KR20160120106A - 아조벤젠 결합 pvdf필름을 이용하는 압전센서 및 그 제조방법 - Google Patents

아조벤젠 결합 pvdf필름을 이용하는 압전센서 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20160120106A
KR20160120106A KR1020150049203A KR20150049203A KR20160120106A KR 20160120106 A KR20160120106 A KR 20160120106A KR 1020150049203 A KR1020150049203 A KR 1020150049203A KR 20150049203 A KR20150049203 A KR 20150049203A KR 20160120106 A KR20160120106 A KR 20160120106A
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Abstract

본 발명은 아조벤젠 결합 PVDF필름을 이용하는 압전센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일예와 관련된 압전센서는 압전재료의 양면에 전극을 형성하여 이루어지는 압전센서에 있어서, 상기 압전재료는 아조벤젠 및 PVDF가 결합된 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름일 수 있다.

Description

아조벤젠 결합 PVDF필름을 이용하는 압전센서 및 그 제조방법{Piezoelectric sensor using PVDF film bonded with azobenzene, manufacturing method thereof}
본 발명은 아조벤젠 결합 PVDF필름을 이용하는 압전센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 강유전성을 갖는 β상의 PVDF필름 이용하는 압전센서를 용이하게 제조하기 위해 아조벤젠을 이용하는 제조방법 및 그 제조방법에 따라 제조된 압전센서에 관한 것이다.
압전소자는 압전기(壓電氣) 현상을 나타내는 소자로서, 대표적인 예로서는 수정, 전기석, 로셸염 등이 있다. 상기 압전소자는 피에조 전기소자라고도 한다.
여기서, 압전기 현상 즉, 압전성은 압전 소자에 일정한 방향에서 압력을 가하면 소자의 양면에 외력에 비례하는 유전 분극이 발생하여 전기가 생성되는 특성을 말며, 이는 피에조 전기(Piezo-electric)라고도 한다. 또한 반대로 압전소자에 전기적인 방법으로 유전 분극을 일으키게 하면 힘이 발생하여 변형이 생기기도 한다.
이에 따라 최근에는 상기한 압전특성을 이용하여 압전재료가 다양한 분야에서 응용되고 있다.
특히, 압전재료의 양면에 전극을 형성하여 구성되는 압전 센서에 있어서 종래에는 상기 압전재료로서 PZT가 많이 사용되고 있다. 하지만, 세라믹의 한 종류인 PZT는 대면적화, 초박막화, 초미세화, 저온가공성, 유연성 등의 문제로 인하여 한계점에 다다른 상태에 있다. 이러한 PZT를 대체할수 있는 재료로 압전, 초전성과 관련이 있는 강유전성 고분자를 이용하려는 연구가 많이 진행되고 있으며, 대표적으로 널리 사용되는 강유전성 고분자로는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF)를 들 수 있다.
PVDF는 일정 크기 이상의 외부전장(coercive field)을 가하면 C-F 쌍극자가 전장을 가한 방향으로 선택적인 배향을 함으로써 시료 전체의 분극도가 상당히 큰 값을 갖게 되고, 외부전장을 제거하더라도 C-F 쌍극자가 본래의 상태로 되돌아가지 못함으로써 잔류분극도(remanent polarization)가 존재하여 압전성과 초전성을 나타내게 된다.
이러한 PVDF는 제조 조건에 따라 4 가지의 결정구조 (α,β,γ,δ)를 갖는다. 그러나, α-결정은 분자쇄가 "trans-gauche-trans-gauche"으로 되어있으므로 분자쇄 자체의 분극도는 매우 작다. 또한 결정격자 내에서 이들 분자쇄가 서로 마주보게 분자쇄가 배열되어 있어 α-결정의 총 분극도가 0이 되어 강유전성을 가질 수 없다.
반면, β-상은 분자쇄가 모두 트랜스(all-trans) 형태로 되어 있어 분자쇄 자체의 분극도가 가장 큰 동시에 결정격자 내에서도 모든 분자쇄가 동일한 방향으로 배열되어 있어 최대의 분극도를 나타낼 수 있다. 따라서, 압전 또는 초전재료로 사용되는 폴리비닐리덴 플루오라이드 필름은 가능한 많은 β-상을 갖게 하려는 연구가 수행되고 있다.
