Piezotech^® 제품의 취급법에 대해 알려주세요

Piezotech® P(VDF-TrFE-CTFE/CTE) 제품은 다양한 용매에 용해됩니다. 가열(80℃ 이하)과 교반을 통해 용해가 가능하며,  제품의 농도를 조정하여 인쇄 공정에 맞는 적절한 점도를 얻을 수 있습니다. 고순도의 잉크를 얻기 위해서는 필터링 프로세스가 필요합니다. 또한, Piezotech® 에서는 즉시 사용이 가능한 잉크 제품군도 판매하고 있습니다. (FC/RT 잉크)

건조 – 용매 증발

 

잔여 용매를 제거하고 필름 특성을 향상시키기 위해, 대기압 또는 진공의 용매 비등점 이하 온도에서 증발 프로세스를 진행할 수 있습니다. 증발은 시설과 공기 흐름에 강하게 의존하므로, 제품 등급에 따라 실온~140℃ 의 온도에서 수행될 수 있습니다.

 

어닐링

 

어닐링은 최상의 특성을 가진 필름을 얻기 위한 가장 중요한 단계입니다. 이는 재료의 결정화를 제어하고 전기적 및 기계적 특성을 향상시킵니다.

 

P(VDF-TrFE) 공중합체의 경우

 

어닐링은 큐리온도와 융점 사이, 상유전 페이즈에서 2-15분동안 수행해야 합니다. 이는 135-145℃ 범위에 해당합니다. Piezotech® FC20, 80/20 P(VDF-TrFE)의 경우, 140-145℃ 범위가 선호됩니다. P(VDF-TrFE) 터폴리머의 경우, 어닐링은 상유전 페이즈에서 가능한 한 융점에 가까운 온도로 수행해야 합니다.

 

P(VDF-TrFE-CTFE/CFE) 터폴리머의 경우

 

필름은 적절한 온도에서 20-30분 동안 어닐링이 필요할 수 있으며, 일반적으로 융점에서 5-15℃ 낮은 온도에서 수행됩니다. 얇은 필름에서는 적외선(IR) 또는 플래시 어닐링을 사용하여 빠르게 어닐링을 진행할 수 있습니다.

제품의 압전 및 강유전 특성을 활성화하기 위하여, P(VDF-TrFE) 공중합체 층은 C-F쌍극자가 정렬되도록 분극 과정을 거쳐야 합니다. 이를 위해 상하 전극을 이용한 접촉 분극(Contact poling) 또는 하부 전극만을 사용하는 비접촉 코로나 분극(Corona poling)이 가능합니다.

 

접촉 분극의 일반적인 과정

AC또는 DC 전압을 실온에서 최대 coercive field의 두 배인 100V. µm-1까지 인가할 수 있습니다.

P(VDF-TrFE) 층을 분극하기 위한 DC(파란색) 및 AC(빨간색) 전압 램프 예시

 

예시

전기장은 다음과 같은 사이클을 따릅니다.

전압 램프: 0 V.µm-1 to 100 V.µm-1

주파수: 1Hz(더 높은 주파수도 가능)

100 V.µm-1 도달까지의 사이클 수: 15

신호 파형: 사인파

 

 

100 V.µm-1에서 분극된 P(VDF-TrFE) 공중합체의 전형적인 강유전 루프

접촉 분극 또는 코로나 분극은 P(VDF-TrFE) 층을 통과하는 전류를 통해 모니터링 할 수 있습니다.

 

접촉 분극의 경우

AC 전압을 이용한 접촉 분극에서는 상하 전극 사이의 전류가 저항성 전류, 용량성 전류 및 분극 전류의 합에 비례합니다.

원시 전류(raw current)에서 용량성 및 저항성 전류를 제거하면 분극 전류를 추출할 수 있으며, 이를 적분하면 강유전 루프를 얻을 수 있습니다.

전하 센서

개념: 전하 센서는 기계적 힘(압전 효과) 또는 온도 변화(열전 효과)에 의해 자극을 받을 때 표면에 반대 부호의 동일한 전하를 생성합니다.

 

등가 회로: 압전, 열전 전하 센서는 다음 등가 회로 중 하나로 모델링할 수 있습니다.

 

테브난(Thevenin) 등가 회로:

기전력 e=Q/C0 가 커패시터 C0와 직렬로 연결됨

 

노튼(Norton) 등가 회로:

전류원 i=dq/dt 가 커패시터 C0와 병렬로 연결됨

 

작동 방식:

압전/열전 센서를 사용할 때 측정된 신호는 실험 조건에 따라 크게 달라집니다. 측정 방식에 따라 신호가 입력 전하에 비례하거나 그 미분값에 비례할 수 있으며, 이러한 작동 방식의 한계는 계측 시스템의 차단 주파수에 의해 결정됩니다.

