극저 압전 노이즈를 가진 초전 센서에 대한 친수성 처리에 의해 촉발된 PVDF 필름의 자기 분극

결과 및 토론

PVDF 필름

그림 2a는 다양한 처리 시간 동안 피라냐 용액에 담근 유리 기판의 CA를 보여줍니다. 이는 처리 후 기재의 친수성이 향상됨을 명확하게 보여줍니다. CA는 침지 시간이 증가함에 따라 계속 감소하고 8 h에서 포화되는 경향이 있습니다. 가능한 이유는 더 긴 처리 시간이 적용될 때 유리 표면에 더 친수성 댕글링 Si-OH 기가 생성될 수 있기 때문일 수 있습니다. 이 결론의 또 다른 증거는 처리 시간이 증가함에 따라 기판에서 PVDF 필름을 박리하기가 더 어려워졌다는 사실입니다(그림 2a 삽입).

아 서로 다른 시간 동안 피라냐에서 처리된 유리 기판의 CA, 삽입은 처리 시간의 함수로서의 박리력입니다. ㄴ PVDF 샘플의 DSC 패턴. ㄷ PVDF 샘플의 FTIR 스펙트럼, 삽입은 FTIR 결과에서 계산된 처리 시간의 함수로서의 β-상 함량입니다. d 열 폴링을 거치지 않은 PVDF 샘플의 초전성 응답, 삽입은 집에서 만든 신호 판독 회로의 단순화된 개략도입니다.

DSC 특성화는 PVDF 샘플의 결정도에 대한 친수성 처리의 영향을 조사하기 위해 수행됩니다. DSC 결과에서 PVDF의 결정화도 백분율은 [40]에 의해 결정될 수 있습니다.

여기서 X _C PVDF의 결정화도 백분율, ΔH _m 는 PVDF의 용융 엔탈피이고 \( \Delta {H}_{\mathrm{m}}^0 \) 는 100% 결정질 PVDF의 용융 엔탈피 값입니다. 그림 2b는 측정된 ΔH를 제공합니다. _m 처리 시간이 다른 기판에 주조된 PVDF 샘플의 값. 따라서 X _C 8시간 처리된 샘플에서 처리되지 않은 샘플에 비해 50% 이상 증가했습니다.

FTIR 스펙트럼은 샘플의 상 구성을 조사하는 데 추가로 사용됩니다. 파수 764 cm ⁻¹ 의 피크 및 840 cm ⁻¹ (그림 2c)는 일반적으로 α 및 β 상의 특성과 피크(A ₇₆₄ 또는 A ₈₄₀ )는 해당 위상 내용에 비례합니다[41, 42]. 그림 2c에서 알 수 있듯이 A₇₆₄ A 동안 감소 ₈₄₀ 치료 시간과 함께 단조롭게 증가합니다. PVDF에서 상 함량에 대한 처리 시간의 영향을 정량적으로 보기 위해 다음 공식 (2)를 적용할 수 있습니다[42],

여기서 X _α 및 X _β α 및 β 상의 절대 비율, A _α 그리고 A _β 764 cm ⁻¹ 의 피크 면적입니다. 및 840 cm ⁻¹ , 및 K_α =6.1 × 10 ⁴ cm ² 몰 ⁻¹ 및 K_β =7.7 × 10 ⁴ cm ² 몰 ⁻¹ 흡수율 상수입니다.

그림 2c의 삽입은 계산된 β-상 함량이 처리 시간에 따라 포물선 방식으로 단조 증가함을 보여줍니다. 처리 시간이 8 h일 때 최대값인 76.05%에 도달하는데, 이는 처리되지 않은 샘플보다 약 50% 더 큰 값입니다. 이 결과는 DSC 결과와 결합하여 증가된 X _C 주로 β상으로 전환된다. 우리는 모든 샘플의 D-E 및 ε' 관계를 추가로 측정하며, 그 결과도 FTIR과 매우 유사한 경향을 보여줍니다(추가 파일 1:그림 S2 및 S3).

또한 추가 열 폴링 절차를 거치지 않고 처리된 기판에서 PVDF 샘플의 뚜렷한 초전 반응을 발견하는 것은 놀라운 일입니다(그림 2d). 삽입으로 표시된 대로 신호 조절은 전류 모드 회로를 통해 실현됩니다. FTIR 결과와 유사하게, 출력 신호는 처리 시간에 따라 증가하고 처리 시간이 8 h일 때 결국 4.3 V에서 포화됩니다. 이에 비해 처리되지 않은 샘플에서는 감지할 수 있는 초전성 반응이 없습니다(처리 시간 =0 h). 이 결과는 기판의 친수성 그룹이 β-상 함량을 촉진할 수 있을 뿐만 아니라 PVDF 필름을 편광시킬 수 있음을 나타냅니다. 샘플에서 쌍극자 벡터의 정확한 방향을 탐색하기 위해 폴링 방향이 알려진 상업적으로 폴링된 PVDF 필름(Jinzhoukexin, China)이 참조 샘플로 사용됩니다. 두 샘플에 두 개의 동기 변조된 광원을 조사하여 출력 신호가 기록되고 위상이 비교됩니다. 두 신호의 위상이 같으면 두 샘플의 쌍극자가 서로 평행합니다. 위상이 반대인 경우 쌍극자는 역평행입니다. 결과는 처리된 샘플의 쌍극자의 방향이 기판에서 필름을 가리킴을 나타냅니다(추가 파일 1:그림 S1b 및 S1c).