대한민국 특허출원 제10-2010-0017762호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 우수한 압전성을 가지는 β-상의 PVDF 필름를 용이하게 제조하기 위해 아조벤젠을 이용하고, 이와 같이 제조된 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름을 압전재료로서 이용하는 압전센서를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 외부의 물리적인 자극뿐만 아니라, 빛의 파장이나 세기 등을 감지하는 센서를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 압전센서는 압전재료의 양면에 전극을 형성하여 이루어지는 압전센서에 있어서, 상기 압전재료는 아조벤젠 및 PVDF가 결합된 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름일 수 있다.
또한, 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름은 PVDF와 아조벤젠인 용해된 용액의 용매가 증발되어 제조될 수 있다.
또한,상기 용매는 극성 용매일 수 있다.
또한,상기 극성 용매는 에틸아세테이트, THF(Tetrahydrofuran), 부틸 알콜(butyl alcohol), IPA(isopropyl antipyrine), 아세톤(acetone) 및 또한,아세토니트릴(acetonitrile) 중 적어도 어느 하나 수 있다.
또한,상기 용액은 탄소나노튜브(CNT)를 더 포함할 수 있다.
또한,상기 탄소나노튜브는 상기 용액에 대하여 0.01 내지 0.1 중량%로 포함될 수 있다.
또한,상기 용액은 메탈 파티클을 더 포함할 수 있다.
또한,상기 용매가 증발될 시 상기 용액 위로 기체의 유동이 형성될 수 있다.
또한,상기 기체는 불활성 기체일 수 있다.
한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 압전센서 제조방법은 압전재료를 구비하는 단계; 상기 압전재료의 양면에 전극을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 압전재료는 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름이고, 상기 압전재료를 구비하는 단계는, PVDF와 아조벤젠을 중합하여 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액을 제조하는 제 1 단계; 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액을 기판 상에 도포하는 제 2 단계; 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액의 용매를 증발시켜 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름을 형성하는 제 3 단계; 및 상기 기판을 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름으로부터 분리하는 제 4 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 제 1 단계는, PVDF 용액과 아조벤젠 용액을 혼합하는 방법, PVDF 용액에 아조벤젠을 분산시키는 방법 및 아조벤젠 용액에 PVDF를 분산시키는 방법 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다.
또한, 상기 PVDF 용액의 용매는 MIBK (methyl isobutyl ketone), MEK (methyl ethyl ketone),NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMF (dimethylformamide) 및 DME(dimethyl ether) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 아조벤젠 용액의 용매는, 극성 용매일 수 있다.
또한, 상기 아조벤젠 용액의 용매는, 에틸아세테이트, THF(Tetrahydrofuran), 부틸 알콜(butyl alcohol), IPA(isopropyl antipyrine), 아세톤(acetone) 및 아세토니트릴(acetonitrile) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제 1 단계는, 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액에 탄소나노튜브(CNT)를 분산시키는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액에 대하여 0.01 내지 0.1 중량%일 수 있다.
또한, 상기 제 1 단계는, 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액에 메탈 파티클(metal particle)을 분산시키는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 단계 후,상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액에 가시광선을 조사하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 제 2 단계에서, 어플리케이터를 사용하는 방법, 바코터를 사용하는 방법 및 스핀 코팅 방법 중 적어도 하나의 방법을 사용할 수 있다.
또한, 상기 기판은 친수성 코팅 처리된 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 기판은 유리 또는 폴리머로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제 3 단계에서, 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액 위로 기체의 유동을 만들어 상기 용매의 균일한 휘발을 유도할 수 있다.
또한, 상기 기체는 불활성 기체일 수 있다.
