KR100349126B1 - 형광등용 압전트랜스포머 - Google Patents

Abstract

본 발명의 형광등용 압전트랜스포머는 압전체블럭의 제1면에 배치되는 전극을 압전체블럭 제1면의 각변 중앙영역에 형성되는 전극의 면적이 모서리영역에 형성되는 전극의 면적보다 작도록 형성한다. 그 결과 압전체블럭에 인가되는 응력이 최소화되어 압전체블럭에 열이 발생하는 것을 방지하게 되어 압전체블럭의 파손이나 효율의 저하를 방지할 수 있게 된다. 입력전극의 형상은 다이아몬드형, 마름모형이나 대략적인 십자형상 등과 같이 여러가지 형상으로 형성할 수 있다.

Description

형광등용 압전트랜스포머{A PIEZOELECTRIC TRANSFORMER FOR A FLUORESCENT LAMP}

본 발명은 압전트랜스포머에 관한 것으로, 특히 압전체블럭 각변 중앙영역에 형성되는 전극의 면적을 모서리영역에 형성되는 전극의 면적보다 작게 형성하여 압전체블럭 중앙부위의 응력을 최소화하여 고전력을 출력함으로써 일반적인 형광등에 적용 가능한 형광등용 압전트랜스포머에 관한 것이다.

압전세락믹은 1940년대 중반에 BaTiO₃가 최초로 개발되고 그 후 더욱 우수한 압전특성을 가진 Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)가 발견되어 압전세락믹은 전자부품의 소재로 실용화되었다. 이 PZT는 PbZr0₃와 PbTiO₃의 고용체로서 페로브스카이트구조를 가지며 우수한 압전특성을 갖는데 이러한 2성분계 조성변화를 용이하게 하고 압전특성을 더욱 향상시키고자 3성분계 복합페로브스카이트 화합물이 현재 개발되었다. Pb(Mg,Nb)O₃-Pb(Zr,Ti)O₃, Pb(MG,Ta)O₃-Pb(Zr,Ti)O₃, Pb(Mn,Nb)O₃-Pb(Zr,Ti)O₃등이 3성분계 복합페로브스카이트 화합물로 활발히 연구되고 있다. 이러한 압전물질을 이용한 전기부품은 제조의 간편함과 전기적 특성의 향상 뿐만 아니라 경량단소화라는 장점 때문에 근래 그 응용범위가 더욱 넓어지고 있는 실정이다.

이러한 압전물질을 응용한 예로서는 도 1에 도시된 바와 같은 진폭변조용 대역통과필터가 있다. 도면에서, 도 1(a)는 대역통과필터의 평면도를 나타내고 도 1(b)는 A-A선 단면도를 나타낸다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 대역통과필터는 대략 육면체로 이루어진 압전체블럭(1)의 상면 및 하면에 전극이 형성되는 구조로이루어진다. 상면에 형성되는 전극은 각각 입력전극(3)과 출력전극(5)을 나타내면, 하면에 형성된 전극(7)은 공통전극을 나타낸다.

입력전극(3)에 공진주파수에 해당하는 교류전압을 인가하면, 인가된 전기적 신호는 압전체블럭(1)의 입력측 근방에서 강한 기계적 진동으로 변환되며, 이 기계적 진동이 출력쪽으로 전달되어 공진주파수에 비례하는 전압이 출력전극(5)을 통해 출력된다.

상기한 압전재료는 1910년대말부터 응용되어 개발되기 시작한 것으로, 현재 고전압발생기기, 초음파기기, 음향기기, AM라디오용 45.5KHz IF필터와 FM라디오용 10.7MHZ필터, 통신기기, 각종 센서 등으로 광범위하게 응용되고 있다. 최근에는 통신기기용으로 공진자나 필터로 그 응용이 확대되거나 액정디스플레용 백라이트(back light) 조명을 위한 냉음극관의 인버터 등으로도 사용되고 있으며, 일반적인 인버터에 사용되는 압전트랜스포머로도 개발되고 있다.

