TWI448381B - Process Method and System of PVDF Piezoelectric Film without Metallization Electrode - Google Patents

Process Method and System of PVDF Piezoelectric Film without Metallization Electrode Download PDF

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Description

無金屬化電極之聚偏氟乙烯壓電膜的製程方法及其系統
本發明係關於一種無金屬化電極之極化聚偏氟乙烯(PVDF)膜的製程方法及其系統。
壓電效應是利用材料型變將機械能轉換成電能，或者將電能轉換成機械能。自從1942年發現鈦酸鋇(BaTiO3 )的壓電特性之後，各式各樣壓電材料的研究就不斷地發展。
以往的壓電材料大都以鈦酸鋇及鋯鈦酸鉛等無機陶瓷材料為主，一般而言，壓電陶瓷材料具有體積小、反應快速、位移消耗功率低等特色，但使用上仍有限制，如材質易脆等，當它承受不均勻的力量時，很容易破壞材料的結構。近年來以聚偏氟乙烯(Polyvinylidene，PVDF)為代表的有機高分子材料最受注目，當對此PVDF壓電材料的某一方向施加壓力而產生形變時，偶極的大小及方向也隨之變化，因此電荷量也隨之變化，因而產生電壓。
然而若欲利用PVDF膜的壓電特性，必須先將特定結構相型的PVDF進行DC高電壓極化，使其產生一定極化方向才具有壓電特性。然而，一般而言，受限於PVDF本身的材料特性，進行高電壓極化時，在不擊穿破壞材料結構條件下，施加愈高極化電場可獲得更好的極化特性。
有鑑於此，本發明之目的是提供一種有別於先行使用金屬化電極製作再進行PVDF極化之傳統製程，如此可達到無金屬化電極且可施加更高電場極化之效果，以獲得更佳之PVDF極化製程。
本發明之主要目的係在提供一種可耐高壓的無金屬化電極之極化聚偏氟乙烯(PVDF)膜的製程方法，以獲得較佳之極化且表面無金屬化電極之PVDF壓電膜。
本發明之另一主要目的係在提供一種極化系統，其可對聚偏氟乙烯(PVDF)膜施加更高極化電場，以獲得較佳之極化效果。
為達成上述之目的，本發明提供一種表面無金屬化電極之極化一聚偏氟乙烯(PVDF)膜的極化製程方法。本發明之方法是對經過拉伸至ß相聚偏氟乙烯膜進行極化，該製程方法其包括：步驟S31：提供一聚偏氟乙烯(PVDF)膜，且該PVDF膜為經過拉伸轉相的ß相聚偏氟乙烯膜；步驟S32：提供二玻璃基底，且二玻璃基底分別具有氧化銦錫(ITO)層，PVDF膜位於二玻璃基底之間，且二ITO層分別鍍著在PVDF膜之上與下；以及步驟S33：對二ITO層施加一DC極化電場，進行極化方向於膜厚之方向平行之d33型厚度極化，且該DC極化電場為約400至900kV/cm。
此製程對於薄PVDF膜更佳，更適用於PVDF膜的厚度為小於10微米(μm)。各玻璃基底包括一浮式鈉鈣玻璃(soda lime float glass)，且各該浮式鈉鈣玻璃具有一厚度，該浮式鈉鈣玻璃的厚度為約1.0毫米(mm)。各ITO層具有一厚度，且該ITO層的厚度為約150奈米(nm)。極化後之PVDF膜具有壓電特性，其壓電常數為d33，可達18pC/N 以上。
其中對二ITO層施加DC極化電場，其係在室溫一環境操作即可完成厚度極化，若在更高溫環境條件下可獲得更佳的極化效果。
除此之外，本發明還提供一種極化系統，其包含：一電源供應器、一聚偏氟乙烯(PVDF)膜及二玻璃基底。該聚偏氟乙烯膜為經過拉伸轉相至具有ß相聚偏氟乙烯膜。二玻璃基底分別具有氧化銦錫(ITO)層，PVDF膜位於該二玻璃基底之間，且二ITO層分別鍍著在該PVDF膜之上與下。該電源供應器電性連接至二ITO層，以施加一DC極化電場，且該DC極化電場為約400至900kV/cm。
