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표제지

요약

목차

명명법 9

1. 서론 10

1.1. 연구의 배경 및 목적 10

2. 이론적 배경 12

2.1. 유전성 12

2.1.1. BTO의 유전성 13

2.1.2. PVDF-TrFE의 유전성 16

2.1.3. BTO/PVDF-TrFE 압전 복합체의 유전성 18

2.2. 강유전성 20

2.3. 압전성 21

2.3.1. BTO/PVDF-TrFE 복합체의 압전 특성 21

3. 실험 장치 및 실험방법 25

3.1. 유무기 압전 복합체의 합성 25

3.1.1. BTO 나노 입자의 표면 처리 25

3.1.2. BTO@PDA/PVDF-TrFE 유무기 복합체의 제작 25

3.2. 유무기 압전 복합체의 특성 분석 28

4. 실험 결과 및 고찰 29

4.1. BTO 나노 입자의 특성 연구 29

4.1.1. TEM 분석을 통한 형상학적 특성 평가 29

4.1.2. TGA 분석을 통한 도파민 코팅층 질량비의 정성적 평가 30

4.1.3. XRD 분석을 통한 결정학적 특성 평가 31

4.2. BTO/PVDF-TrFE 유무기 복합체의 특성 연구 33

4.2.1. FE-SEM 분석을 통한 형상학적 특성 평가 33

4.2.2. FT-IR 분석을 통한 결정학적 특성 평가 36

4.2.3. 유전 특성 평가 39

4.2.4. 전기적 폴링에 따른 강유전 특성 평가 44

4.2.5. 누설 전류 분석을 통한 전기적 특성 평가 49

4.2.6. 압전 특성 평가 51

5. 결론 56

향후 연구 방향 57

참고 문헌 58

Abstract 61

표목차

Table. 2.1. Literature study for piezoelectric composite with surface modification. 19

그림목차

Fig. 2.1. Frequency dependencies of dielectric constant and losses induced by different types of polarization. 13

Fig. 2.2. Crystal structure of BTO unit cell with (a) cubic phase, (b) tetragonal phase. 14

Fig. 2.3. Temperature dependence of dielectric constant of BTO nanoparticles. 14

Fig. 2.4. Particle size dependence of dielectric constant of BTO nanoparticles. 15

Fig. 2.5. Schematic representation of PVDF-TrFE copolymer including VDF and TrFE monomers. 16

Fig. 2.6. Schematic representation of the chain conformation of PVDF. 17

Fig. 2.7. Frequency dependence of (a) dielectric permittivity, (b) dielectric loss of PVDF. 17

Fig. 2.8. Connectivity patterns for two-phase piezoelectric composite. 18

Fig. 2.9. Schematic representation of effective medium theory for 0-3 two-phase piezoelectric composite. 19

Fig. 2.10. Polarization-Electric field hysteresis loop(blue line) and Strain-Electric field butterfly loop(pink line) of a typical ferroelectric crystal... 20

Fig. 2.11. Schematic of piezoelectric binary system with 0-3 connectivity. 22

Fig. 3.1. Surface modification process of BTO@PDA nanoparticle. 26

Fig. 3.2. Fabrication process of BTO@PDA/PVDF-TrFE composite. 27

Fig. 3.3. Fabrication flowchart for BTO@PDA/PVDF-TrFE composite. 27

Fig. 4.1. TEM image of BTO@PDA nanoparticles and the enlarged image for observing PDA thickness. 29

Fig. 4.2. TGA curve of BTO and BTO@PDA nanoparticles. 30

Fig. 4.3. XRD spectra of BTO and BTO@PDA nanoparticles with 200 nm particles. 32

Fig. 4.4. XRD spectra of BTO nanoparticles with varying particle size. 32

Fig. 4.5. FE-SEM images of BTO/PVDF-TrFE composite with 100 nm particles ((a) and (b)), 400 nm particles ((c) and (d)). 34

Fig. 4.6. FE-SEM images of BTO@PDA/PVDF-TrFE composite with 100 nm particles ((a) and (b)), 400 nm particles ((c) and (d)). 35

Fig. 4.7. FT-IR spectra of (a) BTO/PVDF-TrFE composites, (b) BTO@PDA/PVDF-TrFE composites. 37

Fig. 4.8. β-phase fraction of pure PVDF-TrFE and piezoelectric composites with varying particle size. 38

Fig. 4.9. The dielectric permittivity(ε′) of pure PVDF-TrFE and piezoelectric composites in the frequency range from 1 kHz to 1 MHz. 39

Fig. 4.10. The dielectric loss(ε″) of pure PVDF-TrFE and piezoelectric composites in the frequency range from 1 kHz to 1 MHz. 40

Fig. 4.11. The ε′ and ε″ of Pure PVDF-TrFE and piezoelectric composites at the frequency of 1 kHz. 41

Fig. 4.12. The AC conductivity(σ) of pure PVDF-TrFE and piezoelectric composites in the frequency range from 1 kHz to 1 MHz. 41

