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문제 정의
- 본 논문에서는 스프레이 코팅법을 이용하여 CNT/PVDF 압전 복합체를 제작하여 전기적 특성과 물리적인 변형에 의한 출력 전류의 거동에 대해 논의한다.
제안 방법
- CNT/PVDF 압전 복합막을 전기소자에 적용하는 경우의 전기적인 특성을 조사하기 위해 저항과 정전 용량을 측정하였으며, 저항은 Keithley 2400을 이용하여 전압-전류 특성으로부터 도출하였고, 정전용량은 HP 4192A를 이용하여 측정하였다.
- 이러한 결과로부터 스프레이 코팅법과 CNT의 도입이 PVDF 박막의 압전 특성에 큰 향상을 가져온다는 것을 알 수 있다. CNT/PVDF 압전 복합막의 전자소자로의 응용 가능성을 확인하기 위해 CNT의 함량을 달리하여 제작한 샘플의 전기적인 특성을 측정하였다.
- 분산된 CNT/NMP 용액 안에 1 wt%의 PVDF 펠렛을 첨가하여 교반기 위에서 85℃의 온도에서 250 rpm의 속도로 24시간 동안 스터링한 후, 다시 3시간 동안 초음파 처리를 실시하여 1∼2 wt%의 CNT/PVDF 혼합용액을 제작하였다. CNT/PVDF의 혼합용액을 이용하여 스프레이 코팅법으로 글래스 기판에 박막을 제작하였다. 코팅하는 동안에 기판은 210℃의 온도로 가열하여 분산 용매로 쓰인 NMP를 박막 제작 과정에서 완전히 제거하였다.
- 또한 스프레이 코팅법에 의한 자기분극 효과를 비교하기 위해 캐스팅법으로 PVDF 박막을 제작하였으며, CNT의 도입에 의한 β형 PVDF 결정의 변화를 비교하기 위해 스프레이 코팅법으로 PVDF 박막을 제작하여 각각의 박막에 대해 FT-IR 스펙트럼 분석을 수행하였다.
- 또한 스프레이 코팅법에 의한 자기분극 효과를 비교하기 위해 캐스팅법으로 PVDF 박막을 제작하였으며, CNT의 도입에 의한 β형 PVDF 결정의 변화를 비교하기 위해 스프레이 코팅법으로 PVDF 박막을 제작하여 각각의 박막에 대해 FT-IR 스펙트럼 분석을 수행하였다. 박막의 제조 조건에 따른 압전 특성의 변화를 고찰하기 위해 박막의 물리적인 변형에 의한 출력전류의 변화를 측정하였다. 측정 시스템은 그림 1과 같이, 리니어 모터를 사용하여 일정한 크기의 힘을 박막에 인가하여 박막을 변형시킨 경우에 발생하는 출력을 전류계를 이용하여 측정하였다.
- 분산된 CNT/NMP 용액 안에 1 wt%의 PVDF 펠렛을 첨가하여 교반기 위에서 85℃의 온도에서 250 rpm의 속도로 24시간 동안 스터링한 후, 다시 3시간 동안 초음파 처리를 실시하여 1∼2 wt%의 CNT/PVDF 혼합용액을 제작하였다.
- 스프레이 코팅법의 영향과 CNT의 도입에 의한 결정구조의 변화를 조사하기 위해 캐스팅법과 스프레이 분사법으로 제작한 PVDF 박막과 CNT/PVDF 복합막의 FT-IR 스펙트럼을 분석하였으며, 그 결과를 그림 2에 나타내었다. 스프레이 코팅법에 의한 영향을 조사하기 위해 캐스팅법으로 PVDF 박막을 제작하여 스프레이 코팅법으로 제작한 PVDF 박막과 비교하였다. 캐스팅법으로 제작한 PVDF 박막에서는 결정화가 충분히 이루어지지 않아 피크의 강도가 매우 낮은 것을 알 수 있는 반면, 스프레이 코팅법으로 제작한 PVDF 박막에서는 뚜렷한 피크가 발견되는 것을 알 수 있다.
- 스프레이 코팅법으로 제작한 CNT/PVDF 복합막의 결정구조를 조사하기 위해 FT-IR 스펙트럼을 분석하였다. 또한 스프레이 코팅법에 의한 자기분극 효과를 비교하기 위해 캐스팅법으로 PVDF 박막을 제작하였으며, CNT의 도입에 의한 β형 PVDF 결정의 변화를 비교하기 위해 스프레이 코팅법으로 PVDF 박막을 제작하여 각각의 박막에 대해 FT-IR 스펙트럼 분석을 수행하였다.
- 스프레이 코팅법의 영향과 CNT의 도입에 의한 결정구조의 변화를 조사하기 위해 캐스팅법과 스프레이 분사법으로 제작한 PVDF 박막과 CNT/PVDF 복합막의 FT-IR 스펙트럼을 분석하였으며, 그 결과를 그림 2에 나타내었다. 스프레이 코팅법에 의한 영향을 조사하기 위해 캐스팅법으로 PVDF 박막을 제작하여 스프레이 코팅법으로 제작한 PVDF 박막과 비교하였다.
- 박막의 제조 조건에 따른 압전 특성의 변화를 고찰하기 위해 박막의 물리적인 변형에 의한 출력전류의 변화를 측정하였다. 측정 시스템은 그림 1과 같이, 리니어 모터를 사용하여 일정한 크기의 힘을 박막에 인가하여 박막을 변형시킨 경우에 발생하는 출력을 전류계를 이용하여 측정하였다.
