Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene; P(VDF-TrFE))는 여러 분야에서 다양한 형태로 활용되고 있는 유망한 전기활성고분자이다. 이 재료는 전기-기계적 특성을 가지고 있기 때문에 다양한 형태의 센서와 구동기로 활용되고 있으며, 복합재료 구조의 거동을 관찰하는 센서로도 활용이 가능하다. 본 논문에서는 세 가지 방법; (1) 전기적 폴링, (2) 어닐링-냉각, (3) 압축을 사용하여 P(VDF-TrFE) 공중합체 필름의 ${\beta}$ 상 결정구조 향상시켜 센서로서의 특성을 강화하기 위한 연구를 수행하였다. P(VDF-TrFE) 필름에 대한 각 방법의 효과를 조사하기 위해 X-선 회절을 통한 미세구조분석을 수행하였다. 실험 결과, 전기적 폴링, 어닐링-냉각, 그리고 압축 방법 모두 P(VDF-TrFE) 필름의 ${\beta}$ 상 결정구조 향상에 효과적이었으며 대조군 (45.29%)대비 최대 62.80%까지 ${\beta}$ 상 결정도가 향상됐다.
Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene; P(VDF-TrFE))는 여러 분야에서 다양한 형태로 활용되고 있는 유망한 전기활성고분자이다. 이 재료는 전기-기계적 특성을 가지고 있기 때문에 다양한 형태의 센서와 구동기로 활용되고 있으며, 복합재료 구조의 거동을 관찰하는 센서로도 활용이 가능하다. 본 논문에서는 세 가지 방법; (1) 전기적 폴링, (2) 어닐링-냉각, (3) 압축을 사용하여 P(VDF-TrFE) 공중합체 필름의 ${\beta}$ 상 결정구조 향상시켜 센서로서의 특성을 강화하기 위한 연구를 수행하였다. P(VDF-TrFE) 필름에 대한 각 방법의 효과를 조사하기 위해 X-선 회절을 통한 미세구조분석을 수행하였다. 실험 결과, 전기적 폴링, 어닐링-냉각, 그리고 압축 방법 모두 P(VDF-TrFE) 필름의 ${\beta}$ 상 결정구조 향상에 효과적이었으며 대조군 (45.29%)대비 최대 62.80%까지 ${\beta}$ 상 결정도가 향상됐다.
Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene; P(VDF-TrFE)) is one of the most promising electroactive polymers with numerous application potentials in many fields of industry. Because of its good electro-mechanical properties P(VDF-TrFE) has been used for a number of sensors and actuators and also can...
Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene; P(VDF-TrFE)) is one of the most promising electroactive polymers with numerous application potentials in many fields of industry. Because of its good electro-mechanical properties P(VDF-TrFE) has been used for a number of sensors and actuators and also can be used for monitoring composite structure behaviors as a sensor. Three different ways (Electrical poling, annealing-cooling, and pressing) to enhance ${\beta}$-phase of P(VDF-TrFE) film were carried out. A microscopic analysis was conducted using X-ray diffraction to investigate the effect of such treatments on piezoelectric properties of P(VDF-TrFE) film. From the results, poling, annealing-cooling, and pressing were all effective to enhance ${\beta}$ crystallinity of P(VDF-TrFE) film and the maximum increase rate was 62.80% from 45.29% of the control group.
Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene; P(VDF-TrFE)) is one of the most promising electroactive polymers with numerous application potentials in many fields of industry. Because of its good electro-mechanical properties P(VDF-TrFE) has been used for a number of sensors and actuators and also can be used for monitoring composite structure behaviors as a sensor. Three different ways (Electrical poling, annealing-cooling, and pressing) to enhance ${\beta}$-phase of P(VDF-TrFE) film were carried out. A microscopic analysis was conducted using X-ray diffraction to investigate the effect of such treatments on piezoelectric properties of P(VDF-TrFE) film. From the results, poling, annealing-cooling, and pressing were all effective to enhance ${\beta}$ crystallinity of P(VDF-TrFE) film and the maximum increase rate was 62.80% from 45.29% of the control group.