도 2에 압전물질이 응용된 전형적인 트랜스포머의 구조가 도시되어 있다. 도면에 도시된 트랜스포머는 두께진동과 길이방향 진동을 나타내는 로젠형(Rosen Type)으로서, 도 2(a)는 사시도를 나타내고 도 2(b)는 단면도를 나타낸다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 트랜스포머는 압전체블럭(1)의 상하면 일부에 형성된 입력전극(3a,3b) 영역에서는 두께방향으로 분극되어 있으며 그 반대편 두께방향면에 형성된 출력전극(5) 영역에서는 길이방향으로 분극되어 있다. 상기 구조의 압전트랜스포머를 승압시키는 경우, 입력전극(3a,3b)에 공진주파수에 해당하는 교류전압을 인가하면 인가된 전기적 신호가 압전체블럭(1)의 입력측 근방에서 두께방향의 강한기계적 진동으로 변환되며, 이 기계적 진동이 출력측으로 전달되어 길이방향의 진동을 발생시킨다. 이 길이방향의 기계적 진동은 출력전극(5)을 통해 입력전극에 인가된 전압과 동일한 주파수의 고주파의 승압된 고전압으로 출력된다.

이때, 출력측의 높은 승압은 입력전압의 주파수와 출력측의 기계적 진동주파수가 같을 때 최대로 되며, 압전트랜스포머의 승압비는 부하임피던스에 따라 달라지게 되는데 출력측에 상대적으로 큰 부하임피던스가 인가될 때 승압비가 최대로 된다. 반면에, 출력측에 낮은 부하임피던스가 인가되었을 경우에는 승압비가 수십배 이하로 된다.

냉음극관이나 형광등과 같이 압전트랜스포머가 램프용으로 응용되는 경우에는 램프종류에 따라 부하임피던스가 다르게 되지만 압전트랜스포머를 최적의 조건으로 제작하면 낮은 부하임피던스에서도 높은 승압비를 유지하는 것이 가능하게 된다. 또한, 점등전 큰 부하가 걸린 후에 점등 후 낮은 임피던스가 되는 정상상태에서도 적당한 승압비를 유지하게 되어 냉음극관이나 형광램프와 같은 램프용으로 사용이 가능하게 된다.

또한, 최근에는 도 3에 도시된 바와 같은 윤곽진동모드를 사용한 압전트랜스포머도 개발되었다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 윤곽진동모드를 사용한 압전트랜스포머는 도 1에 도시된 대역통과필터의 구조와 유사하며 단지 전극의 형상이 다를 뿐이다. 즉, 도 1에 도시된 대역통과필터에서는 입력전극(3)의 형상이 사각형상인데 반해 트랜스포머에서는 그 형상이 원형상이다. 출력전극(5)은 압전체블럭(1)의 상면에 상기 입력전극(3)으로부터 일정 거리를 두고 형성되어 있으며, 압전체블럭(1)의 하면에는 공통전극(7)이 형성되어 있다.

입력전극(3)을 통해 전압이 인가되면, 인가된 전기적 신호가 압전물질에 의해 입력전극(3)이 형성된 압전체블럭(1)의 중앙에서 주변쪽으로 기계적 진동으로 변환된 후, 기계적 진동에 비례하는 신호가 출력전극(5)을 통해 출력된다. 이러한 압전트랜스포머는 노트북 컴퓨터의 액정표시장치용과 같이 저전력용 트랜스포머로서 주로 사용된다.