또한, 상기 제 3 단계 후, 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름에 지지막을 접합하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지막은 실리콘 일래스토머(silicone elastomer) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지막은 PET(polyethylene terephthalate) 필름 상에 실리콘 일래스토머(silicone elastomer) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 코팅하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 4 단계 전, 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름과 상기 기판 사이의 접착력을 약화시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름과 상기 기판 사이의 접착력을 약화시키는 단계에서,상기 기판과 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름에 습윤 환경을 제공할 수 있다.
또한, 상기 습윤 환경은 물, 증류수(distilled water), 탈이온수(deionized water) 또는 IPA(isopropyl alcohol)을 사용할 수 있다.
또한, 상기 제 4 단계 후, 풀림(annealing) 공정을 더 수행할 수 있다.
또한, 상기 제 4 단계 후, 폴링(electrical poling) 공정을 더 수행할 수 있다.
본 발명은 우수한 압전성을 가지는 β-상의 PVDF 필름를 용이하게 제조하기 위해 아조벤젠을 이용하고, 이와 같이 제조된 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름을 압전재료로서 이용하는 압전센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 압전센서를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시례에 따라 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액을 제조하는 것을 나타낸 그림이다.
도 4a는 트랜스형 아조벤젠의 화학구조를 나타내고, 도 4b는 시스형 아조벤젠의 화학구조를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따라 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액에 가시광선을 조사하는 것을 나타낸 그림이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시례에 따라 기판에 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액이 도포된 것을 나타내고, 도 6b는 본 발명의 일 실시례에 따라 어플리케이터를 사용하여 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액을 균일한 두께로 형성하는 것을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시례에 따라 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액의 용매가 증발되는 것을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따라 지지막이 PVDF-아조벤젠 필름위에 지지막이 접합된 것을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시례에 따라 필름을 분리하기 위해 습윤 환경을 조성한 것을 나타낸다.
도 10a는 본 발명의 일 실시례에 따라 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름이 기판으로부터 분리되는 것을 나타낸다.
도 10b는 본 발명의 일 실시례에 따라 제조된 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름이 접합된 전사막(TF)을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시례에 따라 제조한 PVDF-아조벤젠의 화학구조이다.
도 12는 본 발명의 일 실시례에 따라 제조한 PVDF-아조벤젠의 다른 화학구조이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 압전센서를 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 압전센서는 압전재료(10)의 양면에 제1 및 제2 전극(20)을 각각 코팅하여 이루어진다. 다만, 이러한 전극은 반드시 압전재료(10)의 양면을 모두 덮도록 코팅되어야 하는 것은 아니다.
여기서, 상기 제1 및 제2 전극(20)은 전도성을 갖는 물질, 즉 금속물질로서 이루어질 수 있다.
또한, 상기 압전재료(10)로는 PVDF 필름이 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이 PVDF는 분자쇄가 트랜스형태인 β-상의 PVDF가 좋은 압전특성을 나타내며, 이하에서는 β-상의 PVDF 필름을 용이하게 형성하기 위해 아조벤젠을 이용하는 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름 제조 방법을 설명한다.
강유전 폴리머인 PVDF(polyvinylidene fluoride)는 전기장에 의해서 반복적으로 변환될 수 있는 쌍안정 잔류분극(bistable remanent polarization)을 가지기 때문에 압전센서에 매우 유용하게 적용될 수 있다.
PVDF는 상당히 저렴하고, 화학적으로 불활성이며, 높은 온도에서 견딜 수 있으나, 4개(α,β,γ,δ)의 서로 다른 결정상 중 트랜스형의 β상만이 가장 좋은 강유전성을 나타낸다.
일반적으로, PVDF는 상온에서 만들어지고, 이 물질은 비극성상 속에서 결정화되기 때문에 상당히 거칠고 강유전 성질을 갖지 못한다. 따라서 트리플루오르에틸렌(trifluoroethylene)을 가진 PVDF 공중합체 (PVDF-TrFE))를 이용하는데, 이 물질은 만들기가 어렵고, 매우 비용이 많이 들며, 80℃ 이상의 온도에서 강유전성을 잃어버려 메모리 소자로써의 기능을 하지 못한다.
