KR101539050B1 - 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기 - Google Patents
강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101539050B1 KR101539050B1 KR1020140056706A KR20140056706A KR101539050B1 KR 101539050 B1 KR101539050 B1 KR 101539050B1 KR 1020140056706 A KR1020140056706 A KR 1020140056706A KR 20140056706 A KR20140056706 A KR 20140056706A KR 101539050 B1 KR101539050 B1 KR 101539050B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- vdf
- trfe
- film
- pvdf
- polymer
- Prior art date
Links
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 31
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 53
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims abstract description 43
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims abstract description 43
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 35
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 33
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 claims description 31
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 27
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 11
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 claims description 9
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 5
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 4
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 229920001166 Poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) Polymers 0.000 abstract 3
- BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 1,1-Difluoroethene Chemical compound FC(F)=C BQCIDUSAKPWEOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 5
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 5
- MIZLGWKEZAPEFJ-UHFFFAOYSA-N 1,1,2-trifluoroethene Chemical compound FC=C(F)F MIZLGWKEZAPEFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 229920001746 electroactive polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C55/00—Shaping by stretching, e.g. drawing through a die; Apparatus therefor
- B29C55/005—Shaping by stretching, e.g. drawing through a die; Apparatus therefor characterised by the choice of materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
- B32B37/04—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the partial melting of at least one layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/18—Manufacture of films or sheets
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/04—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning
- H10N30/045—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning by polarising
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
- H10N30/098—Forming organic materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/206—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using only longitudinal or thickness displacement, e.g. d33 or d31 type devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/857—Macromolecular compositions
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
- B29K2027/00—Use of polyvinylhalogenides or derivatives thereof as moulding material
- B29K2027/12—Use of polyvinylhalogenides or derivatives thereof as moulding material containing fluorine
- B29K2027/16—PVDF, i.e. polyvinylidene fluoride
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
- B29L2007/00—Flat articles, e.g. films or sheets
- B29L2007/008—Wide strips, e.g. films, webs
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2327/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers
- C08J2327/02—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
- C08J2327/12—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
- C08J2327/18—Homopolymers or copolymers of tetrafluoroethylene
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
본 발명은 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기에 관한 것이다. 본 발명은 단결정 P(VDF-TrFE) 막과, 단결정 P(VDF-TrFE) 막의 상, 하면에 형성되는 상부 전극 및 하부 전극과, 단결정 P(VDF-TrFE) 막과 상부 전극 및 하부 전극 사이에 형성되는 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 열적 안정성이 향상되면서 두께 1㎛ 내외의 얇고 균일한 접착층을 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 열적 안정성이 향상되면서 두께 1㎛ 내외의 얇고 균일한 접착층을 구현할 수 있도록 한 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기에 관한 것이다.
일반적으로 통상의 P(VDF-TrFE) 막에 비해 고온에서 열적 안정성이 우수한 단결정 P(VDF-TrFE) 막을 사용하여 초음파 변환기를 제작하고자 할 때, 단결정 P(VDTrFE) 막은 통상의 P(VDF-TrFE) 막에 비해 매우 잘 부러지고, 접착력이 좋지 않으며, 표면 거칠기가 큰 단점이 있다.
고분자를 이용한 초음파 변환기 기술의 일례로서, 미국 특허등록 제US 5254296호는 "PVDF 필름의 압전 및 유전 특성을 향상시키는 방법"을 개시한다.
또한, 미국 특허등록 제US 7923064호는 "전자활성 폴리머 제조방법"을 개시한다.
또한, 미국 특허등록 제US 7454024호는 "고주파 트랜스듀서의 디자인과 제작을 위한 시스템과 방법"을 개시한다.
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 열적 안정성이 향상되면서 두께 1㎛ 내외의 얇고 균일한 접착층을 구현할 수 있도록 한 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 이루기 위해, 본 발명은 P(VDF-TrFE) 막: 상기 P(VDF-TrFE) 막의 상면에 형성되는 상부 전극; 상기 P(VDF-TrFE) 막의 하면에 형성되는 하부 전극; 및 상기 P(VDF-TrFE) 막과 상부 전극 사이 및 P(VDF-TrFE) 막과 하부 전극 사이에 이들의 접합층을 형성하는 PVDF 기반의 폴리머 막; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기를 제공한다.