- 탄소나노튜브를 N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP)유기용매를 사용하여 분산하였다. 100 ml의 NMP에 0.
이론/모형
- 본 연구에서는 매우 강한 압전효과를 나타내는 CNT/PVDF 압전 복합막을 스프레이 코팅법을 이용하여 제작하였다. FT-IR 스펙트럼 분석을 통해 탄소 나노튜브의 도입에 의한 β형 PVDF 결정의 결정화가 활성화되고, 스프레이 코팅법에 의해 β형 PVDF 쌍극자의 분극방향이 정렬되어 압전 특성이 향상된다는 것을 확인하였다.
성능/효과
- FT-IR 스펙트럼 분석을 통해 탄소 나노튜브의 도입에 의한 β형 PVDF 결정의 결정화가 활성화되고, 스프레이 코팅법에 의해 β형 PVDF 쌍극자의 분극방향이 정렬되어 압전 특성이 향상된다는 것을 확인하였다.
- 그림 4에 CNT/PVDF 복합막의 저항과 정전용량 측정 결과를 나타내었다. PVDF 박막에서는 대략적으로 22 pF의 정전용량을 나타내었고, PVDF에 CNT를 도입하여 제작한 복합막에서는 정전용량이 증가하다가 포화하는 특징을 나타내었다. 4 wt%의 CNT 함유량을 가지는 CNT/PVDF 복합막에서는 약 2,000 pF의 정전용량을 나타내었다.
- 4 wt%의 CNT 함유량을 가지는 CNT/PVDF 복합막에서는 약 2,000 pF의 정전용량을 나타내었다. PVDF 박막에서는 인가전압이 증가함에도 불구하고 전류가 전혀 흐르지 않지만, CNT를 첨가한 경우에는 일정전압 이상에서 전류가 흐르는 것을 관찰하였다. 그리고 CNT의 함유량이 증가함에 따라 더 낮은 전압에서 전류가 흐르기 시작하는 것을 알 수 있으며, 본 연구에서 사용한 CNT의 농도 범위 안에서는 전류-전압 특성은 포화하는 경향을 나타내지 않았다.
- PVDF 박막에서는 인가전압이 증가함에도 불구하고 전류가 전혀 흐르지 않지만, CNT를 첨가한 경우에는 일정전압 이상에서 전류가 흐르는 것을 관찰하였다. 그리고 CNT의 함유량이 증가함에 따라 더 낮은 전압에서 전류가 흐르기 시작하는 것을 알 수 있으며, 본 연구에서 사용한 CNT의 농도 범위 안에서는 전류-전압 특성은 포화하는 경향을 나타내지 않았다. 따라서 유전체의 큰 정전용량을 유지하면서 도체에 상응하는 전기전도도를 가지는 전자소자의 제작에 유용하며, 정전용량은 일정하게 유지하면서 출력전류는 CNT의 함유량으로 조절이 가능한 소자를 제작할 수 있으리라 기대할 수 있다.
- 또한 스프레이 코팅법으로 제작한 CNT/PVDF 압전 복합막에서는 보다 큰 출력전류가 관찰되었으며, CNT의 함량이 1 wt%에서 2 wt%로 증가함에 따라 출력전류가 200 nA에서 4 μA까지 증가하였다.
- 또한 스프레이 코팅법으로 제작한 CNT/PVDF 압전 복합막에서는 보다 큰 출력전류가 관찰되었으며, CNT의 함량이 1 wt%에서 2 wt%로 증가함에 따라 출력전류가 200 nA에서 4 μA까지 증가하였다. 이러한 결과로부터 스프레이 코팅법과 CNT의 도입이 PVDF 박막의 압전 특성에 큰 향상을 가져온다는 것을 알 수 있다. CNT/PVDF 압전 복합막의 전자소자로의 응용 가능성을 확인하기 위해 CNT의 함량을 달리하여 제작한 샘플의 전기적인 특성을 측정하였다.
- 이러한 결과로부터 탄소나노튜브의 도입과 스프레이 코팅법이 β형 PVDF의 제작에 효과적이라고 생각할 수 있다.
후속연구
- 그리고 CNT의 함유량이 증가함에 따라 더 낮은 전압에서 전류가 흐르기 시작하는 것을 알 수 있으며, 본 연구에서 사용한 CNT의 농도 범위 안에서는 전류-전압 특성은 포화하는 경향을 나타내지 않았다. 따라서 유전체의 큰 정전용량을 유지하면서 도체에 상응하는 전기전도도를 가지는 전자소자의 제작에 유용하며, 정전용량은 일정하게 유지하면서 출력전류는 CNT의 함유량으로 조절이 가능한 소자를 제작할 수 있으리라 기대할 수 있다.
- FT-IR 스펙트럼 분석을 통해 탄소 나노튜브의 도입에 의한 β형 PVDF 결정의 결정화가 활성화되고, 스프레이 코팅법에 의해 β형 PVDF 쌍극자의 분극방향이 정렬되어 압전 특성이 향상된다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 제작한 CNT/PVDF 복합막을 사용하여 제작한 전자소자는 CNT 함유량을 조절함으로써 정전용량은 일정하게 유지하면서 출력전류를 조절할 수 있는 전자소자를 제작할 수 있을 것이라 기대할 수 있다.
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