Possibility to add a barrier layer to a fibre tray package in the moulding stage

The main objective of the present study was to analyze the best approach on how to coat paperboard trays at the pressing stage. The coating gives the paperboard enhanced barrier and mechanical properties. The whole process chain of the barrier coating development was studied in the research. The methodology applied includes obtaining the optimum temperature at which good adhesion and bonding is formed between paperboard and skin film. Evaluation of mechanical properties after the coatings; such as cracking, curling and barrier properties was performed.

Factors affecting tightness of package

Työn tarkoituksena oli tutkia kartonkipohjaisten pakkausmateriaalien läpäisyominaisuuksia sekä pakkausten tiiveyteen vaikuttavia tekijöitä. Työssä verrattiin skaivatun ja skaivaamattoman raakareunan sekä tölkkien pohjaratkaisujen ominaisuuksia vesihöyryn- ja hapen läpäisevyydessä, kun käytetty kartonki oli molemmin puolin polymeeripäällystetty. Tiiveysominaisuuksia tutkittiin myös vuotomittauksin, värjäyksin ja elektronimikroskoopilla. Kuivan elintarvikkeen säilytystestillä ja kilpailijapakkausanalyyseillä oli tarkoituksena myös saada selville eri pakkausmateriaalien ja pakkauksien läpäisevyys- ja tiiveysominaisuuksia. Pakkauksen saumoilla oli yhtä suuri tai suurempi vaikutus vesihöyryn läpäisyssä kuin itse materiaalilla, kun pakkaus oli molemmin puolin polymeeripäällystetty kartonkikuppi. Skaivatun sauman vesihöyrynläpäisy oli vain 4-10 % pienempi kuin raakareunallisen sauman. Pakkauksen ulkopuolisten raakareunojen suojaaminen pienensi vesihöyrynläpäisevyyttä 30 %. Kun pakkauksen sisäpuolen raaka-reuna oli suojattu teipillä, saumoilla ei ollut niin suurta vaikutusta vesihöyryn läpäisyyn verrattuna materiaaliin. Raakareunan määrällä tölkin pohjassa tai pienillä vuodoilla tölkin saumoissa ei ollut merkitystä vesihöyryn läpäisyyn. Hapenläpäisyssä oli tärkeää ehyt barrierkerros. Polymeerisen barrierkerroksen reiät ja sauman skaivaus vaikuttivat enemmän kuin vesihöyryn läpäisyssä. Mitä enemmän tölkin pohjassa oli raakareunaa, sitä suurempi oli sen hapenläpäisy. Pakkauksen konvertointi, koneen säädöt ja lämmön kohdistus, ovat saattaneet aiheuttaa värjäyksellä havaitut barrierkerroksen mikroreiät. Kaupalliset kuiva-ainepakkaukset sisälsivät pääasiassa alumiinilaminaatin vesihöyryn, hapen ja valon suojana, kun tuotteena oli maitojauhetta ja rasvaa sisältävä elintarvike. Kuitenkin, jos pakkausmateriaali sisälsi vain ohuen sumutetun alumiinikerroksen, sen barrieriominaisuus ei ollut yhtä hyvä kuin alumiinilaminaatin. Äidinmaidonkorvikkeen säilytystestissä seurattiin eri analyysein tuotteen laatua kolmen kuukauden säilytyksen ajan. Pakkauksen vesihöyryn läpäisyominaisuus osoittautui tärkeimmäksi, sillä kosteuden vaikutus tuotteen laadun heikkenemisessä oli suurin. Hapen vaikutus on myös olennainen ja siten hyvä hapenestokerros sekä tiiveys ovat myös tärkeitä pakkauksen ominaisuuksia.

