KR100272842B1 - 높은 출력전류를 내는 다층 압전트랜스포머 - Google Patents

Abstract

압전트랜스포머의 출력부를 다층화하여 출력 임피던스를 낮추어 부하 저항이 낮아지더라도 효율을 저하시키지 않고 큰 출력전류 및 출력전력을 얻을 수 있고, 출력측 전극을 입력측을 분극시킨 후 연결하여 입력측 분극이 전계의 누설에 따라 불충분해지는 문제를 해결하는 압전트랜스포머 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다층 압전트랜스포머는 정방형이나 원형이고, 다수의 내부전극과 압전층을 갖는 출력부를 외곽에 형성하고, 중앙에 일체형의 입력부를 형성하며, 입력부는 두께 방향으로 분극하고, 출력부의 압전층은 인접한 각각의 층이 서로 반대 방향으로 그리고 두께 방향으로 분극한 구조를 갖고 윤곽 진동모드로 작동한다.

본 발명의 다층 압전트랜스포머는 그린 시트(Green Sheet)에 내부전극을 스크린인쇄하고, 열압착한 후 동시 소성하고, 입력부를 먼저 분극하고, 그리고 출력부의 내부전극을 압전트랜스포머 외측에서 전도성 접착제나 Paste로 연결한 후 출력부를 분극하여 제조한다.

Description

높은 출력전류를 내는 다층 압전트랜스포머

제1도는 코아없는 트랜스포머의 예시이다.

제2도는 종래의 Rosen형 윤곽진동형 압전트랜스포머를 나타내는 도면이다.

제3도는 본 발명의 고출력 다층 압전트랜스포머이다.

제4도는 제3도의 고출력 다층 압전트랜스포머 구조 설명도이다.

제5도는 본 발명을 변형 개선시킨 또 다른 발명이다.

제6도는 제5도의 고출력 다층 압전트랜스포머의 구조 설명도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

101, 201, 301 : 입력부 102, 202, 302 : 출력부

103, 203, 303 : 내부전극 204, 304 : 분극 압전층(분극층)

105, 205, 305 : 입력전극 106, 206, 306 : 출력전극

307 : 미분극층 208, 308 : 외부전극

209, 309 : 맨 아래층

[발명의 분야]

본 발명은 고주파에서 작동하는 박형의 고출력 전류 압전트랜스포머에 관한 것이다. 특히 박형화가 요구되는 휴대형 기기를 위한 아답터, 2차전지 충전기, DC-DC Converter 등과 같은 저전압, 고전류 출력특성을 요구하는 전원기기용 박형 압전트랜스포머 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

[발명의 배경]

최근 이동전화기, Notebook PC, PDA 등 휴대형 정보통신기기가 급속히 보급됨에 따라 아답터 및 2차전지 충전기 등 전원기기의 박형화 및 소형화가 크게 요구되고 있다. 전원장치의 소형화를 위해 다양한 스위칭 전원기기가 개발되고 있으나 이의 박형화에 가장 큰 장애가 되고 있는 것이 트랜스포머이다 트랜스포머의 크기는 구동 주파수를 증가함에 따라 줄일 수 있으나 박형화에는 출력에 요구되는 최소 Ferrite Core 부피의 문제, 구동 주파수가 높아짐에 따라 변환 효율이 급격히 저하되는 문제 등으로 인해 한계가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 기존 권선형 트랜스포머와는 구조가 다른 몇 가지 형태의 트랜스포머가 제안되고 있다. 미국 특허 제5,010,314호는 권선코일을 대신한 Coil Pattern을 동박이 접착된 얇은 판을 부식하여 형성하고 이를 겹쳐 Ferrite Core와 결합하여 제조 공정이 간단하고 비교적 두께가 얇은 Planar 트랜스포머를 보여주고 있으나 평면적인 크기가 커지는 문제와 Core 부피 때문에 박형화에는 한계가 있다. 제1도는 Ferrite Core를 사용하지 않고 공기를 통한 1차 및 2차 코일(Coil)간의 직접적인 결합을 이용한 코아없는 변압기(Coreless transformer)를 제시하고 있지만 박형화에는 용이하나 평면적이 커지는 문제와 전자기파 장애 문제로 소형 가전기기에 사용하기에는 적합하지 않다.