또한, P(VDF-TrFE) 막은 용융온도가 섭씨 150도~160도인 폴리머 막임을 특징으로 한다.
또한, 상기 P(VDF-TrFE) 막은 스트레칭 공정을 통해 단결정으로 만들어진 단결정 P(VDF-TrFE) 막임을 특징으로 한다.
또한, PVDF 기반의 폴리머 막은 P(VDF-TrFE) 막 보다 융점이 낮은 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막임을 특징으로 한다.
또한, PVDF 기반의 폴리머 막은 P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP) 중 선택되는 어느 하나로 제조되거나, 또는 적어도 하나 이상의 이들의 조합으로 제조되는 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 전극과 하부 전극 사이의 P(VDF-TrFE) 막은 복수의 층으로 구성되고 복수의 층으로 구성되는 각 P(VDF-TrFE) 막 사이에는 이들의 접합층을 형성하는 PVDF 기반의 폴리머 막이 형성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 P(VDF-TrFE) 막은 P(VDFx-TrFE(1-x))에서 x가70~80 %인 고분자임을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 전극 및 하부 전극은 알루미늄, 금, 구리, 니켈, 크롬 중 선택되는 어느 하나의 금속 또는 적어도 하나 이상의 이들의 조합으로 제조됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 전극 밑에는 받침재료가 설치됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 전극과 받침재료 사이에는 절연층이 형성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 전극 위에는 임피던스 결합층이 형성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 전극과 임피던스 결합층 사이에는 접착층이 형성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 P(VDF-TrFE) 막은 P(VDF-TrFE) 분발을 MEK용액에 넣어 P(VDF-TrFE) 용액을 준비하는 제1단계; P(VDF-TrFE) 용액을 기판 상에 도포하고 건조후 기판에서 P(VDF-TrFE) 막을 제거하는 제2단계; P(VDF-TrFE) 막에 열을 가하면서 스트레칭하는 제3단계; 스트레칭 과정을 거친 P(VDF-TrFE) 막을 어닐링하는 제4단계; 및 어닐링 과정을 거친 P(VDF-TrFE) 막을 폴링하는 제5단계; 를 포함하여 제조됨을 특징으로 한다.
또한, 제1단계에서 P(VDF-TrFE) 용액은 필터링 과정을 통해 설정 크기 이상의 입자를 걸러주고 용해가 덜된 입자와 불순물을 제거함을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기에 의하면, 열적 안정성이 향상되면서 두께 1㎛ 내외의 얇고 균일한 접착층을 구현할 수 있다.
또한, 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막의 용융온도보다 약 섭씨 5~10도 낮은 온도에서 접합가능하다.
또한, PVDF 기반의 폴리머의 부분 용융에 의한 본딩이 가능하다.
또한, 접착층으로 사용되는 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막은 단순 접착층 뿐만 아니라 내부에 존재하는 전기 쌍극자로 인해 초음파 변환기의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 일반 접착제의 사용 시 접착층이 센싱에 전혀 기여하지 못하는 단점을 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막이 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시례에 따른 단결정 P(VDF-TrFE) 막의 제조과정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 2의 제조과정을 거쳐 제조된 단결정 P(VDF-TrFE) 막의 X선 회절 측정 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시례에 따른 단결정 P(VDF-TrFE) 막의 제조과정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 2의 제조과정을 거쳐 제조된 단결정 P(VDF-TrFE) 막의 X선 회절 측정 그래프이다.
이하 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기는, 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)이 1층 구조이거나 또는 다층 구조일 수 있다.
먼저, 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)이 1층 구조인 경우의 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기는, 1층으로 구성되는 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)과, 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)의 상면에 형성되는 상부 전극(11)과 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)의 하면에 형성되는 하부 전극(12)과, 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)과 상부 전극(11) 사이 및 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)과 하부 전극(12) 사이에 이들의 접합을 위해 형성되는 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기는, 복수의 층으로 구성되는 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)과, 최상단 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)의 상부에 형성되는 상부 전극(11)과 최하단 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)의 하부에 형성되는 하부 전극(12)과, 각 복수의 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10) 사이와 최상단 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)과 상부 전극(11) 사이 및 최하단 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)과 하부 전극(12) 사이에 이들의 접합을 위해 형성되는 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)을 포함한다.
