[논문 리뷰] Study on dielectric behavior of Lithium Tantalate(LT) nano particle filled poly (vinylidene fluoride) (PVDF) nano composite

S. Satapathy, P. K. Gupta외 3명|ArXiv.org|2008. 08. 04.

Dielectric materials and actuators참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 검출기 응용을 위한 유전 및 피로전기 성질을 향상시키기 위해 폴리(vinylidene fluoride) (PVDF)에 리튬 tantalate (LT) 나노 입자를 필러로 도핑하는 것을 조사한다. fLT = 0.047–0.17 범위에서 LT 체적 분율을 증가시킬 경우 복합재는 유전율이 증가하며(최대 fLT = 0.17일 때 순수 PVDF 대비 1.7배 높음) 손실 탄성도가 중간 정도로 증가(1 kHz에서 0.04에서 0.175로 증가)하는 것으로 나타났으며, 이는 투과성 및 공간 전하 분극 모델에 의해 설명된다.

ABSTRACT

For pyroelectric detector application materials should have low dielectric constant, high pyroelectric coefficient, large non volatile polarization at small applied electric field and low specific heat. Large field (greater than 1200kV/cm) is need to pole ferroelectric polymer poly (vinylidene fluoride) (PVDF) and it has low sensitivity compared to other pyroelectric materials. To increase non volatile polarization at low poling field and to increase pyroelectric coefficient, LiTaO3 (LT) nano particles were added to PVDF matrix to make LT/PVDF composite. It is important to study the dielectric properties of the composite (to be used in detector application) because dielectric constant varies with volume fraction of filler and with frequency. Nano composite films of LT/PVDF with different volume fraction (i. e fLT = 0.047, 0.09 and 0.17) of LT were prepared by dispersing LT nano particles in solution of PVDF. The dielectric properties of LT/PVDF composite were studied by varying the volume fraction of LT. The dielectric permittivity of LT/ PVDF composites increased compared to PVDF as the volume fraction of LT increases but the loss tangent is almost constant at higher frequency. In low frequency region, for fLT = 0.17 the dielectric permittivity of composite is greater than PVDF and LT. The dielectric loss tangent is also increased from 0.04 to 0.175 as fLT increases from 0 to 0.17 at 1 kHz. The dielectric permittivity behavior of composite has been explained using percolation model and space charge polarization model.

연구 동기 및 목표

• 순수 PVDF에서 고정된 비휘류 전기화성 및 피로전기 계수를 향상시키기 위해 LT 나노 입자를 도입함으로써 PVDF 기반 피로전기 검출기의 성능을 향상시키는 것.
• 순수 PVDF에서 높은 도핑 전계 요구 조건(>1200 kV/cm)을 해결하기 위해 복합체 형성에 의해 낮은 전계에서 효과적인 분극을 가능하게 하는 것.
• LT 체적 분율이 유전 성질에 미치는 영향을 조사하여 검출기 성능을 최적화하는 것.
• 투과성 및 공간 전하 분극 모델을 사용하여 LT/PVDF 복합재의 유전 응답 메커니즘을 이해하는 것.

제안 방법

• fLT = 0.047, 0.09, 0.17로 다양한 체적 분율에서 PVDF 용액에 LT 나노 입자를 분산시켜 나노 복합재 필름을 제조하였다.
• 주파수 의존 측정을 통해 유전 성질을 특성화하였다.
• fLT 증가에 따른 유전율 및 손실 탄성도 경향을 분석하여 복합재의 거동를 평가하였다.
• 관찰된 유전 응답을 설명하기 위해 투과성 모델 및 공간 전하 분극 모델을 적용하였다.
• 표준 용액 캐스팅 및 용매 기화 기법을 사용하여 균일한 박막을 제조하였다.
• 주파수 범위에 걸쳐 1 kHz에서 유전율 상수 및 손실 탄성도를 측정하여 주파수 의존성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LT 나노 입자의 체적 분율을 증가시키면 PVDF 복합재의 유전율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 주파수에서 LT 필러 함량은 유전 손실 탄성도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 투과성 및 공간 전하 분극 모델은 LT/PVDF 복합재의 유전 거동을 어떻게 설명하는가?
• RQ4 LT/PVDF 복합재는 순수 PVDF보다 낮은 도핑 전계에서 더 높은 비휘류 전기화성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 유전 응답을 최대화하면서 손실을 낮추는 데 최적의 LT 체적 분율은 무엇인가?

주요 결과

• LT/PVDF 복합재의 유전율은 LT 체적 분율이 증가함에 따라 증가하였으며, fLT = 0.17일 때 순수 PVDF 대비 최대 1.7배까지 증가하였다.
• 1 kHz에서 손실 탄성도는 순수 PVDF일 경우 0.04에서 fLT가 0.17로 증가함에 따라 0.175로 상승하였다.
• 저주파수 영역에서 fLT = 0.17인 복합재는 순수 PVDF 및 순수 LT보다 높은 유전율을 보였다.
• 고주파수 영역에서는 손실 탄성도가 거의 일정하게 유지되어 주파수 의존성의 안정된 비례 손실을 나타내었다.
• 유전 응답은 투과성 모델 및 공간 전하 분극 모델에 의해 잘 설명되었다.
• 중간 농도의 필러 도핑에서 높은 유전 응답을 보이며, 피로전기 검출기 응용에 잠재력이 있는 것으로 나타났다.