 

신호 컨디셔닝

직접 연결: 센서를 증폭기, 오실로스코프 또는 데이터 수집 카드(DAC)에 직접 연결한 경우, 외부 임피던스가 측정 신호에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 센서, 케이블 및 측정 장치의 입력 임피더스를 고려하여 다음과 같이 모델링됩니다.

 

센서의 직접 연결 등가 회로

 

회로의 분석 결과, 고역 통과 필터(high-pass filter) 동작을 보이며, 차단 주파수는 다음과 같이 결정됩니다.

f >> fc일 때, 측정된 신호는 발생된 전하에 직접 비례함.

f << fc 일 때, 측정된 신호는 입력 전하의 미분 값에 비례함.

전하 변환기(Charge transducer)

 

외부 임피던스의 영향을 최소화하기 위해 전하 변환기(Charge Transducer) 사용이 권장됩니다.

 

구동 원리: 전하 변환기는 외부 커패시터 C에 전하를 저장하는 방식을 기반으로 합니다. 이는 전하-전압 변환기(Charge-Voltage Converter)라고도 합니다.

 

실용적인 구현: 이 회로에서 연산 증폭기(Op-Amp)는 이상적인 것으로 가정되며, 입력 단자 간의 차동 전압은 0으로 유지됩니다. 따라서 센서가 생성하는 전류i는 전부 피드백 커패시터 C로 유도됩니다.

 

포화 방지: 기생 신호의 영향을 줄이기 위해 피드백 커패시터 C와 병렬로 저항 R을 추가해야 합니다.

 

이러한 회로는 고역 통과 필터(High-pass Filter) 특성을 가지며, 차단 주파수는 다음과 같이 정의됩니다.

f >> fc 일 때, 측정된 신호는 발생된 전하에 직접 비례함.

f << fc 일 때, 측정된 신호는 입력 전하의 미분값에 비례함.

압전 센서의 신호는 종종 오실로스코프를 사용하여 관찰되지만, 일반적인 “x1” 프로브에서 사용되는 1MOhm 입력 저항으로는 모든 관심 신호를 충분히 포착하지 못할 수도 있습니다. 따라서 10MOhm 또는 100MOhm 저항을 가진 “x10” 또는 “x100” 프로브를 사용하는 것이 더 나은 선택일 수 있으며, 이 경우 관찰되는 신호의 크기는 줄어듭니다. 신호가 매우 작은 경우 프리앰프가 필요할 수 있습니다.

 

디지털 오실로스코프 선택과 관련하여 다양한 옵션이 존재하며, Digilent® 에서 제공하는 Analog Discovery 2, Discovery 2 와 같은 “가상” 계측기 모듈을 PC 또는 노트북 포트에 직접 연결하여 사용할 수 있습니다.

전기장 하에서의 변형

적용된 전기장에 의해 발생하는 변경은 다음의 공식으로 정의할 수 있습니다.

Si = d3i*E

 

여기서

Si = Δxi/xi = ΔL/L는 xi 방향의 변형률(상대 변형)

d3i는 전기장 방향과 수직한 방향에서의 압전 변형 상수입니다.

 

특정 요소의 예시:

길이: L = 1cm

너비 w = 2mm

두께 t = 9 µm

인가 전압: V = 200V → E(전기장) = V/t

(d31, d32, d33) = (11, 10, -30) pC/N

 

압전 변형 상수 d는 다음과 같이 정의됩니다.

d = 변형률/인가된 정기장 = S/E

 

센서: 크기 범위 및 전압 생성

인가된 힘에 의해 생성된 전기장은 다음과 같이 정의됩니다.

E = gij * σi

 

여기서

σi = 인가된 기계적 응력 (N/m^2)

gij = 압전 전압 상수 (Vm/N^2)

g= 발생된 전기장/인가된 기계적 응력 = E/σ

g = d/ε = d/εrε0

 

특정 요소의 예시

길이: L = 2cm

너비: w = 2cm

두께: t = 100 µm

압축: 0.1Bar → σ = -10000 N/m^2

(g31, g32, g33) = *216,19, -339) x 10^-3 Vm/N^2

E= V0/t = g33* σ3

V0 = g33* σ3 * t = 339mV