Positron measurements in Mg-doped GaN and development of digital Doppler broadening spectroscopy

In this work parameters of Mg-doped GaN samples were studied using positron annihilation spectroscopy and analyzed. It is shown that gallium vacancies exist in an unintentionally doped sample. Next, the sample with higher concentration of Mg and low growth temperature contains vacancy clusters. In case of low concentration of Mg the growth temperature does not affect the formation of defects. Analog electronics can be replaced by a modern digital device. While promising a high quantity of benefits, the performance of these digitizers requires thorough adjustment. A 14-bit two channel digitizer has been tested in order to achieve better performance than the one of a traditional analog setup, and the adjustment process is described. It has been shown that the digital device is unable to achieve better energy resolution, but it is quite close to the corresponding attribute of the available analog system, which had been used for measurements in Mg-doped GaN.

Measurement of the tree root growth using electrical impedance spectroscopy

Abstract

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.

In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Monitoring of crystallization processes by using infrared spectroscopy and multivariate methods

Väitöstutkimuksessa on tarkasteltuinfrapunaspektroskopian ja monimuuttujaisten aineistonkäsittelymenetelmien soveltamista kiteytysprosessin monitoroinnissa ja kidemäisen tuotteen analysoinnissa. Parhaillaan kiteytysprosessitutkimuksessa maailmanlaajuisesti tutkitaan intensiivisesti erilaisten mittausmenetelmien soveltamista kiteytysprosessin ilmiöidenjatkuvaan mittaamiseen niin nestefaasista kuin syntyvistä kiteistäkin. Lisäksi tuotteen karakterisointi on välttämätöntä tuotteen laadun varmistamiseksi. Erityisesti lääkeaineiden valmistuksessa kiinnostusta tämäntyyppiseen tutkimukseen edistää Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeaineviraston (FDA) prosessianalyyttisiintekniikoihin (PAT) liittyvä ohjeistus, jossa määritellään laajasti vaatimukset lääkeaineiden valmistuksessa ja tuotteen karakterisoinnissa tarvittaville mittauksille turvallisten valmistusprosessien takaamiseksi. Jäähdytyskiteytyson erityisesti lääketeollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä kiinteän raakatuotteen puhdistuksessa. Menetelmässä puhdistettava kiinteä raaka-aine liuotetaan sopivaan liuottimeen suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Puhdistettavan aineen liukoisuus käytettävään liuottimeen laskee lämpötilan laskiessa, joten systeemiä jäähdytettäessä liuenneen aineen konsentraatio prosessissa ylittää liukoisuuskonsentraation. Tällaiseen ylikylläiseen systeemiin pyrkii muodostumaan uusia kiteitä tai olemassa olevat kiteet kasvavat. Ylikylläisyys on yksi tärkeimmistä kidetuotteen laatuun vaikuttavista tekijöistä. Jäähdytyskiteytyksessä syntyvän tuotteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa mm. liuottimen valinnalla, jäähdytyprofiililla ja sekoituksella. Lisäksi kiteytysprosessin käynnistymisvaihe eli ensimmäisten kiteiden muodostumishetki vaikuttaa tuotteen ominaisuuksiin. Kidemäisen tuotteen laatu määritellään kiteiden keskimääräisen koon, koko- ja muotojakaumansekä puhtauden perusteella. Lääketeollisuudessa on usein vaatimuksena, että tuote edustaa tiettyä polymorfimuotoa, mikä tarkoittaa molekyylien kykyä järjestäytyä kidehilassa usealla eri tavalla. Edellä mainitut ominaisuudet vaikuttavat tuotteen jatkokäsiteltävyyteen, kuten mm. suodattuvuuteen, jauhautuvuuteen ja tabletoitavuuteen. Lisäksi polymorfiamuodolla on vaikutusta moniin tuotteen käytettävyysominaisuuksiin, kuten esim. lääkeaineen liukenemisnopeuteen elimistössä. Väitöstyössä on tutkittu sulfatiatsolin jäähdytyskiteytystä käyttäen useita eri liuotinseoksia ja jäähdytysprofiileja sekä tarkasteltu näiden tekijöiden vaikutustatuotteen laatuominaisuuksiin. Infrapunaspektroskopia on laajalti kemian alan tutkimuksissa sovellettava menetelmä. Siinä mitataan tutkittavan näytteenmolekyylien värähtelyjen aiheuttamia spektrimuutoksia IR alueella. Tutkimuksessa prosessinaikaiset mittaukset toteutettiin in-situ reaktoriin sijoitettavalla uppoanturilla käyttäen vaimennettuun kokonaisheijastukseen (ATR) perustuvaa Fourier muunnettua infrapuna (FTIR) spektroskopiaa. Jauhemaiset näytteet mitattiin off-line diffuusioheijastukseen (DRIFT) perustuvalla FTIR spektroskopialla. Monimuuttujamenetelmillä (kemometria) voidaan useita satoja, jopa tuhansia muuttujia käsittävä spektridata jalostaa kvalitatiiviseksi (laadulliseksi) tai kvantitatiiviseksi (määrälliseksi) prosessia kuvaavaksi informaatioksi. Väitöstyössä tarkasteltiin laajasti erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltamista mahdollisimman monipuolisen prosessia kuvaavan informaation saamiseksi mitatusta spektriaineistosta. Väitöstyön tuloksena on ehdotettu kalibrointirutiini liuenneen aineen konsentraation ja edelleen ylikylläisyystason mittaamiseksi kiteytysprosessin aikana. Kalibrointirutiinin kehittämiseen kuuluivat aineiston hyvyyden tarkastelumenetelmät, aineiston esikäsittelymenetelmät, varsinainen kalibrointimallinnus sekä mallin validointi. Näin saadaan reaaliaikaista informaatiota kiteytysprosessin ajavasta voimasta, mikä edelleen parantaa kyseisen prosessin tuntemusta ja hallittavuutta. Ylikylläisyystason vaikutuksia syntyvän kidetuotteen laatuun seurattiin usein kiteytyskokein. Työssä on esitetty myös monimuuttujaiseen tilastolliseen prosessinseurantaan perustuva menetelmä, jolla voidaan ennustaa spontaania primääristä ytimenmuodostumishetkeä mitatusta spektriaineistosta sekä mahdollisesti päätellä ydintymisessä syntyvä polymorfimuoto. Ehdotettua menetelmää hyödyntäen voidaan paitsi ennakoida kideytimien muodostumista myös havaita mahdolliset häiriötilanteet kiteytysprosessin alkuhetkillä. Syntyvää polymorfimuotoa ennustamalla voidaan havaita ei-toivotun polymorfin ydintyminen,ja mahdollisesti muuttaa kiteytyksen ohjausta halutun polymorfimuodon saavuttamiseksi. Monimuuttujamenetelmiä sovellettiin myös kiteytyspanosten välisen vaihtelun määrittämiseen mitatusta spektriaineistosta. Tämäntyyppisestä analyysistä saatua informaatiota voidaan hyödyntää kiteytysprosessien suunnittelussa ja optimoinnissa. Väitöstyössä testattiin IR spektroskopian ja erilaisten monimuuttujamenetelmien soveltuvuutta kidetuotteen polymorfikoostumuksen nopeaan määritykseen. Jauhemaisten näytteiden luokittelu eri polymorfeja sisältäviin näytteisiin voitiin tehdä käyttäen tarkoitukseen soveltuvia monimuuttujaisia luokittelumenetelmiä. Tämä tarjoaa nopean menetelmän jauhemaisen näytteen polymorfikoostumuksen karkeaan arviointiin, eli siihen mitä yksittäistä polymorfia kyseinen näyte pääasiassa sisältää. Varsinainen kvantitatiivinen analyysi, eli sen selvittäminen paljonko esim. painoprosentteina näyte sisältää eri polymorfeja, vaatii kaikki polymorfit kattavan fysikaalisen kalibrointisarjan, mikä voi olla puhtaiden polymorfien huonon saatavuuden takia hankalaa.

