KR100336426B1 - 전기에너지변환용세라믹스조성물제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기에너지 변환용 세라믹스 조성물 제조방법에 관한 것이다. 본 발명을　이용한　압전트랜스포머는　노트북　컴퓨터의　액정 디스플레이의 백라이트(back light) 구동용 고압 트랜스포머로 많이 사용된다.

본 발명의 전기에너지 변환용 세라믹스 조성물 제조방법은,

Description

전기에너지 변환용 세라믹스 조성물 제조방법{Method for manufacturing ceramics composition for electro-energy conversion}

본 발명은 전기에너지 변환용 세라믹스 조성물 제조방법에 관한 것이다.

종래의 전기에너지변환 가능한 세라믹스 조성물의 제조방법에서는 화학식 1을 기본 조성으로 하였다.

Pb(Mn_0.025Nb_0.05Zr_0.4625Ti_0.4625)O₃

상기한 종래 방법에 의해 만들어진 조성물은, 요근래 수요가 많은 휴대용 컴퓨터의 백라이트 구동용 고압 압전트랜스포머 등의 응용에 제약이 있었다. 그 이유는, 종래의 세라믹스 조성물을 사용한 압전트랜스포머에 있어서는 에너지변환효율이 낮아 승압비가 작아져서 보조 트랜스를 필요로 했기 때문이다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 에너지 변환효율이 우수한 세라믹스 조성물을 만들 수 있 는 방법의 필요성이 대두되었다.

한편 본 발명의 압전트랜스포머와 관련퇸 선행기술로는 도 2를 들 수 있다. 그러나 도 2에서 보듯이 종래의 압전트랜스포머는 분극시, 분극의 경계면 근방에 있어서 왜형의 응력이 발생하여 그곳에 집중적으로 전단응력이 생겨 경계면 근방에서 기계적 강도가 약해지는 문제점이 있었다.

이처럼 종래 Pb(ZrTi)O₃및 3성분계 세라믹스를 이용한 압전트랜스포머를 고압용 음이온 발생기, 복사기 등에 응용하려는 연구가 행하여 졌으나 실용화에 어려움이 있었다. 그 이유는 압전트랜스포머를 대전력에 장시간 구동할 때 발열현상과 기계적 피로로 인한 파괴를 수반하며, 부하저항 변동에 따른 승압비 변화로 일정한 전압출릭을 얻지 못하는 단점이 있었기 때문이었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 전기에너지 변환용 세라믹스 조성물 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적과 장점은 하기된 발명의 상세한 설명을 읽고 첨부된 도면을 참조하면 보다 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명을 위한 세라믹스 조성물의 제조과정을 나타내는 흐름도.

도 2는 종래의 압전트랜스포머의 구조.

도 3은 본 발명에 의한 압전트랜스포머의 구조.

＜ 도면의 주요부분에 대한 간단한 설명 ＞

1,10: 좌반분 2,3,6,9: 입력전극

4,7: 우반분 5,13: 출력전극

8: 중간영역 11,12: 보조전극

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기에너지 변환용 세라믹스 조성물 제조방법에서는,

를 기본조성으로 하며, 이때 X의 범위가 X=0.01∼0.1인 경우에, 전자천평으로 원료를 0.1mg까지 평량하고, 상기 평량된 원료를 지르코니아 볼밀에서 아세톤으로 20시간 동안 혼합분쇄하는 1차 혼합 및 분쇄한 뒤, 상기 1차 혼합 및 분쇄과정에서 혼합분쇄가 완료된 시료는 80℃에서 10시간동안 전기오븐에서 완전히 건조시키고, 상기 건조과정 이후 알루미나 도가니에서 850℃의 온도로 2시간 동안 하소한다. 상기 하소된 시료를 지르코니아 볼밀에서 아세톤으로 15시간동안 2차 혼합분쇄하고, 상기 2차 혼합 및 분쇄과정후 전기오븐에서 80℃에서 10시간동안 건조하고, 상기 2차 건조된 시료를 알루미나 유발에서 분쇄한 뒤 100 메쉬를 사용하여 고르게 통과시켜 5% PVA용액을 시료에 5wt% 첨가하여 유발에서 균일하게 혼합한다. 이후 직경 21mmØ 강철 몰더를 사용하여 1 ton/㎠의 압력을 가하여 성형하는 성형하여, 성형된 시료를 소결도중 PbO의 증발을 방지하기 위하여 시편조성과 동일한 분위기 분말을 알루미나 도가니에 넣어 밀폐시키고 승하강 온도를 300℃/h로 하여 소정의 소성온도에서 1시간 동안 유지하여 소성시키고, 상기 소성이 끝난 시편을 샌드페이퍼와 SiC 분말을 써서 제반 물성특성을 측정하기 위해 1 mm의 두께로 연마하는 연마한 뒤, 상기 연마된시편을 초음파 세척기로 아세톤 속에서 세척한 다음 듀퐁사의 실버페이스트 #7095를 600℃에서 10분 동안 열처리하여 전극을 형성하고 상기 전극부착이 완료된 시편들을 실리콘 유속에서 25 kV/cm의 전계를 30분간 가하여 분극처리한다.

