바륨타이타네이트(BTO)/플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF) 나노복합 필름 제조 및 특성평가

[카리]

전기 에너지는 현대에서 없어서는 안될 매우 중요한 핵심 동력으로 자리하고 있다. 전기에너지의 수요가 점점 늘고 있는 반면, 전기 에너지의 생산을 위해 사용되어 온 에너지 원료는 고갈문제에 직면했다. 또, 화석연료와 핵연료 등의 사용은 환경 오염 문제에 직결된다. 특히, 핵연료의 경우 그 위험성이 큰 문제점이 있다. 이로 인해 환경에 해를 끼치지 않으면서 무한정으로 사용할 수 있는 새로운 에너지원에 대한 관심과 연구가 지속적으로 늘고 있다. 이 가운데 빛, 열, 진동, 풍력, 수력 등과 같은 자연 에너지를 전기에너지로 전환하여 저장하는 ‘에너지 하베스팅’이 조명 받고 있다.
더불어, 최근 전자기기의 발전으로 그 크기와 무게가 줄어들면서 마이크로 또는 나노 디바이스를 구동하기 위한 배터리 연구에도 관심이 쏟아지고 있는 가운데, 에너지 하베스팅은 소형 전자기기의 전원 제공장치에도 적용이 가능해 관심을 받고 있다. 현재 사용되고 있는 배터리들은 대부분 부피가 크고 무거우며 충전된 전력을 모두 소진하고 나면 다시 충전하거나 배터리 전체를 교체해야 하는 번거로움이 있는 반면, 에너지 하베스팅 기술을 이용한 디바이스는 별도의 조치 없이도 반영구적으로 전원 제공이 가능하여 이러한 불편을 해소할 수 있다.

