[논문]P(VDF-TrFE-CFE)를 이용한 초소형 압전 적층형 진동 출력 소자의 제작

조성우; 김재규; 류정재; 김윤정; 김혜진; 박강호; 홍승범

doi:10.4313/jkem.2019.32.2.157

[국내논문] P(VDF-TrFE-CFE)를 이용한 초소형 압전 적층형 진동 출력 소자의 제작
Fabrication of Ultra-Small Multi-Layer Piezoelectric Vibrational Device Using P(VDF-TrFE-CFE) 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.2, 2019년, pp.157 - 160

조성우 (한국과학기술원 신소재공학과) , (한국과학기술원 신소재공학과) , 김재규 (한국과학기술원 신소재공학과) , 류정재 (한국과학기술원 신소재공학과) , 김윤정 (한국전자통신연구원 ICT 소재부품연구소 융복합센서연구그룹) , 김혜진 (한국전자통신연구원 ICT 소재부품연구소 융복합센서연구그룹) , 박강호 (한국전자통신연구원 ICT 소재부품연구소 융복합센서연구그룹) , 홍승범 (한국과학기술원 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

P(VDF-TrFE-CFE) (Poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)), which exhibits a high electrostriction of about 7%, can transmit tactile output as vibration or displacement. In this study, we investigated the applicability of P(VDF-TrFE-CFE) to wearable piezoelectric actuators. The P(VDF-TrFE-CFE) layers were deposited through spin-coating, and interspaced with patterned Ag electrodes to fabricate a two-layer $3.5mm{\times}3.5mm$ device. This layered structure was designed and fabricated to increase the output and displacement of the actuator at low driving voltages. In addition, a laser vibrometer and piezoelectric force microscope were used to analyze the device's vibration characteristics over the range of ~200~4,200 Hz. The on-off characteristics were confirmed at a frequency of 40 Hz.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Fabrication process of a multilayer actuator and a photograph of device. (a) Bottom electrode deposition on flexible PET substrate, (b) tape masking of electrode for solution processing, (c) spin coating of P(VDF-TrFE-CFE), (d) detachment of tape mask, (e) internal electrode deposition and electrode connection, (f) tape masking of electrode for solution processing, (g) spin coating of P(VDF-TrFE-CFE), (h) detachment of tape mask, (i) top electrode deposition and electrode connection, and (j) two layered piezoelectric vibrational actuator.
그림 Fig. 3. PFM amplitude and phase measurement. (a) PFM amplitude and phase as a function of ac drive frequency to the PFM tip, (b) pulse voltage input signal to the sample, and (c) coresponding PFM amplitude, induced by the input voltage in (b), as a function of time at a fixed point.
$Fig. 2. (a) Cross-sectional SEM image and (b) x-ray diffraction (XRD) pattern of P(VDF-TrFE-CFE) single layer.$ 그림 Fig. 2. (a) Cross-sectional SEM image and (b) x-ray diffraction (XRD) pattern of P(VDF-TrFE-CFE) single layer.
그림 Fig. 4. Laser vibrometer measurement. Photographs of (a) laser vibrometer setup and (b) 2 layer piezoelectric vibrational device. Plots of (c) frequency scan data of velocity of 2 layer actuator and (d) vibrational velocity of 2 layer actuator at resonance frequency of 1,300 Hz.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 완화형 강유전 고분자 소재인 P(VDFTrFE-CFE)를 이용하여 초소형 웨어러블 진동 출력소자의 개발을 위해 적층형 압전 액추에이터로의 응용 가능성을 연구하였다. P(VDF-TrFE-CFE)와 Ag 전극의 적층 형태의 액추에이터를 압전 감응 힘 현미경과 레이저 바이브로미터로 공진주파수의 진동 스펙트럼을 측정하였고 가진 주파수 40 Hz에서 on-off 특성을 확인하였다.

제안 방법

마지막으로 laser vibrometer를 통해 제작된 2층의 압전 진동 출력 소자의 진동 변위 특성을 평가하였다. 하부와 상부의 전극을 ground로 연결하고 중간층의 전극에 15 V의 진폭으로 교류 전압을 인가하면서 소자로부터 반사된 레이저를 통해 소자 박막의 진동의 속도와 공진 주파수를 알아보기 위해 200 Hz부터 4,200Hz까지 속도를 측정하였다.
마지막으로 laser vibrometer를 통해 제작된 2층의 압전 진동 출력 소자의 진동 변위 특성을 평가하였다. 하부와 상부의 전극을 ground로 연결하고 중간층의 전극에 15 V의 진폭으로 교류 전압을 인가하면서 소자로부터 반사된 레이저를 통해 소자 박막의 진동의 속도와 공진 주파수를 알아보기 위해 200 Hz부터 4,200Hz까지 속도를 측정하였다.

