Roll-to-roll atomic layer deposition process for flexible electronics applications

Atomic Layer Deposition (ALD) is the technology of choice where very thin and highquality films are required. Its advantage is its ability to deposit dense and pinhole-free coatings in a controllable manner. It has already shown promising results in a range of applications, e.g. diffusion barrier coatings for OLED displays, surface passivation layers for solar panels. Spatial Atomic Layer Deposition (SALD) is a concept that allows a dramatic increase in ALD throughput. During the SALD process, the substrate moves between spatially separated zones filled with the respective precursor gases and reagents in such a manner that the exposure sequence replicates the conventional ALD cycle. The present work describes the development of a high-throughput ALD process. Preliminary process studies were made using an SALD reactor designed especially for this purpose. The basic properties of the ALD process were demonstrated using the wellstudied Al2O3 trimethyl aluminium (TMA)+H2O process. It was shown that the SALD reactor is able to deposit uniform films in true ALD mode. The ALD nature of the process was proven by demonstrating self-limiting behaviour and linear film growth. The process behaviour and properties of synthesized films were in good agreement with previous ALD studies. Issues related to anomalous deposition at low temperatures were addressed as well. The quality of the coatings was demonstrated by applying 20 nm of the Al2O3 on to polymer substrate and measuring its moisture barrier properties. The results of tests confirmed the superior properties of the coatings and their suitability for flexible electronics encapsulation. Successful results led to the development of a pilot scale roll-to-roll coating system. It was demonstrated that the system is able to deposit superior quality films with a water transmission rate of 5x10-6 g/m2day at a web speed of 0.25 m/min. That is equivalent to a production rate of 180 m2/day and can be potentially increased by using wider webs. State-of-art film quality, high production rates and repeatable results make SALD the technology of choice for manufacturing ultra-high barrier coatings for flexible electronics.

Development of modular roll service concepts

The goal of this study was to find and develop new or improved service concepts for rolls in a paper machine and secondary targets were to find out what the KPIs and values of the concepts are. Two methodologies were utilized in researching this problem; firstly sales personnel were interviewed about customer values and KPIs and a questionnaire about service modules were sent out to four BSI (basic sales item) responsible persons. Throughout the research process differences in geographic regions were identified and several customer KPIs and values were discovered. The interviews showed that the main concern for customers is the cost of operations. The goal is to produce the same or in some cases more tons with smaller operating costs. The questionnaire standardized the data about service modules and made it possible to link these values, KPIs and concerns of customers to Valmet’s service offering. Eventually these service modules were used to create a service concepts that offer flexibility, cost savings, safety and peace of mind for the customers. With this new conceptual approach Valmet can more flexibly answer to customer quotations and modify the offering to better generate customer value and customer satisfaction. In addition a new BSI was defined and proposed for pilot projects.

Kylmämuokatun austeniittisen ruostumattoman teräsputkipalkin hitsaus

Diplomityön tavoitteena on selvittää kylmälujitetusta austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä valmistettavan putkipalkin pituussuunnassa hitsaamalla tapahtuvaa valmistusta. Työssä tarkastellaan eri hitsausprosessien lämmöntuonnin ja putkipalkin kylmämuovaamalla tapahtuvan valmistuksen ja hitsin jälkikäsittelynvaikutuksia putkipalkin pituushitsin mekaanisiin ominaisuuksiin. Teoriaosassa on perehdytty austeniittisen ruostumattoman teräksen hitsaukseen, kylmämuokkaamalla lujitetun teräksen käyttäytymiseen hitsauksessa, monipoltinkaari-, TIG-suurtaajuuspulssi- ja kaariavusteiseen laserhitsaukseen. Kokeellisessa osassaon suoritettu koehitsauksia edellä mainituilla menetelmillä kylmälujitetulle austeniittiselle ruostumattomalle teräkselle ja suoritettu saatujen koehitsien mekaanisien ominaisuuksien arviointia. Saatujen koetulosten perusteella ontodettu, että huolimatta hitsauksen lämmöntuonnin kylmämuokatun teräksen lujuusarvoja alentavasta vaikutuksesta on mahdollista valmistaa hitsin osalta perusaineen lujuusluokituksen täyttäviä putkipalkkeja. Tämä johtuu putkipalkin kylmämuovaamalla tapahtuvan valmistuksen ja hitsin jälkikäsittelyn hitsauksessa pehmentyneen vyöhykkeen lujuusarvoja takaisin perusaineen tasolle palauttavasta vaikutuksesta.