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.

Use of the Optical Cantilever Microphone in Photoacoustic Spectroscopy

A novel cantilever pressure sensor was developed in the Department of Physics at the University of Turku in order to solve the sensitivity problems which are encountered when condenser microphones are used in photoacoustic spectroscopy. The cantilever pressure sensor, combined with a laser interferometer for the measurement of the cantilever movements, proved to be highly sensitive. The original aim of this work was to integrate the sensor in a photoacoustic gas detector working in a differential measurement scheme. The integration was made successfully into three prototypes. In addition, the cantilever was also integrated in the photoacoustic FTIR measurement schemes of gas-, liquid-, and solid-phase samples. A theoretical model for the signal generation in each measurement scheme was created and the optimal celldesign discussed. The sensitivity and selectivity of the differential method were evaluated when a blackbody radiator and a mechanical chopper were used with CO₂, CH4, CO, and C2H4 gases. The detection limits were in the sub-ppm level for all four gases with only a 1.3 second integration time and the cross interference was well below one percent for all gas combinations other than those between hydrocarbons. Sensitivity with other infrared sources was compared using ethylene as an example gas. In the comparison of sensitivity with different infrared sources the electrically modulated blackbody radiator gave a 35 times higher and the CO2-laser a 100 times lower detection limit than the blackbody radiator with a mechanical chopper. As a conclusion, the differential system is well suited to rapid single gas measurements. Gas-phase photoacoustic FTIR spectroscopy gives the best performance, when several components have to be analyzed simultaneously from multicomponent samples. Multicomponent measurements were demonstrated with a sample that contained different concentrations of CO₂, H₂O, CO, and four different hydrocarbons. It required an approximately 10 times longer measurement time to achieve the same detection limit for a single gas as with the differential system. The properties of the photoacoustic FTIR spectroscopy were also compared to conventional transmission FTIR spectroscopy by simulations. Solid- and liquid-phase photoacoustic FTIR spectroscopy has several advantages compared to other techniques and therefore it also has a great variety of applications. A comparison of the signal-to-noise ratio between photoacoustic cells with a cantilever microphone and a condenser microphone was done with standard carbon black, polyethene, and sunflower oil samples. The cell with the cantilever microphone proved to have a 5-10 times higher signal-to-noise ratio than the reference detector, depending on the sample. Cantilever enhanced photoacoustics will be an effective tool for gas detection and analysis of solid- and liquid-phase samples. The preliminary prototypes gave good results in all three measurement schemes that were studied. According to simulations, there are possibilities for further enhancement of the sensitivity, as well as other properties, of each system.

