KR100371656B1 - 승압 특성을 향상시킨 압전 변압기의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전부의 측면에 부분 전극화함으로써 승압 특성을 향상시킨 압전 변압기의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 압전 변압기의 제조 방법에 있어서, 먼저, 구동부와 발전부를 갖는 기판을 제공한다. 그런 다음, 구동부의 상·하면에 한쌍의 입력 전극을 형성하고, 그리고 발전부의 측면에 출력 전극을 형성한다. 특히, 전술한 출력 전극은 발전부의 측면에 부분 전극화 된다. 본 발명의 제조 방법을 이용할 경우, 출력 전극을 압전 변압기 폭의 전체 면에 형성하는 종래 기술의 승압 특성보다 승압 특성이 보다 우수한 압전 변압기를 제조할 수가 있다. 따라서, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 압전 변압기는 고전압을 요구하는 전자 기기에 효과적으로 사용될 수 있다.

Description

승압 특성을 향상시킨 압전 변압기의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF A PIEZOELECTRIC TRANSFORMER CAPABLE OF IMPROVING BOOSTING CHARACTERISTICS}

본 발명은 압전 변압기(piezoelectric transformer)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 기기용 고전압 발생 장치에 응용되는 압전 변압기의 제조 방법에관한 것이다.

주지된 바와 같이, 다양한 고전압 발생 장치 중 권선형 변압기가 폭넓게 사용되고 있다. 최근에는 휴대용 정보 기기의 고전압 발생 장치를 중심으로 권선형 변압기의 사용 분야가 확대되고 있다. 그러나, 이러한 변압기는 승압비에 비해서 크기가 크고 구조가 복잡하며 노이즈 등 여러가지 문제점을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 최근에는 구조가 간단하면서 소형 경량인 저가의 압전 변압기를 구현하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

일반적으로, 압전 세라믹 소자에 압력을 가하면 일정한 방향으로 분극 전압이 발생되고, 압전 세라믹 소자에 전압을 인가하면 진동을 하게 된다. 따라서, 세라믹 소자의 고유 특성과 일치하는 소정의 주파수를 인가하게 되면 공진이 되어 강한 진동이 일어나므로, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 또는 그 반대로 변환하는 것이 가능하게 된다. 이를 통하여 각종 전자 및 전기 기기에 필요한 높은 전압을 발생시킬 수 있다. 이러한 압전 세라믹 변압기는 권선형 변압기에 비해 그 구조가 간단하고 소형 경량으로 제작하게 되는 것이 가능하게 되므로 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

보다 상세하게 설명하면, 전술한 바와 같이 통상적인 압전 변압기는 BaTiO₃(BaCO₃+ TiO₂) 나 PZT(Pb(Zr, Ti)O₃) 등과 같은 압전 세라믹 분말을 이용하여 만든 소체에 전극을 도포하고 분극 처리한 후 구동부의 입력 전극에 소체의 고유 공진 주파수를 가진 정현파 전압을 인가하면 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환되는 역압전 현상과 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되는 압전 현상에 의하여 승압이 이루어진다. 이러한 압전 변압기가 전자 기기에 사용되기 위해서는 높은 승압비가 요구된다.

고전압을 필요로 하는 전자 기기에 압전 변압기가 사용되기 위해서는 낮은 입력 전압으로 높은 출력 전압을 제공해야 하고 구조가 간단하며 소형 경량이어야 한다. 그러나, 통상적인 로젠형 단층 압전 변압기는 입력 전압에 대한 출력 전압이 낮아서 독자적으로는 사용되지 못하고 권선형 변압기와 같이 사용되어지고 있는 실정이다.

도 1은 장방형 모양의 압전 기판(1)을 이용한 종래의 로젠형 단층 압전 변압기를 도시하고 있다. 이와 같은 로젠형 압전 변압기는 역압전 현상에 의하여 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환되는 구동부(1a)와, 압전 현상에 의하여 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되는 발전부(1b)로 나누어진다. 구동부(1a)에는 소체의 상·하면에 대칭적으로 입력 전극(2a, 2b)이 마련되어 있으며 발전부(1b)에는 출력 전극(3a)이 제공되어 있다. 전술한 입력 전극(2a, 2b)은 구동부(1a)와 발전부(1b)의 공통 전극으로 사용된다. 그리고 로젠형 압전 변압기가 승압을 하기 위해서는, 구동부(1a)는 수직 방향, 즉 두께 방향으로 분극 처리가 되어야 하고 발전부(1b)는 수평 방향, 즉 길이 방향으로 분극 처리 되어야 한다. 도 1에서 분극 방향은 P로 나타내고 있다.

