1. No category

Suomessa kehitettyä atomikerroskasvatusta eli ALD:a käytetään nykyään laajalti elektroniikka- ja puolijohdeteollisuudessa.
Uutena suomalaisena aluevaltauksena tutkitaan ALD:n käyttöä
pakkausmateriaalien pinnoittamiseen.
TEKSTI JARI KOPONEN
LD kehitettiin tuotantokelpoiseksi menetelmäksi
1980-luvun alussa ja sen
ensimmäinen teollinen sovellus oli elektroluminenssinäyttöjen
valmistuksessa. Viimeisen kymmenen vuoden
aikana ALD:n käyttö on kasvanut erityisesti elektroniikkateollisuudessa, ja uusia sovelluskohteita tulee esiin jatkuvasti.
Ohutpinnoitteiden aatelia
ALD:n suosion kasvun takana on useampi
tekijä, joista prosessin yksinkertaisuus ja
hallittavuus sekä syntyvän pinnoitteen hyvä laatu ovat keskeisimpiä.
Pinnoite valmistetaan pulssittamalla
sopivia kaasumaisia lähdeaineita eli prekursoreita yksi kerrallaan reaktoriin. Pulssien välillä on huuhtelu, joten prekursoriaineet pystyvät reagoimaan keskenään
vain pinnalla, jolloin niistä muodostuu
pinnoite.
Kalvo kasvaa atomikerros kerrallaan
ja pulssisyklien lukumäärä määrää pinnoitteen paksuuden, joka siten on helposti
ja toistettavasti hallittavissa. ALD-prosessi tuottaa lisäksi tasaisia ja tiiviitä kalvoja,
joissa ei ole huokosia. ALD on ainoa tekniikka, jolla tuotettu pinnoite noudattaa
tarkoin pinnan muotoja, joten hyvinkin
kapea ja syvä ura pinnoittuu tasaisesti.
ALD soveltuu parhaiten ohuiden pinnoitteiden, tyypillisesti alle sadan nanometrin paksuisten, valmistamiseen. Tämä
tapahtuu erätuotantona, jossa pinnoitettavat esineet laitetaan reaktoriin prosessoitavaksi. Valmistuskapasiteettia voidaan
nostaa tai esineiden kokoa suurentaa käyttämällä isokokoisempia reaktoreita. Esimerkiksi elekroniikkateollisuudessa, jossa
yleensä käytetään halkaisijaltaan 300 millimetrin piikiekkoja, eräprosessoinnin kapasiteetti on toistaiseksi ollut riittävä.
Moniin uusiin sovelluskohteisiin eräprosessointi on kuitenkin liian hidas. Laajamittakaavaisessa massatuotannossa tarvitaan jatkuvaa pinnoitusprosessia. Tähän
haasteeseen on lähdetty etsimään ratkaisuja kahden Tekes-hankkeen avulla.
Yhteistyöllä tuloksia
Mikkelissä sijaitsevassa innovaatio- ja
teknologiakeskus Miktech Oy:ssä on osana OSKEN nanoteknologian klusteriohjelmaa tehty hankkeiden valmistelua ja
sovellusmahdollisuuksien
kartoitusta.
Hankkeet on klusterissa valittu kansallisiksi kärkihankkeiksi.
"Nanoteknologian klusteriverkosto on
Kuva: Beneq Oy
¯
tiivistä pintaa rullalta rullalle
ollut tarpeen kansallisen yhteistyön
rakentamisessa. Esimerkiksi sovellusselvitys tehtiin yhteistyössä Oulun nanoOSKEn kanssa", kertoo Miktechin kehitysjohtaja Juha Kauppinen. Hän toimii
hankkeiden ohjausryhmän puheenjohtajana.
Vuoteen 2013 kestävä hanke on edennyt hyvin. Lappeenrannan teknisen yliopiston (LUT) tutkimusryhmä kehittää jatkuvatoimista
ALD-pinnoitusprosessia
professori David Cameronin johdolla
Mikkelissä sijaitsevassa ASTRaL-tutkimusyksikössä. Tampereen teknisessä yliopistossa (TUT) professori Jurkka Kuusipalon ryhmä testaa kartongin pinnoitusta polymeereilla, joiden päälle ALD-kalvo
kasvatetaan. Teknologian tutkimuskeskus
VTT tutkii käyttökelpoisia biohajoavia
polymeereja ja tarvittava laitteiston kehi-
Työ- ja elinkeinoministeriön osaamiskeskusohjelman (OSKE) nanoteknologian
klusteriohjelma etsii yrityksille aktiivisesti uusia markkinointi- ja liiketoimintamahdollisuuksia sekä tukee nano- ja
mikroteknologioiden ja uusien materiaalien kannattavaa käyttöönottoa suomalaisessa teollisuudessa. Nanoklusteriin kuuluu kahdeksan osaamiskeskusta ympäri
Suomea.
