ALD pinnoituskone

Ässä – eiku se pyörii sittenkin… eli kuinka R2R ALD laitteisto JAMKille siirtyi ja vihdoin pintaa tuotti!

Yhden tieteen suurista, Galileo Galilein, huhutaan 1600 -luvulla tieteen vihaajien ja valeuutisten aikaan näin tokaisseen. Meidän labrassa vihdoin ja viimein nyt tammikuun lopussa sekä pyöri että keinui ja kasvuakin tapahtui.

Ei tainnut tietää poika e-ei minkälaiseen projektiin lähti mukaan kun EAKR -rahoitteisen Teollisesti Funktionaaliset Pinnat -hankkeen  yhtenä tuloksena 3 ALD -laitetta muutettiin Mikkelistä Jyväskylään. Laitteet olivat peräisin LUTin  Astral laboratorion jäämistöistä ja jääneet toimettomiksi LUTin päätettyä, ettei professori David Cameronin tutkimusryhmän toiminta ohutkalvojen parissa  ollut heidän painopistealueitaan.

Muutama viikko myöhemmin samana keväänä 2018 ALD -menetelmä sai runsaasti julkisuutta, kun menetelmän kehittäjälle tohtori Tuomo Suntolalle myönnettiin miljoonan euron Millenium -teknologiapalkinto. Yksi kolmesta Mikkelistä tulleesta laitteesta oli kuuden tonnin painoinen ja useamman miehen mittainen rullalta rullalle laitteisto. Tämän laitteen vieressä allekirjoittanutkin peljästyneen näköisenä Kiihdytinlaboratoriossa seisoi loppusyksyisenä päivänä, kun Suntolan palkintoa Millenium Talks seminaarissa Jyväskylässä juhlittiin. Samassa tilaisuudessa julkaistiin Jyväskylän yliopiston ja JAMKin yhteisen ohutkalvo T&K ympäristön syntyminen.

Kerran vielä tytöt ja poijjat – miksi hitossa sitä aata, ällää ja reetä

Jos ei kunnianarvoisa lukija satu muistamaan mitä mystinen kolmen kirjaimen yhdistelmä ALD tarkoittaa …asiaa voi kerrata vaikka allekirjoittaneen, tässä sarjassa ilmestyneestä, muinaisesta blogista. Jos klikkisormi on krampissa niin lyhyesti… Kyseessä on Suntolan kehittämä atomikerroskasvatus-menetelmä. ALD:llä kasvatetut pinnoitteet menevät hyvin sinne, minne pinnoitteet eivät yleensä mene eli kulmankin taakse, ja tunkeutuvat poikkeuksellisen hyvin syviin pinnan muotoihin. Kalvot ovat lisäksi tiiviitä, tiheitä, eikä niissä ole huokosia tai reikiä. Jo muutaman kymmenen nanometrin ALD-pinnoite riittää antamaan esimerkiksi herkälle orgaaniselle LED-pinnalle vastaavan suojavaikutuksen kosteudelta ja hapelta kuin tuhat kertaa paksumpi ja silti vain hiuksen hieno (50 µm) kerros taipuisaa erikoislasia.

…eli originellit erottuvat EU:ssakin Joukoista

Keväällä 2019 monen kirjavain ja pitkällisten palaveerausten ja katselmusten jälkeen Jyväskylän yliopiston lahjoittama ”iso kone” siirtyi JAMKille. Sijoituspaikaksi oli lopulta valikoitunut (tilavuokrien takia)  alakerran logistiikan labran ahdas nurkkaus. Siinä se, Beneq WCS 500 (Web Coating System, tuttavallisesti Vessaässä) pönötti kahden lattiaa suojanneen vesivanerikerroksen päällä. Ei muuten ollut aivan vaivaton operaatio pudottaa konetta vanereiden päältä lattialle. Yhden huippuammattilaisen päivän tunkkailujen tuloksena se  kuitenkin onnistui, eikä pudotusapumies Laineen Timo edes jäänyt taakan alle.