Fig. 4.13. The σ of Pure PVDF-TrFE and piezoelectric composites at the frequency of 1 kHz. 42

Fig. 4.14. (a) The Weibull distribution, (b) The Weibull modulus of Pure PVDF-TrFE and piezoelectric composites. 43

Fig. 4.15. Hysteresis loop of pure PVDF-TrFE and (a) BTO/PVDF-TrFE, (b) BTO@PDA/PVDF-TrFE composites at 100 MV/m of electric field. 45

Fig. 4.16. The remanent polarization(Pr) and saturation polarization(Pₛ) of pure PVDF-TrFE and (a) BTO/PVDF-TrFE, (b) BTO@PDA/PVDF-TrFE composites...[이미지참조] 46

Fig. 4.17. Hysteresis loop of pure PVDF-TrFE and (a) BTO/PVDF-TrFE, (b) BTO@PDA/PVDF-TrFE composites at maximum electric field. 47

Fig. 4.18. The remanent polarization(Pr), maximum polarization(Pₘₐₓ), andmaximum electric field(Eₘₐₓ) of pure PVDF-TrFE and (a) BTO/PVDF-TrFE,...[이미지참조] 48

Fig. 4.19. The leakage current density(J) of pure PVDF-TrFE and (a) BTO/PVDF-TrFE, (b) BTO@PDA/PVDF-TrFE composites. 50

Fig. 4.20. (a) Schematic of experimental set-up. The short-circuit current(isc) of BTO/PVDF-TrFE composite with the measurement circuit in (b) forward...[이미지참조] 52

Fig. 4.21. The short-circuit current(isc) of (a) BTO/PVDF-TrFE, (b) BTO@PDA/PVDF-TrFE composites with varying particle size at 50 MV/m of...[이미지참조] 53

Fig. 4.22. The short-circuit current(isc) of (a) BTO/PVDF-TrFE, (b) BTO@PDA/PVDF-TrFE composites with varying particle size at maximum...[이미지참조] 54

Fig. 4.23. Power density of piezoelectric composites with varying particle size at maximum poling intensity. 55

초록보기

 의료 기술 및 바이오 공학 등의 발전에 따라 건강에 관한 개인의 관심과 다양한 수요가 증가하고 있다. 특히 무선 통신 기술이 발달하면서, 헬스 모니터링용 웨어러블 기기가 많은 관심을 받고 있다. 이러한 웨어러블 기기는 이용자 편의성을 고려하여 유연성 및 생체 적합성과 높은 민감도를 가져야 한다. 이를 위해 각종 소자의 소형화가 요구되고, 그에 따른 배터리의 구조적 한계로 에너지 하베스팅 기술이 주목받고 있다. 유무기 압전 복합체는 전기적 안정성과 높은 유전 특성으로 인해 반영구적 센서나 자가발전 소자로 활발히 연구되고 있다.

압전성은 결정학적 점군 중 비대칭 구조를 가지는 유전체의 특성으로, 기계적 변형으로 인해 전기장이 형성되는 직압전 효과와 그 반대의 경우인 역압전 효과를 포함한다. 유무기 압전 복합체는 시스템을 이루는 압전 입자와 matrix 폴리머의 연결성에 따라 이론적인 모델링 구조가 달라진다. 또한 입자의 응집 현상과 계면에서의 불연속성으로 인해 계면 결함이 발생한다. 이때 표면 처리 했을 때 입자 크기에 따라 달라지는 계면 특성에 관한 연구가 체계적으로 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 BTO 나노 입자를 도파민으로 표면 처리 후 PVDF-TrFE에 분산하여 0-3 연결성을 가지는 2성분계 압전 복합체를 제작하고 체계적으로 분석하였다.

도파민 표면 처리한 BTO 입자에 대한 형상학적 특성, 질량비에 대한 정성적 특성, 결정학적 특성을 분석하여 도파민 코팅층이 형성됨을 확인하고, 이를 적용한 BTO@PDA/PVDF-TrFE 복합체에 대한 형상학적 특성, 결정학적 특성, 유전 특성, 강유전 특성, 압전 특성에 대해 분석하여 표면 처리로 인한 영향에 대해 분석하였다. 형상학적 특성은 FE-SEM을 통해 단면 형상에 대해 분석하였다. 결정학적 특성 분석은 FT-IR을 통해 PVDF-TrFE의 β상 비율에 대해 분석하였다. 마지막으로 전기적 측정과 압전 특성 분석을 위한 기계적 측정을 통해 복합체의 유전, 강유전, 압전 특성을 분석하였다. 입자 크기에 따른 분극 형성 및 압전 출력 신호가 표면 처리에 따라 다르게 나타나는 것을 확인하였고, 계면 결함으로 인한 영향과 교차 검증하였다. 100 nm BTO@PDA일 때 가장 강한 압전 신호가 나타났는데, 표면 처리하지 않은 경우보다 신호 세기가 약 4.25배 상승하였다.

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