Thermal Stress in a Roll-to-Roll Printed Electronics Substrate

The Roll-to-Roll process makes it possible to print electronic products continuously onto a uniform substrate. Printing components on flexible surfaces can bring down the costs of simple electronic devices such as RFID tags, antennas and transistors. The possibility of quickly printing flexible electronic components opens up a wide array of novel products previously too expensive to produce on a large scale. Several different printing methods can be used in Roll-to-Roll printing, such as gravure, spray, offset, flexographic and others. Most of the methods can also be mixed in one production line. Most of them still require years of research to reach a significant commercial level. The research for this thesis was carried out at the Konkuk University Flexible Display Research Center (KU-FDRC) in Seoul, Korea. A system using Roll-to-Roll printing requires that the motion of the web can be controlled in every direction in order to align different layers of ink properly. Between printers the ink is dried with hot air. The effects of thermal expansion on the tension of the web are studied in this work, and a mathematical model was constructed on Matlab and Simulink. Simulations and experiments lead to the conclusion that the thermal expansion of the web has a great influence on the tension of the web. Also, experimental evidence was gained that the particular printing machine used for these experiments at KU-FDRC may have a problem in controlling the speeds of the cylinders which pull the web.

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.

Measuring irregularities and surface defects from printed patterns

Quality inspection and assurance is a veryimportant step when today's products are sold to markets. As products are produced in vast quantities, the interest to automate quality inspection tasks has increased correspondingly. Quality inspection tasks usuallyrequire the detection of deficiencies, defined as irregularities in this thesis. Objects containing regular patterns appear quite frequently on certain industries and science, e.g. half-tone raster patterns in the printing industry, crystal lattice structures in solid state physics and solder joints and components in the electronics industry. In this thesis, the problem of regular patterns and irregularities is described in analytical form and three different detection methods are proposed. All the methods are based on characteristics of Fourier transform to represent regular information compactly. Fourier transform enables the separation of regular and irregular parts of an image but the three methods presented are shown to differ in generality and computational complexity. Need to detect fine and sparse details is common in quality inspection tasks, e.g., locating smallfractures in components in the electronics industry or detecting tearing from paper samples in the printing industry. In this thesis, a general definition of such details is given by defining sufficient statistical properties in the histogram domain. The analytical definition allowsa quantitative comparison of methods designed for detail detection. Based on the definition, the utilisation of existing thresholding methodsis shown to be well motivated. Comparison of thresholding methods shows that minimum error thresholding outperforms other standard methods. The results are successfully applied to a paper printability and runnability inspection setup. Missing dots from a repeating raster pattern are detected from Heliotest strips and small surface defects from IGT picking papers.

Printed low-voltage organic transistors on plastics and paper

The main advantage of organic electronics over the more widespread inorganic counterparts lies not in the electrical performance, but rather in the solution processability that opens up for low-cost flexible electronics (e.g. displays, sensors and smart tags) fabricated by using printing techniques. Replacing the commonly used laboratory-scale fabrication techniques with mass-printing techniques is, however, truly challenging, especially when low-voltage operation is required. In this thesis it is, nevertheless, demonstrated that low-voltage organic transistors can be fully printed with a similar performance to that of transistors made by laboratory scale techniques. The use of an ion-modulated type of organic field effect transistor (OFET) not only enabled low-voltage operation and printability, but was also found to result in low sensitivity to the surface roughness of the substrate. This allows not only the use of low-cost plastic substrates, but even the use of paper as a substrate. However, while absorption into the porous paper surface is advantageous in a graphical printing process, by reducing the spreading and the coffee-stain effect and by improving the adhesion, it provides great challenges when applying thin electrically active layers. In spite of these difficulties we were able to demonstrate the first low-voltage OFET to be fabricated on paper. We have also shown that low-cost incandescent lamps can be used for sintering printed metal-nanoparticles, and that the process was especially suitable on paper and compatible with a roll-to-roll manufacturing process.

