Sabancı Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma ve Uygulama Merkezi (SUNUM)

Burak Birkan

Sabancı Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma ve Uygulama Merkezi (SUNUM), T.C. Kalkınma Bakanlığı ve Sabancı Vakfı’nın katkıları ile yaklaşık 65 milyon TL yatırımla kurulmuştur. SUNUM’da 7.500 m2'lik özgün ve öncü tasarımlı merkez binası içinde, 850 m2 temizoda, toplam 1.500 m2 alana yayılmış, çok disiplinli laboratuvarlar ve 2.400 m2'lik is ve ortak kullanım alanı bulunmaktadır. Çevre dostu tesis, yeşil bir araştırma merkezinin Türkiye'de ilk örneği olarak uluslararası LEED (Gold) ve BREEAM (Very Good) sertifikalarına sahiptir.

Sabancı Üniversitesi (S.U) “Beraber Yaratmak ve Geliştirmek” stratejisi ve bölümsüz yapısı ile çok-disiplinli çalışmalar için özgün bir örnek oluşturmaktadır. SUNUM’un yetkinlikleri SUNUM araştırmacılarının ve Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi’nin öğretim üyelerinin araştırma yetenekleri ile ileri teknoloji altyapısı birleşerek bir sinerji oluşturmakta ve uygulamaya dönük araştırmalara olanak vermektedir.

SUNUM, akademik ve sanayi paydaşları ile malzeme, çevre, sağlık, enerji, savunma, gıda alanlarında, insan odaklı, güvenlikli araştırma ve uygulama alanlarına öncelik vermektedir. 2016 Aralık ayı itibari ile merkezde yürütülmekte olan 86 projenin toplam proje büyüklüğü 44 milyon TL’dir.

Resim 1. SUNUM

SUNUM’un temel amaçlarından biri nanoteknolojilerin emniyetli olarak geliştirilmesi ve kullanılmasıdır. SUNUM nanoteknolojilerin uygulamalarını tanıtmak, etkilerine dikkat çekmek, kullanımını özendirmek ana amacı ile sanayi kuruluşları, STK’lar, profesyonel dernekler ve kamu kurumlarını bilgilendirme ve eğitim faaliyetlerinde bulunmaktadır.

SUNUM sanayi, ARGE merkezleri, üniversiteler ve diğer araştırma kurumları ile tematik ve rekabet öncesi işbirlikleri oluşturmaktadır. Bu işbirliklerinde küresel rekabette yardımcı, katma değerli, ihtiyaç esaslı özgün teknoloji ve ürünler geliştirilirken, özellikle ilgili alanların sektörlerinde geleceğin teknoloji öncülerini yetiştirmek ve öncü teknoloji şirketleri yaratmak hedef edinilmiştir. SUNUM uygulamaya dönük araştırmadan üretime geçişte, fikri mülkiyetin en iyi şekilde oluşmasını, korunmasını, transferini ve “start-up” ve “spin-off” firmaların kurulmasını da hedeflemektedir.

SUNUM’da hâlihazırda 4 idari, 4 teknik destek personeli, 17 sürekli araştırıcı ve 18 proje destekli araştırıcı çalışmaktadır. SUNUM araştırma olanakları tüm akademik kurumlar, kamu sektörü ve özel sektörden araştırmacıların kullanımına açıktır.

Dizayn Konsepti

SUNUM binasının genel mimarisi insan hücre yapısı ile özdeşleştirilmiştir. Binanın dış cephesi karbon C-60 (fulleren) yapısını temsil etmektedir. Türkiye’de ilk kez bu bina için tasarlanan özel cephe sistemi; dekoratif olmak, çatı yüklerini taşımak, ısı yalıtımı sağlamak gibi birçok beklentiyi tek bir sistem bünyesinde karşılamak amacıyla özel olarak üretilmiştir. İç tasarımda kullanılan DNA benzeri sarmal merdivenler ve karbon nanotüp benzeri silindirik yapılar gibi birçok detay, merkezin mimarisini özgün kılmaktadır.