이러한 종래의 압전 변압기에서는 구동부(1a)와 발전부(1b) 사이의 분극 방향이 수직이므로, 분극에 의한 응력이 집중될 뿐만 아니라 면 전체에 출력 전극을형성함에 따라 출력 임피던스가 작아서 승압 효율이 떨어진다는 단점이 있었다. 이를 해결하기 위한 방안으로써, 권선형 변압기로 1차 승압을 한 후 다시 압전 변압기로 2차 승압을 함에따라 승압 효율의 감소를 막을 수는 있다. 그러나, 이 경우 변압기의 구조가 복잡해지고 제품이 고가화된다는 문제점을 야기시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 출력 전극의 형상을 효과적으로 변화시킴으로써 구조가 간단하면서도 승압 특성을 향상시킨 압전 변압기의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 다수개의 단층형 압전 변압기를 효율적으로 적층한 적층형 압전 변압기의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일면에 따르면, 압전 변압기를 제조하는 방법에 있어서,

구동부와 발전부를 갖는 기판을 제공하는 단계,

상기 구동부의 상·하면에 한쌍의 입력 전극을 형성하는 단계,

상기 발전부의 측면에 출력 전극을 형성하는 단계를 포함하되,

상기 출력 전극이 상기 발전부의 측면에 상기 압전 변압기의 폭(W)과 상기 출력 전극의 크기(x)의 비가 0.2 - 0.8이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 변압기의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 적층형 압전 변압기를 제조하는 방법에 있어서,

다수개의 그린시트를 제공하는 단계,

상기 각 그린시트 표면에 구동부와 발전부를 제공하는 단계,

상기 다수개의 그린시트를 적층하는 단계,

상기 각 그린시트의 상기 구동부의 상·하면에 한쌍의 입력 전극을 형성하는 단계,

상기 발전부의 측면에 출력 전극을 형성하는 단계를 포함하되,

상기 출력 전극이 상기 발전부의 측면에 상기 압전 변압기의 폭(W)과 상기 출력 전극의 크기(x)의 비가 0.2 - 0.8이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 변압기의 제조 방법을 제공한다.

도 1은 종래 기술의 로젠형 압전 변압기를 나타내는 사시도.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 변압기를 나타내는 사시도.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 적층형 압전 변압기를 나타내는 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 압전 기판

1a : 구동부

1b : 발전부

2a, 2b : 입력전극

3a, 3b : 출력전극

본 발명에 따른 압전 변압기의 바람직한 실시예를 첨부한 도 2 내지 3을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.

이하에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 변압기는 장방형 압전 변압기의 출력 전극을 부분 전극화 함으로써 분극 처리에 의해 구동부와 피구동부인 발전부의 응력 집중을 완화하여 출력 임피던스를 증가시킴으로써 승압 효율을 양호하게 할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 압전 변압기의 일 실시예를 도시한다. 설명의 편의상, 도 2의 구성 요소 중에서 도 1에 도시한 구성 요소와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다. 도 2에 예시한 바와 같이, 소정의 길이와 두께를 갖는 본 발명에 따른 압전 기판(1)은 2개의 영역(1a) 및 (1b)으로 분할되며, 각 영역은 압전 기판(1)의 길이 방향으로 분할되어 있다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 영역(1a)을 구동부라 하고, 영역(1b)을 발전부라 한다. 구동부(1a)의 상·하면에는 한쌍의 입력 전극(2a, 2b)이 형성된다. 화살표로 표시한 바와 같이,구동부(1a)는 압전 기판의 두께 방향으로 분극되는 반면, 발전부(1b)는 압전 기판의 길이 방향으로 분극된다. 한편, 발전부(1b)는 구동부(1a)으로부터 멀리 떨어진 압전 기판(1)의 끝부분에 형성된 출력 전극(3b)을 갖는다.

도 2를 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 가로, 세로, 두께가, 예를 들어, 각각 42 mm, 12 mm, 1 mm 인 장방형의 압전 기판(1)의 상·하면과 그의 일측면에 은 페이스트(Ag paste)를 스크린 인쇄법으로 입력 전극(2a, 2b)과 출력 전극(3b)을 각각 형성하였다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 기설정된 전압을 인가하고 압전 변압기의 폭(W)에 대한 출력 전극(x)의 비인 x/W를 0 - 1 범위내에서 변경하여 압전 변압기의 승압 특성을 측정하였으며, 아래 표 1에 x/W의 변화에 따른 승압 특성의 변화를 나타냈다.

	0 < x/W < 1
전극 크기(x/W)	1/4	1/2	3/4	1
승 압 비	198	187	182	178

상기 표 1로부터 알수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 구성된 압전 변압기의 승압 특성은 x/W가 1/4 - 3/4 사이에서 그 비가 1일때 승압비가 178인 종래의 로젠형 변압기보다 우수함을 알수 있을 것이다. 바람직하게는, x/W는 1/4 이며, 이 경우 가장 우수한 승압비를 제공함을 알 수 있다. 상기와 같은 각 전극 크기에 대한 승압비는, 예를 들면, 텍트로닉스(Tektronics)에 의해 제조된 오실로 스코프(TDS220), 펑션 제너레이터(AFG310) 등의 측정 장비를 사용하여 유리하게 측정될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예를 도시한 도면으로써 도 1에 도시한 단판형 압전 변압기보다 더 높은 승압비를 제공하기 위하여 제작된 적층형 압전 변압기를 나타내고 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 적층형 압전 변압기는 도 2에 도시한 바와 같은 단층형 압전 변압기를 다수개 적층하고 단층형 압전 변압기의 발전부(1b)의 끝 부분에 부분 출력 전극(3b)을 각각 형성함으로써 낮은 입력 전압에 대해 보다 높은 출력 전압을 얻을 수가 있다.