그러나, 상기와 같이 현재 압전트랜스포머를 사용한 각종 전기소자가 생산되고 있지만, 고전력용 트랜스포머는 제작하지 못하는 실정이다. 냉음극관용으로 사용되는 로젠형 또는 이를 적층형으로 응용한 압전트랜스포머(미국특허 제6,037,706호에 개시됨)는 구조가 복잡하고 저출력이기 때문에 형광등용으로는 응용이 불가능하며, 윤곽진동모드의 압전트랜스포머의 경우에는 재질의 한계 때문에 이들 압전제를 적층한 구조가 연구되고 있다. 'Design of Fluorescent lamp with PFC using a power piezoelectric transformer, Sung Jin Choi, IEEE(1998,2,15), P1141'에 개시된 윤곽진동모드의 원형상 전극이나 사각형상 전극의 경우 재질의 문제와는 별도로 저출력이 문제가 되었다.

또한, 전극의 구조에 따른 문제가 발생하게 되는데, 압전트랜스포머의 경우 일반적으로 전기적 신호가 기계적인 진동으로 변환될 때 압전체의 일부 영역의 응력이 최대로 발생하게 되어 소자가 파손되거나 효율이 저하되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 기계적인 진동이 작게 발생하는 압전체블럭의 변 중앙 부위의 전극의 면적을 작게함으로써 응력에 의한 열의 발생을 최소화하여 압전체블럭이 파손되는 것을 방지할 수 있는 압전트랜스포머를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 압전트랜스포머는 압전체블럭의 상부의 응력 발생지역의 전극 크기를 감소시킴으로써 응력에 의해 발생하는 열을 최소화시킨다. 응력은 주로 압전체블럭의 변 중앙부위에서 많이 발생하기 때문에 이 부위의 전극을 최소화함으로써 고전력용 트랜스포머에 적용하는 경우에도 응력을 최소화시킬 수 있게 된다. 이를 위해, 전극의 형상을 다이아몬드형으로 형성하거나 대략 십자형으로 형성할 수도 있다. 또한, 전극의 형상에 한정되지 않고 각종 형상으로 형성할 수도 있다.

도 1은 압전물질을 이용한 종래 대역통과필터의 구조를 나타내는 도면.

도 2는 압전물질을 이용한 종래의 로젠형 압전트랜스포머의 구조를 나타내는 도면.

도 3은 압전물질을 이용한 종래의 외곽진동모드형 압전트랜스포머의 구조를 나타내는 도면.

도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 형광등용 압전트랜스포머의 구조를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 형광등용 압전트랜스포머에 전압을 인가했을 때 기계적인 진동일 일어나는 형상을 나타내는 도면.

도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 형광등용 압전트랜스포머의 구조를 나타내는 도면.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

101,201 : 압전체블럭 103,203 : 입력전극

105,205 : 출력전극 107,207 : 공통전극

일반적으로 액정표시장치의 백라이트(back light)에 사용되는 압전트랜스포머는 로젠형 압전트랜스포머로서, 이러한 로젠형 압전트랜스포머는 냉음극관 점등장치에 응용되고 있지만 고전압, 소전류 출력에 한정되기 때문에 일반적인 형광등으로서의 적응은 불가능하였다. 통상의 형광등은 점등중의 램프의 등가 임피던스가 수KΩ이하로 냉음극관의 임피던스(80∼100KΩ) 보다는 훨씬 작다.

본 발명에서는 일반적인 형광등에 적용될 수 있는 압전트랜스포머를 제공한다. 이러한 압전트랜스포머를 형성하기 위해 본 발명에서는 전극의 구조를 종래와는 다르게 형성하였다. 상기와 같이 전극구조를 변화시킨 이유는 전기적 신호가 기계적 진동으로 변환될 때 압전체의 특정 영역에서 응력이 최대로 발생하기 때문이다. 본 발명에서는 전극구조를 변환시킴으로써 응력이 최대로 발생하는 영역을 변화시켜 원하는 전압 및 전류출력이 가능한 압전트랜스포머를 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 첨부하여 본 발명에 따른 압전트랜스포머를 상세히 설명한다.