Binanın havalandırma-klima sistemleri (HVAC), aydınlatma ve diğer sistemleri elektrik tüketimini en az düzeyde tutacak şekilde tasarlanmıştır. Bu şekliyle bina ASHRAE 90.1-2007 Energy Efficiency standardına uygundur.

Resim 2. SUNUM fuaye alanı

Binada benzer yapılara göre yüzde 25 oranında daha az enerji tüketilmektedir. Çatıya konulan güneş enerjisi panelleri binanın sıcak su gereksinimlerini karşılamakla beraber, klima santrallerinin nem alması işlemi gereği soğutulan havanın tekrar ısıtılması da sağlamaktadır.

Merkezdeki soğutma sistemlerinde ozon tabakasını incelten CFC veya HCFC kullanılmamaktadır. Enerjiyi etkin kullanan sistemler ve ozon etkisi olmayan malzemelerin seçilmesiyle merkez binası atmosfere en az zarar verecek şekilde tasarlanmıştır.

Binanın yapımında en az uçucu gaz çıkaran boya, yapıştırıcı, yalıtım malzemeleri seçilmiş, inşaat atıklarının (karton, metal, fayans, plastik, tahta, alçı, ve yalıtım malzemeleri) yüzde 80’ini toplanmış ve geri kazanım sürecine aktarılmıştır. İnşaat malzemeleri alımında genellikle en fazla 800 km’lik bir çevrenin içinden alım yapılmış ve yerel üreticilerin malzemeleri tercih edilmiştir. Böylece taşıma sırasında doğacak çevre kirlenmesi en az düzeyde tutulması sağlanmıştır.

Binanın ısıtma ve aydınlatma sistemleri de kullanıcı konforu ve enerji tüketimi dengelenerek yapılmıştır. Bina tasarımında akustik (ses) kirlenmede minimum düzeyde tutulmuştur. Enerji tüketimini kontrol altına almak için tüm dış camlar yalıtımlı, solar low-e kaplamalı ve Argon gaz dolgulu olmuştur. (% 65 görünür ışık geçirgenliği, 0.27 güneş ısı katsayısı, VNE 15-63 yalıtım standardı).

Elektromekanik Sistemler ve Havalandırma

SUNUM binası, içinde ofisler, laboratuvarlar, sınıflar, depolar, mekanik ve elektrik odaları ve temizoda alanı bulunduran kompleks bir binadır. Farklı amaçlı mekânlardan dolayı iç ortam şartları da farklılıklar göstermektedir.

Binanın iklimlendirilmesi, mekânın özelliklerine bağlı olarak, klima santralleri (AHU), Chilled Beam cihazları (CB), Fan-Coil üniteleri (FC), kanal ısıtıcıları (RH), hava debi regülatörleri (VAV) ve radyatörler ile yapılmaktadır. Laboratuvarlara, ofislere, sınıflara %100 taze hava verilmektedir ve buralardan emilen egzoz havası, egzoz fanları vasıtasıyla doğrudan dışarı atılmaktadır.

Klima santralleri ve egzoz fanları asma kat mekanik oda içinde, tüm ısıtma ve soğutma suyu pompaları bodrum kat mekanik oda içinde yer almaktadır.

Binanın taze hava ihtiyacı için toplam 8 adet klima santrali bulunmaktadır. Laboratuvar ve ofislerin santrallerinde nem kontrolü yapılmaktadır. Binada kullanım amacına bağlı olarak farklı malzemeden üretilmiş hava kanal sistemleri mevcuttur. Taze hava kanalları ve ofis emiş kanalları galvaniz sac, laboratuvarlar ve temizoda ıslak tezgahlarının egzoz kanalları PP/U-PVC, hidrojen ve temizoda proses egzoz kanalları paslanmaz sacdan imal edilmiştir.

