Puettava elektroniikka yleistyy, mutta kovan piirilevyn ja pehmeän ihmiskehon yhdistäminen ei ole helppo tehtävä. Teemu Salo osoitti väitöskirjassaan, että 3D-tulostustekniikat sopivat esimerkiksi venyvien johtimien ja sensorien valmistukseen.
Uudenlainen venyville alustoille rakennettu elektroniikka saattaa tehdä tulevaisuuden älylaitteista aivan erinäköisiä. Nykyisten älysormusten ja urheilukellojen toiminnot voidaan tuoda suoraan vaatteisiin tai iholle.
Myös autoteollisuus hyödyntää jo venyvää elektroniikkaa. Sen avulla voi tehdä koripaneelien muotoihin valmistusvaiheessa mukautuvia kosketusantureita, led-valaistusta tai näyttöjä. Tällaista teknologiaa toimittaa esimerkiksi oululaisyritys Tactotek.
– Printattu elektroniikka on jo uudistanut perinteistä elektroniikkateollisuutta. Väitöskirjassa mietin valmistusmenetelmien seuraavaa askelta, joka voi olla 3D-tulostus, Teemu Salo kertoo.
3D:llä vapautta moneen kerrokseen
3D-tulostustekniikoilla komponentteja voi pakata vapaammin moneen kerrokseen. Näin syntyy entistä edistyneempää elektroniikkaa – tarvittaessa pehmeissä kuorissa.
– Sen sijaan, että meillä on kova lasikuituepoksista tehty piirilevy, voimme 3D-tulostaa sen venyvästä muovista, vaikka suoraan vaatteeseen, Salo kertoo.
Elektroniikan tuominen vaatteisiin on yllättävän vanha ajatus. Väitöstilaisuudessaan Salo esitteli videota vuodelta 1989. Sillä takavuosien tv-tähti David Hasselhoff lauloi uudenvuodenaattona hiljattain murtuneella Berliinin muurilla ”Looking for Freedom” valaistussa nahkatakissa.
Nyt osataan paljon enemmän. Salo näyttää Münchenin printatun elektroniikan LOPEC-messuille rakentamaansa venyvää lämmityselementtiä.
– Se on tehty hopeamusteesta ja hiilikuidusta.
Tällaisella joustavalla materiaalilla vuorattu takki voisi esimerkiksi pitää pukijansa aina sopivan lämpöisenä. Messuja varten Salo vielä viimeisteli demomateriaalinsa lämpötilaan reagoivalla termokromisella eli lämpöaktivoidulla pigmentillä. Nyt sen pinnalle laserilla kirjaillun LOPEC-tekstin väri kertoo, miten lämmin elementti on.
Venyvää kovasta ja pehmeästä
Venyvää elektroniikkaa rakennetaan tyypillisesti kolmesta palasesta: venyvästä alustasta, venyvistä johtimista sekä kovista mutta pienistä piirilevymoduuleista.
– Kun venyvää elektroniikkaa integroidaan esimerkiksi vaatteisiin, on sen rakenteen mukauduttava alustan liikkeisiin. Piirilevymoduulit on hajautettu alustalle pieninä saarekkeina ja yhdistetty sähköisesti venyvällä johdotuksella. Kokonaisuus on kovista piirilevymoduuleista huolimatta venyvä.
Väitöskirjan paras tutkimuspaperi syntyi alkuvuonna 2022 Berliinissä, kun Salo oli puoli vuotta vierailevana tutkijana Suomen VTT:tä vastaavassa Fraunhofer-instituutissa.
– Me olemme Tampereella tehneet paljon venyviä johtimia painomenetelmin hopeamusteella, saksalaistutkijat taas laminoimalla joustaville alustoille venymätöntä kuparifoliota ja syövyttämällä sitä siksak-muotoon. Lähdin ensi kertaa yhdistämään näitä kahta menetelmää.
Testinä 10 000 venytystä
Salo altisti vetokoneessa erilaisia johdinrakenteita10 000 kertaa peräkkäin jopa 30 prosentin venymille ja tutki, miten eri rakenneratkaisujen sähkönjohtavuus säilyy rasituksessa, miten vauriot syntyvät ja millaisilla rakenteilla niitä voi ehkäistä.
– Joustavan elektroniikan suuri haaste ovat eri tavoin joustavat materiaalit.
Vauriot alkoivat vetokokeessa juuri kovien piirilevyjen kuparikontaktien ja joustavien johtimien rajapinnoilta.
– Tutkimuksessamme on syntynyt yksi patenttikin tällaisesta apilan muotoisesta liitoksesta. Geometrian suunnittelulla voimme parantaa liitoskohtien kestävyyttä.