위의 결과에 기초하여 친수성 그룹에 의한 PVDF 필름의 폴링 메커니즘은 다음과 같이 결론지을 수 있습니다(그림 1에 개략적으로 표시됨). 치료. PVDF 용액이 주조됨에 따라 VDF 단위의 불소 원자와 수산기의 수소 원자 사이에 큰 전기 음성도 차이로 인해 수소 결합이 형성될 수 있습니다. 결과적으로 바닥에 있는 PVDF 필름의 첫 번째 하위 나노층에 있는 쌍극자 벡터가 위쪽으로 정렬됩니다. 이 첫 번째 하위 나노층은 시드 레이어 역할을 하고 이후에 인접한 상위 하위 나노층은 시드 레이어의 이미 정렬된 쌍극자 벡터에서 발생하는 전기력에 의해 추가로 배향됩니다. 이 프로세스는 시간이 충분히 길어지면 위의 모든 하위 나노층에서 반복됩니다. 즉, PVDF 필름에서 쌍극자 벡터의 정렬은 상향식으로 중계됩니다(그림 3a). 이 쌍극자 정렬 릴레이 프로세스는 필름이 완전히 경화되기 전에 PVDF의 분자 사슬이 매우 유연하고 활성인 경우에만 발생할 수 있습니다. 결과적으로 필름이 완전히 경화된 후 "릴레이 공정"이 완료됨에 따라 필름의 β-상 함량이 촉진됨과 동시에 전체 필름이 편광됩니다.

아 기판 사이의 친수성 그룹에 의해 촉발된 PVDF의 쌍극자 정렬 릴레이 프로세스. ㄴ 8시간 처리된 샘플의 초전 반응에 대한 열 폴링 필드 및 방향의 영향. ㄷ 병렬 및 역병렬 폴링의 개략도

샘플의 편광 정도를 더 조사하기 위해 기존의 열 폴링 프로세스가 수행됩니다. 비편극 샘플의 열 폴링과 달리 처리된 샘플의 쌍극자 벡터는 이미 정렬되어 있어 폴링 전기장의 방향(E _p )은 필름 편광에 영향을 주어야 합니다. 따라서 병렬 및 역병렬 폴링이 모두 수행됩니다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 병렬 방향으로 poled 처리된 PVDF의 경우, 출력 신호(V _오 ) 처음에는 안정적인 상태를 유지한 다음 E가 증가함에 따라 확대됩니다. _p 대략 20 MV m ⁻¹ 의 노드에서 . 이에 비해 V _오 E로 단조롭게 증가 _p 전체 폴링 범위에서 처리되지 않은 샘플의 경우; 또한, V _오 처리되지 않은 샘플의 비율은 항상 E보다 작습니다. _p 40 MV m ⁻¹ 미만입니다. . E로 _p 추가 증가, V _오 두 샘플 중 최대값은 E로 8.8 V가 됩니다. _p =50 MV m ⁻¹ . 이러한 결과는 처리 시간 =8 h로 처리된 샘플의 편광 값이 E에서 기존의 열 폴링을 겪었을 때의 편광 값과 유사함을 나타냅니다. _p ≈ 23 MV m ⁻¹ (등가 폴링 필드). 한편, 처리된 시료를 역극으로 하면 V _오 E로 단조롭게 감소 _p , 그리고 그림과 같이 V _오 ≈ 0 V as E_p ≈ 27 MV m ⁻¹ (완전히 취소된 폴링 필드). 이 현상은 역극에 의해 친수성으로 유도된 분극이 완전히 상쇄될 수 있음을 나타낸다. 그러나 이것이 반드시 유도된 분극이 완전히 탈분극된다는 것을 의미하지는 않습니다. 반대로 유도 분극의 일부는 여전히 E로 남아 있습니다. _p =50 MV m ⁻¹ (그림 3c), 음의 최대값 V _오 (=− 6.2 V)는 최대 V보다 분명히 작습니다. _오 (=8.8 V) 병렬 열극 대응. 이러한 비탈분극성 쌍극자 벡터는 훨씬 더 큰 E가 필요할 수 있습니다. _p (> 50 MV m ⁻¹ ) 다른 벡터에 비해 위치 에너지가 훨씬 낮고 안정성이 높기 때문에 방향을 변경할 수 있습니다[43]. 이것은 또한 동등한 폴링 필드와 완전히 취소된 폴링 필드 간의 차이점을 설명합니다.