도 4은 본 발명에 따른 압전트랜스포머를 나타내는 도면으로, 도 4(a)는 압전트랜스포머의 평면도를 나타내고 도 4(b)는 단면도를 나타낸다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 압전트랜스포머는 대략 육면체형상으로 형성된 압전체 블럭(101)과, 상기 압전체 블럭(101)의 상면에 형성된 입력전극(103) 및 출력전극(105)과, 상기 압전체 블럭(101)의 하면에 형성된 공통전극(107)으로 구성된다.

입력전극(103)은 대략 마름모형상 또는 다이아몬드 형상으로 이루어져 있으며, 상기 입력전극(103)과 출력전극(105)은 설정 거리 만큼 떨어져 있다. 공통전극(107)은 압전체블럭(101) 하면의 적어도 일부분에 분리되지 않은 일체로 형성된다.

상기한 구조의 압전트랜스포머에 있어서, 상기 입력전극(103) 및 공통전극(107)을 통해 전기적인 신호가 입력되면, 이 전기적 신호가 상기 압전체블럭(101)에서 윤곽진동모드의 기계적인 진동으로 변환된 후 상기 출력전극(105)을 통해 기계적인 진동에 비례하는 신호가 출력된다.

도 5의 이점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 전압의 인가에 의한 압전체블럭(101)의 진동은 압전체블럭(101)의 모서리부분에서 가장 크며 변의 중앙영역에서 가장 작게 된다. 도면에서 모서리부분의 화살표는 상기 압전체블럭(101)이 진동하는 정도를 나타낸다. 이러한 진동의 정도는 물론 압전체의 재질이나 인가되는 전압의 크기 등에 따라 달라질 수 있다.

상기와 같이, 압전체블럭(101)의 모서리부분에서 기계적인 진동이 가장 크고 변의 중앙영역(도면에서 P점)에서의 진동이 가장 작기 때문에, 전압의 인가에 의한 압전트랜스포머의 작동시 압전체블럭(101)의 중앙에 최대 응력이 작용하고 압전체블럭(101)의 변의 중앙영역에서는 다음으로 응력이 높은 지점이 된다. 이러한 응력의 발생은 결국 상기 변의 중앙영역에 열의 발생을 야기하기 때문에, 압전체블럭(101)에 심각한 영향을 미치게 된다.

통상적으로 전압의 인가에 의해 전기적인 신호가 입력되어 기계적인 진동으로 변환되는 경우, 진동은 주로 입력전극과 출력전극쪽에서 강하게 발생한다. 따라서, 응력이 큰 변의 중앙영역(P)의 전극의 크기를 작게 하면, 진동의 정도가 작게 되어 응력이 작아지게 되고 그 결과 열의 발생을 감소시킬 수 있게 된다. 이때, 입력전극(103)과 출력전극(105)의 면적비는 약 1:1.5∼1:3.14인 것이 바람직하다.

본 발명에서는 이러한 목적을 위해, 도면에 도시된 바와 같이 입력전극(103)의 형상을 다이아몬드형으로 형성하였다. 따라서, 입력전극(103)과 출력전극(105) 사이의 전극이 형성되지 않은 영역이 육면체 압전체블럭(101)의 변 중앙영역(P) 근방으로 접근하게 되어 상기 영역(P)에서는 전극의 크기가 감소하게 된다.

상기와 같이 입력전극(103)을 다이아몬드형으로 형성하는 경우에는 경방향의 전기기계 결합계수(Kp)가 길이방향의 결합계수(K31) 보다 커지기 때문에, 에너지변환효율이 향상될 뿐만 아니라 출력측의 정전용량이 증가하여 출력측에서의 임피던스를 감소시키는 작용을 한게 된다. 따라서, 출력측으로의 출력전력을 상승시킬 수 있게 된다. 또한, 입력전극(103)이 다이아몬드형으로 형성되는 경우에는 상대적으로 승압비가 감소하게 되어 점등시에 낮은 임피던스를 갖는 형광등 점등에 유용하게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 압전트랜스포머의 입력전극(103)의 형상을 다이아몬드형으로 한정될 필요는 없다. 다시 말해서, 본 발명에서는 전극의 형상에는 관계없이 압전체블럭(101)의 변 중앙영역(P)의 전극의 크기를 작게 하면 할수록 응력이 작아지게 되며, 그 결과 열의 발생에 의한 영향을 적게 받게 된다.