Suluntekolaitteen toteutusvaihtoehdot: Kannattavuustarkastelu ja valinta

Diplomityön toimeksiantajayritys on 20 henkilöä työllistävä konepaja, jonka yksi liiketoiminta-alueista on koneenrakennus. Työn tutkimusongelmana oli selvittää, mikä on kannattavin kolmesta tarkasteltavasta teknisestä vaihtoehdosta lujitemuoviputken suluntekolaitteen toteuttamiseksi. Kyseessä on tapaustutkimus, jossa on käytetty esimerkkiasiakkaan, muovituotteita teollisuudelle valmistavan yrityksen, lähtötietoja. Kannattavuustekijöiksi määriteltiin kannattavuus asiakkaan näkökulmasta, kannattavuus toimittajan näkökulmasta sekä vaihtoehtoihin liittyvä epävarmuus. Asiakkaan näkökulmasta kannattavuutta on arvioitu investoinnin edullisuutena, toimittajan näkökulmasta projektin kannattavuutena taloudellisesta näkökulmasta ja vaihtoehtoihin liittyvää epävarmuutta muun muassa herkkyysanalyyseillä. Kannattavuustarkastelu on toteutettu Excel -mallilla, joka sisältää pisteytysjärjestelmän kannattavimman vaihtoehdon valitsemiseksi. Osana tutkimusta laadittiin sulunteon laatuvirheitä koskeva laatukustannusselvitys ja hinnoiteltiin laitteet. Kannattavuustarkastelun tuloksena todettiin, että sulunteko kannattaa koneellistaa ja että kannattavin tarkasteltavista vaihtoehdoista on konstruktio, jossa kudokset kelataan muotille rinnakkain. Todettiin, että laatukustannukset ovat merkittävä kustannuserä. Laadittua Excel-mallia voidaan käyttää myös muiden tuotteistusprojektien kannattavuustarkasteluun. Toimeksiantajayritys voi käyttää työssä saavutettuja tuloksia myyntiargumenttina.

Paper for printed electronics and functionality

Mass-produced paper electronics (large area organic printed electronics on paper-based substrates, “throw-away electronics”) has the potential to introduce the use of flexible electronic applications in everyday life. While paper manufacturing and printing have a long history, they were not developed with electronic applications in mind. Modifications to paper substrates and printing processes are required in order to obtain working electronic devices. This should be done while maintaining the high throughput of conventional printing techniques and the low cost and recyclability of paper. An understanding of the interactions between the functional materials, the printing process and the substrate are required for successful manufacturing of advanced devices on paper. Based on the understanding, a recyclable, multilayer-coated paper-based substrate that combines adequate barrier and printability properties for printed electronics and sensor applications was developed in this work. In this multilayer structure, a thin top-coating consisting of mineral pigments is coated on top of a dispersion-coated barrier layer. The top-coating provides well-controlled sorption properties through controlled thickness and porosity, thus enabling optimizing the printability of functional materials. The penetration of ink solvents and functional materials stops at the barrier layer, which not only improves the performance of the functional material but also eliminates potential fiber swelling and de-bonding that can occur when the solvents are allowed to penetrate into the base paper. The multi-layer coated paper under consideration in the current work consists of a pre-coating and a smoothing layer on which the barrier layer is deposited. Coated fine paper may also be used directly as basepaper, ensuring a smooth base for the barrier layer. The top layer is thin and smooth consisting of mineral pigments such as kaolin, precipitated calcium carbonate, silica or blends of these. All the materials in the coating structure have been chosen in order to maintain the recyclability and sustainability of the substrate. The substrate can be coated in steps, sequentially layer by layer, which requires detailed understanding and tuning of the wetting properties and topography of the barrier layer versus the surface tension of the top-coating. A cost competitive method for industrial scale production is the curtain coating technique allowing extremely thin top-coatings to be applied simultaneously with a closed and sealed barrier layer. The understanding of the interactions between functional materials formulated and applied on paper as inks, makes it possible to create a paper-based substrate that can be used to manufacture printed electronics-based devices and sensors on paper. The multitude of functional materials and their complex interactions make it challenging to draw general conclusions in this topic area. Inevitably, the results become partially specific to the device chosen and the materials needed in its manufacturing. Based on the results, it is clear that for inks based on dissolved or small size functional materials, a barrier layer is beneficial and ensures the functionality of the printed material in a device. The required active barrier life time depends on the solvents or analytes used and their volatility. High aspect ratio mineral pigments, which create tortuous pathways and physical barriers within the barrier layer limit the penetration of solvents used in functional inks. The surface pore volume and pore size can be optimized for a given printing process and ink through a choice of pigment type and coating layer thickness. However, when manufacturing multilayer functional devices, such as transistors, which consist of several printed layers, compromises have to be made. E.g., while a thick and porous top-coating is preferable for printing of source and drain electrodes with a silver particle ink, a thinner and less absorbing surface is required to form a functional semiconducting layer. With the multilayer coating structure concept developed in this work, it was possible to make the paper substrate suitable for printed functionality. The possibility of printing functional devices, such as transistors, sensors and pixels in a roll-to-roll process on paper is demonstrated which may enable introducing paper for use in disposable “onetime use” or “throwaway” electronics and sensors, such as lab-on-strip devices for various analyses, consumer packages equipped with product quality sensors or remote tracking devices.