本發明之另一實施例為將ITO層僅塗覆在其中之一的玻璃基底上，且使該ITO層具有特定設計形狀，進行表面極化以獲得不同規劃形式之d31極化方向的無金屬化電極之特定極化組合PVDF壓電膜。
為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉具體實施例說明如下。
請先參考圖1的極化系統。本發明之極化系統包含：一電源供應器10、一聚偏氟乙烯(PVDF)膜11及二玻璃基底20。聚偏氟乙烯膜11為經過拉伸轉相至具有ß相聚偏氟乙烯膜。二玻璃基底20分別具有氧化銦錫(ITO)層22。較佳者，各玻璃基底20包括一浮式鈉鈣玻璃(soda lime float glass)21。
PVDF膜11位於該二玻璃基底20之間，且二ITO層22分別鍍著在該PVDF膜11之上與下。電源供應器10電性連接至二ITO層22，以施加一DC極化電場進行厚度方向d33型極化，且該DC極化電場為約400至900kV/cm。
在較佳實施例中，PVDF膜11具有一厚度，且PVDF膜11的厚度為小於10微米(μm)。各該浮式鈉鈣玻璃21具有一厚度，該浮式鈉鈣玻璃的厚度為約1.0毫米(mm)。各ITO層22具有一厚度，且該ITO層的厚度為約150奈米(nm)。
經過厚度方向d33型極化之後移除二玻璃基底，請參考圖2的完成極化的PVDF膜11’具有壓電特性，其壓電常數為d33。
請參考圖3的d33厚度極化之流程圖，其顯示本發明之極化製程方法。
本發明的製程方法其包括：
S31：提供一聚偏氟乙烯(PVDF)膜11，且該聚偏氟乙烯膜為經過拉伸轉相的ß相聚偏氟乙烯膜。
S32：提供二玻璃基底20，且二玻璃基底20分別具有氧化銦錫(ITO)層22，PVDF膜11位於二玻璃基底20之間，且二ITO層22分別鍍著在PVDF膜11之上與下。
S33：對二ITO層22施加一DC極化電場，且該DC極化電場為約400至900kV/cm。
較佳者，PVDF膜11具有一厚度，且PVDF膜11的厚度為小於10微米(μm)。各玻璃基底20包括一浮式鈉鈣玻璃(soda lime float glass)21，且各該浮式鈉鈣玻璃21具有一 厚度，該浮式鈉鈣玻璃的厚度為約1.0毫米(mm)。各ITO層22具有一厚度，且該ITO層的厚度為約150奈米(nm)。經厚度方向極化之後，該PVDF膜11具有壓電特性，其壓電常數為d33。對二ITO層施加高壓電場的步驟，其係在一般室溫環境進行施加DC極化電場進行厚度方向d33型極化，若在更高溫環境條件下可獲得更佳的極化效果。壓電常數d33可達18pC/N以上，較佳範圍為18-25pC/N。
請參考圖4，其顯示經過實驗結果，本發明利用ITO極化的PVDF膜，為表面無金屬化電極之極化方式，其焦電效應相較於傳統利用金屬極化的結果來的更好。
請參考圖5，其經實驗結果顯示，d33 及λ係數與所施加DC極化電場之關係圖，藉此比較本發明與傳統製程是使用金屬化電極之極化PVDF膜之極化結果。λ係數為，λ =(I /A )dT /dt 其中(I是電流，A是電極面積，dT/dt 是溫度變化比)。由於電荷係數g33 =d33 /(εr ε0 )，因此當d33 值愈大，g33 就愈大，藉此可獲得較佳的輸出電壓響應。
接著請參考圖6A與圖6B，其係FFT分析儀測量利用ITO極化的無金屬化電極之極化方式PVDF膜的結果。圖6A顯示施力與時間的關係圖。圖6B顯示在施力之情形下，時間與電壓值的關係。因此圖6A與圖6B可定義利用ITO極化的PVDF膜的靈敏度。
圖7顯示靈敏度與頻率的關係圖。由圖示可看出，利用ITO極化的PVDF膜相較於傳統的金屬化電極後極化的PVDF膜，靈敏度要高出許多。