Tüm bina aktif olarak kapalı devre kamera sistemi ile izlenmekte olup, bina aktif olarak yangın izleme sistemi ve otomasyon sistemi ile kontrol edilmektedir. Optik duman dedektörleri, UV ve IR bazlı alev dedektörleri, toksik-yanıcı-parlayıcı-patlayıcı gaz dedektörleri bina yangın paneline bağlı olup, deprem sensörü, çok erken duman algılama sistemleri (VESDA), açık alan, ofis ve laboratuvarlarda ıslak borulu, temizoda da ise kuru borulu yağmurlama sistemleri ile olası tehlikeli durumların önüne geçilmesi planlanmıştır.

Laboratuvarlarda ve sınıflarda hava örnekleme mantığıyla çalışan, ihtiyaca dayalı değişken havalandırma sistemi (CDCV) bulunmaktadır [1]. Sistem hassas, merkezi ölçüm sensörlerinden, vakum pompasından ve havanın iletildiği özel tüplerden oluşmaktadır. Her laboratuvarda, kimyasal depolarında ve 4 kişiden fazla insan bulunan mekânlarda (toplantı odası, sınıf vb.)bulunan sensörler, iç ortamdan bir miktar numune havayı merkezi sensörlere iletir. Bu sensörlerde havanın CO2, TVOC, parçacık sayısı, sıcaklık ve nem değerleri (oda tipine göre farklı parametreler olabilir) ölçülerek otomasyona iletilir. Bu değerler herhangi bir odada belirlenen sınır değerlerin üzerine çıkarsa, bina otomasyonu o mahalde bulunan taze hava ve egzoz VAV cihazlarını açarak odadaki hava değişim miktarını arttırır ve iç ortamdaki kirliliğin sınır değerin altına düşmesini sağlar. Kirlilik azalıp normal değerlere düştüğü zaman tekrar VAV’lar kısılarak hava değişim oranı düşürülür.

ASHRAE standartlarına göre [2] laboratuvarlarda hava değişim katsayısı, saatte 6-12 hava değişimi olarak belirlenmiştir. Binadaki laboratuvarlar ağırlıklı ıslak kimya laboratuvarı olduğu için normalde 9-10 hava değişimi olması gerekir. Binaya klima santrallerinden verilen havanın maliyeti; ısıtma, soğutma, nem alma, nemlendirme, fan elektrik gücü gibi enerji girdilerinden oluşmaktadır ve oldukça yüksektir.

Türkiye’de laboratuvar ölçekli olarak ilk defa uygulanan ihtiyaca dayalı değişken hava debili sistem sayesinde, mekânların iç hava kalitesi sürekli kontrol edildiğinden, saatteki hava değişim oranı 2-3 arasında tutulabilmektedir. Böylece iklimlendirme amaçlı enerji tüketimi yaklaşık %40 oranında azalmakta, yıllık $100.000 enerji tasarrufu öngörülmektedir.

Bu sistemin bir diğer önemli avantajı ise iş güvenliği açısından laboratuvarlarda oluşabilecek kimyasal dökülmeler veya sızıntılara karşı hızlı tepki göstermesidir. Laboratuvarlarda kanal ve VAV cihazları dizaynı saatte 14 hava değişimine kadar çıkabilecek şekildedir. Herhangi bir aşırı kirlilik algılandığında saatte 14 hava değişimiyle ortam konvansiyonel sistemlere göre daha kısa sürelerde ortamı temizleyerek güvenli çalışma ortamını sağlamaktadır.

Esneklik

SUNUM’da tüm alanlar, ihtiyaç ve talep anında kolayca uyum sağlanabilmesi amacıyla esnek olarak dizayn edilmiştir. Laboratuvar ve temiz oda alanı dâhil olmak üzere iç duvarlar, yerleşimin istendiği üzere değiştirilebilmesine olanak sağlamaktadır.