AlCl3
Annospulssi
Huuhtelu
H2O
Annospulssi
Huuhtelu
1. Al2O3-kerros
Pinnoite
Lisää kerroksia syklin toistoilla
Alumiinioksidikalvon muodostuminen ALD-prosessissa. Lähtöaineina ovat alumiinikloridi ja vesi, huuhtelukaasuna typpi.
tystyö on Beneq Oy:n vastuulla.
Päämääränä tiivis pakkaus
Laitekehitys keskiössä
Ensimmäiseksi sovelluskohteeksi on valittu elintarvikepakkaukset. Hyvin tiivis ja
ohut alumiinioksidikalvo toimii tehokkaana suojakerroksena, jonka läpi pakkauksesta ei pääse mitään ulos ja toisaalta
kalvo suojaa pakkauksen sisältöä ympäristön vaikutuksilta.
Pakkausmateriaali on kokonaisuus, joka muodostuu kolmesta osatekijästä. Pohjana on kartonki, joka pinnoitetaan polymeerikerroksilla, ja näiden päälle kasvatetaan alumiinioksidikerros.
Kartongin polymeeripinnoitus valmistetaan TUT:n paperinjalostus- ja pakkaustekniikan osastolla sijaitsevalla testilinjalla. "Kun käytetään polymeeria kartongin
ja ALD-kalvon välissä, saadaan tasaisempi pinta, minkä lisäksi polymeeri luo huokosettoman ja reiättömän kerroksen, jota
ALD-prekursorikaasut eivät läpäise", kuvaa Jurkka Kuusipalo polymeerikerroksen merkitystä.
TUT:ssa tehdään myös pinnoitteiden
läpäisevyysmittaukset hapelle, vesihöyrylle ja hiilidioksidille. Tällä hetkellä jatkuvatoimisella menetelmällä ei ole vielä
saatu aivan yhtä hyviä tuloksia kuin erämenetelmällä, joten kehitystyötä vielä riittää.
Elintarvikepakkauksien tulee myös olla rasvoja läpäisemättömiä, minkä mittaamiseen ei ole hyviä menetelmiä. "Tulokset perustuvat lähinnä aistihavaintoihin,
joten kokeiden vertailukelpoisuus ei ole
paras mahdollinen", toteaa tutkija Petri
Johansson.
Professori Kuusipalo odottaa mielen-
Nelisen vuotta sitten käynnistettiin projekti, jonka tavoitteena oli jatkuvaan tuotantoon sopivan ALD-laitteiston valmistaminen. Beneq toimitti vuonna 2009 ensimmäisen laiteversion LUT:n ryhmälle
testejä varten.
Laitteessa joustava pinnoitettava alusta kiinnitetään pyörivään rumpuun. Jatkuvat lähdeainevirtaukset ovat toisistaan
erotetut omilla alueillaan, ja rumpua liikuttamalla alustaa siirrellään virtauksesta
toiseen, jolloin kalvonkasvatusprosessista
jää huuhteluvaihe kokonaan pois.
Laitteen avulla on osoitettu periaatteen
toimivuus, ja pinnoitusprosessi on jopa
parikymmentä kertaa nopeampi kuin normaalilla ALD-laitteistolla. Laitteessa yhdellä rummunpyörähdyksellä saadaan aikaan yksi sykli. Seuraavaksi laitetta muutetaan niin, että pyörähdyksen aikana
tapahtuu useampi sykli, jolloin prosessi
edelleen nopeutuu.
Muutosten avulla saadaan lisää testitietoa varsinaisen rullalta rullalle (R2R)
ALD –laitteiston suunnitteluun. Tässä
laitteistossa pinnoitettava alusta syötetään
kelalta pinnoitusrummun kautta keräyskelalle. Laitteen testauksiin päästään vuoden 2012 kesällä, joiden jälkeen laite
siirretään ASTRaL:n laboratorioon.
R2R-laitteen toiminnassa pyritään saavuttamaan teollisuuden vaatimuksia vastaavat puolen metrin rainaleveys sekä
kahden metrin minuuttivauhdilla etenevä
pinnoitusnopeus.
kiinnolla R2R ALD –laitteen käyttöönottoa . "Tällöin voimme lähettää polymeerilla pinnoittamamme rullan Mikkeliin
edelleen prosessoitavaksi. Tämä nopeuttaa huomattavasti toimintaamme".