한편, 아조벤젠은 2개의 벤젠고리가 -N=N- 결합으로 연결된 분자이다. 질소의 비공유 전자쌍 때문에 아조벤젠은 시스형과 트랜스형의 두 가지 기하이성질체(geometric isomer)가 존재한다. 열역학적으로 상온에서는 트랜스형 아조벤젠이 상대적으로 더 안정하기 때문에 트랜스형 아조벤젠이 일반적인 상태에서 우세하게 존재한다. 하지만 트랜스형 아조벤젠에 자외선 영역의 빛을 조사하면 시스형 아조벤젠으로 이성질화가 일어난다. 이는 전이상태에서 시스형 아조벤젠이 더 안정하기 때문이다. 이러한 이성질화 반응은 빛에 의해 가역적으로 일어나는 특징을 가지고 있다.
따라서, 본 발명에서는 강유전체층으로 사용하기 위한 강유전성을 나타내는 트랜스형의 β상 PVDF 필름을 형성하기 위해서 기하이성질체를 갖는 아조벤젠을 이용한다. 즉, 일반적인 방법으로는 구현하기 어려운 강유전성 PVDF 필름을 아조벤젠을 이용함으로써 손쉽게 강유전체 필름을 제조하는 방법을 제안하고자 한다.
즉, 아조벤젠과 폴리머를 형성하는 PVDF를 제조하며, 상온에서 트랜스형 구조를 가지는 아조벤젠을 이용하여 PVDF가 트랜스형 구조가 되도록 하는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름 제조방법을 나타낸 순서도이다.
PVDF-아조벤젠 폴리머 용액(100)을 제조한다(S110).
PVDF-아조벤젠 폴리머 용액(100)을 제조하기 위해서 (i) PVDF 용액(110)과 아조벤젠 용액(120)을 혼합하는 방법, (ii) PVDF 용액(110)에 아조벤젠을 분산시키는 방법 및 (iii) 아조벤젠 용액(120)에 PVDF를 분산시키는 방법 중 어떠한 방법이든 사용할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시례에 따라 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액을 제조하는 것을 나타낸 그림이다.
먼저, 도 3a는 (i) PVDF 용액(110)과 아조벤젠 용액(120)을 혼합하는 것으로서, PVDF를 용매에 용해시킨 용액과 아조벤젠을 용매에 용해시킨 용액을 따로 제조하여 두 용액을 혼합하는 것이다.
다음으로, 도 3b는 (ii) PVDF 용액(110)에 아조벤젠을 분산시키는 것으로서, 아조벤젠을 용매에 용해시킨 용액에 PVDF 파우더 또는 펠릿 등을 분산시키는 것이다.
그리고 도 3c는 (iii) 아조벤젠 용액(120)에 PVDF를 분산시키는 것으로서, PVDF를 용매에 용해시킨 용액에 아조벤젠 파우더 또는 펠릿 등을 분산시키는 것이다.
PVDF 용액(110)을 만들기 위한 용매로는 MIBK (methyl isobutyl ketone), MEK (methyl ethyl ketone),NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMF (dimethylformamide) 및 DME(dimethyl ether) 등을 사용할 수 있다.
또한, 아조벤젠 용액(120)을 만들기 위한 용매로는 헥산(n-hexane), 사이클로헥산(cyclohexane), 디옥산(1,4-dioxane), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 에틸에테르(ethyl ether), 에틸아세테이트, THF(Tetrahydrofuran), 부틸 알콜(butyl alcohol), IPA(isopropyl antipyrine), 아세톤(acetone) 및 아세토니트릴(acetonitrile) 등을 사용할 수 있다.
그런데 논문(아조벤젠 유도체의 이성질화 반응속도에 관한 연구, 대한화학회지, 1994)에 따르면 밀고-당기는 아조벤젠(pull-push azobenzene)은 시스형에서 트랜스형으로의 이성질화 반응이 극성 용매에서 더욱 빠르게 일어난다.