Blade and rod coating of low solid dispersions

Työn aiheena oli tehdä ohut barrierkalvo terä- tai sauvapäällystys menetelmällä. Erilaisissa elintarvikepakkauksissa käytetään hyviä barrier-ominaisuuksia omaavia ohuita päällysteitä. Elintarvikepakkauksen tehtävä on suojata pakattua tuotetta ympäristöltä, mahdollistaa helppo kuljetus ja säilytys sekä antaa tarvittavat tiedot tuotteesta tuotteen käsittelijöille ja loppukäyttäjille. Diplomityön teoriaosuudessa keskityttiin barrierpäällystykseen, eri päällystysmenetelmiin, niiden erityisvaatimuksiin ja ominaisuuksiin. Teoriaosuudessa käsiteltiin myös vaadittavia barrier-ominaisuuksia ja haasteita niiden saavuttamisessa. Kirjallisuuden perusteella haasteiksi nousivat helposti muodostuvat mikroreiät. Kokeellinen osa jakautui kahteen osakokonaisuuteen: laboratoriokokeisiin ja pilot-koeajoon. Laboratoriokokeita tehtiin ennen pilot-ajoa, jotta pilot-koeajoon voitiin valita parhaat päällystereseptit. Pilot-koeajonäytteiden päällystemäärät osoittautuivat liian pieniksi ja siksi laboratoriossa tehtiin jatkotutkimuksia riittävän päällystemäärän saavuttamiseksi. Tämän työnperusteella pohjakartongin ominaisuuksilla, erityisesti karheudella, on merkittävä vaikutus päällystyksen onnistumisessa ja yksinkertaisilla resepteillä ja päällystysmenetelmillä ei saada tarpeeksi laadukasta kalvoa.