구체적으로, 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)은 도 1과 같이 3층의 다층으로 구성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)을 3층 이상으로 제작할 수도 있다. 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)은 다른 PVDF 기반의 폴리머 막도 사용할 수 있겠지만 분극이 정렬이 되어 있지 않지 않기 때문에 그 것만을 가지고는 사용하기가 어렵다. 따라서 본 발명에서는 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)을 사용하는 것이 바람직하다.
저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)은, 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)과 상부 전극(11) 및 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)과 하부 전극(12)을 견고하게 접합하는 역할을 한다. 뿐만 아니라 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)은, 내부에 존재하는 전기 쌍극자(electric dipole)로 인해 초음파 변환기의 성능을 향상시킬 수 있다. 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)은 대략 1㎛ 두께 내외의 접착층을 형성한다.
본 발명에 따른 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)은, 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)보다는 융점이 약 20~40 도 가량 낮다. 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)은, P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP) 중 선택되는 어느 하나로 제조되거나, 또는 적어도 하나 이상의 이들의 조합으로 제조된다. P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP)들은 P(VDF-TrFE) 보다는 낮은 녹는점(melting point)을 가지고 있다. 이에 본 발명에서는 PVDF 기반의 폴리머 막(13)을 "저융점 PVDF 기반의 폴리머 막"이라 한다.
한편, 본 발명에서 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)은 용융온도(melting temperature)가 섭씨 120도 내외 또는 이하인 폴리머 막이다.
결국, 상기한 재료들에 의해 만들어진 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)은 P(VDF-TrFE) 보다는 녹는점이 낮기 때문에 다른 층을 이루는 재질보다 먼저 녹으면서 접착제의 역할을 한다. 그러므로 복수의 층을 이루는 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10) 사이 또는 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)과 전극 사이를 효과적으로 견고하게 접합시킬 수 있다.
더욱 구체적으로, 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)을 사용한 이유는, 열(약 섭씨 110도)과 압력을 이용하게 되면, 이 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)이 부분적으로 녹게 되는데, 이를 이용하여 위 아래의 물질을 좀 더 강하게 접착시켜주는 접착제의 역할을 하게 된다.
따라서, 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)은 상변화 없이 그대로 유지 하게 되며 상대적으로 융점이 낮은 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)만 부분적으로 녹게 된다. 접착층으로 사용된 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)은 단순 접착층의 역할 뿐만 아니라 내부에 존재하는 전기 쌍극자(electric dipole)로 인해 초음파 변화기의 성능을 향상시키는 역할을 한다.
도 1과 같이 상부 전극(11)과 하부 전극(12) 사이의 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)이 3층 구조일 경우에는 각 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10) 사이에도 이들의 접합을 위한 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)이 형성된다.
단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)은, PVDF 기반의 폴리머로 불소를 함유하고 있어 접착력이 좋지 않으나, 본 발명에서는 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)에 의해 이러한 문제를 해결할 수 있다. 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)은 P(VDFx-TrFE(1-x))에서 x가70~80 %인 고분자일 수 있다.
본 발명에서 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10: Single-crystalline P(VDF-TrFE))은, 스트레칭(Stretching) 공정을 통하여 단결정(single-crystalline)으로 만들어진 것이기 때문에 "단결정 P(VDF-TrFE) 막"이라 한다. 또한, 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)은, 스트레칭 공정을 통하여 단결정으로 만들어진 것이기 때문에 "stretched P(VDF-TrFE)"라고 할 수도 있다.
상부 전극(11) 및 하부 전극(12)은, 알루미늄, 금, 구리, 니켈, 크롬 중 선택되는 어느 하나의 금속 또는 이들의 조합일 수 있다.