Hankkeessa mukana oleva VTT kehittää
ja tutkii biopolymeereja. "Biopolymeerien
käyttö on kestävän kehityksen mukaista,
sillä lisätään kierrätettävyyttä sekä saadaan biohajoavia tuotteita. Lisäksi biopolymeerien pinnalla on synteettisiin polymeereihin verrattuna enemmän sellaisia
toiminnallisia kemiallisia ryhmiä, jotka
edistävät ALD-kerroksen kiinnittymistä",
luettelee johtava tutkija Mika Vähä-Nissi
biopolymeerien käytön etuja.
VTT:llä on käytössään oma ALDeräreaktori sekä päällystyslinja, joiden
avulla voidaan valmistaa näytteitä. VTT
on biopolymeereista tutkinut muun muassa hemiselluloosan, ligniinin, polylaktidin ja pektiinin käyttöä ALD:n kanssa.
Suoritetuissa hapen ja vesihöyryn läpäisykokeissa on saatu lupaavia tuloksia,
jotka ovat lähellä kuivaruokapakkauksilta
vaadittavia arvoja.
Painettua elektroniikkaa
"VTT on panostanut voimakkaasti painetun elektroniikan tutkimiseen ja kaupallistamiseen. Eräillä painetun elektroniikan
alueilla, kuten joustavalle polymeerialustalle painetuissa aurinkokennoissa ja orgaanisissa ledeissä, tarvitaan hyvälaatuisia kalvoja suojaamaan elektroniikkaa hapelta ja kosteudelta", kuvaa teknologiapäällikkö Raimo Korhonen.
ALD:n ja painetun elektroniikan yh-
distäminen näyttäisi itsestäänselvyydeltä,
mutta tiellä on Korhosen mukaan esteitä.
ALD-prosessin pitää tapahtua normaalissa ilmanpaineessa ja olla helposti liitettävissä elektroniikan tuotantolinjaan, joka
sekin on R2R-tyyppinen. Tämän lisäksi
kalvolle asetettavat vaatimukset ovat elintarvikepakkauksia paljon suuremmat : hapen ja kosteuden läpäisyjen täytyy olla
100 – 1000 kertaa pienemmät kuin pakkauksissa.
Asiaa tutkimaan on vasta viime kesänä
perustettu hanke, joten tuloksia joudutaan
odottamaan. Jos hanke onnistuu on sillä
merkittäviä seurauksia, koska painetun
elektroniikan ennakoidaan yleistyvän nopeasti lähimmän 5 – 10 vuoden kuluessa.
Kierrätettävyys tärkeintä
Elintarviketeollisuus on Suomen suurimpia pakkaajia ja pakkausmateriaalien
käyttäjiä. Pakkausten lukumäärät maassamme liikkuvat vuositasolla vähintään
sadoissa miljoonissa. Nykyään pakkausten kierrätettävyys ja biohajoavuus ovat
nousseet ominaisuuksiksi, joihin pyritään.
Maailmalla suuret markkinat
Beneq on valmistanut ALD-laitteita vuodesta 2005 lähtien, ja yhtiö on saanut alalla innovatiivisen toimittajan maineen. Tämän mukaisesti Beneq lähti ensimmäisten
joukossa kehittämään R2R ALD –laitteistoa.
"ALD-kalvojen laatu on erinomainen,
joten on olemassa kova kilpailu siitä kuka
pystyy valmistamaan kalvoja suurella
nopeudella", kuvaa sovelluspäällikkö
Mikko Söderlund nykyistä laitevalmistustilannetta. Hänen mukaansa Kodak oli
Pilottituotanto tavoitteena
Vuonna 2013 päättyvän R2R ALD-hankkeen lopputavoitteena on pilottituotantolaitteiston valmistuminen. Menetelmän
varsinainen käyttöönotto on kuitenkin viime kädessä yritysten varassa, eli siinä,
löytyykö Suomesta yrityksiä, jotka ovat
valmiita soveltamaan menetelmää omaan
tuotantoonsa.
"Meitä tietysti kiinnostaisi saada tästä
toimintaa Mikkeliin esimerkiksi sovelluskeskuksen muodossa, jossa yritykset
voisivat testata menetelmän soveltuvuutta
omalle tuotannolleen.", toivoo Juha Kauppinen. "Kun saamme projektin loppuvaiheen aikana lisää tietoa ja tuloksia niin us-
kon, että löytyy lisää yrityksiä, joita menetelmän tarjoamat edut kiinnostavat".
Tällä hetkellä lupaavimmilta sovellusalueilta Suomessa näyttävät pakkausmateriaalit sekä painettava elektroniikka.