압전트랜스포머는 에너지 변환효율이 높고 발화위험이 없고 단위 부피당 에너지 변환 밀도가 높아 트랜스포머의 박형화, 소형화 및 고효율화 면에서 큰 주목을 받고 있다. 종전의 Rosen 형 압전트랜스포머는 높은 승압비에 비교적 작은 수 mA의 작은 전류가 요구되는 곳에 응용하기에는 적합하나 강압이나 저전압 고전류 출력이 요구되는 곳에 응용하기에는 부적합하다. 비교적 출력 전류가 큰 구조로 제2도와 같은 윤곽진동형 압전트랜스포머가 제안되었다. 입력 및 출력전극은 표면에 형성되어 있고 입력부 및 출력부 모두 두께 방향으로 분극되어 있으며, 윤곽 진동모드로 작동한다.

제2도와 같은 종래의 압전트랜스포머는 무부하 상태에서 출력전압은 입력전압의 수배 정도 승압되고, 부하가 수백Ω 정도가 되면 입력전압의 수배정도 강압된다. 이와 같은 종래의 구조는 아답터나 2차 전지 충전기 등과 같이 부하 저항이 수 Ω인 경우에 응용하면 충분한 출력전류를 유지하지 못해 출력전력 및 효율이 급격히 감소하며, 손실이 커져 소체의 발열에 이은 파괴에 이르게 된다.

[발명의 목적]

본 발명의 목적은 낮은 부하 저하에서도 큰 출력전류 및 전력을 내 보낼 수 있는 압전트랜스포머 구조 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 특히 박형화가 요구되는 휴대형 기기를 위한 아답터, 2차전지 충전기, DC-DC Converter 등과 같은 저전압, 고전류 출력특성을 요구하는 전원기기용 압전트랜스포머 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 압전트랜스포머의 출력부를 다층화하여 출력 임피던스를 낮추어 부하 저항이 낮아지더라도 효율을 저하시키지 않고 큰 출력전류 및 출력전력을 얻을 수 있고, 출력측 전극을 입력측을 분극시킨 후 연결함으로서 입력측 분극의 분극시 전계의 누설에 따라 불충분해지는 문제를 해결하는 압전트랜스포머 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

[발명의 요약]

본 발명의 압전트랜스포머는 출력부분을 다수의 내부전극과 압전층으로 다층화 하였으며, 인접한 각각의 압전층은 서로 반대방향으로, 그리고 두께방향으로 분극되어 있으며 중앙의 입력부는 일체형이며 두께방향으로 분극되어 있다.

본 발명의 압전트랜스포머는 그린 시트(Green Sheet)에 내외부 전극을 스크린 인쇄하고 열압착한 후 동시 소성하여 일체화하고, 입력부를 분극한 후 출력부의 내부 전극 연결용 단자를 외부에 형성하고 분극하여 제조한다.

[구체예에 의한 발명의 상세한 설명]

본 발명에 의한 다층 압전트랜스포머를 제3도에서 제6도에 따라 상세히 설명한다. 제3(a)도는 사시도이며, 제3(b)도는 A-A의 단면도와 분극 구조를 나타내고, 제4도는 본 발명의 압전트랜스포머 조립 구조를 나타내는 설명도이다.