PVDF-아조벤젠은 pull-push 아조벤젠에 해당하므로 아조벤젠 용매를 사용할 때에는 극성용매를 사용하는 것이 바람직하고, 극성 용매로는 에틸아세테이트, THF(Tetrahydrofuran), 부틸 알콜(butyl alcohol), IPA(isopropyl antipyrine), 아세톤(acetone) 및 아세토니트릴(acetonitrile) 등이 있다.
이러한 극성 용매를 사용한다면 시스형으로 이루어진 아조벤젠은 더욱 빠르게 트랜스형으로 이성질화 할 것이다. 결과적으로, 아조벤젠이 트랜스형으로 형성되면 아조벤젠과 결합한 PVDF 또한 트랜스형으로 형성될 것이므로, 극성 용매를 사용하는 것이 트랜스형 아조벤젠을 제조하는 데 유리하다.
한편, PVDF-아조벤젠 용액(120)에 탄소나노튜브(CNT)를 첨가할 수 있다. 일반적으로 전기 전도도 등의 전기적 특성이 우수한 것으로 알려진 탄소나노튜브(CNT)는 PVDF 필름에 첨가제로 첨가되는 경우, 압전특성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 탄소나노튜브 뿐만 아니라 메탈 파티클(Metal Particle)을 첨가하는 경우에도 압전 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서 PVDF-아조벤젠 용액(120)에 탄소나노튜브(CNT) 또는 메탈 파티클을 첨가하면 압전특성이 향상된 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)을 얻을 수 있다.
한편, 탄소나노튜브는 PVDF-아조벤젠 용액(120)에 대하여 0.01 내지 0.1 중량%의 비율로 분산되는 것이 바람직하다. 탄소나노튜브가 PVDF-아조벤젠 용액(120)에 대하여 0.01 중량% 미만의 비율로 분산되는 경우에는 탄소나노튜브의 첨가로 인한 압전특성 향상효과가 미흡한 문제가 있고, 탄소나노튜브가 용액에 대하여 0.1 중량%를 초과하는 비율로 첨가되는 경우에는 상부전극과 하부전극간에 CNT를 통한 도통(THROUGH-HOLE)으로 인하여 압전 특성을 얻기 어려운 문제가 있다.
또한, 탄소나노튜브가 분산되는 양, 즉 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)으로 첨가되는 탄소나노튜브의 양에 따라 제조된 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)의 투명도(투과도)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 0.01 중량%의 탄소나노튜브가 첨가되는 경우에는 PVDF 필름의 투명도가 높은 반면, 0.1 중량%의 탄소나노튜브가 첨가되는 경우에는 PVDF 필름의 투과도가 낮아질 수 있다. 따라서, PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)의 용도에 따라 전기적 특성 및 투명도를 감안하여 탄소나노튜브의 첨가량을 적절히 조절할 수 있다.
이러한 탄소나노튜브를 분산시킬 때에는 초음파처리를 통해 용액에 균질하게 분산시킬 수 있다. 다만, 분산 방법은 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, PVDF-아조벤젠 폴리머 용액(100)에 가시광선을 조사한다(S120).
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따라 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액에 가시광선을 조사하는 것을 나타낸 그림으로서, 도 5와 같이 용액에 가시광선을 조사할 수 있다.
전술한 바와 같이 아조벤젠은 빛에 따라 반응하는 감광성을 가진다.
즉, 상온에서 도 4a와 같은 트랜스형 아조벤젠이 우세하게 존재한다. 그러나 이러한 아조벤젠에 자외선을 조사하면 도 4b와 같은 시스형 아조벤젠으로 이성질화 반응이 일어난다. 그리고 시스형 아조벤젠에 가시광선을 조사하면 트랜스형 아조벤젠으로 변한다.
345 내지 380nm의 파장을 갖는 빛의 조사에 의해서는 트랜스형에서 시스형으로 변하고, 400 내지 460nm의 파장을 갖는 빛의 조사에 의하여 트랜스 형태에서 시스 형태로의 이성질화가 일어난다.
본 발명에서는 트랜스형 구조를 갖는 β상의 PVDF를 형성시키는 것이 목적이므로 가시광선을 조사하여 아조벤젠이 트랜스형 구조를 갖게 함으로써 PVDF 또한 트랜스형 구조를 갖도록 할 수 있다.
