Piezoelektrický film na bázi PE jako alternativa k PVDF
Flexibilní senzorika s vlastním napájením je žádaná, komerčně dostupné materiály pro její výrobu v podobě neorganické piezoelektrické keramiky však nejsou zdaleka ideální pro požadované aplikace. Změnu by mohla přinést nová technologie, umožňující zlepšit vlastnosti piezoelektrických polymerů.
Piezoelektrické materiály generují elektrický signál v reakci na mechanické namáhání. Nástup internetu věcí (IoT) a umělé inteligence (AI) významně zvýšil poptávku po flexibilních snímacích zařízeních s vlastním napájením, která ke svému fungování vyžadují flexibilní piezoelektrický film. Komerčně dostupné anorganické piezoelektrické keramiky jsou však těžké a křehké, a vyžadují složitý výrobní proces, protože k dosažení požadovaného piezoelektrického výkonu jsou nutné zvýšené teploty. Materiály je také nutné vyrábět v tenkých vrstvách na plastovém substrátu pro integraci s flexibilním zařízením a možnosti pružných plastových substrátů odolných vůči vysokým teplotám jsou omezené.
Alternativou k piezokeramice mohou být komerční piezoelektrické polymery, ale aplikace jsou také omezené kvůli jejich nízkým piezoelektrickým vlastnostem.
Obejde se bez olova
Na scéně je však novinka: kompozit vytvořený na základě technologie PE piezoelektrické fólie vyvinuté výzkumníky v rámci společného projektu firmy Sabic, Technické univerzity v Delftu, Holst Center v Nizozemsku a americké Penn State University. Nový piezoelektrický film vyrobený z polyethylenu (PE) podle svých tvůrců kombinuje mechanickou flexibilitu s velmi vysokou piezoelektrickou odezvou a údajně zdvojnásobuje vlastnosti komerčně dostupných piezoelektrických polymerů, jako je polyvinylidenfluorid (PVDF) a polyvinylidenfluorid-trifluorethylen (PVDF-TrFE).
Nový materiál je charakterizován jako cenově výhodná alternativa k PVDF ve špičkových aplikacích ke křehké keramice a neadekvátním piezoelektrickým polymerům. Obsahuje PE a patentovanou bezolovnatou keramiku, díky čemuž je vhodný pro lékařská nositelná zařízení.
Nová piezoelektrická fólie nabízí několik výhod, které řeší dosavadní problémy flexibilních snímacích zařízení. Mezi ně patří mj. vysoké piezoelektrické vlastnosti (d33 ~ 45-60 pC/N, g33 ~ 250-350 mV.m/N) a mechanické flexibilita (přibližně 500 % pro film o tloušťce 200 až 300 µm) apod. Výhodou je rovněž i poměrně jednoduchý výrobní proces a fungování, které ve srovnání s PVDF nevyžaduje mechanické natahování, aby materiál vykazoval piezoelektrické schopnosti.
A zatímco dosud nejvýkonnější piezoelektrické materiály byly založeny na olovu, toxickém materiálu, který je v EU přísně regulován např. směrnicí RoHS (Restriction of Hazardous Substances), nově představené proprietární piezoelektrické řešení neobsahuje olovo ani žádné jiné toxické chemikálie. Kompozit se skládá z PE a patentované bezolovnaté keramiky a je navíc i biokompatibilní. Výrobce vyvinul i unikátní know-how v oblasti designu a výroby, umožňující výzkumníkům vyladit chemické složení a morfologii keramiky a přizpůsobit piezoelektrické složení tak, aby vyhovovalo požadavkům konkrétních aplikací.
Pružné řešení pro nositelné senzory
Vlastní vlastnosti materiálu včetně odolnosti, kompresního nastavení a tečení otevírají možnosti např. pro aplikace, jako jsou chytré podrážky bot pro rozpoznání chůze, detekci pádu a sledování kondice. Schopnost piezoelektrické fólie generovat elektrické signály v reakci na různé úrovně síly a pohybu v kombinaci s přizpůsobivostí materiálu ji činí vhodnou pro nositelné senzorové aplikace, které monitorují srdeční frekvenci a dýchání. Nízká odolnost fólie vůči zvukovým vlnám umožňuje použití v akustických senzorech i lékařském zobrazování.
Fólie také generuje napětí v blízkosti objektů, které lze použít v senzorech přiblížení a její schopnost sbírat energii také může najít uplatnění v samonapájených snímacích zařízeních, což by mohlo v určitých případech i eliminovat potřebu baterií.
Petr Sedlický
Foto: Penn State University, Sabic, Flexniss
3
.gif)