에너지 하베스팅의 발전방법은 크게 태양광을 이용한 태양발전, 폐열을 이용한 열전 발전, 기계적인 에너지를 이용한 압전발전, 기계적인 운동과 전자기적현상을 이용한 발전 및 용량성(capacitive) 발전 등이 있다. 그림 1-1.은 이 같이 다양한 에너지 하베스팅의 적용 예를 나타내는 그림이다. 태양광 발전과 열전 발전은 날씨나 환경에 그 효율이 크게 영향을 받는 등의 문제점이 있으나, 압전 발전은 환경으로부터 받는 영향이 적고 미세 진동(인체 활동 중의 미세한 움직임, 기계 작동 중에 발생하는 진동, 음파로 인한 진동 등)으로부터 발생하는 버려지는 기계적 에너지를 전기 에너지로 추출할 수 있어 안정적으로 전력을 얻을 수가 있다. 또, 차량이나 사람이 많은 곳에도 설치가 가능하여 기존의 공간을 활용할 수 있고 에너지 변환 효율이 크며, 소형화, 경량화가 가능하기 때문에 휴대용 기기의 대체 에너지원으로 활용이 가능하다. 표 1-1.은 에너지원에 따른 에너지 하베스팅 특성을 나타낸다. 그림 1-2.는 압전 에너지 하베스팅의 여러 에너지원을 나타내는 그림이다. 위에서 언급한 것처럼 압전 에너지 하베스터는 소형화, 경량화가 가능하기 때문에 wearable device에 많이 적용되고 있는데, 주로 사람의 건강보조 기구나 군용 장비등에 적용되고 있다. 그림 1-3.은 압전 에너지 하베스팅이 적용될 수 있는 wearable device들의 예를 나타내는 그림이다. 이 외에도 구조물의 수명관리 장비나 산업시설, 자동차의 다양한 센서 등에도 적용될 수 있다.
압전 에너지 하베스팅을 위한 나노제너레이터(nano-generator)의 압전 재료로서 가장 먼저 널리 연구된 것은 Zinc Oxide(ZnO)이다. 이 후, 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 재료들이 더 높은 압전 상수를 갖는다는 것이 알려지고 나노제너레이터에 적용되기 시작했다. 페로브스카이트 결정 구조의 재료들 중에서도 바륨타이타네이트(BaTiO3, BTO)는 매우 큰 관심을 얻었다. BTO는 매우 높은 압전 특성을 가지면서도 준비하는 과정이 매우 간단, 편리하고 가격이 싸다는 장점들을 갖기 때문이다. 또, 납 성분이 없어(lead-free) 인체에 무해하다는 장점이 있다. 하지만, 전형적인 세라믹 재료들이 그러하듯 BTO는 매우 낮은 유연성을 가지기 때문에 유연성을 요구하는 플렉시블 디바이스(flexible device)에의 적용에는 한계가 있다.
이러한 유연성 문제를 해결하기 위해 폴리머와 압전 세라믹의 복합 압전 재료에 대한 연구가 원활히 이루어져오고 있다.[1–19] 이 전에는 Polydimethyl siloxane(PDMS)가 복합 압전 재료의 기지상(matrix)으로 가장 널리 사용되어 왔지만, 최근 뛰어난 유연성과 기계적 강도를 갖는 압전성 폴리머가 더욱 많이 적용되고 있다. 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF)은 압전성을 띄는 폴리머들 중 하나로, 반결정성의 폴리머이며 α, β, γ, δ, ε의 결정상을 가진다. 이들 결정상 중 β상 만이 압전성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 많은 연구에서 β상의 PVDF 폴리머 기지상에 BTO 파우더를 강화제로 사용한 나노 복합 압전 필름을 제조하고 평가하였다.[8-19] 이들은 BTO/PVDF 나노 복합 압전 필름 내에 압전 특성이 높은 BTO의 함량이 높아지면 압전 특성이 더 높아질 것이라 기대했지만, 이들 중 많은 연구에서 기지상 내의 강화제의 분산도가 나노 복합 압전 필름의 압전 특성에 매우 큰 영향을 미치는 중요한 요소라는 사실을 알 수 있었다. 나노 입자(nano particles)들의 높은 표면 에너지는 나노 입자들이 서로 뭉치게 하고, 이러한 뭉침은 나노 복합 필름의 유연성을 저하시켜 파괴 강도를 낮추고, 부분적으로 뭉쳐 있는 나노 입자와 폴리머 간의 상호 호환성(compatibility)이 저하시키면서 전체적으로 나노 복합 필름의 압전 특성을 감소시키는 결과를 낳게 한다. [12, 15]
이를 해결하기 위해 최근에는 나노 복합 압전 필름 내의 강화제의 분산 정도를 향상시키기 위해 분산제를 첨가하거나 나노 입자의 표면을 개선하는 연구들이 진행되었다. 하지만, 압전 재료가 아닌, 유전율이 낮은 재료가 첨가되면서 나노 복합 필름의 전체적인 유전율이 감소하는 경향을 보였다. [15-19]
압전체는 유전 상수가 높을수록 압전 특성이 향상되는데, 나노 복합 압전 필름의 유전 상수를 높이기 위해 Ag, Al, Ni 또는 카본 등과 같은 전도성 물질을 첨가하는 연구가 많이 되고 있다. Usman Yaqoob 외 1 명은 BTO/PVDF 나노 복합 압전 필름을 제조하는데, BTO 파우더의 표면을 개선하고 분산도를 향상 시키기 위해 α-terpineol을 첨가하고 이로 인한 압전 특성의 저하를 막기 위해 전도성 물질로 MWCNT(Multi Wall Carbon Nano Tubes)를 첨가하였다. [17] 실험 결과, CNT의 함량이 증가할수록 압전 상수가 증가하였고, 나노 복합 압전 필름의 전도도 또한 증가하는 결과를 얻었다. 아래 그림 1-4.는 이 실험에서 개선된 BTO 입자들과 CNTs의 표면을 도식화 한 그림이다.
이 논문에서는 이 같은 연구들을 바탕으로 하여, BTO/PVDF 나노 복합 압전 필름을 제조하고 평가하였다. 분산제 및 전도성 물질로는 구조적으로 친수성기와 소수성기를 모두 가져 계면활성제로서 역할하면서 높은 이온 전도도를 가지는 폴리머인 Nafion이 선택되었다. 여러 조성의 BTO/PVDF 나노 복합 압전 필름의 제조와 압전 특성 평가를 통해 BTO 함량의 변화에 따른 압전 특성의 변화와 복합 필름 내의 Nafion의 유무에 따른 압전 특성의 비교를 통해 Nafion이 BTO/PVDF 나노 복합 압전 필름의 압전 특성에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.

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