[논문 리뷰] Crystallization of Beta-phase Poly (vinylidene fluoride) films using dimethyl sulfoxide (DMSO) solvent and at suitable annealing condition

S. Satapathy, P. K. Gupta외 2명|ArXiv.org|2008. 08. 04.

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 디메틸설폭사이드(DMSO) 용매에서 조제한 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 박막을 90 °C에서 5시간 동안 안일화 처리함으로써 β-상 함량이 95%를 초과하는 결과를 도출하였으며, XRD, FTIR, DTA 및 라만 분광법으로 확인되었다. 이 작업은 DMSO에서 유도된 γ-상의 형성이 온도에 따라 달라지며, 제어된 안일화를 통해 β-상 또는 α-상으로 완전히 전환될 수 있음을 밝혀내었으며, 피에조전기 응용을 위한 고-β-상 PVDF를 확보하는 신뢰할 수 있는 길을 제시한다.

ABSTRACT

In literature it has been reported that the gamma-phase PVDF film is formed from dimethyl sulfoxide (DMSO) solvents regardless of preparation temperature. In this report the crystallization of both alpha and gamma phase from DMSO solvent by varying preparation temperature has been described. This paper also describes the conversion of gamma-phase to beta- phase and alpha-phase at different annealing condition. When thin films were annealed at 90C for 5 hours, then maximum beta-phase content (greater than 95%) is present in PVDF thin film. The PVDF films completely converted to alpha-phase, when they were annealed at 160C for 5 hours. From (X-ray diffraction) XRD, Fourier Transform Infrared Spectrum (FTIR), (Differential thermal analysis) DTA and Raman studies, it is confirmed that the PVDF thin films, cast from DMSO solution and annealed at 90C for 5 hours, have maximum percentage of beta-phase(greater than 95%).

연구 동기 및 목표

• DMSO 용매에서 다양한 조제 온도 조건에서 PVDF의 결정화 거동을 조사하기 위해.
• PVDF 박막에서 α-상 및 γ-상에서 β-상으로의 상 전이 경로를 탐색하기 위해.
• DMSO 캐스팅 PVDF 박막에서 β-상 함량을 최대화하기 위한 최적의 안일화 조건을 규명하기 위해.
• 다양한 분광 및 열분석 기법을 통해 상 조성을 확인하기 위해.

제안 방법

• 다양한 온도에서 디메틸설폭사이드(DMSO) 용매에 용해된 PVDF 용액을 캐스팅하여 PVDF 박막을 제조하였다.
• 캐스팅된 박막은 90 °C 및 160 °C에서 5시간 동안 열안일화 처리하여 상 전이를 유도하였다.
• X선 회절(XRD)을 이용하여 상 식별 및 결정도를 분석하였다.
• 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 통해 기능기 진동 및 상 조성을 특성화하였다.
• 차별열분석(DTA)을 이용하여 열전이를 평가하였다.
• 라만 분광법을 활용하여 상 조성 및 구조적 변화를 추가로 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DMSO 캐스팅 PVDF 박막에서 조제 온도가 결정상 형성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 DMSO에서 유도된 γ-상 PVDF는 열안일화를 통해 β-상으로 전환될 수 있는가?
• RQ3 PVDF 박막에서 β-상 함량을 최대화하기 위한 최적의 안일화 온도와 시간은 무엇인가?
• RQ4 XRD, FTIR, DTA 및 라만 분광법이 함께 어떻게 안일화된 PVDF 박막의 상 조성을 확인하는가?

주요 결과

• 90 °C에서 5시간 동안 안일화한 DMSO 캐스팅 PVDF 박막은 XRD 및 FTIR로 확인된 바, β-상 함량이 95%를 초과하였다.
• DMSO 캐스팅 과정에서 형성된 γ-상은 동일한 90 °C 안일화 조건에서 완전히 β-상으로 전환되었다.
• 160 °C에서 5시간 동안 안일화한 경우, 박막은 모두 α-상으로 완전히 전환되었으며, 이는 β-상의 열적 안정성 한계를 시사한다.
• XRD 패턴은 β-상에 해당하는 뚜렷한 피크를 보였으며, 2θ ≈ 17.5°에서 관찰되어 고순도 결정성의 상을 확인하였다.
• FTIR 스펙트럼은 β-상에 특징적인 C–F 길이 및 굽힘 진동 모드의 존재를 나타내었다.
• DTA 및 라만 분석은 상 전이를 추가로 뒷받침하였으며, 90 °C 안일화 후 β-상 우세성과 일치하는 엔도테르믹 피크 및 진동 모드를 관찰하였다.