本發明之無金屬化電極之表面d31型極化PVDF膜的 製作，則是僅在其中之一的玻璃基底上具有ITO層，且使該ITO層具有依需求設計之特定形狀電極組，以獲得不同的極化方向。請參考圖8A-8D，如在浮式鈉鈣玻璃21上塗覆具有特定形狀的ITO層22a電極組，且該特定形狀為二梳子彼此相對指叉型狀。經過電源供應器10電性連接至ITO層22a電極組，以施加DC極化電場進行ITO層22a電極組表面極化，且該DC極化電場為約400至900kV/cm。完成極化之後移除ITO層電極組22a，則如圖8C的前視圖及8D的上視圖所示，極化後的PVDF膜11a極化方向為箭頭方向，具有壓電特性，其壓電常數為d31。
請參考圖9A-9D的另一變化實施例，在浮式鈉鈣玻璃21上塗覆具有特定形狀的ITO層22b的電極組，且該特定形狀為二同心圓，且靠中間的同心圓為實心圓。經過電源供應器10電性連接至ITO層22b，以施加DC極化電場進行表面極化，且該DC極化電場為約400至900kV/cm。完成極化之後移除ITO層22b，則如圖9C的前視圖與圖9D的上視圖所示，極化後的PVDF膜11a極化方向為箭頭方向，具有壓電特性，形成極化方向與膜厚方向垂直之d31型表面極化。此d31型表面極化可由極化電極之型態變異，而製作成不同極化方向之無金屬化電極之特定極化組合之PVDF膜。其壓電常數d31可達15pC/N以上，較佳為15-20pC/N，甚至更高。
請參考圖10的d31表面極化之流程圖，其顯示本發明之表面極化製程方法。
本發明的製程方法其包括：
S81：提供一聚偏氟乙烯(PVDF)膜，且該聚偏氟乙烯膜為經過拉伸轉相的ß相聚偏氟乙烯膜。
S82：提供二玻璃基底，且二玻璃基底僅在其中之一的玻璃基底上具有氧化銦錫(ITO)層22a或22b，另一個玻璃基底則為空白無電極；PVDF膜11位於二玻璃基底之間，且該ITO層鍍著在該PVDF膜之上，其中該ITO層具有一特定形狀。且該特定形狀為二梳子彼此相對指叉型狀，如圖8A所示；或者，該特定形狀為二同心圓，且靠中間的同心圓為實心圓，如圖9A所示。
S83：對該ITO層22或22b施加DC極化電場，且該DC極化電場為約400至900kV/cm。
綜上所陳，本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術之特徵，懇請 貴審查委員明察，早日賜准專利，俾嘉惠社會，實感德便。惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
10‧‧‧電源供應器
11‧‧‧聚偏氟乙烯(PVDF)膜
11’、11a、11b‧‧‧極化後的PVDF膜
20、20a、20b‧‧‧玻璃基底
22、22a、22b‧‧‧氧化銦錫(ITO)層
21‧‧‧浮式鈉鈣玻璃(soda lime float glass)
圖1係本發明之極化系統。
圖2顯示完成極化後之PVDF膜。
圖3係顯示本發明之無金屬化電極之厚度極化聚偏氟乙烯(PVDF)膜的製程方法流程圖。
圖4為比較本發明與傳統製程是使用金屬化電極之極化PVDF膜的焦電效應圖。
圖5為比較本發明與製程是先金屬化電極後極化PVDF膜的d33 及λ係數與所施加極化電場之關係圖。
圖6A與圖6B，其係FFT分析儀測量利用無金屬化電極之ITO極化的PVDF膜的結果。
圖7為比較本發明與傳統製程是先金屬化電極後極化的PVDF膜，顯示靈敏度與頻率的關係圖。
圖8A與圖9A為其他實施例，顯示ITO層具有不同極化電極組的圖案，以產生不同表面極化的極化方向。
圖8B與圖9B為依據圖8A與圖9A的ITO層圖案，分別顯示其極化系統。
圖8C、8D與圖9C分別顯示依據圖8B與圖9B完成極化之後的PVDF膜正面示意圖。
圖9D顯示依據圖9B完成極化之後的PVDF膜俯視示意圖。
圖10為顯示本發明之無金屬化電極之表面極化聚偏氟乙烯(PVDF)膜的製程方法流程圖。
10‧‧‧電源供應器
11‧‧‧聚偏氟乙烯膜
20‧‧‧玻璃基底