전술한 적층형 압전 변압기를 제작하기 위하여, 먼저 그린시트를 4장 제작한 다음 각각의 표면에 Ag 전극을 인쇄하여 구동부와 발전부를 형성한 다음 4장의 그린시트를 적층하고 각 단층형 압전 변압기의 발전부(1b)에 부분 전극(3b)을 형성한다. 이 경우에도, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 기설정된 전압을 인가한 후 변압기의 폭에 대한 부분 전극의 비(x/W)를 역시 0 - 1 범위내에서 변경하였으며, 적층된 변압기를 소결한 다음 출력 전극의 폭에 따른 압전 변압기의 승압 특성의 변화를 측정하였다. 예로써, 부하저항이 10 MΩ인 경우 측정 결과를 다음의 표 2 에 나타냈다.

	0 < x/W < 1
전극 크기(x/W)	1/4	1/2	3/4	1
승 압 비	965	913	864	830

위의 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, x/W가 1/4 - 3/4 사이에서 그 비가 1일때 승압비가 830인 종래의 적층 구조에 비해서 더 우수한 승압특성을 나타내고 있음을 알수 있을 것이다. 본 발명의 적층형 압전 변압기의 제조 방법에 있어서,바람직하게는, x/W는 1/4 이며, 이 경우 가장 우수한 승압비를 제공함을 알 수 있다. 상기와 같은 각 전극 크기에 대한 승압비는, 상기 표 1에서 설명한 바와 같이, 예를 들어, 텍트로닉스에 의해 제조된 오실로 스코프(TDS220), 펑션 제너레이터(AFG310) 등의 측정 장비를 사용하여 유리하게 측정될 수 있다.

본 발명의 압전 변압기의 제조방법을 사용하면, 출력 전극을 압전 변압기 폭의 전체 면에 형성하는 종래 기술의 승압 특성보다 발전부의 끝부분에 부분 전극을 형성하도록 설계함으로써 승압 특성이 보다 우수한 단판형 또는 적층형 압전 변압기를 제조할 수가 있다. 그러므로, 본 발명의 압전 변압기는 고전압을 요구하는 전자 기기에 효과적으로 사용될 수 있다.

비록 본 발명이 상기한 상세한 설명에 의해 특별히 도시되고 설명되었지만, 첨부된 특허 청구 범위에 의해 정의된 발명의 본질과 범위에서 벗어나지 않고서도 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 다양한 다른 변형을 가할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (12)

1. (정정) 압전 변압기를 제조하는 방법에 있어서,

   구동부와 발전부를 갖는 기판을 제공하는 단계,

   상기 구동부의 상·하면에 한쌍의 입력 전극을 형성하는 단계,

   상기 발전부의 측면에 출력 전극을 형성하는 단계를 포함하되,

   상기 출력 전극이 상기 발전부의 측면에 상기 압전 변압기의 폭(W)과 상기 출력 전극의 크기(x)의 비가 0.2 - 0.8이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 변압기의 제조 방법.
2. (삭제)
3. (정정) 제1항에 있어서, 상기 압전 변압기의 폭과 출력 전극의 비인 x/W 가 1/4 인 압전 변압기의 제조 방법.
4. (삭제)
5. (정정) 제1항에 있어서, 상기 구동부는 상기 압전 기판의 두께 방향으로 분극되고, 상기 발전부는 상기 압전 기판에 형성된 출력 전극의 방향으로 분극되는 압전 변압기의 제조 방법.
6. (삭제)
7. (정정) 적층형 압전 변압기를 제조하는 방법에 있어서,

   다수개의 그린시트를 제공하는 단계,

   상기 각 그린시트 표면에 구동부와 발전부를 제공하는 단계,

   상기 다수개의 그린시트를 적층하는 단계,

   상기 각 그린시트의 상기 구동부의 상·하면에 한쌍의 입력 전극을 형성하는 단계,

   상기 발전부의 측면에 출력 전극을 형성하는 단계를 포함하되,

   상기 출력 전극이 상기 발전부의 측면에 상기 압전 변압기의 폭(W)과 상기 출력 전극의 크기(x)의 비가 0.2 - 0.8이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 변압기의 제조 방법.
8. (삭제)
9. (정정) 제7항에 있어서, 상기 적층형 압전 변압기의 각 압전 변압기의 폭과 출력 전극의 비인 x/W 가 1/4 인 적층형 압전 변압기의 제조 방법.
10. (삭제)
11. (정정) 제7항에 있어서, 상기 구동부는 상기 압전 기판의 두께 방향으로 분극되고, 상기 발전부는 상기 압전 기판에 형성된 출력 전극의 방향으로 분극되는 적층형 압전 변압기의 제조 방법.
12. (삭제)