KR100655887B1 - 고효율 로젠형 압전 변압기 - Google Patents

고효율 로젠형 압전 변압기 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은, 고효율 로젠형 압전 변압기에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 원판형 압전체의 중앙에 홀을 형성하고, 상기 홀의 내면에 전극을 설치하여 입력부와 출력부 사이의 정전용량 값의 차이가 최대가 되게 함으로써, 승압 및 감압 특성이 모두 향상됨과 동시에, 압전체의 구동시 원판형 압전체의 중앙부에 집중되는 역학적 스트레스를 완화시키고, 압전체의 고정이 용이하도록 하기 위한, 고효율 로젠형 압전 변압기를 제공하는데 그 목적이 있다.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 고효율 로젠형 압전 변압기에 있어서, 소정의 크기의 직경과 두께를 가지는 원판형으로, 그 원판형의 중심부에 소정의 크기의 직경을 가지는 원통형의 홀이 형성된, 세라믹 재질의 압전체; 상기 홀의 내면을 따라 배치된 입력전극; 상기 입력전극과 일정한 절연 간격을 유지하도록, 상기 압전체의 일면에 배치된 출력전극; 및 상기 입력전극과 일정한 절연 간격을 유지하고, 상기 출력전극과 중첩되도록, 상기 압전체의 타면에 배치된 공통전극을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 휴대용 정보통신 기기 등에 이용됨.
압전 변압기, 로젠형, 세라믹, 입력전극, 출력전극, 공통전극

Description

고효율 로젠형 압전 변압기{Rosen Type Piezoelectric Transformer with High Efficiency}
도 1은 종래의 로젠형 압전 변압기의 구조도,
도 2a는 종래의 수정된 로젠형 압전 변압기의 구조도,
도 2b는 상기 도 2a의 단면도,
도 3a는 본 발명에 따른 고효율 로젠형 압전 변압기의 일실시예 구조도,
도 3b는 상기 도 3a의 일실시예 단면도,
도 4는 상기 도 3a의 압전 변압기의 구동을 위한 일실시예 배선도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101, 201, 301 : 압전체 102, 202, 302 : 입력전극
103, 203, 303 : 출력전극 104, 204, 304 : 공통전극
본 발명은 고효율 로젠형 압전 변압기에 관한 것으로, 특히 휴대용 정보통신 기기 등과 같이 가볍고 작으며, 내(內) 노이즈 특성이 필요한 분야에 적용하기 위한, 고효율 로젠형 압전 변압기에 관한 것이다.
일반적으로, 작고 성능이 우수한 파워 공급장치를 만들기 위하여, 종래에는 전자기 변압기를 가지고 스위칭하는 방식을 이용하였다. 그러나, 구동 주파수가 500kHz 이상이 되면 자기 코어 물질의 히스테리시스 손실(hysteresis loss). 와전류 손실(eddy current loss) 및 도체의 표피 효과(skin effect) 등에 의해 파워 공급장치의 효율이 급격히 떨어지는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전자기 변압기 대신 세라믹 재질의 압전 변압기를 사용하게 되었는데, 이와 같은 압전 변압기를 사용한 파워 공급장치는 전자기 변압기를 이용한 것에 비해 훨씬 작고, 동일한 주파수에서 단위 체적당 파워가 높고, 불에 타지 않으며, 전자기 유도에 의한 노이즈가 발생하지 않는 장점이 있다.
이러한 압전 변압기의 가장 기본적인 구조는 로젠(Rosen)형으로, 이를 도 1 및 도 2를 참조로 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 로젠형 압전 변압기의 구조도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 종래의 로젠형 압전 변압기는, 압전체(101), 상대적으로 낮은 임피던스를 갖는 입력전극(102), 상대적으로 높은 임피던스를 갖는 출력전극(103) 및 공통전극(104)으로 구성된다. 이하, 상기 입력전극(102) 및 상기 공통전극(104)을 "입력부"라 하고, 상기 출력전극(103) 및 상기 공통전극(104)을 " 출력부"라고 하기로 한다.
상기 압전체(101)의 역학적 공진에 해당하는 주파수의 신호를 상기 입력부(102, 104)에 인가하면, 상기 압전체(101)가 역학적 공진을 일으켜, 상기 입력부(102, 104)와 전기적으로 차단된 상기 출력부(103, 104)에 승압된 전기 신호가 나타난다. 이때, 상기 도 1의 "A"는 분극방향이다.
그러나, 상기 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 로젠형 압전 변압기는, 상기 입력부(102, 204)의 임피던스가 너무 높으므로, 동일한 구조에서 단순히 입력부와 출력부를 바꾸어 감압 특성을 갖는 압전 변압기는 만들 수는 없는 문제점이 있다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상기 도 1의 변압기의 구조를 수정하여 도 2와 같은 로젠형 압전 변압기가 개시되어 있다.