SUNUM’da ana laboratuvarlar iki bölüme ayrılır: temizoda, 830 m2, ISO Seviye 5-8 mikro/nanoüretim [3] laboratuvarı ile farklı disiplinlerde temel nanoteknoloji araştırmalarının yürütüldüğü yetenek laboratuvarları alanı. Bu alanda nanoelektronik, moleküler ve hücre biyolojisi (Biyogüvenlik Protokolü Seviye 2 [BSL2]), mikro akışkanlar, rejeneratif biyo-mühendislik, enerji ve yüzey kimyası, pil araştırma ve ileri mikroskopi teknikleri laboratuvarları bulunmaktadır.

Merkezde, tüm mekanik, elektrik ve havalandırma tesisat hizmetleri tavan üzerinden sağlanan servis taşıyıcıları ile istenen en karmaşık nokta dâhil olmak üzere, "tak ve çalıştır" kolaylığıyla hizmet verilebilmesi için planlanmıştır. Sistem bu konum ve planlama açısıyla, tasarlanmış kolay genişlemeye olanak sağlamaktadır.

SUNUM Mikro/Nano Fabrikasyon Laboratuvarı (Temizoda)

SUNUM Mikro/Nano Fabrikasyon Laboratuvarı partiküllerden arındırılmış ve kontrollü alanda, organik ve-veya inorganik, iletken, yalıtkan ve yarı iletken malzemeleri kaplama, farklı yöntemlerle (ıslak ve kuru) aşındırarak, birkaç nanometreden, yüzlerce mikrometreye kadar boyutta değişebilen tekli ve çok katmanlı fonksiyonel yapıların üretimini(algılayıcılar, devre elemanı ve devreler/dizinler halinde), üretilen katmanların ve mikro-nano sistemlerin kırmık ustu analizleri ve testlerini gerçekleştirebilir.

Resim 3. SUNUM Temizoda

SUNUM Mikro/Nano Fabrikasyon Laboratuvarı yetenekleri aşağıdaki uygulama ve araştırma alanlarında kullanılmaktadır:

1. Mikro ve nanosistemlerin prototiplerinin haberleşme, sağlık, savunma, çevre, enerji, vb. geniş uygulama alanları için üretimi,
2. Kimyasal ve Biyosensor uygulamaları için mikroakışkan devreleri,
3. Biyosensor ve Lab-on-Chip (veya Kırmık-Ustu-Lab),
4. Uygulamalar için Kapasitif Sensor dizinleri,
5. Yanıcı, patlayıcı ve zehirleyici Kimyasal Sensör Dizinleri,
6. RF Mikroelektrik Devre Elemanlarının (RF-MEMS Anahtar, Filtre, Rezonatör gibi) Üretilmesi,
7. Kızılötesi Algılayıcı/Detektörler,
8. Kapasitif, Mikroişlenmiş, Ultrasonik Sinyal Dönüştürücü/Algılayıcılar,
9. Optik Devre Elemanlarının Mikro ve Nano manipülatörleri,
10. THz uygulamaları için Mikro ve Nano antenler,
11. Ataletsel Sensörler/Çevirici/Algılayıcılar: Jiroskop, ivme ölçer.

SUNUM Mikro Nano Fabrikasyon Laboratuvarı 830m2 alan üzerinde E -şeklinde düzenlenmiş, ISO Seviye 5-8 modüler oda-servis alanları olarak planlanmıştır. Modüler yapı üzerinde laboratuvar hacimleri amaca göre ISO Seviye 5-7, koridor bölgesi ISO Seviye 5, servis alanları ise ISO Seviye 8 olacak şekilde düzenlenmiştir.

Resim 4. Temizoda yerleşim planı

Fotolitografi odası ISO seviye 5 ve 6 alanları beraber içerir. Kritik ve temiz proseslerin gerçekleşeceği alanlar laminer akışlı fan filtre üniteleri (FFU) ile Seviye 5 olarak planlanırken, geriye kalan kısım Seviye 6 olarak düzenlenmiştir. Aynı yaklaşım 8-nm aktif fiziksel yapıların elektron demeti litografi yöntemiyle yapılabildiği EBL odasında benzer şekilde uygulanmıştır. Atomik çözünürlükte (2x10-10 m) görüntüleme yapabilen elektron mikroskopları ise nem ve sıcaklık kontrolünün çok katı olduğu temizodada yer almıştır. Havalandırma sisteminin bu cihazlar üzerinde yaratabileceği akustik ve sismik gürültüler konvansiyonel FFU’ların yerine düşük türbülanslı, düşük gürültülü, tek yönlü hava sağlayabilen ve sismik yaylar ile tavana bağlı özel FFU’lar ile çözülmüştür.