Production scheduling tools' evaluation in a global telecommunications and electronics company

Tutkimuksen päätavoite on arvioida, ovatko neljä ohjelmistovaihtoehtoa riittäviä tuotannon aikataulutuksen työkaluja ja mikä työkaluista sopii toimeksiantajayritykselle. Alatavoitteena on kuvata tuotannon aikataulutuksen nyky- ja tahtotila prosessimallinnuksen avulla, selvittää työkalun käyttäjätarpeet ja määritellä priorisoidut valintakriteerit työkalulle.Tutkimuksen teoriaosuudessa tutkitaan tuotannon aikataulutuksen logiikkaa ja haasteita. Työssä tarkastellaan aikataulutusohjelmiston valintaa rinnakkain prosessinmallinnuksen kanssa. Aikataulutusohjelmistovaihtoehdot ja metodit käyttäjätarpeiden selvittämiseksi käydään läpi. Empiriaosuudessa selvitetään tutkimuksen suhde toimeksiantajayrityksen strategiaan. Käyttäjätarpeet selvitetään haastattelujen avulla jaanalysoidaan QFD matriisin avulla. Toimeksiantajayrityksen tuotannon aikataulutuksen nyky- ja tahtotilaprosessit mallinnetaan, jotta ohjelmistojen sopivuutta, aikataulutusprosessia tukevana työkaluna voidaan arvioida.Tutkimustuloksena ovatpriorisoidut valintakriteerit aikataulutustyökalulle eli käyttäjätarpeista johdetut tärkeimmät toiminnalliset ominaisuudet, järjestelmätoimittaja-arvio sekä suositukset jatkotoimenpiteistä ja lisätutkimuksesta.

Improving component management in an electronics company

Elektroniikka alalla tuotteet sisältävät yhä enemmän ja enemmän komponentteja joiden käyttöä yrityksen tulee hallita. Viime-aikaiset ympäristömääräykset ja lainsäädännöt ovat lisänneet yritysten painetta hallita käyttämiään komponentteja ja niiden tietoa tehokkaasti. Tässä työssä on tutkittu kolmen palveluntarjoajan tarjoamaa komponentinhallinta palvelua verrattunamahdolliseen talon omaan komponentti-insinööriin. Jotta tutkittuja vaihtoehtoja pystyisi vertailemaan, selvitettiin asiantuntija haastatteluja käyttäen komponenttien hallinnan erityispiirteet. Erityispiirteet yhdessä yrityksen vaatimuksien kanssa muodostivat kriteristön johon tutkittuja palveluja vertaillaan. Kriteeristö koostuu kahdeksasta osasta jotka puolestaan voidaan jaotella kolmeen ryhmään niiden keston ja luonteen mukaan. Neljän kriteerin katsottiin olevan tärkeämpiä kuin toiset, joten niille annettiin suurempi painoarvo palveluja vertailtaessa. Kaikki tutkitut palvelut täyttävät osan kriteereistä mutta mikään ei yksistään tarjoa riittävän kattavaa ratkaisua kohdeyrityksen ongelmiin. Suurimmat ongelmat yrityksellä ovat sisäisessä tiedonkulussa ja tietokantojen ja järjestelmien ylläpidossa ja hallinnassa. Jotta nämä ongelmat saataisiin ratkaistua on yrityksen saatava komponenttiprosessit toimimaan sekä tietokanta ajantasalle. Nämä tavoitteet saavutetaan vain jos yrityksessä on joku hoitamassa asiaa sisältä päin. Tutkitut kolme palvelua eivät tällaista sisäistä resurssia tarjoa vaan keskittyvät vain ulkoapäin tapahtuvaan tiedon välitykseen ja hallinnointiin.

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Mitta-anturin mittauselektroniikan kehittäminen teräksen puutislepinnoituksen ohjaukseen

Työn tarkoituksena oli kehittää mittauselektroniikka puutislepinnoitusprosessin ohjaukseen. Mittauselektroniikalla on tarkoitus mitata pikoampeeriluokan virtoja mittaanturilta, jossa virtaa kuuma, noin 250 ºC asteinen kaasu. Mitta-anturin toiminta perustuu ioniliikkuvuusspektrometriaan. Työssä tutkitaan pikoampeeriluokan virtojen mittaamista sekä mittauskytkennöissä käytetyn virta-jännitemuuntimen ominaisuuksia ja mitoittamista. Työ tarkastelee myös T-kytkennän käyttöä vahvistimen takaisinkytkennässä. Jännitekertojakytkentöjä käsitellään teoreettisesti mitta-anturin biasjännitteiden luomiseksi vähäisellä piirilevypinta-alalla. Työssä suunniteltiin mittauselektroniikan esivahvistinprototyypit sekä mitta-anturin biasjännitekytkentä. Mitta-anturin kuumien olosuhteiden vuoksi on mittauselektroniikka siirrettävä etäämmäksi mitta-anturista. Prototyyppikytkennöillä sekä laboratoriomittauksilla selvitettiin mittauselektroniikan esivahvistimien siirtämiseen liittyviä ongelmia. Biasjännitekytkennän suunnittelussa pyrittiin kytkentä toteuttamaan mahdollisimman vähällä piirilevypinta-alalla. Mittauselektroniikka todettiin laboratoriomittausten perusteella toimivaksi puutislepinnoitusprosessissa suoritettavia koemittauksia varten.