제3도와 같이, 본 발명의 압전트랜스포머는 정방형 또는 원형이고, 다수의 내부전극과 압전층을 갖는 출력부를 외곽에 형성하고 중앙에 일체형의 입력부를 형성하고 있다. 출력부(202)는 다수의 내부전극(203)과 분극 압전층(204)으로 구성되어 있으며 인접한 각각의 압전층은 서로 반대 방향으로, 그리고 두께방향으로 분극되어 있다. 출력부(202)의 각 층은 외부전극(208)을 통해 서로 병렬 접속되어 있으며, 정방형의 압전트랜스포머에서는 각 변의 중간지점에 외부 전극(208)이 형성되어 있다. 윗면과 아랫면의 입출력전극은 절연 거리를 확보하기 위해 0.2mm-3.0mm의 거리를 두고 형성되어 있다. 입력부(201)는 일체형으로 되어 있으며 분극은 두께 방향으로 되어 있다. 입력부(201)와 출력부(202)의 표면에는 각각 입력전극(205)과 출력전극(276)이 형성되어 있으며 입력전극(205)의 면적은 압전트랜스포머 윗면이나 아랫면 면적의 20-80% 범위이다.

제4도와 같이 본 발명의 압전트랜스포머는 Green Sheet을 이용한 다층세라믹 공정으로 제작된다. Green Sheet에 외부전극(208)과 연결하기 위한 돌기를 가진 내부전극(203a, 203b)을 돌기가 달린 방향이 서로 다르게 내부전극(203a)과 내부전극(203b)을 교대로 스크린 인쇄하고 적층한 후 열압착하고 동시 소결하여 일체화한다. 일체화된 세라믹의 입력부를 2.5-4.0kV/mm의 전계를 가하여 분극한 후, 전도성 접착제나 Paste등을 이용하여 출력부 내부 전극을 병렬접속하여 외부전극(208)을 형성하고, 출력부에 2.5-4.0kV/mm의 전계를 가하여 분극하여 다층형 압전트랜스포머를 완성한다.

제5도와 제6도에 따라 본 발명의 변형예를 설명한다. 제5(a)도는 사시도이며, 제5(b)도는 A-A의 단면도와 분극 구조를 나타내고, 제6도는 본 변형예의 압전트랜스포머를 조립 구조를 나타내는 설명도이다.

제5도와 같이, 본 발명의 변형예는 모양이 정방형 또는 원형이고, 다수의 내부전극과 압전층을 갖는 출력부를 외곽에 형성하고 중앙에 일체형의 입력부를 형성하고 있다. 출력부(302)는 다수의 내부전극(303)과 분극 압전층(304)으로 구성되고, 입력부(301)와 출력부(302)의 절연을 용이하게 하기 위하여 출력부(302)의 상하면에 미분극층(307)을 형성하였다. 인접한 각각의 압전층은 서로 반대 방향으로, 그리고 두께 방향으로 분극되어 있다. 출력부(302)의 각 층은 외부전극(308)을 통해 서로 병렬 접속되어 있으며, 정방형의 압전트랜스포머에서는 각변의 중간지점에 외부 전극(308)이 형성되어 있다. 입력부(301)는 일체형으로 되어 있으며 분극은 두께 방향으로 되어 있다. 입력부(301)는 일체형으로 되어 있으며 분극은 두께 방향으로 되어 있다. 입력부(301)와 출력부(302)의 표면에는 각각 입력전극(305)과 출력전극(306)이 형성되어 있으며 입력전극(305)의 면적은 압전트랜스포머 윗면이나 아랫면 면적의 20-80% 범위이다.

제6도와 같이 본 발명의 변형예의 압전트랜스포머는 Green Sheet을 이용한 다층세라믹 공정으로 제작된다. Green Sheet에 외부전극(305)과 연결하기 위한 돌기를 가진 내부전극(303a, 303b)을 돌기가 달린 방향이 서로 다르게 303a와 303b를 교대로 내부전극(303)을 스크린 인쇄하고, 최상층과 최하층에 미분극층을 넣어 적층한 후 열압착하고 동시 소결하여 일체화한다. 일체화된 세라믹의 입력부를 2.5-4.0kV/mm의 전계를 가하여 분극한 후, 전도성 접착제나 Paste등을 이용하여 출력부 내부전극을 병렬접속하여 외부전극(308)을 형성하고, 출력부에 2.5-4.0kV/mm의 전계를 가하여 분극하여 다층형 압전트랜스포머를 완성한다.