Jatkuu. Väitöskirjan valmistuttua Teemu Salo jatkaa yliopistotutkijana ja keskittyy 3D-tulostettuun elektroniikkaan, kuten valoisuussensoriin, jonka hän on 3D-tulostanut pehmeästä muovimateriaalista. Monikerroksisen rakenteen johtimet ovat sähköäjohtavaa mustetta. Vaatteeseen integroituna se voisi vaikka sytyttää työvaatteen huomiovalaisimen pimeän tullen.
Yksi väitöskirjan julkaisuista keskittyi erityisesti 3D-tulostettuihin vahvikerakenteisiin, toinen taas esitteli, miten sähköä johtavia kuituja integroidaan 3D-tulostettuihin kappaleisiin.
Mitä käytännön sovelluksia väitöskirjan menetelmillä voisi olla?
– Tämä on perustutkimusta, Salo muistuttaa, mutta ryhtyy sitten visioimaan esimerkiksi lämmitettävää pressua, väriään vaihtavaa kameleonttimaista naamioverkkoa tai älykkäitä verhoja.
– Tällaista ison mittakaavan venyvää elektroniikkaa ei vielä ole nähty.
Venyvä elektroniikka on varsin uusi tutkimusala. 2000-luvun alkupuolella suurin kiinnostus kohdistui älyvaatteisiin, mutta ne ovat osoittautuneet hankalasti kaupallistettaviksi.
Älyvaatteet ovat oikeastaan venyvän elektroniikan kuninkuuslaji, sillä vaatimukset ovat kovat, pesunkestosta lähtien.
Moni alan yritys onkin löytänyt asiakkaita autoteollisuudesta. Joustava elektroniikan kehitys on tuonut rattiin ja sisustukseen uudenlaisia toimintoja, kosketusnäyttöjä ja valaistusta.
Teemu Salon tie tohtoriksi
- 1991. Teemu Salo syntyy Hämeenlinnassa.
- 2011. Salo aloittaa tekstiilitekniikan insinööriopinnot Tampereen ammattikorkeakoulussa. – Olin viimeisten joukossa, koulutus lopetettiin vuonna 2014. Nyt se on käynnistynyt uudelleen, kun uusia puupohjaisia kuituja kehitetään Suomessa.
- 2015. AMK-insinööriksi valmistunut Salo jatkaa opintoja TTY:llä materiaalitekniikan DI:ksi.
- 2017. Salo kysyy professori Jukka Vanhalalta DI-työpaikkaa, sellainen järjestyy Kankaanpään tutkimusyksiköstä, joka toimi saman katon alla Clothing+-älyvaateyrityksen kanssa.
- 2018. Valmistuu DI:ksi ja jatkaa projektitutkijana venyvän elektroniikan tutkimushankkeissa.
- 2020. Ensimmäinen tieteellinen julkaisu valmistuu. – Mietin että ei näitä huvikseen viitsi kirjoittaa, joskus pitää valmistua tohtoriksi.
- 2022. Vierailevana tutkijana Berliinissä.
- 2024. Teemu Salon elektroniikan alan väitöskirja ”3D Printing and Stretchable Electronics” hyväksytään Tampereen yliopistossa.
Mitä haluat saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Haluan keksiä ja löytää uusia asioita. On hienoa saada joku idea ja huomata, että se toimii ja kirjoittaa siitä julkaisu, joka kertoo muille, että tällainenkin on mahdollista.
Suosikkileikkikalu
Welta Symbol, 1930-luvun paljekamera, joka käyttää 120-rullafilmiä.
Lempiharrastus
Juoksu. – Vähintään kymmenen kilometrin lenkkejä tulee juostua. Berliinissä juoksin puolimaratonin.
Älyä kenkiin, vaatteisiin ja renkaisiin
Tampereen yliopistolla venyvää elektroniikkaa on tutkittu vuodesta 1998. Aluksi tutkimus keskittyi käyttäjäänsä mittaaviin vaatteisiin ja kenkiin.
Yksi Tampereen puettavan elektroniikan tutkijoiden hengentuotteista on älykäs kengänpohjallinen, joka pystyi mittaamaan esimerkiksi keihäänheittäjän suoritusta. Tutkimushankkeesta sai alkunsa teknologiayritys Forciot, joka valmistaa venyvän elektroniikan sovelluksia, kuten erilaisia älykkäitä pintoja, kosketuspaneeleja ja painikkeita autoteollisuudelle.
Teemu Salo päätyi alan tutkijaksi vuonna 2017, kun hän tuli kysäisseeksi professoriltaan diplomityöpaikkaa. Muutaman hengen tutkijajoukko on vuosien varrella rakentanut venyvää elektroniikkaa niin vaatteisiin, kenkiin kuin Nokian-autonrenkaisiin. Mikä on professori Jukka Vanhalan tutkimusryhmän leipälaji?
– Kyllä se on älyn tai elektroniikan integroiminen eri alustoille. Halusitpa älyä sitten vaatteeseen, autoon tai vaikka oveen, me voimme lähteä sitä suunnittelemaan, Teemu Salo kertoo.