다음으로, PVDF-아조벤젠 폴리머 용액(100)을 기판(200) 상에 도포한다(S130).
용액이 도포되는 기판(200)은 친수성 코팅 처리된 유리 또는 폴리머로 이루어진 친수성 코팅 처리된 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 유리 또는 폴리머로 이루어질 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시례에 따라 기판에 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액이 도포된 것을 나타내고, 도 6b는 본 발명의 일 실시례에 따라 어플리케이터를 사용하여 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액(100)을 균일한 두께로 형성하는 것을 나타낸다.
전 단계에서 제조한 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액(100)을 도 6a와 같이 기판(200) 상에 도포하고 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액(100)을 기판(200) 상에 균일한 두께(tw)로 도포하기 위해 어플리케이터(AP)를 사용할 수 있다. 이 뿐만 아니라 바코터(bar-coater)를 사용할 수 있고, 스핀 코팅 공법을 사용하여 도포된 용액이 균일하고 얇은 두께로 도포되도록 할 수 있다.
다음으로, PVDF-아조벤젠 폴리머 용액(100)의 용매를 증발시켜 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)을 형성한다(S140).
도 7은 본 발명의 일 실시례에 따라 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액의 용매가 증발되는 것을 나타내는 것으로서, 도 7과 같이 용매를 증발시켜 두께 td의 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)이 형성된다. 이 때, 기판(200)을 가열하거나 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액(100) 위로 기체의 유동을 만들어 용매의 휘발을 유도할 수 있으며, 예를 들어, N2, O2, Ar과 같은 불활성 기체의 일정한 유동을 만들어 용매를 균일하게 휘발시킬 수 있다.
이와 같이 용매가 증발되면 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)이 형성되어 필름을 기판(200)으로부터 분리시켜 사용할 수 있다. 다만, 이와 같이 형성된 필름을 분리시키기 위해 다음과 같은 단계를 더 수행할 수 있다.
PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)에 지지막(400)을 접합한다(S150).
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따라 지지막이 PVDF-아조벤젠 필름위에 지지막이 접합된 것을 나타내는 것으로서, 도 8과 같이 필름위에 지지막(400)을 접합시킬 수 있다.
지지막(400)은 실리콘 일래스토머(silicone elastomer) 또는 실리콘 일래스토머(silicone elastomer) 계열인 PDMS(polydimethylsiloxane)로 이루어질 수 있다. 또는, 지지막(400)(130)은 PET (polyethylene terephthalate)와 같은 재질의 폴리머 막 위에 실리콘 일래스토머(silicone elastomer)가 코팅된 형태이거나, PET (polyethyleneterephthalate)와 같은 재질의 폴리머 막 위에 PDMS (polydimethylsiloxane)가 코팅된 형태일 수 있다. 지지막(400)은 라미네이션 (lamination) 방법을 이용하여 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300) 위에 접합될 수 있다.
다음으로, PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)과 기판(200) 사이의 접착력을 약화시킨다(S160).
도 9는 본 발명의 일 실시례에 따라 필름을 분리하기 위해 습윤 환경을 조성한 것을 나타내는 것으로서, 필름을 기판(200)으로부터 분리하기 전 필름과 기판(200) 사이의 계면 접합력을 약화시키기 위해 습윤 환경(ME)을 조성할 수 있다. 예를 들어, 도시된 적층구조물을 증류수(distilled water)에 침수시킴으로써 기판(200)과 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300) 사이의 계면을 따라 물분자가 확산되도록 할 수 있다. 습윤 환경(ME)은 물, 증류수(distilled water), 탈이온수(deionized water) 또는 IPA(isopropyl alcohol)을 사용하여 조성할 수 있다.
다음으로, 기판(200)을 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)으로부터 분리한다(S170).
도 10a와 같이 지지막(400)과 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)이 기판(200)으로부터 용이하게 분리될 수 있으며, 이에 따라, 도 10b와 같이, 지지막(400) 위에 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)이 접합된 전사막(TF)이 제조될 수 있다.