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문제 정의
따라서 P(VDF-TrFE)는 β 상 유도를 위한 별도의 과정이 필수는 아니지만 더 큰 압전성능을 위해 β 상 결정구조를 향상시킬 필요가 있다. 본 논문에서는 세 가지 방법; (1) 전기적 폴링, (2) 어닐링-냉각, (3) 압축을 사용하여 P(VDF-TrFE)공중합체 필름의 β 상 결정구조를 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 또한 P(VDF-TrFE) 필름에 대한 각 방법의 효과를 조사하기위해 X-선회절 (X-ray diffraction, XRD)을 통한 미세구조분석을 수행하였다.
가설 설정
또한 P(VDF-TrFE) 필름에 대한 각 방법의 효과를 조사하기위해 X-선회절 (X-ray diffraction, XRD)을 통한 미세구조분석을 수행하였다. PVDF 기반의 필름은 복합재료 구조물의 층과 층 사이에 삽입 혹은 표면에 부착될수 있다. 따라서 P(VDF-TrFE) 스마트 센서를 이용한다면 취성, 비교적 작은 측정면적(μm2)과 측정범위(με) 등 기존 변형률센서의 단점과 한계를 보완하여 더욱 진보된 구조물의 실시간 건전성 모니터링을 수행할 수 있다고 기대된다.
제안 방법
P(VDF-TrFE) 필름의 압전특성 향상을 위해 세 가지 방법(전기적 폴링, 어닐링-냉각, 압축)을 사용하였다. 압력부가방법으로 압력세기 30 MPa, 압력부가시간 15분, 압력부가온도 140℃에서 대조군의 β 상 결정도 45.
(3) 압축: 고압에서의 PVDF 결정화는 β 상 결정구조 증가를 야기시킨다[7]. 따라서 30 × 30 mm2 크기의 P(VDF-TrFE) 필름을 각각 압력(10 MPa, 20 MPa, 30MPa)과 시간(1분, 15분, 30분) 조건에 따라 실험을 수행하였다. 더불어 보다 높은 압전성능을 유도하기 위해 온도(25℃, 80℃, 140℃) 조건을 추가하였으며, P(VDF-TrFE) 필름에 균일한 압력전달을 위해 두께 2.
본 논문에서는 세 가지 방법; (1) 전기적 폴링, (2) 어닐링-냉각, (3) 압축을 사용하여 P(VDF-TrFE)공중합체 필름의 β 상 결정구조를 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 또한 P(VDF-TrFE) 필름에 대한 각 방법의 효과를 조사하기위해 X-선회절 (X-ray diffraction, XRD)을 통한 미세구조분석을 수행하였다. PVDF 기반의 필름은 복합재료 구조물의 층과 층 사이에 삽입 혹은 표면에 부착될수 있다.
대상 데이터
시험 시편은 10 wt% P(VDF-TrFE) 용액을 사용하여 필름형태로 제작하였으며 그 과정은 다음과 같다. (1) P(VDF-TrFE) 파우더를 80℃에서 2시간 동안 용제(Methylethylketone)에 녹여 용액제조, (2) 10 wt% 용액을 유리판 위에 적당량 부은 뒤 자동 도포장치(ZAA 2300,Zehntner, Switzerland)와 초정밀 도포 막대(ZWA 2121,Zehntner, Switzerland)를 사용하여 필름 제작, (3) P(VDF-TrFE) 필름 내 잔여 용제 제거를 위해 80℃에서 30분간 오븐(MG-VAV 64, MG Indus., Korea)에서 열처리.
본 논문에서 사용된 P(VDF-TrFE) 공중합제 파우더 (KFW#2200, Kureha, Japan)의 PVDF와 TrFE의 몰분율은 각각 75%와 25%이다. 시험 시편은 10 wt% P(VDF-TrFE) 용액을 사용하여 필름형태로 제작하였으며 그 과정은 다음과 같다.
본 연구에서 대조군으로 활용된 P(VDF-TrFE) 필름의 최종 두께는 약 10 μm이며, 디지털 현미경(VHX1000, Keyence, Japan)을 사용하여 두께를 측정하였다.
이론/모형
39)에서 결정할 수 있지만, K = 1이 일반적으로 타당한 것으로 알려져 있다. 더불어 미세 층간 간격은 XRD 패턴의 피크 점으로부터 Braggs 법칙(식 3)을 사용하여 계산하였다.
