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문제 정의
- 본 연구에서는 고전압발생기를 이용하여 전기장과 온도를 달리하면서 다양한 극화에 대해서 PVDF의 압전성 을 알아보았다.
제안 방법
- 압전성 필름제조. PVDF 필름은 핫프레스 (hot 啓ss)를 이용하여 제작하였는데, 구상 펠릿이 충분히 용융점을 지나도록 240 ℃에서 1분간 대기한 다음, 필름이 옆으로 잘 퍼질 수 있도록 1000 psi의 압력으로 1분간 힘을 가하 였다 또한 1분 동안 2000 psi의 압력을 가하여 균일한 필름을 제조하였다. 만들어진 필틈은 극화를 하기 위해서 양면에 전극을 도포하는데, 실버페이스트를 실크스크린 기법을 이용하여 필름에 도포하였고, 도포된 실버페이스 트를 100 ℃의 오븐에서 10분간 경화시킴으로써, 10 呻 두께의 균일한 전극을 얻을 수 있었다 제조한 필름은 분 극을 시키기 위하여 폴링머신 (poling machine)으로 온도를 150, 160, 170 ℃로 제어하고, 고전압발생기로 전기장을 인가했다.
- PVDF 필름은 핫프레스 (hot 啓ss)를 이용하여 제작하였는데, 구상 펠릿이 충분히 용융점을 지나도록 240 ℃에서 1분간 대기한 다음, 필름이 옆으로 잘 퍼질 수 있도록 1000 psi의 압력으로 1분간 힘을 가하 였다 또한 1분 동안 2000 psi의 압력을 가하여 균일한 필름을 제조하였다. 만들어진 필틈은 극화를 하기 위해서 양면에 전극을 도포하는데, 실버페이스트를 실크스크린 기법을 이용하여 필름에 도포하였고, 도포된 실버페이스 트를 100 ℃의 오븐에서 10분간 경화시킴으로써, 10 呻 두께의 균일한 전극을 얻을 수 있었다 제조한 필름은 분 극을 시키기 위하여 폴링머신 (poling machine)으로 온도를 150, 160, 170 ℃로 제어하고, 고전압발생기로 전기장을 인가했다.
- 압전성 고분자인 PVDF 필름에 고전압발생기를 이용하여 극화를 하였을 때, 분극 (polarization)에 의해서 큰 압 전성 (piezoelectricity)을 얻었는데, 압전특성을 온도와 전기장의 세기를 변화시키면서 얻은 결과를 요약하.면 다信 과 같다.
- 특성분석. 온도와 전기장의 세기에 대한 압전성 필름의 8형 결정의 특성을 알아보기 위하여 기기는 FT-IR spec- trometer (GL-5020, Mattson), DSC (TA instrument), XRD (Rigaku Denki co, D/MAX-RC-12kW model)를 사용하였으며, 전기적 특성의 확인을 위하여 유전율 측정기 (DEA 100, Seiko Instrument Inc.)를 사용하였고, 힘에 따른 전압 을 알아보기 위하여 JR3 6축 force sensor를 이용하였다 JR3 6축 force sensor를 부착한 가진기로부터 지지대에 고정되어 있는 촉각센서에 충격을 가했다. 100 - 900 g의 추를 높이 10 cm에서 낙하시켜 가하였고, 추의 말단 부분 은 직경 1 cm인 구형이었다.
- IR에 따른 특성 평가. 필름의 분자구조 분석을 위해 적외선 흡수분광기를 사용하였다. PVDF 필름의 적외선 흡수분광 분석을 Figure 2에 나타냈다.
- 100 - 900 g의 추를 높이 10 cm에서 낙하시켜 가하였고, 추의 말단 부분 은 직경 1 cm인 구형이었다. 힘 변화량 측정기는 PVDF 시편에 다양한 패턴으로 힘을 주기적으로 인가하면서 그 에 따른 출력 특성을 측정할 수 있도록 제작하였다.
대상 데이터
- 시료 본 연구에서 사용된 PVDF는 구상 펠릿 (Aldrich Co. Ltd., 虹=180000)을 필름으로 제조하였으며, 필름의 양면에 사용된 전극으로는 전기 전도성이 우수한 Ache- son사의 실버페이스트 (Electrodag 725A)를 사용하였다. PVDF 필름 위의 실버페이스트의 저항은 0.
성능/효과
- 1) 적외선 흡수분광기나 X선 회절분석 실험에서 원시료의 경우 a형이 주종을 이루며, 전계가 증가함에 따라 0 형태가 혼재된 상태로 존재한다.
- 2) PVEF의 압전성은 주로 결정영역의 쌍극자 배향에 기인되며, 분극 전압이 증가함에 따라 a형 결정에서 0형 결정으로 상전이가 일어난다.
