Komposiittimateriaalien kehityksellä lisää mahdollisuuksia tulevaisuuden elektroniikkaan
”Pietsosähköiset materiaalit ovat erittäin monikäyttöisiä, sillä niillä voidaan muuntaa mekaanista energiaa sähköiseksi energiaksi ja päinvastoin. Niitä käytetään erilaisissa antureissa, aktuaattoreissa sekä energiakeräimissä. Tutuimmat pietsosähköisten komponenttien käyttökohteet löytyvät esimerkiksi summereista, sytyttimistä, ultraäänilaitteista, kamerojen kuvanvakauttimista ja ajoneuvojen tutkista”, Siponkoski sanoo.
Väitöstyönsä ensimmäisessä osassa hän kehitti uuden pietsosähköisen komposiittimusteen. Siitä valmistettiin taipuisia palkkirakenteita eri painomenetelmillä. Yksi tutkimushavainnoista on, että optimoimalla komposiitin koostumusta ja painettujen rakenteiden alustan jäykkyyttä, voitiin niiden pietsosähköisiä ominaisuuksia parantaa merkittävästi menettämättä kuitenkaan rakenteen joustavuutta.
”Koostumuksen optimoinnissa säädettiin keraamisen täyteaineen määrää ja pinnoituslisäainetta. Alustarakenteen jäykkyyttä muutettiin lisäämällä polymeerikalvoon ohut metallikerros tai korvaamalla se erilaisilla ohuilla metallikalvolla”, Siponkoski toteaa.
Taipuisan pietsosähköisen palkin jäykkyyden vaikutuksesta pietsokertoimiin ei ole aiemmin tutkimuksissa raportoitu. Siponkosken väitöksen tulokset viitoittavat tietä uusille printattaville pietsosähköisille komposiittimateriaaleille ja niiden rakenneratkaisuille. Tämä laajentaa pietsosähköisten materiaalien sovelluksia ja käyttömahdollisuuksia elektroniikassa.
Väitöstyön toisessa osassa hän keskittyi täyskeraamikomposiitteihin. Painetun taipuisan elektroniikan sijaan täyskeraamikomposiitit puolestaan ovat jäykkiä ja kovia. Niiden kohdalla väitöstyön keskeisin tulos on uuden valmistusmenetelmän kehitys ja hyödyntäminen ensi kertaa pietsosähköisille materiaaleille.
”Täyskeraamikomposiittien tutkimuksessa kehitimme uutta erittäin matalan lämpötilan valmistusmenetelmää. Tätä ”upside-down” -menetelmää sovellettiin ensi kertaa pietsosähköisille materiaaleille. Menetelmä mahdollisti valmistuslämpötilan laskemisen perinteisten täyskeraamikomposiittien 800–1000 °C lämpötilasta aina huoneenlämpötilaan asti. Matalin lämpötila saavutettiin vesiliukoisella keraamisella sideaineella. Toisella, organotitanaatti -sideaineella, valmistuslämpötila oli alimmillaan 300 °C”, Siponkoski kertoo.
Tuomo Siponkosken kehittämillä ja tutkimilla täyskeraamikomposiiteilla saavutettiin korkeassa lämpötilassa valmistettuihin materiaaleihin verrattavia pietsosähköisiä ominaisuuksia.
”Vastaavan suorituskyvyn pietsosähköisiä komposiitteja ei ole aiemmin onnistuttu valmistamaan näissä lämpötiloissa. Väitöstutkimuksessani kehitetty menetelmä tuo uusia näkökulmia täyskeraamikomposiittien ympäristöystävällisyyteen, erityisesti energiansäästön suhteen. Osana väitöstutkimusta täyskeraamikomposiitista tehtiin myös kiihtyvyysanturin prototyyppi, jonka herkkyys vastasi samantyyppisten kaupallisten anturien arvoja,” Siponkoski ylpeänä mainitsee.
Tuomo Siponkoski on mukana videolla, jossa hänen kollegansa Mikko Nelo kertoo matalan lämpötilan sähkökeraamien valmistuksesta. Oulun yliopiston Mikroelektroniikan tutkimusyksikössä on tehty pitkäjänteistä työtä sähkökeraamien valmistuksen ja erityisesti matalien lämpötilojen sintrauksen ympärillä. Siponkosken tutkimus on osa tätä kokonaisuutta ja jatkumoa.
Diplomi-insinööri Tuomo Siponkoski väittelee Oulun yliopistossa perjantaina 16.12. Mikroelektroniikan alan väitöskirjan suomennettu otsikko on Edistykselliset pietsosähköiset komposiitit: kehitys ja ominaisuudet (Advanced piezoelectric composites: development and properties). Vastaväittäjänä toimii professori Sohini Kar-Narayan Cambridgen yliopistosta ja kustoksena dosentti Jari Juuti Oulun yliopistosta. Väitöstilaisuus alkaa kello 12 salissa L5 Linnanmaan kampuksella ja etäyhteyksin.