참고로 P(VDF-TrFE)는, PVDF 기반의 고분자 중에서 두 개의 단분자 VDF (vinylidene fluoride)와 TrFE (trifluoroethylene)의 조합으로 구성되며, 다른 압전 고분자보다 높은 압전 특성을 보여주어 널리 사용되고 있는 압전 고분자 중의 하나로 알려져 있다.
도 1과 같이 하부 전극(12) 밑에는 각 압전재료들의 층착을 위한 기판 등과 같은 받침재료(14)가 설치된다. 받침재료(14)는 실리콘 기판, PVDF 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 하부 전극(12)과 받침재료(14) 사이에는 절연층(16)이 형성될 수 있다.
상부 전극(11) 위에는 임피던스 결합층(15)이 형성된다. 임피던스 결합층(15)과 상부 전극(11) 사이는 접착층(17)에 의해 접합된다. 참고로 P(VDF-TrFE)의 퀴리온도(Curie temp.)= 섭씨 122도 이고, 용융온도(melting temp.)= 섭씨 150도 이다.
다음은 단결정 P(VDF-TrFE) 막의 제조과정에 대해 설명한다. 도 2와 같이 본 발명에 따른 단결정 P(VDF-TrFE) 막의 제조과정은, 용액을 준비하는 제1단계(S100)와, 용액을 기판 상에 도포하고 건조후 기판에서 P(VDF-TrFE) 막을 제거하는 제2단계(S200)와, 스트레칭(Stretching)하는 제3단계(S300)와, 어닐링(Annealing)하는 제4단계(S400)와, 폴링(Poling)하는 제5단계(S500)를 포함한다.
구체적으로 제1단계(S100)는, P(VDF-TrFE) 용액을 준비하는 단계로서 P(VDF-TrFE) 파우더를 에틸메틸케톤(MEK)용액에 투입하여 혼합하는 단계이다. 한편, P(VDF-TrFE) 용액은 설정 크기 이상의 입자를 걸러주고 용해가 덜된 입자와 불순물을 제거하는 필터링 과정을 거친다.
제2단계(S200)는, P(VDF-TrFE) 용액을 기판 상에 도포한 다음 P(VDF-TrFE) 용액이 건조되면 기판에서 P(VDF-TrFE) 막을 제거하는 단계이다. 이때, 건조시 자연건조 또는 N2 등과 같은 가스를 불어넣을 수 있다.
제3단계(S300)는, P(VDF-TrFE) 막에 온풍을 가하면서 대략 5시간 동안 스트레칭하는 단계이다. 구체적으로 롤러에 지지된 P(VDF-TrFE) 막을 한쪽 방향으로 잡아당긴다. 당기는 과정에서 P(VDF-TrFE) 막에 온풍을 공급하여 스트레칭이 극대화될 수 있게 한다.
제4단계(S400)는, 스트레칭 과정을 거친 P(VDF-TrFE) 막을 어닐링하는 단계이다. 구체적으로 프리 스탠딩(free-standing) P(VDF-TrFE) 막을 섭씨 140도로 풀림 한다. 어닐링 과정을 통해 P(VDF-TrFE) 막의 결정 입자를 극대화하여 압전특성을 높일 수 있다.
제5단계(S500)는, 전기장을 가하여 극성을 만들기 위해 폴링을 하는 단계이다. 압전소자는 그 특성을 향상시키기 위해 대부분 소자제조 후 동작되기 전에 폴링(poling)단계를 거치는데, 이는 온도와 전압을 인가하여 압전특성을 향상시키기 위한 것이다.
이와 같은 과정을 거친 본 발명의 단결정 P(VDF-TrFE) 막은, 통상의 P(VDF-TrFE) 막에 비해 두께는 더 얇아지고 표면은 더 거친 특성을 가진다.
도 3의 그래프를 통해, 스트레칭과 필터링을 모두 거친 단결정 P(VDF-TrFE) 막이 XRD 강도가 더 높기 때문에 결정성이 가장 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명의 단결정 P(VDF-TrFE) 막은, P(VDFx-TrFE(1-x))에서 x=0.7~0.8일 때 얻을 수 있다. 본 발명의 단결정 P(VDF-TrFE) 막은 전기 쌍극자(Electrical dipole)들이 막의 표면에 대하여 30도 기울어진 방향으로 배열된다. 본 발명의 단결정 P(VDF-TrFE) 막은 단결정 재료이므로 전기적 분극의 역전 재배열 및 상변이에 대한 에너지 장벽(energy barrier)이 높아 통상의 P(VDF-TrFE) 막에 비해 고온에서 열적 안정성이 우수하다.