- 3) PVDF의 용융온도는 분극 전압이 증가할수록 고온측 으로 이동 및 다른 형태의 DSC특성이 나타난다. 이러한 현상은 0형 결정 성분의 증가와 관련됨을 알 수가 있다.
- 4) 유전율은 온도의 증가에 따라 증가하며, 분극 처리 된 시료의 유전율이 크다.
- 쌍극자를 포함하고 있는 분자사슬의 배열에 따라 유전율에 어떠한 영향을 미치는 가 알아보기 위해 온도를 변화시켜 가면서 필름의 유 전율을 측정하여 Figure 5에 도시하였다. 40 ℃, 1 kHz의 주파수에서 시료의 유전율은 분극을 하지 않았을 때 5.9 이고 분극을 하였을 때 분극 전압에 따라 8.1 로 증가한 것을 확인할 수 있었다. 온도의 증가에 따라서도 유전율 값이 증가함을 알 수 있었다.
- 5) 힘에 따라서 신호 (signal)가 검출되는 PVDF는 필름의 두께가 두꺼울수록, 높은 온도와 전기장에서 극화를 시킬수록 더 높은 신호를 나타낸다.
- 다만 고분자 압전체는 극화의 조건인 온도와 전압에 따라 결정상의 배열이 영향을 받고 따라서 출력 전압 특성이 변화한다는 점에 유의하여야 한다. 따라서 이의 응용에 있어서 압전필름의 극화공정 을 표준화 흐卜고 압전특성을 정량화하는 것이 매우 중요하다는 점이 확인되었다.
- 5 min/gm이 가장 적당하다고 판단되며 너무 긴 시간은 더 이상의 특성에 영향을 주지 않았으며, 분극 온도를 너무 높이는 경우에는 필름의 변형이 발생하고 너무 높은 분극 전압은 필름의 파괴 (breakdown)를 유발하므로 적당한 온도와 전 기장을 인가해주어야 최적의 압전성 필름이 얻어진다는 것을 알 수 있다. 또한 본 실험에서 알 수 있듯이 충격 량에 따라 출력 전압은 증가하나 충격량과 출력 전압은 선형으로 비례하는 것은 아니라는 것을 알 수 있고, 특히 일정한 충격량 이상에서는 출력 전압이 더 이상 증가하지 않는 경향을 보여준다는 것을 확인할 수 있다.
- 2。와 19.8。에서 강하게 나타나는 것을 볼 수 있으며, 분극을 하였을 때 0형 결정을 나타내는 19.8° 피크가 증가하는 것을 관측할 수 있었는데, 이는 분극처리에 의해 결정의 구조가 a형에서 0형으로 변화하고 있음을 알 수 있다.
- 여기에는 포함되지 않았으나, 분극 시간은 0.5 min/gm이 가장 적당하다고 판단되며 너무 긴 시간은 더 이상의 특성에 영향을 주지 않았으며, 분극 온도를 너무 높이는 경우에는 필름의 변형이 발생하고 너무 높은 분극 전압은 필름의 파괴 (breakdown)를 유발하므로 적당한 온도와 전 기장을 인가해주어야 최적의 압전성 필름이 얻어진다는 것을 알 수 있다. 또한 본 실험에서 알 수 있듯이 충격 량에 따라 출력 전압은 증가하나 충격량과 출력 전압은 선형으로 비례하는 것은 아니라는 것을 알 수 있고, 특히 일정한 충격량 이상에서는 출력 전압이 더 이상 증가하지 않는 경향을 보여준다는 것을 확인할 수 있다.
- 1 로 증가한 것을 확인할 수 있었다. 온도의 증가에 따라서도 유전율 값이 증가함을 알 수 있었다. 이때 주파수의 증가에 따라 발생되는 유전율 감소의 원인은 필름 내의 쌍극자가 주위의 매질이나 다른 쌍극자들로부터 속박을 받고 있어 외부 교번 전계의 극성 변화에 빨리 대응하지 못하기 때문에 발생되는 이상 분산 (anomalous dispersion)의 형태를 띠고 있음을 나타내어 주는 결과라 하겠다.
- 23 분극 온도에 따라서 DSC 용융 피크가 좁 아지면서 163 ℃에서의 피크가 증가하는 것을 관찰할 수 있는데, 이것은 무정형 영역의 분자사슬이 분극에 의해 일정 방향으로 배열함에 따라 생성된 준결정들에 의한 것이거나 결정의 구조가 변형되어 a형에서 隨으로 변형된 것?로 사료된다. 전압에 따라서 분극을 하였을 때 역시 163 ℃ 부근의 용융거동이 더욱 확연하게 넓어지는 것을 확인할 수 있는데, 분극 전압을 높게 했을 때 그 영향이 더 크다는 것을 보■여 주고 있다.
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