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압전효과란 격자구조상 전기쌍극자를 가진 결정 구조를 가진 소재 외부에 물리적인 힘을 가했을 때 분자내 혹은 분자간의 전기장의 크기와 방향의 변화를 야기하여, 이에 상응하는 주변 전기장의 변화가 전기적인 신호로 나타나는 현상을 말한다.
이와 같은 성질을 활용하여 압전성을 가지는 소재는 다양한 산업분야에 활용되고 있고 특히 ...

압전효과란 격자구조상 전기쌍극자를 가진 결정 구조를 가진 소재 외부에 물리적인 힘을 가했을 때 분자내 혹은 분자간의 전기장의 크기와 방향의 변화를 야기하여, 이에 상응하는 주변 전기장의 변화가 전기적인 신호로 나타나는 현상을 말한다.
이와 같은 성질을 활용하여 압전성을 가지는 소재는 다양한 산업분야에 활용되고 있고 특히 압력센서 또는 마이크로 에너지 하베스팅에 응용이 가능하여 많은 연구가 진행되고 있다.
그중에서도 PVDF는 무기압전소재에 비해 상대적으로 유연한 장점을 가져 활용도가 높아 많은 연구가 이루어지고 있다. PVDF의 중요한 특징 중 하나는 여러 가지 결정구조를 가지고 있다는 것이고, 그들 구조 중에서도 압전성능이 최대로 발휘되기 위해서는 β-phase 함량을 높이는 것이 필요하다. 본 논문에서는 β-phase PVDF를 이용하여 전극일체형 PVDF 압전 섬유를 제작하는 방법과 그 공정 구조 설계와 그에 따른 압전 성능 평가 시스템 구축 및 분석에 관한 연구를 수행하였다.
결과적으로 섬유를 제작하기 위해서 PVDF 용액을 이용한 침지코팅법과 고전압을 이용한 분극 공정이 PVDF 분자의 사슬 재배향과 상변형을 유도하는데 효과적인 방법인 것을 확인하였다. 이후 전극과 결합하여 전극일체형 PVDF 압전섬유를 제작하였고, 압전 섬유 가닥을 직각으로 교차시켜 텍스타일형 압전 소자 또한 제작하여 압전 성능을 확인하였다.
자체 제작된 전기신호 수집 프로그램을 활용하여 압전 성능을 확인하고 분석한 결과 PVDF 압전 섬유에서 발생되는 전압은 외부 응력이 가해진 크기에 비례해서 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 일정 응력 이상에서는 더 이상 증가하지 않는데 이 현상은 고효율을 나타내는 응력구간이 존재하는 것으로 풀이된다. 또한 측정 회로를 구성할 때 압전소자와 병렬로 연결된 외부저항의 크기와 존재에 따라 압전 성능이 변화하는 것으로 조사되었고, 변형 속도 또한 압전 성능에 영향을 미치는 요인임을 확인하였다. 따라서 이들 요인을 잘 조절하는 것이 원하는 압전 성능을 얻는데 필요할 것으로 보인다.
또한 여러 가닥의 섬유로 압전소자를 활용하였을 때 섬유 가닥수가 늘어날수록 출력 전압이 높아지는 것을 확인 하였다. 이는 교차점이 늘어나 유효 작용 부위가 늘어난 효과에 의한 것으로 향후 직물형태의 압전센서 혹은 제너레이터로 활용이 가능할 것으로 보인다.
이들 결과로부터 유추해볼 때 이 섬유 자체만으로도 센서 혹은 에너지하베스팅 소자로의 기능을 가질수 있고, 사용자가 원하는 패턴으로 제직하여 스마트 텍스타일형 압전소자 제작이 가능할 것으로 기대된다.

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