이중층 초전 센서

따라서 모든 초전 재료는 본질적으로 압전 특성을 가지고 있으므로 초전 센서가 충격이나 진동에 의해 기계적으로 여기되면 필연적으로 원치 않는 신호가 생성됩니다. 2개의 PVDF 소자를 하나는 감응 물질로, 다른 하나는 압전 신호를 보상하기 위한 기준으로 사용하면 압전 노이즈가 최소화된 초전 센서를 얻을 수 있습니다. 이를 위해 우리는 두 개의 동일한 PVDF 필름이 5개의 작은 기둥 분리막과 함께 그 사이에 함께 장착되는 새로운 이중층 구조(그림 4a)를 가진 초전 센서를 제안합니다. 이 장치에서 상부 필름은 민감한 물질이고 하부 필름은 압전 보상기입니다. 5개의 기둥은 두 가지 중요한 역할을 합니다. (2) 왜곡 없이 두 층 사이에 기계적 진동을 전달합니다. 분명히 두 가지 요구 사항이 충족되면 상위 요소에서 하위 요소의 신호를 빼면 초저 압전 노이즈의 고품질 초전 신호를 기대할 수 있습니다.

이중층 구조의 초전 센서의 시뮬레이션 및 측정 결과. 아 장치 구조의 개략도를 탐색했습니다. ㄴ 압전 응답 시뮬레이션의 모델 및 결과. ㄷ 열 시뮬레이션의 모델 및 결과. d 제작된 소자의 광학 사진. 이 다른 주파수에서 압전 응답. 에 기계적 진동(5 Hz)과 열 조사(1 Hz)에 의해 동시에 자극되었을 때 이중층 및 기존 단일층 장치의 응답

COMSOL Multiphysics® 소프트웨어의 압전 및 열 모델을 사용하여 장치의 기계적 및 열 시뮬레이션을 수행하여 이 이중층 프로토타입의 설계를 검증합니다. 그림 4b에서 볼 수 있듯이 두 층의 압전 응답은 가해진 가속 방향에 따라 유사한 변화 경향을 보입니다. 최대 응답과 그 차이는 수직력 방향에서 발생하는데, 여기서 하부 소자의 응답은 상부 소자의 응답의 약 93.7%로, 이중층 센서의 압전 노이즈를 기존 대비 93.7% 이상 억제할 수 있음을 의미합니다. 그것의 단층 대응물. 열 시뮬레이션은 센서 상단에 주기적인 열파를 수직으로 조사하여 수행됩니다(그림 4c). 상층에 비해 하층의 온도변화율(dT/dt)이 거의 안정되어 상층에서 하층으로의 열손실이 미미함을 알 수 있다. 결과적으로 앞서 언급한 두 가지 요구 사항이 실제로 충족됩니다(참고:그림 4b 및 c는 표 1에 최적화된 매개변수를 사용한 시뮬레이션 결과입니다. 시뮬레이션에 대한 자세한 내용, 즉, 기하학적 매개변수(직경 및 높이에 대한 센서의 압전 및 열 속성 종속성) ) 및 기둥의 위치는 추가 파일 1)의 2부에서 찾을 수 있습니다.

이에 따라 이중층 센서 샘플이 8시간 처리된 샘플을 기반으로 제작됩니다(그림 4d). 그림 4e에 제시된 바와 같이 상부 및 하부 요소의 명백한 압전 응답이 관찰되며, 둘 다 다른 여기 주파수에서 매우 유사한 결과를 나타냅니다. 또한, 주파수 변화에 따른 응답 진폭의 변화 경향은 저주파에서 압전 또는 초전 센서의 전형적인 특성인 것으로 밝혀졌다[44]. 이에 비해 샘플의 압전 출력은 모든 주파수에서 매우 작은 신호만 보여줍니다. 또한 5Hz 진동원과 1Hz 열원으로 시료를 동시에 자극하여 시료의 응답을 단층과 비교합니다. 결과(그림 4f)는 4.4 V의 초전 신호, 즉 신호 대 잡음비(SNR) =18 dB를 갖는 단층 샘플의 신호에 심각한 압전 응답(약 0.5 V)이 존재함을 분명히 보여줍니다. 이중층은 4.1 V의 약간 더 작은 초전기 신호(즉, SNR =38 dB)로 무시할 수 있는 압전 노이즈(약 0.05 V)만 가지고 있습니다. 이러한 결과는 이중층 적외선 센서가 음향 잡음 및/또는 기타 기계적 잡음이 존재하는 열악한 환경에서 적용될 수 있음을 나타냅니다.