본 발명의 기술을 적용한 방형 판상 압전트랜스포머는, 구동부, 발전부, 중간영역, 입력전극, 출력전극 및 보조전극을 구비하고, 상기 보조전극의 형상은 상기 입력전극에서 상기 중간영역만큼 떨어져서 상기 장방형 판상의 위아래면과 좌우 측면의 네면에 걸쳐서 띠형태로 형성되어, 분극효율을 향상시키고 전계를 고르게 걸리도록 하는 것이 특징이다.

특히 상기 압전트랜스포머는 노트북 컴퓨터의 액정 디스플레이의 백라이트(back light) 구동용 고압 트랜스포머로 많이 사용된다.

본 발명에서 상기 조성세라믹스는 x = 0.01∼0.1인 경우 화학식 1을 기본조성으로 하여, La₂O₃가 PbO를 1∼10 mol%로 치환하는 것이 특징이다. 바람직하게는 상기 La₂O₃가 PbO를 6 mol% 치환하는 것이 좋다.

본 발명의 여러 가지 실시예는 화학식 1의 조성세라믹스에 과잉 PbO를 1∼6mol% 첨가하여 세라믹스 소자의 소곁온도를 1100℃∼1300℃ 범위에서 제조가능하다. 바람직하기는 상기 소결온도를 1200℃로하여 제조하는 것이다. 하지만 본 발명의 실시예에서는 이 가운데에서 특히 상기 화학식 1의 조성세라믹스에 과잉 PbO를 3mol%첨가하여 세라믹스 소자의 소결온도를 1100℃, 1150℃, 1200℃, 1225℃, 1250℃, 1275℃, 1300℃로 변수를 두어 제조하였다. 이것으로 인해 본 발명의 범위가 축소되지 아니함은 이 분야의 숙련된 기술자들에게는 자명한 사실이다.

본 발명에서는 산화물 혼합법을 이용하여 전기에너지변환용 세라믹스 조성물을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에서 상기 조성물의 제조에 사용된 시료의 순도 및 제조회사는 표1과 같다. 표 1에서 보듯이 본 발명에서 사용된 시표들의 순도는 99%이상인 것이 특징임을 알 수 있다.

소결 온도에 따른 조성물의 분류는 표2와 같다.

상기한 조성물의 제조방법의 순서는 도 1과 같다.

먼저, 원하는 소결 원료를 만들기 위해, 전자편평으로 0.1mg까지 평량된(s10)　원료를　지로코니아　볼밀에서　아세톤으로　20시간동안 혼합분쇄한다(s20).

혼합분쇄가 완료된 시료는 80℃에서 10시간 동안 전기오분에서 완전히 건조(s30)된 후 알루미나 도가니에서 850℃의 온도로 2시간동안 하소(Calcining)처리된다(s40).

하소된 시료는 지르코니아 볼밀에 아세톤으로 15시간 2차 혼합분쇄(s50)를 한 후 다시 전기오븐에서 80℃에서 10시간 건조된다(s60).

건조된 시료는 아루미나 유발에서 재분쇄(s70) 후 100 mesh를 사용하여 고르게 통과시켜 5% PVA용액을 시료에 5 wt% 첨가하여 유발에서 균일하게 섞은(s80)후, 직경 21mmØ 강철 몰더를 사용하여 1 ton/㎠의 압력을 가하여 성형된다(s90).