도 2a는 종래의 수정된 로젠형 압전 변압기의 구조도이며, 도 2b는 상기 도 2a의 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 종래의 수정된 로젠형 압전 변압기는, 상기 도 1의 로젠형 구조를 원판형으로 구현한 것으로, 원판형 압전체(201), 입력전극(202), 출력전극(203) 및 공통전극(204)으로 구성된다. 이때, 상기 입력전극(202) 및 공통전극(204)은 상기 압전체(201)와 중심이 일치하는 원형이고, 상기 출력전극(203)은 상기 압전체(201)의 원주면에 배치된다. 이때, 상기 도 2a의 "B"는 분극방향이다.
이와 같은 수정된 로젠형 압전 변압기는 상기 도 1과 같은 로젠형 압전 변압기의 1-3 모드보다 원판형의 경방향 모드의 전기기계 결합계수가 훨씬 크므로, 효율이 상당히 개선된 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다.
그러나, 이러한 구조에서는 원판의 중심에 스트레스 집중이 일어나는 문제점이 있으며, 또한 압전체를 고정하는 것이 상당히 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 원판형 압전체의 중앙에 홀을 형성하고, 상기 홀의 내면에 전극을 설치하여 입력부와 출력부 사이의 정전용량 값의 차이가 최대가 되게 함으로써, 승압 및 감압 특성이 모두 향상됨과 동시에, 압전체의 구동시 원판형 압전체의 중앙부에 집중되는 역학적 스트레스를 완화시키고, 압전체의 고정이 용이하도록 하기 위한, 고효율 로젠형 압전 변압기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고효율 로젠형 압전 변압기에 있어서, 소정의 크기의 직경과 두께를 가지는 원판형으로, 그 원판형의 중심부에 소정의 크기의 직경을 가지는 원통형의 홀이 형성된, 세라믹 재질의 압전체; 상기 홀의 내면을 따라 배치된 입력전극; 상기 입력전극과 일정한 절연 간격을 유지하도록, 상기 압전체의 일면에 배치된 출력전극; 및 상기 입력전극과 일정한 절연 간격을 유지하고, 상기 출력전극과 중첩되도록, 상기 압전체의 타면에 배치된 공통전극을 포함하는 고효율 로젠형 압전 변압기를 제공한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 3a는 본 발명에 따른 고효율 로젠형 압전 변압기의 일실시예 구조도이며, 도 3b는 상기 도 3a의 일실시예 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로젠형 압전 변압기는, 소정의 크기의 원판형의 중심부에 홀을 갖는 세라믹 재질의 압전체(301)와, 상기 홀의 내면을 따라 배치된 입력전극(302)과, 상기 입력전극(302)과 일정한 절연 간격을 유지하도록 상기 압전체(301)의 상/하면에 각각 배치된 출력전극(303) 및 공통전극(304)을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 도 3a의 "C"는 분극방향이다.
이때, 상기 압전체(301)의 직경과 내부 홀의 비는 6:1 내지 2:1이 바람직하며, 상기 압전체(301)의 두께는 0.5mm 내지 2mm가 바람직하다.
도 4는 상기 도 3a의 압전 변압기의 구동을 위한 일실시예 배선도이다.
상기 도 3a 및 도 3b의 압전 변압기를 감압용으로 사용하고자 할 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 압전체(301)의 홀의 내면인 입력전극(302)과 상기 공통전극(304) 사이에 상기 압전체(301)의 역학적 공진 주파수에 해당하는 교류 입력 전압을 인가하여, 상기 압전체(301)가 역학적 공진이 일어날 수 있도록 구동한 후, 상기 출력전극(303) 및 상기 공통전극(304)을 통하여 인가된 교류전압에 비하여 감압된 출력 전압을 얻을 수 있다.
본 발명은 종래의 로젠형 압전 변압기에 비하여 상기 압전체(301)의 홀의 내면에 입력전극(302)을 위치시킴으로써, 출력부(303, 304)와 입력부(302, 304) 사이의 정전용량 값의 비가 매우 크도록 크게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 원판형 압전체(301)가 역학적 공진으로 진동함으로 인해 발생하는 중앙부의 스트레스 집중을 해소할 수 있다. 또한, 입력부(302. 304)에 비하여 출력부(303, 304)의 면적이 훨씬 커서, 상기 입력부(302, 304)의 전기장에 의해 발생하는 열이 상기 출력부(303, 304)의 넓은 전극을 통하여 방열되므로, 입력 전기장에 의한 발열이 거의 일어나지 않는 특성을 갖고 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 따른 로젠형 압전 변압기의 제작 과정을 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명에서는, 상기 압전체(301)로써의 중요한 특성 인자인 기계적 품질계수 값이 크고, 저온 소결이 가능할 것으로 판단되는 재료인 "PMS-PZT"를 기본 조성으로 하였다.
