Nanoselluloosa-biohiili -Fresnel-linssin valmistus ja toiminnallinen soveltuvuus vihreisiin telekommunikaatiosovellutuksiin

Abstract

Elektroniikka- ja telekommunikaatioalalla nykyisin käytettävät uusiutumattomat raaka-aineet, kuten muovi ja metalli aiheuttavat ongelmia niiden hankalan kierrätettävyyden vuoksi. Uusiutuvana raaka-aineena nanoselluloosan mahdollisuuksia vihreään elektroniikkaan on tutkittu viime vuosina, sillä nanoselluloosalla on siihen sopivia ominaisuuksia kuten biohajoavuus, hyvä joustavuus ja eristävyys. Lisäksi sitä on runsaasti saatavilla. Nanoselluloosa on myös helposti muokattavissa haluttujen ominaisuuksien aikaansaamiseksi esimerkiksi kemiallisella tai mekaanisella muokkaamisella, jolloin sille voidaan saada halutunlaisia ominaisuuksia kuten keveys ja huokoisuus.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli kehittää mekaanisesti kestävä nanoselluloosa-biohiili -Fresnel-linssi telekommunikaatiosovellutuksiin tulevaisuuden kestävää elektroniikkaa varten. Työ keskittyi aerogeelisubstraattien ja filmien valmistukseen ja erilaisten materiaalien soveltuvuuden tarkasteluun. Työssä käytettiin karakterisointimenetelminä muun muassa SEM-menetelmää, jolla tutkittiin aerogeelisubstraattien ja filmien pintojen morfologiaa. Lisäksi tehtiin johtavuusmittauksia, joilla tutkittiin eri filmien ominaisuuksia kuten johtavuutta ja suhteellista permittiivisyyttä. Myös mekaanisia karakterisointimenetelmiä kuten vetolujuus- ja puristuslujuustestejä käytettiin.

Fresnel-linssien valmistus onnistui, kun esimerkiksi tilavuuteen ja kuivaamiseen liittyvät parametrit oli saatu optimoitua sellaisille tasoille, joilla filmeistä saatiin mahdollisimman suoria, ja kun substraattiaerogeelien ja filmien sisältämä nanoselluloosalaatu oli saatu valittua. Filmien liimaamisessa substraattialustaan oli kuitenkin ongelmia, sillä mahdollinen filmin epäsuoruus vaikutti koko linssin suoruuteen, sillä käyrä filmi käyristi liimattaessa myös substraattialustan. Myös filmin biohiilikonsentraatiolla oli vaikutusta muodostetun linssin suoruuteen, sillä mitä enemmän biohiiltä filmi sisälsi, sitä suorempi siitä saatiin kuivattaessa. Valmistettujen filmien todettiin myös olevan mekaanisesti kestäviä vetolujuus- ja puristuslujuustestien perusteella.

Valmistettujen Fresnel-linssien kyvyn kohdistaa säteilyä todettiin olevan kullakin biohiilikonsentraatiolla varsin hyvä, koska antennimittausten tulokset vastasivat ylimmillä taajuuksilla simuloinneissa saatuja mittaustuloksia. Alle 285 GHz taajuudella antennimittaustulokset poikkesivat kuitenkin simuloinnissa saaduista tuloksista, ja poikkeaman syynä on todennäköisesti linssin valmistusprosessin virhetekijät kuten linssin kaarevuus ja laserleikkauksen epätarkkuus.

Mahdollisessa jatkotutkimuksessa voitaisiin tutkia esimerkiksi sitä, pystyttäisiinkö Fresnel-kuvio jollain tavoin painamaan suoraan aerogeelisubstraattiin tai voitaisiinko filmi jäädyttää suoraan aerogeelisubstraatin sisään, jolloin linssistä voitaisiin saada suorempi ja haasteelliselta liimaamiselta vältyttäisiin kokonaan. Lisäksi jatkotutkimuksessa voitaisiin mitata linssin kykyä kohdistaa säteilyä myös 320GHz ylittävillä taajuuksilla, sillä tässä työssä mittausalue rajoittui 320GHz ylärajaan.