High Performance Acoustic Actuator of Urchin-like ZnO Nanostructure/ Polyvinyldienefluoride/Graphene Assembly

Abstract

본 실험은 간단하며 효과적인 기상증착성장 방법과 수열 반응을 이용하여 여러 모양의 산화아연을 제조하고, 이를 폴리비닐리덴다이플로라이드 (Polyvinylidenefluoride, PVDF) 에 충진제로 사용하여 저주파수에서도 뛰어난 음압을 갖은 박막형 음향 작동기를 제조하였다. 고분자 기반에 박막형 압전 음향 작동기는 구조가 간단할 뿐만 아니라, 구동전압이 진동형 음향 작동기에 비해 더 낮고, 작고 가벼우며, 플렉시블(flexible)하다는 장점을 가지고 있다. 이에 압전 특성을 띄는 베타상의 폴리비닐리덴다이플로라이드와 성게 모양의 산화아연를 이용해 압전성 박막을 제조하였다. 전극으로는 기상증착성장 방법으로 제조된 그래핀을 사용함으로써 플렉시블하며 투명한 박막형 음향 작동기를 제조하였다. 제조된 박막형 음향작동기는 기존 폴리비닐리덴다이플로라이드 박막형 음향작동기의 최대 단점으로 알려진 저주파수 음압을 72 % 향상 시켰으며 전체 고조파 왜곡율을 82 % 감소시켰다. 산화아연의 높은 유전율과 성게모양을 통해 무기물간의 응집을 방지하고 고분자/무기물 간에 증가된 표면적으로 인해 폴리비닐리덴다이플로라이드의 베타상 결정구조를 유도하여, 최종적으로 제조된 박막의 분극을 증가시켜 향상된 음질과 음향을 얻을 수 있었다. 이 논문에서와 같은 신규 접근은 다양한 모양의 나노 충진제 응용을 위한 저 주파수에서 고성능의 음압을 갖은 박막형 스피커 제조를 위한 새로운 방법을 창출 할 것으로 사료된다.

A bass frequency response enhanced flexible PVDF based thin film acoustic actuator was successfully fabricated. High concentration of various zinc oxide (ZnO) was embedded in PVDF matrix, enhancing the β phase content and the dielectric property of the composite thin film. ZnO acted as a nucleation agent for the crystallization of PVDF. A chemical vapor deposition (CVD) grown graphene was used as electrodes, enabling high electron mobility for the distortion free acoustic signals. The frequency response of the fabricated acoustic actuator was studied as a function of the film thickness and filler content. The optimized film had the thickness of 80 μm with 30 wt% filler content, and showed 72% and 42 % frequency response enhancement in bass and midrange, respectively. Also, the total harmonic distortion decreased 82 % and 74 % in the bass and midrange regions, respectively. Most of all, it is demonstrated that acoustic actuator performance is strongly influenced by degree of PVDF crystalline.