Production Control Principles in Printed Wiring Board Fabrication

Työn tavoitteena oli kuvata piirilevyvalmistaja Aspocomp Oy:n Espoon tehtaan tämän hetkinen tuotannonohjausperiaate ja tunnistaa siinä esiintyvät puutteet sekä kehittää vaihtoehtoinen tuotannonohjausperiaate piirilevyvalmistukseen. Vaihtoehtoisen ohjausperiaatteen lähtökohtana oli tuotannonohjauksen sopeuttaminen vaativaan ja jatkuvasti muuttuvaan liiketoimintaympäristöön. Työn teoreettinen osa keskittyi tuotannonohjauksen eri lähestymistapoihin. Kirjallisuuskatsauksessa esitetään eri tuotannonohjausperiaatteiden keskeiset sisällöt, jotka muodostavat rungon toimivalle tuotannonohjauskäytännölle. Työn kokeellinen osa keskittyi Espoon piirilevytehtaan tuotannonohjausperiaatteen selvittämiseen. Espoon piirilevytehtaan nykyisessä tuotannonohjausperiaatteessa havaittujen ongelmakohtien ja liiketoimintaympäristön vaatimusten perusteella kehitettiin vaihtoehtoinen tuotannonohjaustapa. Vaihtoehtoisen tuotannonohjaustavan päämääränä oli läpimenoajan lyhentäminen sekä tuotannon parempi hallittavuus. Vaihtoehtoinen toimintamalli tavoitteiden saavuttamiseksi perustuu pullonkaulateoriaan, jossa keskeisin muutos nykyiseen toimintamalliin oli puolivalmisteiden varastointi toimitusajan lyhentämiseksi sekä tuotantovolyymin heilahdusten vaikutusten vähentämiseksi. Työn kokeellisessa osassa ilmeni, että kysynnän muutokset ja kapasiteetin suunnittelun puute aiheuttivat ongelmia piirilevytehtaan tuotannonohjauksessa.

Development of Customer Satisfaction Models for Electronics Engineering Company

Diplomityön tarkoituksena oli luoda ja kehittää kaksi asiakastyytyväisyysmallia asiakastyytyväisyyden mittaamisen aloittamiseksi ja toteuttamiseksi kohdeyrityksessä. Työ pohjautuu nykyisten tyytyväisyysprosessien analysointiin sekä työn teoriaosaan, joka käsittelee yksityiskohtaisesti niitä asioita, joita asiakastyytyväisyyden mittaamisessa ja prosessissa tulisi huomioida. Työssä tehdyn mallien tarkoituksen on auttaa kohdeyritystä hyödyntämään asiakastyytyväisyysmittauksen tuloksia paremmin liiketoiminnassa, sekä asiakkaiden keskuudessa. Työn yhtenä tavoitteena oli myös sopivan mittaustyökalun löytäminen ja suositteleminen kohdeyritykselle.Teorian ja analysoinnin pohjalta luotiin molemmat asiakastyytyväisyysmallit vastamaan kohdeyksiköiden tarpeita. Kun ulkoiset seikat, kuten mittaustavat, mittausinstrumentit, kyselylomakkeet ja vastaajaryhmät oli määritelty, keskityttiin tulosten analysointiin ja hyödyntämiseen, mikä korostui asiakassuuntautuneessa organisaatiossa. Työssä pohdittiin myös yhtenäisen asiakastyytyväisyysprosessin merkitystä ja etuja kohdeyrityksessä.