Vessaässä on ensimmäinen suomalaisen Beneqin myymä rullalta rullalle ALD -laitteisto. Seuraavaa kehitysversiota WCS 600:sta löytyy kaksi maalimalta. Tällaisesta laitteesta saa pulittaa pari miljoona juroa. Multimiljonäärien laitteista toinen on Brittein saarilla Robin Hoodista tutuissa maisemissa, ja toinen nousevan auringon maassa Japanissa. Molempien laitteiden tutkimuskohteena on lähinnä aurinkokennojen suojaus kosteuden haittavaikutuksilta. Vessaässä onkin tällä hetkellä ainut laatuaan EU:n alueella. Valitsemalla sopivan suunnan T&K:lle sekä oikein markkinoituna laite tarjoaa JAMKille mahdollisuuden profiloitua edelleen uuden sukupolven korkeakouluna. Ehkei elektroniikkaan vaan vaikkapa kuitupohjaisiin materiaaleihin. Hei oikeesti, tätä ei tehdä EU:ssa kuin meillä sanoo kissa!… vaan nyt pintaa tekemään.

Kehto, rakonen ja rumpu

Mekaaniselta rakenteeltaan vessaässä on pyörivän rummun ympärillä keinuva kehto.

Kehdossa on 29 suutinta, joista syötetään pinnoituskemikaalit rummun ympärillä kulkevan materiaalin pintaan. Materiaali voi periaatteessa olla mitä tahansa taipuisaa, kunhan se mahtuu ja suostuu kulkemaan rummun ja pinnoituspään välissä olevassa n. 1 mm kapeassa raossa. Käytännössä materiaalin paksuus voi olla maksimissaan 2-3 kymmenesosamillimetriä. Paksummasta rainasta saattaa olla seurauksena ruttu rakosessa ja vähintäänkin puoli päivää huoltojumppaa.

Pinnoitusrummun sisällä virtaa öljyä, jonka avulla rumpu pystytään laitteistospeksien mukaan lämmittämään n. 150° C. Vessaässää rakentaessaan Beneq tilasi laitteiston tyhjiökammion, rullalta rullalle systeemiin pinnoitusrumpuineen Englannista alihankkijalta. Kontrahtiin kuului myös pinnoitusrummun lämmönsäätelyyn tarkoitettu kahden ison vaatekaapin verran tilaa vievä systeemi. Tämän lämmitinjäähdyttimen puolestaan toimitti alihankkijalle alihankkija, joka jo vuosia ennen koronaa poistui eläväin yritysten joukosta.

Ei paineita?

Pinnoittaminen tapahtuu tyhjiössä. Paine on suuruusluokaltaan n. tuhannesosa ilmakehän paineesta eli olosuhteet ovat kuin Mars -planeetan pinnalla. Onneksi eivät sentään yhtä pölyiset ja kylmät. Tyhjiöpumppukin Mikkelistä tuli mukana, vaan selvisi että tämä useamman kymppitonnin härveli oli päästänyt jäähdytysvesiletkun irronneesta liittimestä vettä sisäänsä. Olihan siellä sisällä vähän ruostetta vaan isompi ongelma oli elektroniikkakortti, joka oli sijoitettu suoraan liittimen alle eikä tykännyt pesusta. Korttia ei saanutkaan ihan noin vain vaihdettua vaan hommaan olisi tarvittu ohjelma, joka oli tietysti vain pumpun valmistajan huollon käytössä. Pumppu lähti siis, ei ihan ilmaiselle lomamatkalle täysihoitoon Tsekkeihin. Loma tekee hyvää itse kullekin ja paluun jälkeen pääsimme simuloimaan Marsin paineita. Juu ei mitään paineita, hyvinhän tää homma etenee.

Luotain hukassa?

Tietokonenörteille tiedoksi, että engelsmannien toimittamia osia ohjaa Windows  äkspee. Systeemin buuttaaminen kestää suurusluokkaa yhtä kauan kuin valon kulku Jupiterin etäisyydeltä maahan eli reiluhkon puoli tuntia. Olo on siis odotellessa kuin NASAn planeettatutkijoilla. Pyrimme tilannetta välttämään siinä pelossa, ettei luotaimeen saataisikaan lopulta yhteyttä. Ensin ei meinannut kone ollenkaan käynnistyä, vaan onneksi talosta löytyi osaaja, joka juotti koneeseen uuden virtalähteen (kiitos Samppa).