성능/효과
86%의 β 상 결정도가 획득됐다. 또한 P(VDF-TrFE) 필름은전기적폴링방법(폴링 전계강도: 80MV/m,폴링시간:15분,폴링온도: 80℃)으로 β상 결정도가 45.29%에서 57.23%로 향상됐다. 상기 세 가지 방법 모두 P(VDF-TrFE) 필름의압전특성과 깊은 관련이 있는 β 상 결정도 향상에 효과가 있었다.
23%로 향상됐다. 상기 세 가지 방법 모두 P(VDF-TrFE) 필름의압전특성과 깊은 관련이 있는 β 상 결정도 향상에 효과가 있었다. 본 연구의 결과에서 가장 효과적인 방법은 ‘압축’이다.
P(VDF-TrFE) 필름의 압전특성 향상을 위해 세 가지 방법(전기적 폴링, 어닐링-냉각, 압축)을 사용하였다. 압력부가방법으로 압력세기 30 MPa, 압력부가시간 15분, 압력부가온도 140℃에서 대조군의 β 상 결정도 45.29%가 62.80%로 향상됐다. 그리고 어닐링-냉각 방법(어닐링 온도: 140℃, 어닐링 시간: 24시간, 냉각온도: -10℃, 냉각시간: 30분)을 통해 57.
후속연구
PVDF 기반의 필름은 복합재료 구조물의 층과 층 사이에 삽입 혹은 표면에 부착될수 있다. 따라서 P(VDF-TrFE) 스마트 센서를 이용한다면 취성, 비교적 작은 측정면적(μm2)과 측정범위(με) 등 기존 변형률센서의 단점과 한계를 보완하여 더욱 진보된 구조물의 실시간 건전성 모니터링을 수행할 수 있다고 기대된다.
본 연구의 결과에서 가장 효과적인 방법은 ‘압축’이다. 본 연구결과는 P(VDF-TrFE) 공중합체 뿐만 아니라PVDF 계열의 강유전성 중합체의 압전효과 향상 연구에 활용될 수 있으며 특히 적층구조를 가지는 복합재료 구조의내/외부에 적용되어 복합재료 구조의 변형거동 측정을 위한 P(VDF-TrFE) 스마트 센서제작에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Poly는 어떻게 활용되고 있는가?
Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene; P(VDF-TrFE))는 여러 분야에서 다양한 형태로 활용되고 있는 유망한 전기활성고분자이다. 이 재료는 전기-기계적 특성을 가지고 있기 때문에 다양한 형태의 센서와 구동기로 활용되고 있으며, 복합재료 구조의 거동을 관찰하는 센서로도 활용이 가능하다. 본 논문에서는 세 가지 방법; (1) 전기적 폴링, (2) 어닐링-냉각, (3) 압축을 사용하여 P(VDF-TrFE) 공중합체 필름의 ${\beta}$ 상 결정구조 향상시켜 센서로서의 특성을 강화하기 위한 연구를 수행하였다.
Poly의 장점은 무엇인가?
전기활성고분자(Electroactive polymers; EAPs)는 전기적자극에 반응하여 대변형(~수백 %)을 발생시키는 스마트 재료이다. 전기활성고분자의 한 종류이자 강유전성 중합체계열의 Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene; P(VDF-TrFE)는 상대적으로 빠른 전기-기계적 반응속도, 높은 기계-화학적 안정성, 유연함, 그리고 낮은 임피던스 등 여러 장점 덕분에 압력센서[1], 이미지 분석기[2], 음향 작동기[3] 등 다양한 형태로 활용되고 있다. 더불어 탄소섬유/에폭시 복합재료 등 이방성 재료의 변형률 측정을 위한 센서연구가 수행되고 있다[4].
전기활성고분자란 무엇인가?
전기활성고분자(Electroactive polymers; EAPs)는 전기적자극에 반응하여 대변형(~수백 %)을 발생시키는 스마트 재료이다. 전기활성고분자의 한 종류이자 강유전성 중합체계열의 Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene; P(VDF-TrFE)는 상대적으로 빠른 전기-기계적 반응속도, 높은 기계-화학적 안정성, 유연함, 그리고 낮은 임피던스 등 여러 장점 덕분에 압력센서[1], 이미지 분석기[2], 음향 작동기[3] 등 다양한 형태로 활용되고 있다.
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