Pinnan ominaisuuksien karakterisointi kiiltomittalaitteella ja kiiltomittalaitteen soveltuvuus tuotannon laadunvarmistuksessa

Alahuulten, kärkilistojen, turboputkien ja telapinnoitteiden pinnankarheutta mitataan Rautpohjan tehtaalla nykyään pääosin koskettavalla pinnankarheusprofilometrilla. Profilometrin käyttö on hankalaa ja epäluotettavaa tai käytössä on muita ongelmia. Paperin kuituorientaation mittaamiseen käytetään nykyisin mm. TSO-menetelmää tai repäisymenetelmää. Tämän diplomityön tarkoituksena oli kartoittaa diffraktiiviseen optiseen elementtiin perustuvan kiiltomittalaiteprototyypin mahdollisuuksia karakteroida pinnan ominaisuuksia ja tutkia kiiltomittalaitteen soveltuvuutta tuotannon laadunvarmistuksessa. Alahuuli-, kärkilista-, turboputki-, telapinnoite- ja paperinäytteistä valmistettiinnäytesarjoja, jotka mitattiin nykymenetelmin ja kiiltomittalaitteella. Tulostenkorreloituvuutta tutkittiin ja taloudellista merkitystä arvioitiin investointilaskelmin. Paperin kuituorientaation, paperin pinnan kuituorientaation ja telapinnoitteiden mittaaminen kiiltomittalaitteella osoittautui taloudellisesti erittäin merkittäväksi. Ennen mahdollista kiiltomittalaitteen käyttöönottoa prototyyppiä on kehitettävä, kiillon korreloituvuutta tulee tutkia edelleen ja aiheesta on tehtävä lisätutkimuksia.

Puristin- ja viiraosan vedenpoiston hallinta nopeudennoston yhteydessä

Koneuusintojen sekä täysin uusien konelinjojen myötä SC-paperin valmistuskapasiteettia on tullut ja tulee paljon lisää 2000-luvulla. Uudistettujen sekä uusien linjojen tuottavuudet ja laatutasot ylittävät huomattavasti Myllykoski Paperin PK7:n nykyisen tason. Tämän vuoksi PK7:lla tulee pystyä valmistamaan vähemmän kilpailtuja ja jalostusarvoltaan parempia laatuja kuin mitä suurimmat SC-tuottajat valmistavat. Työn tavoitteena oli antaa vastauksia investointitarpeisiin, jos PK7:n tuotesuuntaa ollaan muuttamassa. Toisena tavoitteena oli luoda puristin- ja viiraosan vedenpoiston kannalta ajoikkuna, jossa muuttujna ovat neliömassa, paperikoneen nopeus sekä massatärkkelyksen määrä Kirjallisuusosassa tarkasteltiin SC-paperikoneen viira- ja puristinosan vedenpoistoa. PK7:n nykyisen listakenkäformerin vedenpoistokapasiteetti voi olla riittämätön nykyisellä laatutasolla ja hiokemassoilla suurempia ajonopeuksia tavoiteltaessa. Ongelmiksi voivat tulla listakengän vedenpoisto ja viiraosan jälkeinen kuiva-aine. Puristinosalla paksut lajit, alhainen kuiva-aine sekä nopea ja äkillinen vedenpoisto voivat aiheuttaa telanipissä kurausta. Kokeellisessa osassa selvitettiin raskaiden ja ohuiden neliömassojen sekä eripaperilajien mahdolliset vedenpoiston rajoitukset viira- ja puristinosalla. Formeritelan ja listakengän sekä 1. puristimen vedenpoistokapasiteetit tulivat koeajon perusteella kriittiseksi raskailla lajeilla ja suurilla massatärkkelysmäärillä, kun koneen nopeus nousi yli 1240 m/min.