Lämmitys- ja jäähdytystehot ylikylän luokkaa

Varsin pian alettuamme tehdä läheisempää tuttavuutta laitteiston kanssa aloimme epäillä, että lämppäri on melko lailla ylimitoitettu. Epäilymme vahvistuivat vierailtuamme Englannissa katsomassa ”kuussatasta”, jossa samaa hommaa hoitui lipaston kokoisesta laatikosta käsin. Päädyimme (säästösyistä ja tilan takii) käyttämään ulkopuolista osaamista systeemin uudelleen suunniteluun. Vihdoista viimein mukaan lukien yhden sopimusteknisistä syistä tapahtuneen urakoitsijan vaihdon jälkeen laboratoriotilaan ilmestyi seinille putkistot ja takapihan seinustalle lämmönvaihdin.

…mutta, mutta mitenkäs se automaatio?

Nyt ei koneen toiminnan esteenä ollut kuin yksi mutta.. pinnoitussysteemin ohjausautomaatio (pikkufirma Siemensin tekosia) ei oikein tykännyt laitteistomuutoksesta. Eikä ollut ollenkaan varma minkälainen työsarka ja hintalappu automaatiomuutoksessa olisi. Talosta kyllä löytyy ”KeinoSiemensnys” osaamista, vaan työaika on kortilla, joten taas tarvittiin ulkopuolista apua. Lopulta tarjouskilpailun jälkeen koko työ tuli valmiiksi ihan kohtuuhintaan. Eikä kilpailun voittajasta ollut epäselvyyttä; tarjouksia tuli vain yksi. Lyhyestä virsi kaunis: homma alkoi pelittää ja viimeinenkin pinnoittamisen esteenä ollut punainen häly saatiin pois järjestelmästä. Vierestä katsoneena… tässäkin oli taas oikeat ammattilaiset työssä.

… apuja sieltä vai täältä?

Vessaässän ylös ajo on ollut pitkällinen projekti.   Kyseessä ei todellakaan ole mikään ”stöpseli seinään ja tiukkaa ajoa” laite. Paljon olisi säästetty aikaa, mikäli olisimme voineet kysellä Mikkelistä erityisesti laitteella väitöskirjaa tehneeltä ”ALD kuiskaajalta” apuja. Valitettavasti emme saaneet häneen kyselyistä huolimatta yhteyttä. Vaikutelmaksi jäi, että LUTin Mikkelin ohutkalvo -porukan pienet ihmiset jäivät hallinnollisen uudistuksen jyrän alle ja palaset levisivät ympäri maailmaa… onko siis ihme, jos auttamishalua tai aikaa ei löydy? Toivotaan meille parempaa onnea.

Laitevalmistaja Beneqiltä olemme myös kovasti kyselleet ”jeesiä”. Valitettavasti Beneqin leipä tulee tällä hetkellä enimmäkseen elektroniikkateollisuudelta, ja talosta on karannut R2R ALD osaajia muille maille vierahille. Apua on saatu, vaan enempää ei oikein rahallakaan ole ollut saatavilla.

Käytännössä homma on jäänyt allekirjoittaneen ja Laineen Timon hartehille. Vahvuuksiamme sekä erilaisia taustojamme (ohutkalvofyysikko yliopistolta ja sorvilta PVD -laitteen kautta ALD:lle loikannut insinööri) hyödyntäen ja toisiimme uskonpuutteen hetkinä hengen valoa luoden olemme projektissa edenneet. Kivaakin on ollut!. Ja onneksi talon sisältä on aina kysyessä pulmiin apua saanut ja ohjattu oikeaan suuntaan ulkopuolista apua tarvittaessa.