먼저, 고순도의 PbO(99.5%), ZrO2(99.5%), TiO2(99.9%), Mn3O4(99%) 및 Sb2O3(99.79%)를 출발 물질로 하여, 조성식에 따라 칭량한 원료 분말을 지르코니아 볼(zirconia ball)과 함께 폴리에틸렌(polyethylene) 병에 넣고, 에탄올을 용매로 하여 24시간 습식 혼합한 후 건조한다.
건조한 분말은 알루미나 도가니를 사용하여 850℃에서 2시간 동안 하소한다. 이후, 하소한 분말을 재분쇄한 후 2wt% PVA(중합도 #500)를 첨가하고, 2 ton/cm2의 압력을 가하여 상기 도 3에 도시된 바와 같은 구조로 성형한다. 성형체에 포함된 유기물은 550℃에서 5시간 동안 유지하여 제거할 수 있다. 이때, 승온 속도는 33℃/h가 바람직하다.
이와 같은 세라믹 성형체를 PbZrO3+10wt% ZrO2 분위기 분말로 사용한 알루미나 도가니 속에 넣고, 1200℃에서 2시간 동안 소결한다. 본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 소결된 시편인 상기 압전체(301)의 외경은 28mm 이고, 내경은 8mm 이며, 두께는 2mm 이다.
이와 같이 소결된 상기 압전체(301)의 중앙홀 내면에 은 재질의 상기 입력전극(302)을 도포하고, 내부의 홀면에서 약 2mm의 절연 간격을 두고, 상기 압전체(301)의 상/하면에 각각 은 재질의 출력전극(303) 및 공통전극(304)을 도포한다.
이후, 상기 압전체(301)의 상/하면에 형성된 출력전극(303) 및 공통전극(304)을 단락시키고, 상기 압전체(301)의 홀 내부에 형성된 상기 입력전극(302)에 2.5kV/mm의 전기장을 약 20분간 인가하여 1차 분극 처리하고, 상기 출력전극(303) 및 공통전극(304)에 동일한 조건으로 2차 분극 처리한다. 이때, 절연유의 온도는 150℃로 하였다.
이와 같이 최종 분극이 완료된 시편을 상기 도 4의 방법으로 연결하여 출력 특성을 살펴본 결과, 상기 압전체(301)의 역학적 공진주파수가 340kHz이었고, 입력전압을 70Vpp 인가하였을 때 효율 95%를 나타내었다. 이때, 출력전력은 약 8W 정도로 나타나 아주 큰 출력 전압을 얻을 수 있었고, 또한 동일한 조건에서 온도 상승 도 약 3℃ 정도의 안정된 특성을 보임을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 원판형의 중심부 홀의 내면에 입력전극을 위치시킴으로써, 출력부와 입력부 사이의 정전용량 값의 비가 매우 크게 할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 원판형 압전체가 역학적 공진으로 진동함으로 인해 발생하는 중앙부의 스트레스 집중을 해소할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 입력부에 비하여 출력부의 면적이 훨씬 크므로, 입력부의 전기장에 의해 발생하는 열이 출력부의 넓은 전극을 통하여 방열되어, 입력 전기장에 의한 발열이 거의 일어나지 않도록 하는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 고효율 로젠형 압전 변압기에 있어서,
    소정의 크기의 직경과 두께를 가지는 원판형으로, 그 원판형의 중심부에 소정의 크기의 직경을 가지는 원통형의 홀이 형성된, 세라믹 재질의 압전체;
    상기 홀의 내면을 따라 배치된 입력전극;
    상기 입력전극과 일정한 절연 간격을 유지하도록, 상기 압전체의 일면에 배치된 출력전극; 및
    상기 입력전극과 일정한 절연 간격을 유지하고, 상기 출력전극과 중첩되도록, 상기 압전체의 타면에 배치된 공통전극
    을 포함하는 고효율 로젠형 압전 변압기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압전체의 직경의 크기는,
    상기 홀의 직경의 크기보다 실질적으로 2배보다 크거나 같고, 실질적으로 6배보다 작거나 같은 것
    을 특징으로 하는 고효율 로젠형 압전 변압기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 압전체의 두께는,
    실질적으로 0.5mm보다 크거나 같고, 실질적으로 2mm보다 작거나 같은 것
    을 특징으로 하는 고효율 로젠형 압전 변압기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 입력전극, 상기 출력전극 및 상기 공통전극은,
    은 재질인 것
    을 특징으로 하는 고효율 로젠형 압전 변압기.
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