압전트랜스포머의 출력 전력 및 효율은 부하 임피던스가 압전트랜스포머 출력 임피던스보다 클 때는 높으나 그 반대가 되면 급격히 감소한다. 따라서 본 발명에서는 압전트랜스포머의 출력부를 다층화하여 출력 임피던스를 낮게 설계하여 부하 저항이 작을 때도 충분한 출력전류 및 전력 그리고 효율을 유지할 수 있게 했다. 입력부 분극을 출력부 내부 전극 연결용 외부 단자를 형성하기 전에 별도로 함에 따라 입력부 분극 시 전계가 출력부를 따라 누설되어 입력측의 분극이 충분히 이루어지지 않는 문제를 해결하게 되었다.

[실시예 1]

제3도에 따른 압전트랜스포머를 내부전극(203) 6층, 분극 압전층(204) 7층을 적층하여 본 발명을 실시하였다. 출력부(202) 각 압전층(204)의 두께는 100㎛이며 정방형 압전체의 한변은 25mm이다. 압전트랜스포머는 Green Sheet을 이용한 다층세라믹 공정으로 제작했다. Green Sheet에 내외부 전극을 스크린 인쇄하고 적층한 후 열압착하고 동시 소결하여 일체화하였다. 일체화된 세라믹의 입력부에 2.5-4.0kV/mm의 전계를 가하여 먼저 분극시킨 후, 전도성 접착제를 이용하여 출력부 내부전극(203)을 병렬접속하고 출력부에 2.5-4.0kV/mm의 전계를 가하여 분극하여 다층형 압전트랜스포머를 완성했다. 출력부의 인접한 각 압전층은 서로 반대 방향으로 두께 방향으로 분극시켰으며 입력부는 두께 방향으로 분극시켰다. 분극은 180℃에서 2.5kV/mm의 전계하에서 행했다. 출력부의 내부 전극재료로는 백금(Pt Paste)을 외부 전극에는 은(Ag Paste)을 사용했고, 내부전극 연결용 외부 전극재료로는 전도성 접착제를 사용했다. 내부전극을 연결하는 외부전극은 압전트랜스포머 측면에 변의 중심에 각각 형성하였고, 상하면의 입력전극 및 출력전극은 1.0mm의 간극을 두고 형성했다. 제4도에는 Green Sheet에 스크린 인쇄된 각층의 전극 형상을 보여주고 있다. 각층에는 연결용 측면 돌기가 형성되어 있고, 맨 아랫층(209)은 입출력단자를 위해 양면이 인쇄되어 있다. 제4도에 보인 맨 아래층(209)은 뒷면을 보인 것이다. 이러한 압전트랜스포머의 구동 주파수는 72kHz, 입력전압 150Vrms일 때 출력전압 10VDC, 출력전류 1A를 얻었다.

[실시예 2]