Transmission properties of high barrier coated paperboard packages

High barrier materiaaleilla pyritään pidentämään pakattujen elintarvikkeiden hyllyikää. Barrierin tärkein tehtävä on elintarvikkeen suojaaminen hapelta ja kosteudelta. Alumiinin käyttöä barriermateriaalina pyritään vähentämään korvaamalla alumiini polymeereillä, jotka täyttävät elintarvikkeiden asettamat korkeat säilyvyysvaatimukset. Etyylivinyylialkoholin (EVOH) hapenläpäisevyys on kuivissa olosuhteissa alhaisin kaupallisista muovilaaduista. EVOH tarjoaa myös erinomaisen suojan muita kaasuja, rasvoja, hajuja ja aromeja vastaan ja sitä on helppo prosessoida. Polyamideilla on erinomainen kaasutiiveys sekä hyvä lujuus ja sitkeys. Eri muovilaatuja sekoittamalla voidaan vähentää hapenläpäisyä ja parantaa prosessointia. Polyolefiineja käytetään yleisesti päällystysmateriaaleina, koska ne suojaavat tuotetta erinomaisesti kosteudelta. Hapenläpäisyllä tarkoitetaan hapen kulkeutumista materiaalin läpi joko permeaation kautta tai reikien ja vuotojen läpi. Kaasun permeoitumiseen materiaalin läpi vaikuttavat materiaalin vapaa tilavuus, kiteisyysaste, orientaatio, substituointi, suhteellinen kosteus, lämpötila, barrierkerroksen paksuus, paine-ero ja permeoituvan molekyylin ominaisuudet. Kokeellisessa osassa analysoitiin ja vertailtiin kartonkipohjaisia mehutölkkejä, joissa käytettävät high barrier materiaalit olivat EVOH ja PA. Kartonkipohjaisia alumiinitölkkejä käytettiin referenssinä. Pakkausten hapenläpäisevyysmittauksissa saatiin samasta näytteestä toistettavia tuloksia, vaikka vuotomittauksissa saadut tulokset eivät olleet vertailukelpoisia hapenläpäisytulosten kanssa. Tölkkien valmistus vaikutti oleellisesti pakkausten tiiveysominaisuuksiin. Hapenläpäisy vuotojen ja reikien läpi oli merkittävämpää kuin hapenläpäisy materiaalin läpi. Pakkausten tiiveysominaisuuksia analysoitiin mittaamalla appelsiinimehun askorbiini-happopitoisuus. Askorbiinihapon hajoaminen mitattiin koetölkkeihin pakatusta appelsiinimehusta, ja lämpötilan, valon ja hapen vaikutusta askorbiinihapon hajoamiseen tutkittiin 12 viikon ajan. Lämpötilalla oli suurin vaikutus askorbiinihapon hajoamiseen huolimatta käytetystä pakkausmateriaalista.

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.

Water vapor tightness of packages: methods and optimizing

Työn tarkoituksena oli testata jo tutkimuskeskuksella käytössä ollutta ja tutkimuskeskukselle tässä työssä kehitettyä pakkauksen vesihöyrytiiveyteen liittyvää mittausmenetelmää. Saatuja tuloksia verrattiin keskenään sekä materiaalista mitattuihin arvoihin. Elintarvikepakkauksia tutkittiin myös kosteussensoreiden, säilyvyyskokeen sekä kuljetussimuloinnin avulla. Optimoinnilla tutkittiin pakkauksen muodon vaikutusta vesihöyrytiiveyteen. Pakkauksen vesihöyrynläpäisyn mittaamiseen kehitetty menetelmä toimi hyvin ja sen toistettavuus oli hyvä. Verrattaessa sitä jo olemassa olleeseen menetelmään tulokseksi saatiin, että uusi menetelmä oli nopeampi ja vaati vähemmän työaikaa, mutta molemmat menetelmät antoivat hyviä arvoja rinnakkaisille näytteille. Kosteussensoreilla voitiin tutkia tyhjän pakkauksen sisällä olevan kosteuden muutoksia säilytyksen aikana. Säilyvyystesti tehtiin muroilla ja parhaan vesihöyrysuojan antoivat pakkaukset joissa oli alumiinilaminaatti- tai metalloitu OPP kerros. Kuljetustestauksen ensimmäisessä testissä pakkauksiin pakattiin muroja ja toisessa testissä nuudeleita. Kuljetussimuloinnilla ei ollutvaikutusta pakkausten sisäpintojen eheyteen eikä siten pakkausten vesihöyrytiiveyteen. Optimoinnilla vertailtiin eri muotoisten pakkausten tilavuus/pinta-ala suhdetta ja vesihöyrytiiveyden riippuvuutta pinta-alasta. Optimaalisimmaksi pakkaukseksi saatiin pallo, jonka pinta-ala oli pienin ja materiaalin sallima vesihöyrynläpäisy suurin ja vesihöyrybarrierin määrä pienin.

