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문제 정의
- 본 연구에서는 PZT/PVDF 나노섬유를 제조하기 위하여 DMF-acetone 혼합 용매기반 PZT/PVDF 복합체 용액를 전기 방사하였다. DMF : acetone 비율과 PVDF 함량에 따른 섬유형상을 SEM 이용하여 분석한 결과 DMF : acetone = 5 : 5과 PVDF 20 wt%로 방사조건을 최적화하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 PVDF를 DMF와 acetone을 혼합한 용매에 녹인 후, 소결한 PZT 파우더를 혼합하여 PZT/PVDF 복합체 용액를 전기방사하여 PZT/PVDF 나노섬유를 제조하였다. DMF : acetone 비율과 PVDF 함량에 따른 섬유 형상을 SEM (Scanning electron microscopy) 분석을 통하여 최적화하였다. 최적 조건(DMF : acetone = 5 : 5, PVDF 20 wt%)에서 PZT 함량을 0, 5, 10, 20, 30 wt%로 조절하여, XRD (X-ray diffraction)와 SEM을 통한 미세구조 분석 및 압전 나노섬유 필름의 인장강도(Tensile strength) 평가를 수행하였다.
- 구슬 형태가 없이 안정된 섬유상이 관찰되어진 조건(PVDF 20 wt%, DMF : acetone = 5 : 5)에서 다양한 PZT 함량(0, 5, 10, 20, 30 wt%)의 PZT/PVDF 나노섬유를 제조하였다. 다양한 PZT 함량에 따른 PZT/PVDF 나노 섬유의 SEM 이미지(Fig.
- 또한 인장강도 측정을 위하여 1 cm (가로) × 7 cm (세로) × 0.5 cm (두께) 크기의 압전 나노섬유 필름을 제조하여 양쪽 각 1 cm를 지그에 물린 후, 인장하여 강도를 측정하였다.
- 33 mm), 노즐에 인가된 전압은 15 ~ 18 kV이며 유리 기판과의 거리는 10 cm이다. 방사 후 70℃에서 24시간 동안 건조시킨 후 SEM (Jeol / JSM-6700F), XRD (Rigaku Corporation / D/max 2200V / PC)를 통하여 미세구조를 분석하였다. 또한 인장강도 측정을 위하여 1 cm (가로) × 7 cm (세로) × 0.
- 본 연구에서는 PVDF를 DMF와 acetone을 혼합한 용매에 녹인 후, 소결한 PZT 파우더를 혼합하여 PZT/PVDF 복합체 용액를 전기방사하여 PZT/PVDF 나노섬유를 제조하였다. DMF : acetone 비율과 PVDF 함량에 따른 섬유 형상을 SEM (Scanning electron microscopy) 분석을 통하여 최적화하였다.
- DMF : acetone 비율과 PVDF 함량에 따른 섬유 형상을 SEM (Scanning electron microscopy) 분석을 통하여 최적화하였다. 최적 조건(DMF : acetone = 5 : 5, PVDF 20 wt%)에서 PZT 함량을 0, 5, 10, 20, 30 wt%로 조절하여, XRD (X-ray diffraction)와 SEM을 통한 미세구조 분석 및 압전 나노섬유 필름의 인장강도(Tensile strength) 평가를 수행하였다.
성능/효과
- 본 연구에서는 PZT/PVDF 나노섬유를 제조하기 위하여 DMF-acetone 혼합 용매기반 PZT/PVDF 복합체 용액를 전기 방사하였다. DMF : acetone 비율과 PVDF 함량에 따른 섬유형상을 SEM 이용하여 분석한 결과 DMF : acetone = 5 : 5과 PVDF 20 wt%로 방사조건을 최적화하였다. 최적화된 방사조건에서 PZT 함량을 0, 5, 10, 20, 30 wt%로 조절하여, XRD (X-ray diffraction)를 통하여 PZT와 PVDF가 각각의 특성을 유지하면서 공존하는 것을 확인하였고, XRD와 SEM을 통하여 PZT 압전 세라믹 함량이 증가할수록세라믹 특성이 강하게 나타나는 것을 확인하였다.