Ohutlevyn diodilaserhitsaus

Diplomityössä tutkitaan, miten diodilaserhitsauksen ominaisuuksia ja mahdollisuuksia voidaan hyödyntää teollisuuden käytännön sovellutuksissa. Työn alkuosassa esitelläändiodilaserin toimintaperiaatetta ja säteen muodostumista. Lisäksi työssä on esitetty laserin käyttöön liittyviä turvallisuusseikkoja. Hitsaukseen liittyviä teknisiä seikkoja on myös käyty läpi. Työn kokeellisessa osassa tutkitaan kylmävalssatun ja ruostumattoman teräksen hitsattavuutta eri liitosmuodoissa kuten päittäis-, laippa- ja päällekkäisliitoksissa. Hitsauskokeet suoritettiin eri paksuisille levyille. Tavoitteena oli löytää eri levymateriaaleille ja liitosmuodoille oikeat nopeus- ja tehoparametrit. Diodilaserkokeet suoritettiin käyttäen Hämeen ammattikorkeakoulun Riihimäen yksikön 2 kW:n tehoista diodilaserlaitteistoa. Koekappaleet olivat 100 x 200 mm kokoisia. Osalle hitsatuista kappaleista tehtiin vetokokeita ja mikrokovuuskokeita. Hitseille tehtiin silmämääräinen tarkastus ja lisäksi tutkittiin hitsejä mikroskooppikuvauksella. Koekappaleita hitsaamalla selvitettiin teho- ja nopeusparametrit. Hitsattaessa kylmävalssattuja levyjä muodostui hitsausvirheitä T- ja päittäisliitoksissa. Hitsausvirheet huomattiin, kun suoritettiin vetokokeita ja tehtiin hietä. Mutta yleensä kylmävalssattujen levyjen hitsaus onnistui moitteettomasti. Kun hitsaukset suoritettiin käyttämällä ruostumatonta terästä, hitsausvirheitä ei muodostunut, kuten kylmävalssattuihin levyihin. Ruostumattomien terästen hitsaus onnistui moitteettomasti. Tunkeuma molemmissa levytyypeissä oli hyvä. Todettiin, että levyt hitsautuivat yhteen hitsauksen alussa moitteettomasti, mutta loppuosa ei hitsautunut kunnolla, koska lämpötilanmuutos muokkasi levyjen muotoja.

CO2-laserin soveltaminen WFU-paperin reunan leikkaamiseen

Tämän diplomityön tarkoitus oli selvittää CO2-laserin soveltuvuutta paperin reunan leikkaamiseen ennen liimapuristinta nopealle modernilleWFU-paperikoneelle. Merkittävimmät leikkauskokeet tehtiin leikkaamalla paperirataa todenmukaisissa olosuhteissa koekoneella. Koeleikkauksissa tutkittiin myös päällystettyjen paperilajien CO2-laserleikkausta. Paperin reunan koeleikkauksia suoritettiin leikkauspöytää vasten sekä telaa vasten. Leikkauspöytänä käytettiin korkeapainevesileikkaimelle suunniteltua leikkauspöytää, jota paranneltiin tämän työn yhteydessä paremmin laserleikkaukselle sopivaksi. Telaa vasten suoritetuilla leikkauksilla lasertehon tarve oli suurempi verrattuna pöytää vasten leikkaukseen samalla leikkausnopeudella ja samalla paperilajilla. Laserlaitteiston mitoittaminen oikein pelkkien arkkileikkauskokeiden perusteella ei ollut mahdollista. Myös rullilla tapahtuvia leikkauskokeita tarvittiin. Pöytää vasten tapahtuvaan leikkaamiseen tarvitaan 1000 W laserlaite paperin molemmille reunoille. Tämän tehoiset laserlaitteet riittävät kaikille Changshun PK 1:n paperilajeille niiden lajikohtaiseen maksimiajonopeuteen. Testatuista kolmesta polttovälistä antoi 5" polttoväli parhaat leikkaustulokset. Polttopisteen paikka voi vaihdella ± 0.75 mm paperin pinnasta vaikuttamatta silti merkittävästi lasertehon tarpeeseen. Laserleikatun paperin reuna oli hyvälaatuinen, eikä laserleikkaus aiheuttanut paperille epätoivottuja asioita kuten mustumista.

Formeritelan alipaineen vaikutus kartonkikitaformerin vedenpoistojakaumaan ja rainan ominaisuuksiin

Diplomityön tavoitteena oli selvittää kartonkikitaformerin formeritelan alipaineen vaikutusta vedenpoistoon ja rainan ominaisuuksiin. Kirjallisuusosuudessa selvitetään erilaisten vedenpoistotapahtumien teoreettisia vedenpoistokaavoja sekä niiden avulla laskettuja vedenpoistopaineita. Kokeellisessa osuudessa verrataan vedenpoistopaineen ja vedenpoistomäärän mandollista suhdetta. Kokeiden perusteella voi todeta, että alipaineella voi vaikuttaa kokonaisvedenpoistoon sekä vedenpoistojakaumaan. Vedenpoistopaineen ja poistuneen vesimäärän välistä riippuvuussuhdetta ei useimmissa tutkituissa vedenpoistotapahtumissa ollut havaittavissa. Nykyiset vedenpoistopaineen yhtälöt kattavat tela-alueen vedenpoistotapahtumat vain osittain. Tela-alueen vedenpoistotapahtumien ja erilaisten riippuvuussuhteiden ymmärtäminen vaatii tulevaisuudessa vielä enemmän tutkimustyötä.