Hankkeen alussa tehty sovellusselvitys
löytää mahdollisuuksia myös optiikassa ja
diagnostiikassa. Varmimmat hyötyjät ovat
kuitenkin laitevalmistajat, sillä kiinnostus
ALD-kalvojen ominaisuuksiin ja mahdollisuus kalvojen R2R-valmistukseen kasvavat maailmassa koko ajan.
Hankkeessa saatuja tuloksia esitellään
14 – 16. 3. 2012 Mikkelissä pidettävässä
Mikkeli International Industrial Coating
Seminarissa (MIICS). www.miics.net.
"Täydellisesti biohajoava materiaali,
joka olisi happi-, vesi- ja rasvatiivis, joka
kestäisi koko tuotteen elinkaaren ja jonka
loppukäyttäjä voisi helposti hävittää", kuvaa suunnittelupäällikkö Vesa Sorsa
ihanteellista elintarvikepakkausmateriaalia.
"Tuotevalikoimamme on laaja raa'asta
lihasta säilykkeisiin ja kaikkeen siltä väliltä, sekä kiinteässä että nestemäisessä
muodossa. Mitä suurempaan osaan tästä
valikoimasta voitaisiin käyttää yhtä materiaalia sitä parempi.", kertoo tämän päivän
tilanteesta tuotekehitysjohtaja Mirja Lonka.
ALD-prosessoidusta alumiinioksidikalvosta toivotaan korvaajaa alumiinifoli-
olle, jolloin tämäkin osa pakkauksista saataisiin kierrätyksen piiriin.
Kierrätettävyyden ja biohajoavuuden
lisäksi edellytetään, että pakkausten pinnoille voidaan tehdä painatuksia jollain
tavanomaisella painotekniikalla. Vesa
Sorsa katsoo menetelmän tämänhetkisen
pullonkaulan olevan laitekehityksessä.
"Jos R2R ALD-tekniikka saadaan kehitettyä teollisuuden vaatimalle tasolle, niin
uskon pakkausmateriaalin valmistajan
löytyvän aika nopeasti, ja kysyntää tuotteelle varmasti riittää".
ensimmäinen, joka esitteli nopean ALD
(spatial ALD) laitteistokonseptin, mutta
sen skaalaamisessa suurempiin pinta-aloihin on haasteita. Yhdysvaltalainen Lotus
Applied Technology on demonstroinut
kymmenen sentin rainaleveydellä toimivan R2R ALD -laitteiston, mutta senkään
rainaleveys ei vielä vastaa teollisuuden
tarpeita.
"Taustalla käydään idea- ja IP-kilpailua. Vuoden- puolentoista kuluttua nähdään mikä on tilanne pilottilaitteistojen
osalta ja minkälaista teollista ratkaisua
itse kullakin on tarjottavana". Beneq on
omine ratkaisuineen kärjessä tässä maailmanlaajuisessa kilpailussa.
Termisen ALD-prosessin rinnalla on
kehitteillä plasmaprosessi. Söderlund näkee tässä prosessissa monia hyviä puolia.
"Prosessi on puolitoista kertaa nopeampi,
sillä saatava kalvon laatu on usein parempi ja prosessilämpötilat ovat matalampia.
Lisäksi plasman avulla voidaan tehdä pinnan esikäsittelyä, esimerkiksi ALD-kalvon polymeeriin tarttuvuuden parantamiseksi. Näkisin plasman olevan olennainen osa tulevaisuuden R2R ALD –laitteistoa."
Kansainvälisesti katsoen Söderlund pitää tärkeimpinä sovelluksina joustavia aurinkokennoja ja hieman kauempana tulevaisuudessa valaistuskäytössä olevia orgaanisia ledejä. Hänellä on myös antaa
vihje tuotekehityksestä. "Jos pystyttäisiin
kehittämään
paperi-polymeerialustalle
ALD-kalvo, joka olisi ominaisuuksiltaan
lasinkaltainen, avaisi tämä uusia markkinoita ja olisi laajasti hyödynnettävissä eri
teollisuuden aloilla, jopa orgaanisessa
elektroniikassa".
Laitevalmistajan kannalta R2R ALD:n
tulevaisuus näyttää hyvältä. "Kiinnostus
tätä teknologiaa kohtaan on erittäin suurta.
Jos meillä nyt olisi valmis käyttökelpoinen laitteisto, niin myynti ei olisi pullonkaula".
Otsikkokuva: Beneqin TFS 200R reaktorin sisustaa. Keskellä pyörivä alustanpidin, jonka ympärillä kahdeksan kaasunsyöttösuutinta.