- 5와 같다. PZT가 첨가되지 않고 PVDF 고분자 나노섬유 대비 PZT 압전 세라믹이 5 wt% 첨가된 경우, 연신율 및 인장강도가 크게 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 더 많은 양의 PZT 압전 세라믹이 첨가된 10 wt%와 20 wt%의 PZT/PVDF 나노섬유의 경우 세라믹 첨가량이 증가할수록 세라믹 자체에서 오는 취성의 영향이 커져 연신율은 크게 감소하고 인장강도는 크게 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 하지만 더 많은 양의 PZT 압전 세라믹이 첨가된 10 wt%와 20 wt%의 PZT/PVDF 나노섬유의 경우 세라믹 첨가량이 증가할수록 세라믹 자체에서 오는 취성의 영향이 커져 연신율은 크게 감소하고 인장강도는 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 더 많은양의 PZT 압전 세라믹이 첨가된 30 wt% 샘플의 경우는, Fig. 3(e)의 SEM 사진과 같이 rough한 표면에 곧은 섬유형태의 성질에 따라 세라믹의 brittle한 특성이 더 큰 영향을 주어 인장강도가 오히려 더 감소하는 경향을 보였다. 적용 분야에 따라 필요한 스펙이 다르겠지만, 만약 연성보다는 낙하테스트 등의 충격에서도 깨지지 않아야 하는 모바일용 햅틱 액츄에이터로 적용하는 경우는 연성은 조금 떨어져도 강도가 크게 개선된 10 wt%와 20 wt% PZT/PVDF 나노섬유가 더 적합할 것으로 판단된다.
- 용매 비율(DMF : acetone = 5 : 5)을 고정하고 PVDF 함량(10, 12, 15, 20 wt%)에 따른 나노섬유를 전기방사하여 SEM을 통하여 미세구조를 분석한 결과, PVDF 함량이 10, 12, 15 wt% (Fig. 1(a)-(c))일 경우 파이버가 곧게 방사되지 못하고, 용액의 농도가 낮아 고분자는 방울형태로 축적되어 구슬(bead) 형태의 나노섬유가 관찰되었다.
- 최적화된 방사조건에서 PZT 함량을 0, 5, 10, 20, 30 wt%로 조절하여, XRD (X-ray diffraction)를 통하여 PZT와 PVDF가 각각의 특성을 유지하면서 공존하는 것을 확인하였고, XRD와 SEM을 통하여 PZT 압전 세라믹 함량이 증가할수록세라믹 특성이 강하게 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 특성은 인장 실험에서도 확인되어 가장 강한 인장강도를 가지는 PZT 함량은 20 wt%이고 연성이 가장 좋은 PZT 함량은 5 wt%인 것으로 관측되었다.
- 4의 PZT 함량에 따른 XRD 패턴구조를 보면 0 wt%에서는 PVDF 피크만 관찰되지만, PZT 함량이 증가함에 따라 PVDF 피크는 감소하고 PZT 피크가 증가하였다. 이를 통하여, PZT/PVDF 나노섬유에서는 PZT와 PVDF가 서로에게 영향을 주지 않고 함께 공존하는 것을 알 수 있었다. 또한 PZT/PVDF 나노섬유 필름을 세라믹이 첨가됨에 따라 인장 시험을 한 결과는 Fig.
- 3(e)의 SEM 사진과 같이 rough한 표면에 곧은 섬유형태의 성질에 따라 세라믹의 brittle한 특성이 더 큰 영향을 주어 인장강도가 오히려 더 감소하는 경향을 보였다. 적용 분야에 따라 필요한 스펙이 다르겠지만, 만약 연성보다는 낙하테스트 등의 충격에서도 깨지지 않아야 하는 모바일용 햅틱 액츄에이터로 적용하는 경우는 연성은 조금 떨어져도 강도가 크게 개선된 10 wt%와 20 wt% PZT/PVDF 나노섬유가 더 적합할 것으로 판단된다.
- DMF : acetone 비율과 PVDF 함량에 따른 섬유형상을 SEM 이용하여 분석한 결과 DMF : acetone = 5 : 5과 PVDF 20 wt%로 방사조건을 최적화하였다. 최적화된 방사조건에서 PZT 함량을 0, 5, 10, 20, 30 wt%로 조절하여, XRD (X-ray diffraction)를 통하여 PZT와 PVDF가 각각의 특성을 유지하면서 공존하는 것을 확인하였고, XRD와 SEM을 통하여 PZT 압전 세라믹 함량이 증가할수록세라믹 특성이 강하게 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 특성은 인장 실험에서도 확인되어 가장 강한 인장강도를 가지는 PZT 함량은 20 wt%이고 연성이 가장 좋은 PZT 함량은 5 wt%인 것으로 관측되었다.
- PZT가 첨가되지 않고 PVDF 고분자 나노섬유 대비 PZT 압전 세라믹이 5 wt% 첨가된 경우, 연신율 및 인장강도가 크게 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 더 많은 양의 PZT 압전 세라믹이 첨가된 10 wt%와 20 wt%의 PZT/PVDF 나노섬유의 경우 세라믹 첨가량이 증가할수록 세라믹 자체에서 오는 취성의 영향이 커져 연신율은 크게 감소하고 인장강도는 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 더 많은양의 PZT 압전 세라믹이 첨가된 30 wt% 샘플의 경우는, Fig.
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