[논문]전극 일체형 polyvinylidene difluoride(PVDF) 압전 섬유에 관한 연구

이세영; 김슬비; 최세진; 방주엽; 김한성

doi:10.12772/tse.2016.53.279

[국내논문] 전극 일체형 polyvinylidene difluoride(PVDF) 압전 섬유에 관한 연구
Studies on Electrode Integrated Piezoelectric Polyvinylidene difluoride(PVDF) Fiber 원문보기

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.53 no.4, 2016년, pp.279 - 284

이세영 (부산대학교 유기소재시스템공학과) , 김슬비 (부산대학교 유기소재시스템공학과) , 최세진 (부산대학교 유기소재시스템공학과) , 방주엽 (부산대학교 유기소재시스템공학과) , 김한성 (부산대학교 유기소재시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Polyvinylidene difluoride solution dip-coating and a high-voltage poling process is effective at inducing chain reorientation and phase transformation. Moreover, a copper wire external electrode and coated fiber combined to form a piezoelectric device successfully. In addition, a textile-like piezoelectric device comprising of three warps and one weft was fabricated, and the piezoelectric properties of the device were evaluated. The voltage from the polyvinylidene difluoride fiber was increased as the external force was applied. The piezoelectric performance was affected by the presence of external load resistors. Moreover, in the case of the textile-type piezoelectric device, the more warps and weft were connected to each other, the higher was the voltage generated. Consequently, single fiber can be used for piezoelectric devices, moreover, it enables advanced users to have wide application, for example, woven or knitted smart textile-type sensors or micro energy harvesters.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 섬유형 압전소자의 전극 시스템과 제조 과정에 대해 조사하고 압전 특성 측정 프로그램 및 시스템을 개발하였다. PVDF 압전 섬유의 내부/외부 전극으로 전도성 구리 와이어를 이용하였으며, PVDF 용액이 응고되기 전에 폴링 공정이 수행될 수 있도록 시스템을 고안하였다.

가설 설정

그리고 d는 필름 두께를 나타낸다. 평평하고 얇은 형태를 갖는 필름과 달리 섬유는 가늘고 긴 원통형이기 때문에 표면적은 섬유의 길이와 직경의 곱과동일하고, 두께는 섬유의 직경과 동일하다고 가정하였다.

제안 방법

Figure 6과 같이 로드셀을 이용하여 일정한 간격으로 샘플에 가해지는 하중을 측정하였고, 압전 특성에 의해 샘플에서 발생하는 전기 신호는 DAQ 보드를 통해 수집하여, 직접 제작한 프로그램(LabVIEW, NI)을 이용하여 분석하였다. 외부저항과 압전 섬유 샘플을 병렬로 연결하여 실험을 진행하였다[25].
33-direction(압전소자의 분극 방향과 평행방향)으로의 하중 크기에 따른 출력 전압의 관계를 Figure 9에 나타내었다. PVDF 섬유가 다른 크기의 하중으로 각각 10번씩 압축및 회복되는 과정을 거칠 때 발생하는 10개의 전압 피크 최대 값을 평균하여 그래프에 도시했다. 가해진 하중의 크기에 따라 출력 전압이 비례함을 알 수 있다.
PVDF 섬유의 압전 특성에 영향을 주는 외부요인을 조사하기 위해 로드셀 위에 놓인 PVDF 섬유 샘플을 다양한 상태(스트레스의 정도, 외부저항과 스트레인의 정도)에서 반복적으로 기계적 스트레스를 주었으며, 샘플과 로드셀 사이의 전기적 신호는 DAQ에 의해 실시간으로 분석하였다. Figure 8은 PVDF 섬유(왼쪽)의 출력 전압과 가해진 하중 (오른쪽)을 보여준다.
본 연구에서는 섬유형 압전소자의 전극 시스템과 제조 과정에 대해 조사하고 압전 특성 측정 프로그램 및 시스템을 개발하였다. PVDF 압전 섬유의 내부/외부 전극으로 전도성 구리 와이어를 이용하였으며, PVDF 용액이 응고되기 전에 폴링 공정이 수행될 수 있도록 시스템을 고안하였다. 전기장 내에서의 폴링 공정이 결정구조의 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해서 FT-IR 사용되었다.
경·위사를 고정하기 위해 상부면의 중앙부를 제거한 PET 필름으로 라미네이팅 처리하였다.
본 연구에서는 PVDF 용액에 고전압을 이용한 폴링 공정이 PVDF 분자의 사슬 재배향과 상변형을 유도하는데 효과적인 방법인 것을 확인하였다. 그리고 압전 소자를 제작 하기 위해 외부 전극으로 구리 와이어를 이용하였다. 직물형 압전 소자는 3가닥의 경사와 1가닥의 위사로 구성되었으며 이 때의 압전 특성을 평가하였다.
전기장 내에서의 폴링 공정이 결정구조의 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해서 FT-IR 사용되었다. 마지막으로 싱글 스레드의 압전특성을 조사하는 것 뿐만 아니라 직물형 압전 장치로서 가능성을 확인하기 위해 3개의 경사와 1개의 위사를 갖는 직물 형태의 압전소자를 제작하여 연구를 수행하였다.
압전 특성을 측정하기 위해 외부전극을 제거한 코팅사가 경사와 위사로써 구성되었으며, 경·위사의 접점에서 각 코팅사의 내부전극(internal electrode)이 전극쌍의 역할을 하였다.
Figure 6과 같이 로드셀을 이용하여 일정한 간격으로 샘플에 가해지는 하중을 측정하였고, 압전 특성에 의해 샘플에서 발생하는 전기 신호는 DAQ 보드를 통해 수집하여, 직접 제작한 프로그램(LabVIEW, NI)을 이용하여 분석하였다. 외부저항과 압전 섬유 샘플을 병렬로 연결하여 실험을 진행하였다[25].
폴링의 다양한 방법을 Figure 2에 나타내었다[5]. 이 중 공정이 비교적 간단하고 섬유의 형태 변형을 유발하지 않는 높은 전기장을 이용한 폴링을 수행하였다.
그리고 압전 소자를 제작 하기 위해 외부 전극으로 구리 와이어를 이용하였다. 직물형 압전 소자는 3가닥의 경사와 1가닥의 위사로 구성되었으며 이 때의 압전 특성을 평가하였다. PVDF 섬유의 전압은 외부에 인가되는 힘의 세기에 따라 변화하였다.

