Ferroelectric materials can be widely used in many applications, such as transducers, actuators, self-powered sensors, energy harvesters, and FRAM. In the past, most devices have been based on piezoelectric ceramics. Although these materials have shown great performance, they are quite brittle and have difficulty in device integration.
Recently, wearable and implantable technologies have received increasing interest as a result of the growing demands for human interactive applications. Flexibility is one of the key considerations in these applications because the devices are in contact with the surface of the human skin and organs as well as, curved objects. If the devices have high flexibility, they can be used for a wider range of applications. In this study, we designed and fabricated flexible devices based on piezoelectric materials that, can be attached to the curved surface.
Chapter 1. We report a PVDF-based liquid volume sensor. When a liquid container vibrates due to an applied impact, our sensor that is attached to the surface of the container detects the resonance frequency of vibration, which shifts as a result of change in the liquid volume.
Chapter 2. We report a multifunctional stretchable piezoelectric fiber. The fiber is light weight, flexible, and twistable. Further, the fiber can be stretched to 100% without breakage. During finger tapping or stretching process, the fiber exhibited output voltages of 1.2 or 0.8 V, respectively. The fiber was confirmed to harvest mechanical energy from liquid pressure fluctuations.
Chapter 3. We report a porous composite-based pressure sensor for cochlear implant. We demonstrated that the output signals of the porous structure composite were much higher than those of a flat composite when sound was applied. In addition, the compressive modulus of the composite decreased to one tenth when pores formed.
기계적 신호에 대해 전기적 반응을 보이거나 반대로 전기적 신호에 대해 기계적 반응을 보이는 압전 재료는 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 압전재료를 기반으로 하는 디바이스에는 에너지하베스터, 압력센서뿐만 아니라 액츄에이터, 스피커, 마이크, 하이드로폰, 초음파 기기 등이 있다. 기존의 디바이스들은 PbTiO3, NaNbO3, BaTiO3, LiNbO3, KNbO3, PZT 등 세라믹 위주였으며 우수한 특성을 보여주었지만 반대로 쉽게 깨지거나 디바이스 통합에 있어서 한계가 있었다.
최근에 인간과의 교감을 위한 웨어러블 및 이식형 디바이스에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이 때 인간의 피부나 장기 그리고 굴곡이 있는 표면에 디바이스를 부착하거나 삽입하기 위해서는 다른 형태의 기기보다 유연성이 중요하다. 따라서 압전재료를 기반으로 한 디바이스도 마찬가지로 유연성을 가지게 된다면 더욱더 많은 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 본 연구에서는 유연한 특성을 지닌 압전재료를 이용하여 다양한 디바이스들을 제작하고 특성을 분석하였다.
첫번째 장에서는 PVDF를 기반으로 한 액체 부피 센서에 대해 제시하였다. PVDF를 기반으로 한 디바이스는 압전 세라믹과 달리 고유의 유연성을 가지고 있어서 특별한 공정 없이도 용기에 부착할 수 있으며 액체의 부피에 따른 공명진동수의 변화를 통해서 부피를 감지할 수 있다.
두번째 장에서는 신축성이 있는 파이버에 관한 제조 및 특성 평가에 대해 다루었다. 신축성이 있는 파이버를 제작하고 위하여 실리콘 고무와 압전 폴리머가 결합된 형태를 제시하였으며 제작된 파이버는 에너지 하베스팅에 있어서 우수한 특성을 나타내었다.
세번째 장에서는 인공와우를 위한 기공이 있는 압력 센서에 대해 다루었다. 이소골의 움직임을 방해하지 않으면서 이소골을 통한 진동 신호를 감지하기 위하여 재료의 기계적 특성을 조절하였다. 이와 더불어 감도를 향상시켜 디바이스가 우수한 특성을 나타내도록 하였다.