Robots and robotic systems for the electronics and telecommunication industry

Tämä diplomityö tutkii elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuutta sekä siihen läheisesti liittyviä robotteja ja robottijärjestelmiä. Tavoitteena on määrittää E&T-teollisuuden prosesseihin soveltuvien robottien testausmenetelmä. Tavoitteena on myös selvittää kahden ABB:n robotin soveltuvuutta E&T-teollisuuden tarpeisiin. Muutamia systemaattisia valmistusjärjestelmien suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä on myös käsitelty. Alussa työ keskittyy elektroniikka- ja telekommunikaatioteollisuuden nykytilan tutkimiseen sekä siellä vallitsevien ja ennustettujen trendien kartoitukseen. Kohdat “Collaborative manufacturing” ja E&T-teollisuuden valmistusjärjestelmille asettamat vaatimukset käydään yksityiskohtaisesti läpi. Tutkimuksen pääkohteina ovat robotit, erityisesti ABB:n IRB 140 ja IRB 340 sekä robottien testausmenetelmän määrittäminen. Työssä käydään läpi IRB 340:llä suoritetut testit, jotka tehtiin sekä konenäköjärjestelmää apuna käyttäen että ilman. Myös TTKK:lla suoritetut robottitestit on käyty läpi. Robottien testituloksia on analysoitu ja vertailtu muihin robotteihin. Testausmenetelmät perustuvat ISO 9283 standardiin. Viimeinen osa työstä esittelee robottijärjestelmien systemaattiseen suunnitteluun soveltuvia menetelmiä ja apuvälineitä. Esillä ovat mm. Modular function deployment (MFD) ja The system design method (SDM).

Challenges in Supplier-Buyer Relationships in Electronics Industry

This thesis examines the supplier-buyer relationships in the Finnish electronics industry. The aim of the study was to increase understanding on the challenges that suppliers face in their relationship with the buyer. The research was conducted using qualitative methods because they allow more perspective for the research problem than quantitative methods would have. Choosing qualitative method also affected the selection of a research technique. Analysis of secondary data from written documents was chosen to give more perspective to a broad problem. The main findings of this research are that the relationships between supplier and buyer in electronics industry are challenging because supplier must understand and face three types of challenges. The challenges are: understanding the environment, choosing and implementing correct strategy and managing relationships. For the supplier it is important to understand the environment so it can adjust own strategy to fit to the environment. The supplier should also be careful not to be too dependent on the buyer.

Thermische Modellierung einer Mehrlagenplatine

In der Leistungselektronik spielt die Kenntnis des Wärmevrhaltens einer Platine eine sehr große Rolle. Die immer größeren Leistungsdichten unterstreichen die Wichtigkeit des Kenntnisses des Wärmeverhaltens. In der Platine funktionieren die Leistungskomponenten und Kupferlagen die große Ströme tragen als Leistungsquellen. Das Isolationsmaterial zwischen den Kupferlagen limitiert die maximale Temperatur der Platine. Dieses bringt eine Grentzung für den maximalen Strom der durch die Platine geführt werden kann. In dieser Arbeit wurden die maximalen Stromdichten im Worst-Case-Szenario einer Platine untersucht. Dafür wurde eine Testplatine entworfen und für die Testplatine ein thermisches Modell konstruiert. Die Effekte von Kühlung wurden auch untersucht. Die Bestimmtheit des Modells wurde mit Messungen überprüft.

Computational visual quality of digitally printed images

The problem of understanding how humans perceive the quality of a reproduced image is of interest to researchers of many fields related to vision science and engineering: optics and material physics, image processing (compression and transfer), printing and media technology, and psychology. A measure for visual quality cannot be defined without ambiguity because it is ultimately the subjective opinion of an “end-user” observing the product. The purpose of this thesis is to devise computational methods to estimate the overall visual quality of prints, i.e. a numerical value that combines all the relevant attributes of the perceived image quality. The problem is limited to consider the perceived quality of printed photographs from the viewpoint of a consumer, and moreover, the study focuses only on digital printing methods, such as inkjet and electrophotography. The main contributions of this thesis are two novel methods to estimate the overall visual quality of prints. In the first method, the quality is computed as a visible difference between the reproduced image and the original digital (reference) image, which is assumed to have an ideal quality. The second method utilises instrumental print quality measures, such as colour densities, measured from printed technical test fields, and connects the instrumental measures to the overall quality via subjective attributes, i.e. attributes that directly contribute to the perceived quality, using a Bayesian network. Both approaches were evaluated and verified with real data, and shown to predict well the subjective evaluation results.