetelmiä.

Elektrodit ääreishermoston pinnetilojen arviointiin

KUVA 6. Elektrodit ääreishermoston pinnetilojen arviointiin KUVA 6. Elektrodit ääreishermoston pinnetilojen arviointiin. Mediracer. 2018. Kuvat. Tuotekuva-12 ja Tuotekuva-21. Lupa 7.10.2018.

Painetun elektroniikan valmistuksessa on tärkeää analysoida myös painojäljen laatua. Oulussa toimiva FocalSpec Oy valmistaa ja kehittää LCI-tekniikkaan (Line Confocal Imaging) perustuvia optisia pintaprofiilimittalaitteita (kuva 7), jotka mahdollistavat painojäljen paksuuden ja karheuden mittauksen koskettamatta painopintaa. LCI-teknologia mahdollistaa myös rullalta rullalle reaaliaikaisen painoprofiilin analysoinnin ainutlaatuisella tarkkuudella ja nopeudella.

Focalspec UULA optinen pintaprofiilimittalaite ja sillä skannattu 3D-profiili elektrokemiallisesta biosensorista

KUVA 7. FocalSpec UULA optinen pintaprofiilimittalaite ja sillä skannattu 3D-profiili elektrokemiallisesta biosensorista 

Painetun älyn valmistuksessa käytettävät perinteiset painomenetelmät ovat jo pitkälle kehittyneitä, mutta verkostot uuden teknologian kehittämisessä ovat edelleen todella tärkeitä. Toiminnallisten materiaalien kehitys, niiden soveltaminen perinteisiin lisääviin painomenetelmiin sekä teknologian integroituminen tuotteisiin vaatii monialaista osaamista laajalla rintamalla. Oulussa alan yrityten ja tutkimuslaitosten yhteistyö toimii hyvin, mikä näkyy kasvuyritysten ja työpaikkojen lisääntymisenä. Painettavan älykkyyden osaajien koulutus työelämän tarpeisiin on nyt ajankohtaista ja siihen Oulun ammattikorkeakoulu onkin aloittanut toimenpiteitä sisällyttämällä alan opintoja tietotekniikan insinöörin tutkinto-ohjelmaan sekä insinöörin ylemmän ammattikorkeakoulututkinnon opintoihin.

    Kuvalähteet

      Kommentit

      blog comments powered by Disqus