도 4(b)에 도시된 바와 같이, 공통전극(107)은 압전체블럭(101) 하면의 적어도 일부분에 하나의 패턴으로 형성되어 입력전극(103)과 출력전극(105) 외부 회로(도면표시하지 않음)와 접속되는 경우, 상기 공통전극(107)을 통해 외부 회로로부터 잡음이 입력되는 경우도 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 압전체블럭(201)의 하부에 형성되는 공통전극(207)을 아이솔레이션(isolation)시킬 수도 있다. 이러한 공통전극(207)의 아이솔레이션에 의해 외부 회로로부터 잡음이 입력되는 것을 방지할 수 있게 된다. 도 6(a)에 도시된 공통전극(207)은 압전체블럭(201) 상면에 형성되는 입력전극(203) 및 출력전극(205)과는 다른 형상으로 형성되지만, 도 6(b)에 도시된 바와 같이 입력전극(203) 및 출력전극(205)과 동일한 형상 및 크기, 즉 대칭되도록 형성될 수도 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전트랜스포머에서는 압전체블럭의 각변 중앙영역에 형성되는 전극의 면적이 모서리영역에 형성되는 전극의 면적보다 작게형성된다. 따라서, 전극의 형상은 특정화될 필요는 없으며, 상기와 같이 중앙영역의 전극면적이 모서리영역의 전극면적 보다 작으면 된다. 이를 위해, 입력전극의 형상을 다이아몬드형, 마름모형이나 십자형과 같은 각종 형상으로 형성할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전체블럭에서 응력이 최대로 발생하는 부위의 전극의 크기를 감소시켜 응력을 최소화시킴으로써 고전압용 압전트랜스포머에 적응하는 경우에도 열의 발생에 의한 압전체블럭의 파손이나 효율의 저하 등을 방지할 수 있게 된다.

Claims (9)

1. 압전물질로 이루어져 윤곽진동모드로 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환시키는 압전체블럭;

   상기 압전체블럭 제1면의 모서리보다 각변 중앙영역으로 근접하게 형성되어, 전기적 신호가 입력되는 입력전극;

   상기 압전체블럭 제1면의 주변영역에 상기 입력전극과는 일정 간격을 두고 배치되어 압전체블럭의 각변 중앙영역에 형성되는 면적이 모서리영역에 형성되는 면적보다 작게 형성되며 상기 압전체에 의해 기계적 진동으로 변환된 신호를 다시 전기적 신호로 변환시켜 출력하는 출력전극; 및

   상기 압전체블럭의 제2면에 형성된 공통전극으로 구성된 압전트랜스포머.
2. 제1항에 있어서, 상기 입력전극은 다이아몬드형상인 것을 특징으로 하는 압전트랜스포머.
3. 제1항에 있어서, 상기 공통전극은 압전체블럭 제2면의 적어도 일부분에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전트랜스포머.
4. 제1항에 있어서, 상기 공통전극은 압전체블럭 제2면에 복수의 아이솔레이션으로 형성되어 외부로부터 잡음이 입력되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 압전트랜스포머.
5. 제4항에 있어서, 상기 공통전극은 압전체블럭 제1면에 형성되는 입력전극 및 출력전극과 대략 대향하는 것을 특징으로 하는 압전트랜스포머.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 입력전극은 대략 십자형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전트랜스포머.
8. 삭제
9. 제2항에 있어서, 상기 입력전극과 출력전극의 면적비는 대략 1:1.5∼1:3.14인 것을 특징으로 하는 압전트랜스포머.