Distributed ControlArchitecture of Power Electronics Building-Block-Based Frequency Converters

The increasing power demand and emerging applications drive the design of electrical power converters into modularization. Despite the wide use of modularized power stage structures, the control schemes that are used are often traditional, in other words, centralized. The flexibility and re-usability of these controllers are typically poor. With a dedicated distributed control scheme, the flexibility and re-usability of the system parts, building blocks, can be increased. Only a few distributed control schemes have been introduced for this purpose, but their breakthrough has not yet taken place. A demand for the further development offlexible control schemes for building-block-based applications clearly exists. The control topology, communication, synchronization, and functionality allocationaspects of building-block-based converters are studied in this doctoral thesis. A distributed control scheme that can be easily adapted to building-block-based power converter designs is developed. The example applications are a parallel and series connection of building blocks. The building block that is used in the implementations of both the applications is a commercial off-the-shelf two-level three-phase frequency converter with a custom-designed controller card. The major challenge with the parallel connection of power stages is the synchronization of the building blocks. The effect of synchronization accuracy on the system performance is studied. The functionality allocation and control scheme design are challenging in the seriesconnected multilevel converters, mainly because of the large number of modules. Various multilevel modulation schemes are analyzed with respect to the implementation, and this information is used to develop a flexible control scheme for modular multilevel inverters.

Measuring Cost of Poor Quality in Industrial Electronics

Quality is not only free but it can be a profit maker. Every dollar that is not spent on doing things wrong becomes a dollar right on the bottom line. The main objective of this thesis is to give an answer on how cost of poor quality can be measured theoretically correctly. Different calculation methods for cost of poor quality are presented and discussed in order to give comprehensive picture about measurement process. The second objective is to utilize the knowledge from the literature review and to apply it when creating a method for measuring cost of poor quality in supplier performance rating. Literature review indicates that P-A-F model together with ABC methodology provides a mean for quality cost calculations. These models give an answer what should be measured and how this measurement should be carried out. However, when product or service quality costs are incurred when quality character derivates from target value, then QLF seems to be most appropriate methodology for quality cost calculation. These methodologies were applied when creating a quality cost calculation method for supplier performance ratings.

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.

A Method for reducing throughput-time in industrial electronics

Lyhyet toimitusajat tuovat yrityksille kilpailuetua nopeasti muuttuvassa teollisuusympäristössä. Tämän diplomityön ensisijaisena tavoitteena on löytää kirjallisuuden avulla yrityksen käyttöön soveltuva menetelmä, joka soveltuu systemaattiseen läpimenoaikojen lyhentämiseen. Tärkeää on myös varmistaa valitun menetelmän soveltuvuus kohdeyrityksen ympäristöön. Työn toisena tavoitteena on ymmärtää, että minkälaisella panostuksella yhden päivän läpimenoaika voidaan saavuttaa. Kirjallisuustutkimuksen avulla on valittu tarkoitukseen sopiva toimintamalli. Menetelmä on testattu yhdellä tuotantolinjalla ja saadut tulokset sekä palaute osoittavat, että se näyttäisi soveltuvan kohdeyrityksen käyttöön. Tuotantolinjalle on tehty toimintasuunnitelma yhden päivän toimitusajan saavuttamiseksi vuoden 2013 aikana. Haasteen laajuutta koko kohdeyrityksessä on tutkittu erillisessä ideointisessiossa. Session tulosten perusteella on tehty prioriteettilista, joka antaa käsityksen toimitusajan merkittävän lyhentämisen vaatimuksista. Yleisesti ottaen kysynnän vaihtelun hallinta on suurin haaste, mutta useita ratkaisuvaihtoehtoja tämän hallitsemiseksi on tunnistettu.

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.