다음으로, 풀림(annealing) 공정을 수행한다(S180).
PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)의 결정도 (crystallinity)를 향상시키기 위해 위의 풀림 (annealing) 공정을 추가할 수 있다. 이러한 풀림 공정의 시간과 온도를 최적화함으로써 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)의 구동성능을 향상시킬 수 있다.
또한, PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)에 대해 폴링(electrical poling) 공정을 추가할 수 있다. 폴링 공정은 압전 물질(piezoelectric materials)의 양단에 고전압을 가하여 전기적으로 분극되어 있는 쌍극자(dipole)들의 집합(domain)을 일정한 방향으로 정렬하는 공정이다. 이러한 폴링 공정에 따라, PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)의 압전성(piezoelectric characteristic)이 향상될 수 있다.
이하에서는 전술한 방법으로 제조한 PVDF-아조벤젠에 대해서 설명한다.
도 11은 본 발명의 일 실시례에 따라 제조한 PVDF-아조벤젠의 화학구조이다.
전술한 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름 제조방법에 따르면 PVDF-아조벤젠은 도 11과 같은 트랜스형 구조를 가지며, PVDF의 결정상은 β상이 되어 좋은 강유전성을 띄게 된다.
또한, PVDF-아조벤젠은 광조사에 의해 시스-트랜스 이성질화 반응이 일어난다. 즉, 도 11과 화학구조를 갖는 PVDF-아조벤젠은 자외선에 노출됨으로 인해 도 12와 같이 화학구조가 바뀔 수 있다.
이로 인해, PVDF-아조벤젠은 도 11과 같은 구조를 가질 때와 다른 성질을 갖게 된다.
따라서 이와 같이 제조된 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름을 사용하는 압전센서는 압전성에 따라 외부의 물리적인 자극을 감지할 수 있을 뿐만 아니라, 빛이 조사될 때 압전재료인 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름의 특성이 변경되는 것을 이용하여 빛의 파장이나 세기 등을 감지하는 센서로도 사용될 수 있다.
즉, PVDF-아조벤젠 폴리머 필름에 자외선이 조사되는 경우 아조벤젠의 구조는 트랜스형에서 시스형으로 바뀌게 되고, 이에 따라 트랜스형 구조를 가지던 PVDF의 구조 또한 바뀌며, 이러한 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름을 사용하는 압전센서의 특성이 변경된다. 이와 같이 조사되는 빛에 따라 압전센서의 특성이 변하므로 조사되는 빛을 감지하는 데 사용될 수 있는 것이다.
한편, 본 발명자가 연구한 바에 따른면 상기한 강유전 물질에 대하여 금속을 혼합하게 되면 금속의 종류과 그 혼합 비율에 따라 강유전 물질의 자발분극값이 변동된다는 것이 확인되었다.
즉, 강유전물질에 금속을 혼합하여 압전재료(10), 즉 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름(300)을 생성하는 경우 혼합되는 금속의 종류 및 중량에 따라 자발분극값이 변동되는 것을 이용하여 필요에 따라 강유전물질에 혼합되는 금속의 종류 및 중량비를 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 강유전물질에 금속물질을 혼합하여 양호한 압전특성을 갖는 압전재료의 양측에 전극을 형성함으로써, 압전특성이 양호한 압전센서의 제작이 가능하게 된다.
한편, 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
10 : 압전재료
20 : 전극
100 : PVDF-아조벤젠 폴리머 용액
110 : PVDF 용액
120 : 아조벤젠 용액
200 : 기판
300 : PVDF-아조벤젠 폴리머 필름
400 : 지지막

Claims (32)

  1. 압전재료의 양면에 전극을 형성하여 이루어지는 압전센서에 있어서,
    상기 압전재료는 아조벤젠 및 PVDF가 결합된 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름인 것을 특징으로 하는 압전센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름은 PVDF와 아조벤젠인 용해된 용액의 용매가 증발되어 제조되는 것을 특징으로 하는 압전센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 용매는 극성 용매인 것을 특징으로 하는 압전센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 극성 용매는 에틸아세테이트, THF(Tetrahydrofuran), 부틸 알콜(butyl alcohol), IPA(isopropyl antipyrine), 아세톤(acetone) 및 아세토니트릴(acetonitrile) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압전센서.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 용액은 탄소나노튜브(CNT)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 상기 용액에 대하여 0.01 내지 0.1 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 압전센서.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 용액은 메탈 파티클을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 용매가 증발될 시 상기 용액 위로 기체의 유동이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전센서.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 기체는 불활성 기체인 것을 특징으로 하는 압전센서.