Temizoda içeresinde sismik gürültü seviyelerini en az düzeye indirebilmek amacıyla belirli bir alanda özel döşeme izolasyon kesiği ve kesik yüzer temel uygulaması gerçekleştirilmiştir. Böylece bu alana yerleştirilen cihazların, binadan kaynaklanan titreşimlerden yalıtılması sağlanmıştır. Bu özel bölge üzerinde temel üzerinde cihaz kütlesinden yaklaşık 10 kez büyük özel beton kaideler ile yüksek frekanslı titreşimlerin daha da söndürülmesi sağlanmıştır.

Resim 5. Temizoda cihaz kaidesi

Dizayn aşaması, tüm tesisin ileride büyütülebileceği ve/veya değiştirilmesi amacıyla son derece esnek yapıda olması gerektiği göz önünde bulundurularak yürütülmüştür. Bu anlamda temel istekler;

• Her odanın sınıfının istendiği zaman diğer bölgeleri etkilemeden daha yüksek sınıfa çıkarılabilmesi veya düşürülebilmesi,
• Her oda içerisinde istendiği zaman diğer bölgeleri etkilemeden laminer akımlı 4 ve 5 sınıfında bölgeler oluşturulabilmesi,
• Asma tavan, yer kaplaması ve iklimlendirme sisteminin ekipmanları bu esnekliği sağlayacak şekilde tasarlanması,
• Duvar panellerinin istendiği zaman kolayca yerinden sökülebilecek ve istenen odaların planı (alanı) ilgisiz bölümleri etkilemeden değiştirilebilmesi olmuştur.

Yükseltilmiş perfore yer döşemesi, kolayca sökülebilen alüminyum yan duvarlar ve üzerinde yürünebilen asma tavan ile istenen noktalara gerekli olan bağlantı destekleri (egzoz, gaz, su, elektrik) minimum çaba ve maliyet ile sağlanabilmektedir.

Resim 6. Temizoda teknik alan

Temizoda hacminde iklimlendirme birbirine yedekli toplamda 3 adet, her biri çift fanlı, %50 kapasiteli iki adet paralel çalışan akuple fanlı, taze hava santrali ile sağlanmaktadır. Tavan arasına santralden basılan şartlandırılmış taze hava (AHU-1, 15.000 m3/saat), gerektiğinde tavan içine asılı fan-devresi üniteleri (FCU) ile tekrar şartlandırılmaktadır.

Taze hava iklimlendirme santrallerinden gelen taze hava ile asma tavan arasından emilen hava, otomasyondan alınan sıcaklık-nem geri besleme değerlerine göre, oda tavanlarında bulunan FFU’dan geçirilip, filtre, soğutma serpantini ve HEPA filtresi üzerinden geçirildikten sonra odalara basılır. Islak tezgâhlarda kullanılan taze hava ise (AHU-2, 21.600m3/saat) geri dönüşümsüz kimyasal egzoz hattından direkt olarak ortamdan uzaklaştırılır. Yanıcı/parlayıcı/patlayıcı gazlar ise tipine bağlı olarak servis alanlarından ayrı bir egzoz fanı ile uzaklaştırılır.