그러나 본 발명의 단결정 P(VDF-TrFE) 막은, P(VDF-TrFE) 막에 비해 스트레칭 과정에서 당겨진 방향으로 매우 잘 부서지기 쉽다. 또한, 본 발명의 단결정 P(VDF-TrFE) 막은 통상의 P(VDF-TrFE) 막에 비해 접착력이 좋지 않으며, 스트레칭(Stretching) 공정으로 인해 표면이 약간 거친 단점이 있다.
따라서, 이러한 기술적인 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)을 용이하게 접합할 수 있도록 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)과 상부 전극(11) 사이 및 단결정 P(VDF-TrFE) 막(10)과 하부 전극(12) 사이에 접합층으로서 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)을 사용한다.
본 발명은 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)의 용융온도보다 약 섭씨 5~10도 낮은 온도에서 접합 가능하다. 또한, 본 발명은 PVDF 기반의 폴리머의 부분 용융에 의한 본딩이 가능하다. 또한, 본 발명은 두께 1㎛ 내외의 얇고 균일한 접착층을 구현할 수 있다.
접착층으로 사용되는 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)은 단순 접착층 뿐만 아니라 내부에 존재하는 전기 쌍극자로 인해 초음파 변환기의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 일반 접착제의 사용 시 접착층이 센싱(sensing)에 전혀 기여하지 못하는 단점을 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막(13)이 해결할 수 있다.
이상, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정하여져야 할 것이다.
10:단결정 P(VDF-TrFE) 막 11:상부 전극 12:하부 전극
13:저융점 PVDF 기반의 폴리머 막 14:받침재료 15:임피던스 결합층
16:절연층 17:접착층
13:저융점 PVDF 기반의 폴리머 막 14:받침재료 15:임피던스 결합층
16:절연층 17:접착층
Claims (14)
- P(VDF-TrFE) 막:
상기 P(VDF-TrFE) 막의 상면에 형성되는 상부 전극;
상기 P(VDF-TrFE) 막의 하면에 형성되는 하부 전극; 및
상기 P(VDF-TrFE) 막과 상부 전극 사이 및 P(VDF-TrFE) 막과 하부 전극 사이에 이들의 접합층을 형성하는 PVDF 기반의 폴리머 막; 을 포함하고,
상기 PVDF 기반의 폴리머 막은,
P(VDF-TrFE) 막 보다 융점이 낮은 저융점 PVDF 기반의 폴리머 막임을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.
- 청구항 1에 있어서,
P(VDF-TrFE) 막은,
용융온도가 섭씨 150도~160도인 폴리머 막임을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 P(VDF-TrFE) 막은,
스트레칭 공정을 통해 단결정으로 만들어진 단결정 P(VDF-TrFE) 막임을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
PVDF 기반의 폴리머 막은,
P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TFE), P(VDF-HFA), P(VDF-TFE-HFP) 중 선택되는 어느 하나로 제조되거나, 또는 적어도 하나 이상의 이들의 조합으로 제조되는 것임을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.
- 청구항 5에 있어서,
상기 상부 전극과 하부 전극 사이의 P(VDF-TrFE) 막은,
복수의 층으로 구성되고 복수의 층으로 구성되는 각 P(VDF-TrFE) 막 사이에는 이들의 접합층을 형성하는 PVDF 기반의 폴리머 막이 형성됨을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.
- 청구항 3에 있어서,
상기 P(VDF-TrFE) 막은,
P(VDFx-TrFE(1-x))에서 x가70~80 %인 고분자임을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 상부 전극 및 하부 전극은,
알루미늄, 금, 구리, 니켈, 크롬 중 선택되는 어느 하나의 금속 또는 적어도 하나 이상의 이들의 조합으로 제조됨을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 하부 전극 밑에는,
받침재료가 설치됨을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.