  10. 압전재료를 구비하는 단계;
    상기 압전재료의 양면에 전극을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 압전재료는 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름이고,
    상기 압전재료를 구비하는 단계는,
    PVDF와 아조벤젠을 중합하여 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액을 제조하는 제 1 단계;
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액을 기판 상에 도포하는 제 2 단계;
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액의 용매를 증발시켜 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름을 형성하는 제 3 단계; 및
    상기 기판을 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름으로부터 분리하는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    제 1 단계는,
    PVDF 용액과 아조벤젠 용액을 혼합하는 방법, PVDF 용액에 아조벤젠을 분산시키는 방법 및 아조벤젠 용액에 PVDF를 분산시키는 방법 중 어느 하나의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 PVDF 용액의 용매는 MIBK (methyl isobutyl ketone), MEK (methyl ethyl ketone),NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone), DMF (dimethylformamide) 및 DME(dimethyl ether) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 아조벤젠 용액의 용매는, 극성 용매인 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 아조벤젠 용액의 용매는, 에틸아세테이트, THF(Tetrahydrofuran), 부틸 알콜(butyl alcohol), IPA(isopropyl antipyrine), 아세톤(acetone) 및 아세토니트릴(acetonitrile) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는,
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액에 탄소나노튜브(CNT)를 분산시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액에 대하여 0.01 내지 0.1 중량%인 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는,
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액에 메탈 파티클(metal particle)을 분산시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 단계 후,
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액에 가시광선을 조사하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  19. 제 10 항에 있어서,
    제 2 단계에서,
    어플리케이터를 사용하는 방법, 바코터를 사용하는 방법 및 스핀 코팅 방법 중 적어도 하나의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은 친수성 코팅 처리된 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 기판은 유리 또는 폴리머로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  22. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서,
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액 위로 기체의 유동을 만들어 상기 용매의 균일한 휘발을 유도하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 기체는 불활성 기체인 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  24. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 3 단계 후,
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름에 지지막을 접합하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 지지막은 실리콘 일래스토머(silicone elastomer) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 지지막은 PET(polyethylene terephthalate) 필름 상에 실리콘 일래스토머(silicone elastomer) 및 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  27. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 4 단계 전,
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름과 상기 기판 사이의 접착력을 약화시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름과 상기 기판 사이의 접착력을 약화시키는 단계에서,
    상기 기판과 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름에 습윤 환경을 제공하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 습윤 환경은 물, 증류수(distilled water), 탈이온수(deionized water) 또는 IPA(isopropyl alcohol)을 사용하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  30. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 4 단계 후,
    풀림(annealing) 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  31. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 4 단계 후,
    폴링(electrical poling) 공정을 더 수행하는 것을 특징으로 하는 압전센서 제조 방법.
  32. 압전센서 제조 방법을 수행하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현되어 있고, 상기 디지털 처리 장치에 의해 판독될 수 있는 기록매체에 있어서,
    상기 압전센서 제조 방법은,
    압전재료를 구비하는 단계;
    상기 압전재료의 양면에 전극을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 압전재료는 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름이고,
    상기 압전재료를 구비하는 단계는,
    PVDF와 아조벤젠을 중합하여 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액을 제조하는 제 1 단계;
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액을 기판 상에 도포하는 제 2 단계;
    상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 용액의 용매를 증발시켜 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름을 형성하는 제 3 단계; 및
    상기 기판을 상기 PVDF-아조벤젠 폴리머 필름으로부터 분리하는 제 4 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기록매체.
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