Resim 7. Temizoda havalandırma planı

Modüller arasında basınç farkları yaratılarak, temiz alanların parçacık taşınması ile kirlenmesine olanak vermeyecek şekilde düzenlemeye gidilmiştir. Oda planlarında aksi istenmedikçe sıcaklık değeri, 22°C, tolerans: ± 0,5°K/h,tolerans ± 0,25°K/h olarak planlamış, izafi nemin 22°C de en düşük %40, en fazla %50 olması istenmiştir (tolerans 22°C de %45 ±%5). İşletme şartlarında yapılan izlemelerde otomasyon sisteminin planlanan değerleri sağlamakta başarılı olduğu gözlenmiş, 5 saatlik trend bilgisi alındığında sıcaklık değerlerinin 21,98 °C ±0,12°C arasında, nem değerlerinin ise 45,19RH% ± 0,27RH% arasında olduğu gözlemlenmiştir.

Resim 8. Temizoda otomasyon ekranı

Resim 9. EBL odası sıcaklık-nem değerleri

SUNUM Mikro Nano Fabrikasyon Laboratuvarı 365 gün, 24 saat sürekli çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Taze hava cihazları ilerideki genişlemeler, ek cihazlar göz önünde bulundurularak gereken hava miktarından yüksek tutulmuştur. Sistemdeki pompalar yedekli tasarlanmıştır. Her çalışma odasının hava debisi ayrı ayrı ayarlanabilmekte olup, her çalışma odasına basılan hava debisi oda kullanılmadığı zaman kullanıcı tarafından düşürülebilmektedir. Her odanın kendine özgü elektrik panosu olup, tehlike anında her odanın aydınlatma haricindeki elektriği ve her odaya basılan hava oda çıkışına yerleştirilen bir buton ile ayrı ayrı kesilebilmektedir.

Sonuç

SUNUM, “nanoboyutta araştırmalarla insan odaklı, değer yaratan nanoteknolojik çözümler sunma” vizyonu ile kurulmuştur. Merkez altyapısı, yeşil bina yaklaşımı ile kurulmuş olup, mümkün olan her noktada ihtiyaç ve talep anında kolayca uyum sağlanabilmesi amacıyla esnek olarak dizayn edilmiştir. Kullanılan birçok sistem Türkiye’de ilk örnekler olması ile öncüdür. Laboratuvar cihaz ve ekipmanları dünyadaki en iyi servis sağlayıcılardan temin edilmiş olup, araştırmacıların yetenekleri ile ileri teknoloji altyapısı birleşerek bir sinerji oluşturmakta ve uygulamaya dönük araştırmalara fırsat vermektedir. Mevcut temizoda altyapısı 8-nm aktif fiziksel yapıların üretilebilmesine ve atomik seviyede görüntüleme dâhil işlem yapılmasına olanak sağlamaktadır.

Referanslar

[1] http://www.aircuity.com/solutions/industry/life-sciences/
[2] Ashrae 62.1-2016: Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality, AHRAE, 1791 Tullie Circle, N.E. Atlanta, GA 30329
[3] ISO ISO 14644-1: 1999. Cleanrooms and associated controlled environments – Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration. EN-CENELEC Management Centre: Avenue Marnix 17, B-1000 Brussels

_______________________________________________________

Yazar Hakkında

Burak Birkan, Boğaziçi Üniversitesi Kimya Bölümü (2000) mezunu olup, Sabancı Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Programı’nda doktora derecesini almıştır. Türk DemirDöküm Fabrikaları A.Ş ve Vaillant’da Ar&Ge Mühendisi ve Proje Lideri olarak görev alan Birkan, 2010-2018 yılları arasında Sabancı Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma ve Uygulama Merkezi’nde (SUNUM) tesis yöneticisi olarak görevini sürdürmüş, kurulumundan aşamasında, merkezin 6550 sayılı “Araştırma Altyapılarının Desteklenmesine Dair Kanun” kapsamında yeterlilik  belgesi alması ile çalışmasını tamamlamıştır. Sanayi ve akademik araştırma merkezlerinde proje ve tesis planlama, tasarım, devreye alma, işletme ve operasyon tecrübeleri bulunmakta olup,Teknolojileri Derneği’nin kurucu üyelerindendir. Birkan, Haziran 2018 itibari ile Koç Üniversitesi’nde Merkezi Araştırma Altyapısı Yöneticisi olarak çalışmaktadır.