폴리비닐리덴플루오라이드의 상분리를 이용한 초소수성 압전직물 개발

Abstract

본 연구에서는 고분자 멤브레인 제조에 널리 이용되는 비용매 유도 상분리를 이용하여 초소수성 및 압전 성능을 가지는 폴리에스터 직물을 개발하고자 하였다. 불소계 고분자로 본래 25mN/m의 낮은 표면 에너지를 가지며 결정구조 중 all-trans conformation인 β-phase의 존재로 압전 특성을 지니는 polyvinylidene fluoride(PVDF) 용액을 폴리에스터 직물에 코팅하고 비용매인 n-octyl alcohol에 연속적으로 처리하여 표면 에너지를 낮춤과 동시에 나노 수준의 거칠기를 갖도록 하였으며, 압전 특성을 구현하였다. PVDF의 농도와 n-octyl alcohol 처리 유무에 따른 직물의 변화를 분석하기 위해 표면 형태, 화학적 조성을 비교·분석하였고, 표면 젖음성은 정적 접촉각과 shedding angle로, 압전 성능은 반복적 굽힘 하에 출력되는 전압과 전류를 측정하여 살펴보았다. PVDF 용액 단독 처리 시에 형성된 표면 거칠기는 마이크로 수준으로 소수성 표면만이 구현된 반면, PVDF 용액 코팅 후 연속적으로 시료를 비용매인 n-octyl alcohol에 침지 처리함으로써 탈용매화에 의해 PVDF가 결정화되는 과정에서 나노 수준의 표면 거칠기가 형성되었다. PVDF 농도 30, 40, 50mg/ml에서 정적 접촉각 150°이상, shedding angle 10°미만을 보이는 초소수성 표면이 구현되었고 표면 거칠기를 형성한 구결정의 지름은 약 600~870nm 범위였다. 농도 40mg/ml의 PVDF 용액을 코팅하고 연속적으로 n-octyl alcohol에 침지하여 처리한 시료가 정적 접촉각 159.9±0.6°, shedding angle 6.3±0.3°로 가장 우수한 초소수성을 보였으며, 이 조건에서 최대출력전압 3.3V, 최대출력전류 170nA의 압전 성능을 확인하였다. 본 연구에서는 본래 표면 에너지가 낮은 PVDF를 이용하여 간단한 침지-침전법으로 표면 에너지를 낮춤과 동시에 나노 거칠기를 형성시켜 줌으로써 one-step으로 초소수성을 구현하였고, 이에 더해 압전 성능까지 가지는 다기능성 소재를 개발하였다는데 의의가 있다.