제5도에 따른 압전트랜스포머를 내부전극(303)은 8층, 압전분극층(304)은 7층, 미분극층(308) 2층으로 구성하여 만들었다. 출력부 각 압전층의 두께는 100㎛, 미분극층의 두께는 10㎛, 정방형 압전체의 한 변은 25mm이다. 압전트랜스포머는 Green Sheet을 이용한 다층세라믹 공정으로 제작했다. Green Sheet에 내부 전극을 스크린 인쇄하고 적층한 후 열압착하고 동시 소결하여 일체화했다. 일체화된 세라믹의 중앙 입력부에 2.5-4.0kV/mm의 전계를 가하여 분극한 후 전도성 접착제를 이용하여 출력부 내부 전극을 병렬접속하고 출력부에 2.5-4.0kV/mm의 전계를 가하여 분극하여 다층형 압전트랜스포머를 완성했다. 출력부의 인접한 각 압전층은 서로 반대 방향으로 두께 방향으로 분극했으며 입력부는 두께 방향으로 분극했다. 분극은 180℃에서 2.5kV/mm의 전계하에서 행했다. 내부 전극재료로는 백금(Pt Paste)을 사용했고, 내부전극 연결용 외부 전극재료로는 전도성 접착제를 사용했다. 내부전극을 연결하는 외부전극(308)은 압전트랜스포머 측면에 변의 1/3지점에 각각 형성했고, 상하면의 입력 및 출력 전극은 1.0mm의 간극을 두고 형성했다. 제6도는 Green Sheet에 스크린 인쇄된 각층의 전극 형상을 보여주고 있다. 각 층에는 연결용 측면 돌기가 형성되어 있고, 맨아랫층(309)은 입출력단자를 위해 양면이 인쇄되어 있다. 제6도에 보인 맨 아래층(309)은 뒷면을 보인 것이다. 이러한 압전트랜스포머의 구동 주파수는 72kHz, 입력전압 150Vrms에서 출력전압 10VDC, 출력전류 0.78A를 얻었다.

Claims (6)

1. 정방형으로 중앙에 사각이나 원형으로 구멍이 형성된 다수의 내부전극(203)과 압전층(204)을 중첩하고, 최상하부면에 각각 출력전극을 형성한 출력부(202)와 중앙에 형성된 사각 또는 원형의 압전층과 상기 압전층 상하면에 각각 형성된 입력전극으로 구성되는 입력부로 구성되며, 상기 입력부(202)의 압전층은 두께 방향으로 분극하고, 상기 출력부(202)의 압전층(204)은 인접한 각각의 층이 서로 반대 방향으로 그리고 두께 방향으로 분극한 구조를 갖고 윤곽 진동모드로 작동하는 것을 특징으로 하는 다층 압전트랜스포머.
2. 제1항에서, 상기 압전층(204) 두께가 0.05mm-3.0mm이고, 상기 정방형의 압전트랜스포머 한변의 길이가 5mm-30mm 인 것을 특징으로 하는 다층 압전트랜스포머.
3. 제1항에서, 상기 입력전극(205)의 면적은 압전트랜스포머 상면이나 하면 면적의 20-80%이며, 상기 입력전극(205)은 상기 출력전극(206)과 0.2mm-3.0mm의 간격을 두고 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 압전트랜스포머.
4. 그런 시트(Green Sheet)에 내부전극(203)을 스크린인쇄하고; 열압착한 후 동시 소성하고; 입력부(201)를 먼저 분극하고; 그리고 출력부(202)의 내부전극(203)을 압전트랜스포머 외측에서 전도성 접착제나 페이스트로 연결한 후 출력부를 분극하는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 다층 압전트랜스포머의 제조방법.
5. 정방형으로 중앙에 사각이나 원형으로 구멍이 형성된 다수의 내부전극(303)과 압전층(304)을 중첩하고, 상하면에 미분극층을 형성한 출력부(302)와 중앙에 형성된 사각 또는 원형의 압전층과 상기 압전층 상하면에 각각 형성된 입력전극으로 구성되는 입력부로 구성되며, 상기 입력부(302)의 압전층은 두께 방향으로 분극하고, 상기 출력부(302)의 압전층(304)은 인접한 각각의 층이 서로 반대 방향으로 그리고 두께 방향으로 분극한 구조를 갖고 윤곽 진동모드로 작동하는 것을 특징으로 하는 다층 압전트랜스포머.
6. 제5항에서, 상기 미분극층의 두께가 0.01mm-0.3mm인 것을 특징으로 하는 다층 압전트랜스포머.

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