대상 데이터

진동출력 소자의 공진주파수는 소자의 크기, 소자를 이루는 소재, 소자의 디자인에 따라 바뀌므로 공진 주파수를 인간이 감지할 수 있는 영역 대에 맞추기 위해서는 이러한 요소들에 대한 고려가 필요하다. 본 연구에서는 PVDF(Poly (vinylidene difluoride) 기반의 P(VDF-TrFE-CFE)(Poly (vinylide-nedifluoride-trifluoroethylenechlorofluoroethylene)를 압전 재료로 선정하여 연구를 진행하였다. 기존에 많이 연구되었던 PVDF는 플루오린 원자의 높은 전기 음성도에 의해 고분자 물질 중상대적으로 높은 다이폴 모멘트를 형성할 수 있고, 특히 β상의 경우에 다른 상보다 큰 압전 특성을 지니게 된다 [2–8].

성능/효과

본 연구에서는 완화형 강유전 고분자 소재인 P(VDFTrFE-CFE)를 이용하여 초소형 웨어러블 진동 출력소자의 개발을 위해 적층형 압전 액추에이터로의 응용 가능성을 연구하였다. P(VDF-TrFE-CFE)와 Ag 전극의 적층 형태의 액추에이터를 압전 감응 힘 현미경과 레이저 바이브로미터로 공진주파수의 진동 스펙트럼을 측정하였고 가진 주파수 40 Hz에서 on-off 특성을 확인하였다. 향후 촉각을 모사하는 액추에이터 분야에 적용될 것으로 기대하고, 추후에는 압전 세라믹과의 복합체 형태로 제작하여 출력 효율을 높이고자 한다.

후속연구

P(VDF-TrFE-CFE)와 Ag 전극의 적층 형태의 액추에이터를 압전 감응 힘 현미경과 레이저 바이브로미터로 공진주파수의 진동 스펙트럼을 측정하였고 가진 주파수 40 Hz에서 on-off 특성을 확인하였다. 향후 촉각을 모사하는 액추에이터 분야에 적용될 것으로 기대하고, 추후에는 압전 세라믹과의 복합체 형태로 제작하여 출력 효율을 높이고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전 소재(piezoelectric material)란 무엇인가?	압전 소재(piezoelectric material)는 물질에 가해지는 기계적인 스트레스를 표면에 전하로 방출하는 정압전효과(direct piezoelectric effect), 물질에 전압이 가해지면 스트레인이 변화하는 역압전효과(inverse piezoelectric effect)를 나타내는 소재이다. 이 중에서 역압전효과를 이용하면 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있어서 압전 소재는 액추에이터 소자로 많이 응용되어왔다.
	PVDF에 TrFE (trifluoroethylene)를 단위체로 첨가함으로 얻을 수 있는 이점은?	기존에 많이 연구되었던 PVDF는 플루오린 원자의 높은 전기 음성도에 의해 고분자 물질 중상대적으로 높은 다이폴 모멘트를 형성할 수 있고, 특히 β상의 경우에 다른 상보다 큰 압전 특성을 지니게 된다 [2–8]. PVDF에 TrFE (trifluoroethylene)를 단위체로써 첨가하면 결정성이 향상되고, 열역학적으로 가장 안정한 상이 β상이 되므로, 강유전 고분자로 센서,액추에이터, 에너지 하베스터 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이러한 P(VDF-TrFE)에 CFE (chlorofluoroethylene)를 첨가한 P(VDF-TrFE-CFE)의 경우, 상대적으로 큰 CFE가 결함으로 작용하여 도메인의 크기를 줄일 뿐만 아니라 기존 강유전 고분자가 아닌 완화형강유전체의 특성을 가지게 된다.
	역압전효과를 이용한 액추에이터 소재가 작은 크기에서 적용이 어려운 이유는?	이를 위해서는 인간이 감지할 수 있는 주파수 영역대인 200~600 Hz 구간에서 저전압 구동과 함께 고출력과 고변위의 특성을 지녀야만 한다. 하지만 1 cm × 1 cm 이하의 크기에서 기존 MEMS 공정 기반의 실리콘 액추에이터나 압전 세라믹을 이용한 액추에이터는 대부분 수 kHz 이상의 공진 주파수를 가지고 있어 웨어러블 액추에이터로서의 적용이 어렵다. 진동출력 소자의 공진주파수는 소자의 크기, 소자를 이루는 소재, 소자의 디자인에 따라 바뀌므로 공진 주파수를 인간이 감지할 수 있는 영역 대에 맞추기 위해서는 이러한 요소들에 대한 고려가 필요하다.

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