IP Telephony in Third Generation Mobile Systems: Transport Layer Dimensioning

Tämä diplomityö käsittelee kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmien kuljetuskerroksen mitoitusta. Nykyisten matkapuhelinverkkojen korvaajiksi suunnitellut kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmät tulevat yhdistämään perinteisen puhelinviestinnän ja uudenlaiset datapalvelut. Uudet verkot tulevat perustumaan pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon joka mahdollistaa molempien liikennetyyppien, puheen sekä datan, siirtämisen samassa verkossa. Tämän ratkaisun uskotaan tarjoavan paremmat mahdollisuudet uusien palvelujen luomiseen ja parantavan tiedonsiirtokapasiteettia. Siirtyminen pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon aiheuttaa kuitenkin suuria muutoksia verkkoarkkitehtuurissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan tulevien runkoverkkojen mitoitukseen liittyviä näkökohtia sekä muodostetaan alustavia kuljetuskerroksen mitoitusohjeita. Diplomityö on tehty osaksi diplomi-insinöörin tutkintoa Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa. Työ on tehty Nokia Networksin palveluksessa Helsingissä, vuoden 2000 toisella puoliskolla.

Physical layer development in third generation protocol software architecture

Diplomityön tavoitteena oli kehittää kolmannen sukupolven fyysistä protokollakerrosta matkapuhelimen ohjelmistoarkkitehtuurille. Kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmät ovat aikaisempia järjestelmiä monimutkaisempia. Ohjelmiston koon ja monimutkaisuuden sekä aikataulujen kiireellisyyden vuoksi on tullut tarve ottaa käyttöön formaaleja menetelmiä ohjelmiston kehitystyöhön. Formaalit kuvauskielet mahdollistavat tarkan, yksiselitteisen ja simuloitavissa olevan järjestelmäkuvauksen muodostamisen. Fyysinen protokollakerros tarjoaa tiedon siirtoa ylemmille protokollakerroksille. Tämän tiedonsiirron hallinta vaatii protokollakerrosten välistä viestinvälitystä. Formaaleja kuvauskieliä käyttämällä voidaan viestinvälityksen toteutusta automatisoida ja siinä tarvittavaa logiikkaa havainnollistaa. Työssä suunniteltiin, toteutettiin ja testattiin ylempien protokollakerrosten kanssa kommunikoivaa osaa fyysisestä protokollakerroksesta. Tuloksena saatiin solunvalintatoiminnallisuuden vaatiman kommunikoinnin ja tilakoneen toteutus ohjelmistoarkkitehtuurissa. Ohjelmistonkehityksen alkuvaiheiden havaittiin olevan fyysisen kerroksen suorituskyvyn kannalta merkittävässä asemassa, koska tällöin viestinvälityksen optimointi on helpointa. Formaalit kuvauskielet eivät ole sellaisenaan täysin soveltuvia tarkoin määritellyn ohjelmistoarkkitehtuurin osien kehitykseen.

Evaluation of GPRS Radio Link Control Layer in Weak RF Field

General Packet Radio Service (GPRS) mahdollistaa pakettimuotoisen tiedonsiirron GSM-verkossa. Se tarjoaa yhteyden pakettidataverkkoihin, nostaen samalla tiedonsiirtonopeutta radiorajapinnassa. Radioresurssit ovat varattuna vain silloin kun on jotain lähetettävää, tehden täten radioresurssien käytön paljon tehokkaammaksi. Tämä diplomityö keskittyy GPRS protokollaan ja erityisesti sen datapinossa olevaan Radio Link Control (RLC) kerrokseen. RLC-kerros huolehtii GPRS- puhelimen ja tukiaseman välisen yhteyden luotettavuudesta. Työn tavoitteena on tutkia RLC-kerroksen toiminnallisuutta ja sen luotettavuutta heikossa kentässä, sekä selvittää heikon kentän vaikutusta uudelleenlähetyksiin. Työn tuloksena saadaan arvio signaalin voimakkuuden sekä uudelleen lähetysten vaikutuksesta GPRS:n datansiirtonopeuteen. Tämä työ käsittelee myös lyhyesti GSM-järjestelmää, koska lukijan on näin helpompaa ymmärtää myös GPRS-järjestelmän vaatimia teknisiä muutoksia. Tämä diplomityö on tehty osana Nokia Matkapuhelimet Oyj:ssä käynnissä olevaa GPRS tuotekehitysprojektia. Työn tuloksia käytetään testauksen tukena ja niitä on käytetty apuna RLC-kerroksen luotettavuustestauksen suunnittelussa.