이론/모형

PVDF 압전 섬유의 내부/외부 전극으로 전도성 구리 와이어를 이용하였으며, PVDF 용액이 응고되기 전에 폴링 공정이 수행될 수 있도록 시스템을 고안하였다. 전기장 내에서의 폴링 공정이 결정구조의 변화에 미치는 영향을 알아보기 위해서 FT-IR 사용되었다. 마지막으로 싱글 스레드의 압전특성을 조사하는 것 뿐만 아니라 직물형 압전 장치로서 가능성을 확인하기 위해 3개의 경사와 1개의 위사를 갖는 직물 형태의 압전소자를 제작하여 연구를 수행하였다.

성능/효과

본 연구에서는 PVDF 용액에 고전압을 이용한 폴링 공정이 PVDF 분자의 사슬 재배향과 상변형을 유도하는데 효과적인 방법인 것을 확인하였다. 그리고 압전 소자를 제작 하기 위해 외부 전극으로 구리 와이어를 이용하였다.
이는 PVDF 섬유가 고효율의 전압을 발생시키기 위해서는 특정 응력 범위 내의 힘이 가해져야 한다는 것을 의미한다. 회로의 구성, 즉 압전소자와병렬로 연결된 외부저항의 존재와 그 크기에 따라 압전 성능이 변화하는 것을 확인하였고, 시료의 변형 속도 또한 압전 성능에 영향을 미치는 요인임을 확인하였다. 직물형 압전소자의 경우 여러 가닥의 경사와 위사가 서로 연결되어 있기 때문에 이를 통해 더 높은 출력전압이 발생할 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

이러한 특성을 바탕으로 PVDF는 압전재료 및 다양한 분야에서 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 유연성을 가진 PVDF는 세라믹 센서를 대체할 수 있으며 웨어러블 장치의 마이크로 에너지 하베스터로 사용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Polyvinylidene difluoride는 어떤 유기물질인가?	Polyvinylidene difluoride(PVDF)는 에너지 하베스팅과 센서로의 적용이 가능한 유기물질이다. PVDF의 압전 특성이 1969년에 Kawai[1]에 의해 첫번째로 보고되었으며, 이후에 높은 압전 계수를 갖는 유기 물질들이 많은 관심을 받아왔다.
	PVDF은 어떤 특징을 가지고 있는가?	PVDF의 압전 특성이 1969년에 Kawai[1]에 의해 첫번째로 보고되었으며, 이후에 높은 압전 계수를 갖는 유기 물질들이 많은 관심을 받아왔다. PVDF는 뛰어난 압전특성을 가지고 있으며 유연하고 내구성이 우수하고 생체 적합성을 가진다. 또한 PVDF는 중합성이 우수하다[2,3]. 많은 연구자들은 뛰어난 전기적 특성이 결정구조에 따라 달라질 수 있음을 확인하였다[4]. PVDF는 다양한 결정구조를 가지고 있다[4,5]. 여러 결정 구조 중에서도 베타형을 띄는 구조는 PVDF의 압전특성과 높은 관련성이 있는데, 이는 고분자 사슬에서 구성 원자의 전기음성도 차이에 따른 분극이 최대화 될 수 있는 구조이기 때문이다[6,7].
	PVDF의 압전특성 최대화를 위한 베타형 결정 구조 형성 방법은 무엇인가?	그러므로 PVDF의 압전특성을 최대화하기 위해 베타형 결정 구조를 형성시키는 것이 중요하다. 이러한 구조를 갖게 하기 위해 일축 또는 이축 연신[8−11], 아닐링[12−14], 기계 롤링, 높은 전기장을 인가[15−18] 등과 같은 다양한 방법이 사용되었다[19].

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