성형된 시료는 소결도중 PbO의 증발을 방지하기 위하여 시편조성과 동일한 분위기 분말을 알루미나 도가니에 넣어 밀폐시켰으며 승하강 온도를 300 ℃/h로 하여 소결온도별의 1시간 유기하여 소결하였다(s100),

소결이 끝난 조성물은 샌드 페이퍼(Sand paper)와 SiC분말을 사용하여 제반 물성특성을 측정하기 위하여 1mm의 두께로 연마한(s110) 뒤, 초음파 세척기로 아세톤 속에서 제척한 다음, 듀퐁사의 실버페이스프 #7095를 600℃에서 10분간 열처리하여 전극을 형성시켰다(s120),

전극 부착이 완료된 조성물들은 실리콘 유속에서 25 kV/cm의 전계가 30분간가하여져서 분극처리된다(s130),

표 3은 제조된 시편의 제반 유전 및 압전 특성을 나타낸 것이다. 1200℃∼1250℃ 사이의 온도에서 소결된 시편에서 압전특성이 즉 전기에너지 변환효율이 향상됨을 알 수 있다.

이제 본 발명의 압전트랜스포머에 대해 설명한다. 상기한 방법에 의해 전기 에너지변환용 세라믹스 조성물이 만들어지면, 이 조성물들은 여러분야에 응용될 수 있다. 그 한 예가 도 3의 본 발명에 의한 압전 트랜스포머이다. 도 3에서 좌반분(10)은 구동부로서 위, 아래면에 입력 전극(6)(9)이 있다. 우반분(7)은 발전부분이며, 출력전극(13), 보조전극(11)(12) 및 중간영역(8)이 있다. 여기서 상기 보조전극은 상기 조성물의 둘레방향으로 형성되어 있는 것이 특징이다. 이것은 분극 효율을 향상시키고 전계를 고르게 하기 위함이다.

상기 구동부는 두께방향으로 분극하고(P로 표시), 상기 발전부는 길이 방향으로 분극(P' 로 표시)하도록 제작한다.

종래에는 압전재료는 분극에 의해 분극방향으로 늘어나고, 그것과 직각방향으로 촉소하기 때문에, 구동부와 발전부 경계부분에는 각각 S와 S' 로 표시한 왜형의 응력이 걸리기 때문에, 그곳에 집중적으로 전단응력이 생겨 경계면 근방에 있어서 기계적 강도가 약해졌다. 그러나 본 발명에서는 보조 전극으로 중간 영역(8)을 형성하여, 경계면 근방에 있어서 국부적인 전달 왜형이 작게되어 강도를 높여, 분극이나 동작중에 있어서 파괴가 되지 않는 방법으로 신뢰성을 향상시켰다.

분극하는 방법은 먼저 보조전극과 출렬전극간(11)(13)에 길이 방향으로 분극을 한 다음 구동부(6)(9)를 두께 방향으로 분극하였다. 이때, 길이 방향으로 25kV/cm로 약 80℃에서 3시간 행하였으며 두께방향으로는 30분간 행하였다.

압전 트랜스포머는 구동부에 입력 전압을 인가하면 압전정수 d₃₁로부터 전기 에너지가 기계에너지로 변환시키는 동작이 행해지며, 발전부에서는 압전정수 d₃₃(혹은 g₃₃)에 의한 기계-전기에너지 변환이 행해진다. 따라서 압전정수 d₃₁, d₃₃(g₃₃)에 대응하는 전기기계 결합계수 k₃₁, k₃₃가 가능한한 큰 것이 요구되고 있다.

일반적으로 압전 트랜스포머의 전압이득은 Qm값이 높으면 높게 나타나기 때문에, Qm이 높은 조성이 유리하다. Qm은 기계적 품질계수로 공진시의 첨예도(sharpness)정도, 손길의 정도를 나타내는 척도이다.

공진시 저항값이 낮고, 유전상수 값이 낮으면 Qm이 커지나, 유전상수가 지나치게 낮게되면 압전 d상수 값이 현저히 저하하므로, 공진 진동시 전계에 의한 왜형이 크게 발생하지 않으므로, 트랜스포머 이용시 불리해 진다. 또한 Qm이 1000이상으로 높게 되면, 공진주파수가 약간만 변동해도 이득이 크게 감소하게 되므로 압전트랜스포머에서는 500∼1000 정도가 적당하다.