- 청구항 9에 있어서,
상기 하부 전극과 받침재료 사이에는,
절연층이 형성됨을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.
- 청구항 1에 있어서,
상기 상부 전극 위에는,
임피던스 결합층이 형성됨을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.
- 청구항 11에 있어서,
상기 상부 전극과 임피던스 결합층 사이에는 접착층이 형성됨을 특징으로 하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기.
- 청구항 1의 P(VDF-TrFE) 막은,
P(VDF-TrFE) 분발을 MEK용액에 넣어 P(VDF-TrFE) 용액을 준비하는 제1단계;
P(VDF-TrFE) 용액을 기판 상에 도포하고 건조후 기판에서 P(VDF-TrFE) 막을 제거하는 제2단계;
P(VDF-TrFE) 막에 열을 가하면서 스트레칭하는 제3단계;
스트레칭 과정을 거친 P(VDF-TrFE) 막을 어닐링하는 제4단계; 및
어닐링 과정을 거친 P(VDF-TrFE) 막을 폴링하는 제5단계;
를 포함하여 제조되는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기의 P(VDF-TrFE) 막 제조방법.
- 청구항 13에 있어서,
제1단계에서,
P(VDF-TrFE) 용액은 필터링 과정을 통해 설정 크기 이상의 입자를 걸러주고 용해가 덜된 입자와 불순물을 제거하는 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기의 P(VDF-TrFE) 막 제조방법.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140056706A KR101539050B1 (ko) | 2014-05-12 | 2014-05-12 | 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기 |
| US14/710,264 US20150325228A1 (en) | 2014-05-12 | 2015-05-12 | Ultrasonic transducer using ferroelectric polymer |
| US14/710,250 US20150322220A1 (en) | 2014-05-12 | 2015-05-12 | Ultrasonic transducer using ferroelectric polymer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140056706A KR101539050B1 (ko) | 2014-05-12 | 2014-05-12 | 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101539050B1 true KR101539050B1 (ko) | 2015-07-23 |
Family
ID=53875579
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140056706A KR101539050B1 (ko) | 2014-05-12 | 2014-05-12 | 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US20150325228A1 (ko) |
| KR (1) | KR101539050B1 (ko) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3041059B1 (en) * | 2014-12-31 | 2019-09-11 | LG Display Co., Ltd. | Multilayer actuator and display device comprising the same |
| WO2018102666A1 (en) | 2016-12-01 | 2018-06-07 | Avery Dennison Retail Information Services, Llc | Functional substrates for printed electronic devices |
| US10527843B2 (en) | 2017-05-12 | 2020-01-07 | International Business Machines Corporation | Ultra-sonic self-cleaning system |
| US11285660B2 (en) * | 2017-05-12 | 2022-03-29 | Arkema France | Method of making relaxor ferroelectric fluoropolymers |
| FR3070042B1 (fr) | 2017-08-09 | 2020-08-21 | Arkema France | Transistor organique a effet de champ contenant une couche dielectrique a haute permittivite dielectrique et stable en temperature |
| FR3070041B1 (fr) * | 2017-08-09 | 2019-08-30 | Arkema France | Formulations a base de fluoropolymeres electroactifs et leurs applications |
| JP6995669B2 (ja) * | 2018-03-05 | 2022-01-14 | 株式会社クレハ | 圧電体フィルム、圧電体フィルムの製造方法、および、圧電体デバイス |
| US11309484B2 (en) * | 2019-01-13 | 2022-04-19 | Littelfuse, Inc. | PVDF piezoelectric reliability and electrode adhesion improvement |