Välikiitokset… kuka näitä listoja jaksaa lukea

Ja kyllä sitä apua on tarvittu.. muutot Mikkelistä yliopistolle ja yliopistolta JAMKille, konsultaatiot (yliopiston ylivoimainen EVP sähkömies Väiski + ARE:n verraton sähkäri Niskala), putkityöt (ARE), uuden lämppärin suunnittelu (Miettisen Lasse Holopaiselta) ja rakentaminen (ARE), Automaation päivitys (Markku & PCS Engineering), Typpityöt ja kaasuhommelit (ent AGA, Lindekö lienee) ja tietysti labran oma Olli, joka osaa ja tekee mitä haluaa. Kemistiveljemme Mauno & Elja,.. Yliopistolta auttavaa kättä ja vuototesteriä lainaksi antoi Laitisen Mikko ja ALD velho, Kinnusen Sami oli verraton apu vielä ekassa pinnoitustestissä. Uskoa on onneksi riittänyt myös organisaatiossa ylenevässä polvessa sekä prof. T. Sajavaaralla tois puol Jyväsjärveä. Paljon on varmaan muitakin, joille kuuluu iso kiitos!

Ilman rahaahan tässä maailmassa ei tunnu mikään pyörivän. Paljolti hommaa on rahoitettu JAMKin omana T&K investointina tulevaisuuteen soveltavan materiaalitutkimuksen keskuksen, CAMSin kautta. Keski-Suomen liitolta on rahoitusta tullut EAKR -projektien Teollisesti Funktionaaliset Pinnat sekä Lisäävä kautta. Isoimmat investoinnit laitteen käyttökuntoon saattamiseksi on onneksi nyt tehty. Jatkossa työskentelyä laitteella on alkuun tarkoitus rahoittaa tammikuun puolivälissä rahoittajalle jätetystä iADDVA -EAKR hankkeesta. Toivomme suotuisia tuulia tämän JAMKin, Jyväskylän yliopiston ja Jyväskylän kaupungin yhteisen hankkeen purjeisiin.

Samaan aikaan toisella puolella kaupunkia… ja eikun kääritään hihat

Samassa muuttohässäkässä Mikkelistä yliopistolle siirtyi pienempi, samalla periaatteella toimivalla Beneq TFS 200r (pikkuärrä) laitteisto. Yliopiston pajan henkilökunnan ja sähkömiesten kanssa saimme koneesta ensimmäiset höyryt ulos ennen joulua 2018. Laitteelle löytyi syksyllä 2019 oma teollisuusvetoinen projektinsa, kun Nestle otti yhteyttä meihin. Pitkähköjen neuvottelujen ja koronaviivästysten jälkeen Nestlen, JAMKin ja Jyväskylän yliopiston kanssa allekirjoitettiin sopimus yhteistyöstä kesällä 2020.  Sopimuksen mukaiset pinnoitustestit olivat JAMKin (allekirjoittanut ja T. Laine) vastuulla. Kasvatuksia tehtiin urakalla useammassa jaksossa, viimeiset vähän ennen joulua. Harjoittelusta on verraton apu, nyt kun vessaässä on saatu käyntiin ja pääsemme opettelemaan sen sielunelämää.

Ärrän (tiputetaan pikku pois) rooli tulee tulevaisuudessakin olemaan merkittävä. Vessaässän käyttökulut (mm. kaasut ja kemikaalit) ovat merkittävät, joten laitetta ei ns. kannata potkaista käyntiin turhan takia. T&K -toiminta ja pinnoitustestit uusille materiaaleille aloitetaan yliopistolla ärrällä ja vessaässälle siirrytään, jos ja kun alustavat testit tuottavat riittävän hyviä tuloksia. Nyt Ässä (tiputetaan vessa pois) on saatava toimimaan luotettavasti ja vastaamaan omaan potentiaaliinsa.  Tämä ei onnistu kuin harjoittelemalla. Tarvitaan uskottavuutta ja referenssejä. Kumihanskat käteen ja ohutkalvohommiin!

Kirjoittaja:
– Esa Alakoski, Projekti-insinööri, FT, Teollisesti Funktionaaliset pinnat –hanke (evp),  Lisäävä -hanke, CAMS, ALD CoCampus, Jyväskylän ammattikorkeakoulu