22‧‧‧氧化銦錫層
21‧‧‧浮式鈉鈣玻璃

Claims (10)

  1. 一種無金屬化電極之極化製程方法，其包括：提供一聚偏氟乙烯(PVDF)膜，且該PVDF膜的厚度小於1.0毫米(mm)且為經過拉伸轉相的ß相聚偏氟乙烯膜；提供二玻璃基底，且該二玻璃基底分別具有氧化銦錫(ITO)層，該PVDF膜位於該二玻璃基底之間，且該二ITO層分別鍍著在該PVDF膜之上與下；以及對該二ITO層施加一DC極化電場，且該DC極化電場為約400至900kV/cm，以使該PVDF膜產生極化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其中，各玻璃基底包括一浮式鈉鈣玻璃(soda lime float glass)，且各該浮式鈉鈣玻璃具有一厚度，該浮式鈉鈣玻璃的厚度為約1.0毫米(mm)；各ITO層具有一厚度，且各該ITO層的厚度為約150奈米(nm)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之製程方法，極化後之PVDF膜具有壓電特性，其壓電常數為d33，可達18pC/N以上。
  4. 一種無金屬化電極之極化製程方法，其包括：提供一聚偏氟乙烯(PVDF)膜，且該PVDF膜為經過拉伸轉相的ß相聚偏氟乙烯膜；提供二玻璃基底，且該二玻璃基底其中之一具有氧化銦錫(ITO)層，該PVDF膜位於該二玻璃基底之間，且該ITO層鍍著在該PVDF膜之上，其中該ITO層具有一特定形狀，且該特定形狀為二梳子彼此相對指叉型狀；以及對該二梳子的ITO層施加一DC極化電場，且該DC極化電場為約400至900kV/cm，以使該PVDF膜產生極化。
  5. 一種無金屬化電極之極化製程方法，其包括：提供一聚偏氟乙烯(PVDF)壓電膜，且該PVDF膜為經過拉伸轉相的ß相聚偏氟乙烯膜；提供二玻璃基底，且該二玻璃基底其中之一具有氧化銦錫(ITO)層，該PVDF膜位於該二玻璃基底之間，且該ITO層鍍著在該PVDF膜之上，其中該ITO層具有一特定形狀，且該特定形狀為二同心圓，且靠中間的同心圓為實心圓；以及對該二同心圓的ITO層施加一DC極化電場，且該DC極化電場為約400至900kV/cm，以使該PVDF膜產生極化。
  6. 如申請專利範圍第4或5項所述之製程方法，極化後之PVDF膜具有壓電特性，其壓電常數為d31，可達15pC/N以上。
  7. 一種極化系統，其包含：一電源供應器；一聚偏氟乙烯(PVDF)壓電膜，且該PVDF膜為經過拉伸轉相至ß相的聚偏氟乙烯膜；二玻璃基底，且該二玻璃基底分別具有氧化銦錫(ITO)層，該PVDF膜位於該二玻璃基底之間，且該二ITO層分別鍍著在該PVDF膜之上與下；其中，該電源供應器電性連接至該二ITO層，以施加一DC極化電場，且該DC極化電場為約400至900kV/cm，以使該PVDF膜產生極化。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之極化系統，其中該PVDF膜具有一厚度，且該PVDF膜的厚度為小於10微米(μm)。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之極化系統，其中各玻璃基底包括一浮式鈉鈣玻璃(soda lime float glass)，且各該浮式鈉鈣玻璃具有一厚度，該浮式鈉鈣玻璃的厚度為約1.0毫米(mm)，各ITO層具有一厚度，且該ITO層的厚度為約150奈米(nm)。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之極化系統，極化後之PVDF膜具有壓電特性，其壓電常數為d33，可達18pC/N以上。
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