| CN110752286B (zh) * | 2019-10-25 | 2023-04-07 | 业成科技（成都）有限公司 | 压电薄膜及其制备方法和压电薄膜传感器 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0774407A (ja) * | 1993-08-31 | 1995-03-17 | Toray Ind Inc | 圧電性高分子膜、表面波圧電素子および超音波トランスデューサ |
| KR100824745B1 (ko) * | 2006-12-28 | 2008-04-24 | 요업기술원 | 압전단결정과 압전폴리머를 이용한 복합 압전체 및 이의제조방법 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2045522B (en) * | 1979-04-03 | 1983-03-16 | Standard Telephones Cables Ltd | Piezo-electric film manufacture |
| US4302633A (en) * | 1980-03-28 | 1981-11-24 | Hosiden Electronics Co., Ltd. | Electrode plate electret of electro-acoustic transducer and its manufacturing method |
| EP0089770B1 (en) * | 1982-03-18 | 1987-03-11 | British Telecommunications | Piezoelectric and pyroelectric film |
| US4668449A (en) * | 1984-09-11 | 1987-05-26 | Raychem Corporation | Articles comprising stabilized piezoelectric vinylidene fluoride polymers |
| AU1590099A (en) * | 1997-11-18 | 1999-06-07 | Penn State Research Foundation, The | Ferroelectric relaxor polymers |
-
2014
- 2014-05-12 KR KR1020140056706A patent/KR101539050B1/ko active IP Right Grant
-
2015
- 2015-05-12 US US14/710,264 patent/US20150325228A1/en not_active Abandoned
- 2015-05-12 US US14/710,250 patent/US20150322220A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0774407A (ja) * | 1993-08-31 | 1995-03-17 | Toray Ind Inc | 圧電性高分子膜、表面波圧電素子および超音波トランスデューサ |
| KR100824745B1 (ko) * | 2006-12-28 | 2008-04-24 | 요업기술원 | 압전단결정과 압전폴리머를 이용한 복합 압전체 및 이의제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20150322220A1 (en) | 2015-11-12 |
| US20150325228A1 (en) | 2015-11-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101539050B1 (ko) | 강유전 고분자를 이용한 초음파 변환기 | |
| CN103548164B (zh) | 压电元件用下部电极及具备它的压电元件 | |
| WO2014157050A1 (ja) | 圧電振動子、超音波プローブ、圧電振動子製造方法および超音波プローブ製造方法 | |
| JP2008232896A (ja) | 薄膜赤外線検出素子およびその製造方法 | |
| CN103684335A (zh) | 超声波探头及其制造方法、以及压电振动子及其制造方法 | |
| JP6043673B2 (ja) | 電気音響変換用高分子複合圧電体 | |
| JP6922128B2 (ja) | 薄膜キャパシター及びその製造方法 | |
| JP5728890B2 (ja) | 圧電素子およびその製造方法 | |
| JP6065022B2 (ja) | 誘電体デバイスの製造方法 | |
| JP5853846B2 (ja) | 圧電素子およびその製造方法 | |
| TWI755445B (zh) | 膜構造體及其製造方法 | |
| JP2010013327A (ja) | ペロブスカイト型酸化物単結晶の微細構造体及びその製造方法、複合圧電材料、積層型圧電振動子、超音波探触子、並びに、超音波診断装置 | |
| TW202209716A (zh) | 高分子壓電薄膜 | |
| WO2023145808A1 (ja) | 結晶、積層構造体、電子デバイス、電子機器及びこれらの製造方法 | |
| Li et al. | Micro-patterning of PZT thick film by lift-off using ZnO as a sacrificial layer | |
| CN104882277A (zh) | 层状复合结构可调控电容和压电应力调控介电的方法 | |
| KR101435913B1 (ko) | 에너지 하베스터 층상구조 및 이의 제조 방법 | |
| CN104752602B (zh) | 具备pzt膜的传感器元件的制造方法 | |
| JP2013201346A (ja) | 圧電素子及び圧電素子の製造方法 | |
| JP5861404B2 (ja) | 圧電素子およびその製造方法 | |
| JP6934746B2 (ja) | 圧電膜を有する積層基板、圧電膜を有する素子および圧電膜を有する積層基板の製造方法 | |
| JP2013225546A (ja) | 圧電素子およびその製造方法 | |
| JP2004281742A (ja) | 半導体素子、半導体センサーおよび半導体記憶素子 | |
| JP6973745B2 (ja) | Ｐｚｔ薄膜積層体の製造方法 | |
| KR101113614B1 (ko) | 압전체 후막의 제조 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180620 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190605 Year of fee payment: 5 |