표 4에서 알수 있듯이 t=1.5mm이후에는 점차 승압비가 떨어져 있다. 이는 이론과 부합되나 t=2.25mm에서 승압비가 34로 높은 값을 보였다. 또한 t=0.75mm에서 승압비가 가장낮게 나타나는데 이는 λ모드에서 t가 지나치게 낮으면 길이 방향 진동에 폭방향외 진동이 결합되기 때문에 길이방향 진동이 다소 줄어들기 때문이다.

본 발명의 다른 실시예에서는 길이(2ℓ)를 증가시켜 42mm로 하고, 폭(w)을 6.5mm로 줄였을 때에 승압비가 124로 증가함을 확인하였다.

발명의 상세한 설명에서는 비록 고압용 트랜스포머에 대한 실시예에 대해서만 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 다음과 같은 여러 분야에서 응용될 수 있음은 이 분야의 숙련된 기술자들에게는 자명하다.

1. 백라이트 인버터, 복사기, 정전도장등에 이용되는 고압용 트랜스포머

2. 저압용 파워 서플라이

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상기 발명의 상세한 설명에서 언급된 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

상기한 본 발명의 효과는 다음과 같다:

1. 에너지 변환 효율이 높아진다. 따라서 압전트랜스포머의 승압비가 높아진다.

2. 보조 전극에 의해서 높은 분극효율이 얻어진다.

3. 구동부와 발전부 경계선에서의 응력을 줄일 수 있다.

4. 백라이트 구동용 트랜스포머의 크기가 작아진다.

5. 백라이트 구동용 트랜스포머의 전력소모가 줄어든다.

6. 유전상수가 비교적 낮고, 전긱계결합계수의 이방성이 크며, 큐리온도가 높고, 경시변화율이 낮은 세라믹스 조성물의 제조가 가능하다.

Claims (2)

1. 

   를 기본 조성으로 하며, 이때x의 범위가 x=0.01∼0.1인 세라믹스 조성물의 제조방법에 있어서,

   전자천평으로 원료를 0.1mg 단위로 평량하는 단계;

   상기 평량된 원료를 지르코니아 볼밀에서 아세톤으로 20시간 동안 혼합분쇄하는 1차 혼합 및 분쇄 단계;

   상기 1차 혼합 및 분쇄 단계에서 혼합분쇄가 완료된 시료를 80℃에서 10시간동안 전기오븐에서 완전히 건조시키는 1차 건조 단계;

   상기 1차 건조 단계 이후 알루미나 도가니에서 850℃의 온도로 2시간 동안 하소하는 단계;

   상기 하소된 시료를 지르코니아 볼밀에서 아세톤으로 15시간동안 2차 혼합분쇄하는 2차 혼합 및 분쇄 단계;

   상기 2차 혼합 및 분쇄 단계후 전기오븐에서 80℃에서 10시간동안 건조하는 2차 건조 단계;

   상기 건조된 시료를 알루미나 유발에서 분쇄하는 단계;

   상기 분쇄 후 100 메쉬를 사용하여 고르게 통과시킨 뒤 5% PVA용액을 시료에 5wt% 첨가하여 유발에서 균일하게 혼합하는 단계;

   상기 혼합 후 직경 21 mmØ 강철 몰더를 사용하여 1 ton/㎠의 압력을 가하여성형하는 단계;

   상기 성형된 시료를 소결도중 PbO의 증발을 방지하기 위하여 시편조성과 동일한 분위기 분말을 알루미나 도가니에 넣어 밀폐시키고 승하강 온도를 300℃/h로 하여 소정의 소성온도에서 1시간 동안 유지하여야 소성하는 단계;

   상기 소성이 끝난 시편을 샌드페이퍼와 SiC 분말을 써서 제반 물성특성을 측정하기 위해 1mm의 두께로 연마하는 단계;

   상기 연마된 시편을 초음파 세척기로 아세톤 속에서 세척한 다음 듀퐁사의 실버페이스트 #7095로 600℃에서 10분동안 열처리하여 전극을 부착하는 단계; 및

   상기 전극부착이 완료된 시편들을 실리콘 유속에서 25kV/cm의 전계를 30분간 가하여 분극처리하는 단계를 포함하는, 전기에너지 변환용 세라믹스 조성물 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹스 소자의 소성 단계는 1100℃∼1300℃의 온도 범위에서 이루어지는 것이 특징인, 전기에너지 변환용 세라믹스 조성물 제조방법.

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