Superjumborullien rullauksen hallinta

UPM-Kymmene Oyj:n Jämsänkosken PK6:n ongelmana ovat olleet ajoittaiset pohjakatkot suurilla rullilla. Diplomityön tavoitteena oli parantaa superjumborullien rullauksen hallintaa Jagenbergin rakentamalla VariTop keskiörullaimella. Kirjallisuusosassa selvitettiin rullanmuodostumista ja erilaisia rullausteorioita. Samalla käytiin läpi paperin rullautuvuuteen vaikuttavia tekijöitä, rullausperäisten vikojen muodostumisen syitä sekä pehmeän rullaussylinterin etuja verrattuna kovaan sylinteriin. Kokeellisessa osassa suoritettiin koeajoja tuotannon pituusleikkurilla. Näistä kokeista saatujen tulosten perusteella leikkurin ajoreseptit päivitettiin vastaamaanoptimaalisinta rullarakennetta. Pehmeän rullaussylinterin etuja verrattuna kovaan rullaussylinteriin selvitettiin koeajoissa Voithin koeleikkurilla Saksan Krefeldissä. Tuloksista selvisi, että samalla ajoreseptillä rullattaessa pehmeä sylinteri antoi valmiille rullalle suuremman kovuuden. Myös paperissa olevien profiilivirheiden vaikutukset lievenivät käytettäessä pehmeää rullaussylinteriä. Istukoiden luistamisesta johtuvaa hylsyjen sisäpinnan jauhautumista on ilmennyt suurilla jumborullilla. Tämä johtuu todennäköisimmin kasvaneesta rasituksesta hylsyn sisäpinnalla, mikä on seurausta rullien kasvusta. Ratkaisuina tälle ongelmalle on mahdollinen istukan pidentäminen sekä välyksen pienentäminen istukan ja hylsyn välissä. Myös hylsyjen toimintaa testattiin rullauksessa jahuomattiin niiden täyttävän toimittajien antamat laatuarvot. Lepo- ja liikekitkalla tiedetään olevan suuri merkitys rullausperäisten vikojenmuodostumiseen. Eri lajeista lähetettiin paperinäytteitä UPM-Kymmene Oyj:n Lappeenrannan tutkimuskeskukseen kitkojen määrittämiseksi. Tulosten perusteella havaittiin luettelolajilla lepo- ja liikekitkassa merkittävä ero. Standardi SC lajilla ero oli selvästi pienempi kuin luettelolajilla. Tämä saattaa olla yksi syy luettelolajeilla ilmeneviin pohjaongelmiin.

SC-paperirullien vanaisuuden syntymekanismien selvittäminen

Myllykoski Paper Oy:n PK6:n kapeiden asiakasrullien vanoittuminen on aiheuttanut tuotannonmenetyksiä. Tämän työn tavoitteena oli pyrkiä selvittämään SC-paperirullissa esiintyvän vanaisuuden syntymekanismeja ja sitä, kuinka pituusleikkurilla voitaisiin vähentää vanan muodostumista asiakasrulliin. Työn kirjallisuusosassa selvitettiin rullaustapahtumaa pituusleikkurilla, paperin rullautuvuuteen vaikuttavia tekijöitä ja SC-paperille soveltuvia pituusleikkurityyppejä. Tässäyhteydessä syvennyttiin vanan syntymekanismeihin ja vanan syntymisen mahdollisiin ehkäisymenetelmiin. Vanan muodostumiseen vaikuttavat rainassa olevat jyrkät muutokset mm. neliömassa- ja paksuuspoikkiprofiileissa sekä pituusleikkurin rullausasemien linjauksen virheellisyys. Työn kokeellinen osa jakautui kahteen osaan.Esikokeissa tilastoitiin vanarullien muodostuminen eri pituusleikkurin rullausasemien, rullausposition ja käytetyn superkalanterin mukaan. Vanarullien paperista tutkittiin poikkisuuntaisia profiileja vanan syntysyiden löytämiseksi. Vanarullat olivat pääasiassa rainan reunoista leikattuja ja esikokeiden aikana suurin osan vanarullista muodostui superkalanteri II:n tambuureista. Koeajossa tutkittiin pituusleikkurin ajoparametrien ja rullausposition vaikutusta vanan muodostumiseen kapeassa rainan reunaosasta leikattavassa rullassa. Paperissa olevan profiilivian aiheuttamaa vanaa ei pystytty poistamaan ajoparametrimuutoksilla poistamaan koeajossa. Pituusleikkurin rullausasemien ja telojen linjaus sekä liikkuvien osien välysten poistaminen vähensi vanan muodostumista. Paperin neliömassa- ja paksuusprofiileissa kapealla alueella tapahtuvat jyrkät muutokset lisäsivät merkittävästi vanan muodostumista. Paperin profiilien hallinnalla ja pituusleikkurin kuluvien osien ennakoivalla huollolla voidaan vähentää vanan muodostumista asiakasrulliin.

Kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen simulointi

Diplomityössä tutkittiin kaupallisen monikappaledynamiikkaohjelmiston soveltuvuutta kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen tutkimiseen. Erityisen kiinnostuneita oltiin nipin kuvauksesta sekä nipissä tapahtuvista värähtelyistä. Tässä diplomityössä mallinnettiin kiinnirullaimen ensiö- ja toisiokäytöt sekä tampuuritela. Malli yhdistettiin myöhemmin Metso Paper Järvenpäässä rinnakkaisena diplomityönä tehtyyn malliin, joista muodostui kahteen ratkaisijaan perustuva simulointimalli. Simulointimalli rakennettiin käyttämään kahta erillistä ratkaisijaa, joista toinen on mekaniikkamallin rakentamisessa käytetty ADAMS-ohjelmisto ja toinen säätöjärjestelmää ja hydraulipiirejä kuvaava Simulink-malli. Nipin mallintamiseksi tampuuritela ja rullaussylinteri mallinnettiin joustaviksi käyttäen keskitettyjen massojen menetelmää. Siirtolaitteissa sekä runkorakenteissa tapahtuvat joustot kuvattiin yhden vapausasteen jousi-vaimennin voimilla kuvattuina järjestelminä. Tässä diplomityössä on myös keskitytty esittelemään ADAMS-ohjelmiston toimintaa ohjeistavasti sekä käsittelemään parametrisen mallintamisen etuja. Työssä havaittiin monikappaledynamiikan soveltuvuus kiinnirullaimen dynamiikan sekä dynaamisten voimien aiheuttamien värähtelyjen tutkimiseen. Suoritetuista värähtelymittauksista voitiin tehdä vain arvioita. Mallin havaittiin vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä

Rullaussylinterin ja painotelan mallinnus kiinnirullaimen simulointiin

Diplomityössä tutkitaan kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta nykyaikaisen kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kiinnostuksen kohteena on erityisesti kahden telan välinen nippi, sekä siinä tapahtuvat värähtelyt. Työssä mallinnetaan rullaussylinterin ja telapainolaitteen simulointimallit. Rullaussylinterin simulointimalli yhdistetään Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa mallinnettuun tampuuritelan simulointimalliin, jolloin nippikontaktin tutkiminen on mahdollista. Simuloituja tuloksia verrataan todellisella laitteella tehtyihin mittauksiin sekä elementtimenetelmällä laskettuihin tuloksiin. Diplomityön mekaniikka mallinnetaan ADAMS-ohjelmistossa monikappaledynamiikan keinoin. Toimilaitteiden sekä säätöjärjestelmien kuvaukseen käytetään MATLAB Simulink-ohjelmistoa. Telojen joustavuuden mallinnuksessa käytetään hyväksi keskittyneiden massojen periaatetta. Järjestelmän hydraulipiirit mallinnetaan keskittyneiden paineiden teorian mukaisesti ja toimilaitteiden mallinnuksessa käytetään puoliempiiristä mallinnustekniikkaa. Työssä havaitaan monikappaledynamiikan soveltuvan kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kahden diplomityön tuloksena laaditun nippimallin avulla voidaan kuvata rullaustapahtumassa vaikuttavat voimat oikein. Värähtelymittausten perusteella voidaan tehdä karkeita johtopäätöksiä, mallin toimivuuden arvioimiseksi värähtelyjen kuvaamisessa, joskin mallin havaitaan vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä.