KR100749856B1 - 3차원 곡면 타입의 입체형상을 갖는 고출력 압전 변압기 - Google Patents

3차원 곡면 타입의 입체형상을 갖는 고출력 압전 변압기 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 압전재료로 조성된 몸체와 몸체 상하의 제 1 및 제 2 곡면 표면 각각에 전극부가 형성되어, 수직변형과 전단변형이 동시에 발생되는 3차원 곡면 형상의 표면을 특징으로 하는 압전 변압기를 제공한다. 이 때의 압전 변압기는 결합제를 일정한 비로 혼합하고 사출성형 가능한 펠렛으로 제조하는 혼합체 제조 공정(제1 공정)과; 원하는 형상의 금형 내로 사출성형하여 성형체를 제조하는 사출성형공정(제2 공정)과; 상기 사출성형체에서 결합제를 제거하여 탈지체를 제조하는 결합제 제거 공정(제3 공정) 및 탈지체를 고온 소결하여 최종 제품을 제조하는 소결공정(제4 공정)으로 이루어진 분말사출성형방식에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
사출성형, PIM, 압전 변압기, 3차원 형상, 진동모드

Description

3차원 곡면 타입의 입체형상을 갖는 고출력 압전 변압기 및 그의 제조방법{3-Dimensional Curved Surface Type Piezoelectric Transformer and Manufacturing Method Thereof}
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 의한 압전 변압기의 일측 사시도이다.
도 2는 반구형상의 본 발명의 압전 변압기를 절단한 단면 사시도이다.
도 3은 전극이 형성된 본 발명의 평면도이다.
도 4는 전극이 형성된 본 발명의 저면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 의한 압전 변압기를 제조하기 위한 금형의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 3차원 곡면 타입의 압전 변압기 단면에 형성된 단면분극방향이다.
도 7은 제6도와 같이 분극된 압전 변압기에 대해 구한 공진주파수이다.
도 8a 및 8b는 수축 진동일 경우와 팽창 진동일 경우 각 단면에 발생하는 진동 변위이다.
도 9a 및 9b는 3차원 반구형 형상 압전 변압기 표면에 진동변위를 입체적으로 표시한 결과이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 의한 압전 변압기와 종래의 로젠형 압전 변압 기의 출력 측 최대변형률에 대한 정량적 해석결과이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 의해 제작된 사출 성형체의 실제 상하 형태이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 의한 소결 후 전극이 형성된 구조이다.
도 13은 본 발명에 의해 소결된 시편의 내부 파단면의 미세조직을 SEM으로 관찰한 결과이다.
도 14는 1차측 전극(발진부)의 공진-반공진 임피던스곡선 측정 결과이다.
도 15a 및 15b는 승압비를 비교하기 위한 측정 장치 구성도이다.
도 16은 도 15a 장치에 의하여 측정한 입출력 전압 결과이다.
도 17은 도 15b의 장치에 의하여 표준저항(RS)에 측정된 출력파형이다.
도 18은 승압비를 측정한 최종 결과이다.
도 19a와 도 19b는 본 발명에 의한 전극 형태의 실시예이다.
도 20a와 도 20b는 본 발명에 의한 전극 형태의 실시예이다.
도 21은 분극방향의 배열도이다.
도 22a 및 도 22b는 본 발명에 의한 전극 형태의 실시예이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 몸체 200 : 입력전극
300 : 출력전극 400 : 금형 본체
411, 421, 431, 441 : 고정측 몸체 412, 422, 432, 442 : 이동측 몸체
본 발명은 3차원 곡면 형상을 갖는 고출력 압전 변압기 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 압전재료로 조성된 몸체와 몸체 상하의 제 1 및 제 2 곡면 표면 각각에 전극부가 형성되어, 수직변형과 전단변형이 동시에 발생되는 3차원 곡면 형상의 표면을 특징으로 하는 압전 변압기에 관한 것이다.
압전 변압기(Piezoelectric Transformer)는 1957년 미국 GE사의 C. E. Rosen 등이 실용적인 연구를 시작한 것이 처음으로, 기계적 에너지를 매개로 하여 전기적 에너지로 변환하는 소자인 바, 당시 사용하던 압전 재료는 티탄산바륨으로서 승압 범위가 무부하에서 약 50∼60배에 불과하여 실용화에는 한계가 있었으나, Pb(Zr,Ti)O3를 주성분으로 하는 새로운 압전 재료가 발견됨으로써 비로소 그 이상의 승압이 가능하게 되어 본격적인 실용화 연구가 진행되고 있다. 이러한 압전변압기는 권선형의 전자식(electromagnetic type) 변압기에 비하여 다음과 같은 장점을 갖는다. 즉, 권선이 불필요하므로 소형, 박형 및 경량화가 가능하고 대량 제조시 생산성을 향상시킬 수 있고, 고주파 구동시 권선형 변압기에서 발생하는 와류손, 히스테리시스손과 같은 자기 손실이 생기지 않으므로 고효율화가 가능하다. 더욱 이, 권선형의 경우처럼 에너지 변화과정에서 자기에너지로 변환되는 단계가 없으므로 전자유도장애 측면에 있어서 매우 유리하며, 권선형의 경우 고장모드가 단락(short) 상태이기 때문에 화재 등을 유발할 수 있으나, 압전변압기의 경우에는 고장모드가 개방(open)상태이기 때문에 고장이 파급되지 않는 장점이 있다.
한편, 권선형 변압기의 경우 승압비는 권선비에 의해 결정되나, 압전 변압기는 재료 특성 및 전극 구조, 치수, 부하 특성 등에 의하여 결정된다. 그리고 2차측을 고전압 저전류로 변환하기 위한 출력전력 측면에서 볼 때, 권선형 변압기는 권선비를 증가시켜야 하므로 그 만큼 누설 성분이 증가되는 반면, 압전 변압기는 전기-기계(1차측)-기계-전기(2차측) 결합을 이용하고 있으므로 90% 이상의 효율 실현이 가능하여 안정기로 응용할 경우 기존의 방전등에 채택되고 있는 전자식 안정기에 비해 에너지 절약측면에서 상당한 장점이 있다. 이와 같이 2차측에서 고전압 저전류를 얻을 수 있는 변압기는 부하가 고임피던스인 경우 임피던스 정합이 잘 이루어짐에 따라 양호한 부하특성이 가능하여 에너지 변환 효율을 증가시킨다. 따라서 현재까지는 고전압, 저전류의 특성을 갖는 압전 변압기의 개발 및 적용이 비교적 활발하여, 노트북 컴퓨터의 백라이트(Backlight)용 압전식 인버터가 상용화되어 있다. 최근에는 1차 Rosen형, 3차 Rosen형 등 고출력을 위한 연구가 활발히 진행되고 있음과 동시에 병렬운전을 위한 적층방법에 대한 연구도 함께 진행되고 있으나, 다층형의 경우 취약한 내구성과 제조비용이 고가임에도 불구하고 대전류 출력을 얻는 데에는 분명한 한계점을 보이고 있다. 즉, 판상 구조의 Rosen형은 구동부와 출력부의 분극방향이 직교하고 있으므로 경계면에서의 응력 집중이 심하고, 출력부 분극시 고전계(3㎸/㎜)가 인가되므로 분극이 어렵고, 출력단의 전극면적이 작아 대전류를 얻기가 어려워 형광등과 같은 대전류 점등에는 적합하지 않다. 상기한 문제점을 극복하기 위하여 여러 개를 독립적으로 제작하여 병렬 구동하는 방법이 있으나, 정확한 치수를 제어하기 어려워 공진 주파수를 일치시킬 수 없으며, 분극공정의 단점이 해소되지 않아 출력 특성의 저하가 불가피한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 전술한 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 저출력 압전변압기의 단점인 출력 전류 및 출력전압을 증가시킬 수 있도록 하되 단판형이면서 다층형 급의 승압이 가능한 압전 변압기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 분말사출성형법에 의하여 새로운 형상으로 제조된 압전소자를 이용하여 다양한 전극 구조와 분극방향 배열을 갖는 압전 변압기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이와 같은 압전 변압기를 이용하여 기존의 압전 변압기로는 구동이 불가능한 고전압, 대전류의 일반 형광등이나 삼파장 램프를 구동회로에 권선형 변압기를 사용하지 않고도 가정용 입력전압(220V/110V)에서 안정적으로 점등시킬 수 있는 고효율 압전식 인버터를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 3차원 곡면 타입의 입체 형상 을 갖는 고출력 압전 변압기는 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 3차원 곡면 타입의 입체 형상을 갖는 고출력 압전 변압기는 압전재료로 조성된 몸체와 몸체 상하의 제 1 및 제 2 곡면 표면 각각에 전극부가 형성되어, 수직변형과 전단변형이 동시에 발생되는 3차원 곡면 형상의 표면을 특징으로 한다.
또는 본원에 의한 압전 변압기는 분말사출성형법으로 제작되는 몸체와 몸체 상부면에 각각 분할 형성된 입력전극 및 출력전극으로 이루어지는 상부전극과 하부 몸체 전면에 형성되는 하부전극으로 이루어져 전압을 인가하여 발진시키면 상기 몸체(100) 표면의 수축 및 팽창시 발생하는 변위가 테두리부와 중심부에서 최대인 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 3차원 곡면 타입의 입체 형상을 갖는 고출력 압전 변압기 및 그 제조방법의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 압전 변압기의 사시도이고, 도 2는 도1의 압전 변압기를 절단한 단면도이며, 제3도 내지 제4도는 전극이 형성된 본 발명의 평면도 및 저면도이다.
도 1a 내지 도 1b에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 압전 변압기는 압전재료로 조성된 3차원 곡면 타입의 입체형상을 갖는 몸체(100)와 몸체(100) 상하의 제 1 및 제 2 곡면 표면 각각에 전극부(200, 300)가 형성되며, 3차원 곡면 타입의 입체 형상은 바람직하게는 반구형의 형상을 제안할 수 있으나 후술하는 전단변형성분이 존재할 수 있는 3차원 곡면 타입의 형상이라면 어떠한 형태라도 가능하다. 이 때 몸체(100) 상부면에는 발진부로서 1차측 전극에 해당되는 입력전극(200)과 2차측 전극에 해당되는 출력전극(300)이 분할 형성되고, 하부전극은 하부 몸체 전면에 형성되어 본 발명에 의한 압전 변압기는 입출력측의 분극방향에 의하여 두 가지 형태로 구별된다. 상기의 경우와 같이 입출력측이 상하방향으로 분극된 전극 구조를 갖는 형태인 경우 전면 인쇄된 하부전극을 입출력부의 공통 접지로 하고 분할된 상부전극 중 하나를 입력 측으로 하면 나머지 하나의 전극이 출력측이 되게 한다. 또 다른 형태로는 상하전극형상을 동일하게 한 후 입력 측 전극은 상하방향의 분극이 되도록 하고, 출력 측의 전극은 원주방향이 되도록 하는 다양한 형태로 분할 된 전극구조가 형성되어 해당 용도에 맞도록 임의 설계, 예컨대 전극형상, 전극 구조 및 분극방향에 대해 필요에 의해 다양한 설계가 가능한 압전 변압기를 제공하기 위한 것이다. 이렇게 제작된 압전 변압기의 1차측 전극에 전압을 인가하여 발진시키면 단면에 진동변위가 발생하게 되는 바, 수축시와 팽창시 발생하는 변위는 상기 압전 변압기의 테두리부(발진부)와 중심부(출력부)에서 최대 변위를 갖게 되며 이들 변위에 대한 방향성을 고려한 변위벡터의 관점에서 살펴보면 도 1a 내지 도 1b와 같이 반구형 형상인 압전 변압기의 경우 중심점을 제외한 모든 표면에 존재하는 변위벡터는 수직변형과 전단변형이 동시에 발생되며 이는 수직방향 압전모드(d33)과 전단방향 압전모드(d15)를 동시에 이용할 수 있는 관계로 일반적으로 알려진 로젠형 평판 압전 변압기에 비하여 상대적으로 높은 승압비를 얻을 수 있다.
한편, 이와 같은 3차원 곡면 타입의 입체형상을 갖는 압전 변압기를 제조하 기 위하여 본 발명에서는 분말사출성형법(PIM : Powder Injection Molding)을 이용하였다. 분말사출성형법은 3차원 구조의 복잡한 형상을 대상으로 정밀한 제품을 대량으로 제조할 수 있는 플라스틱 사출성형 공정과 분말야금법을 조합한 공정으로서 분말과 결합제를 일정한 비로 혼합하고 사출성형 가능한 펠렛으로 제조하는 혼합체 제조 공정(제1 공정)과, 원하는 형상의 금형 내로 사출성형하여 성형체를 제조하는 사출성형공정(제2 공정)과, 상기 사출성형체에서 결합제를 제거하여 탈지체를 제조하는 결합제 제거 공정(제3 공정) 및 탈지체를 고온 소결하여 최종 제품을 제조하는 소결공정(제4 공정)으로 이루어진다. 이와 같이 금속분말을 사용하는 경우 분말야금법의 장점인 균일한 조직을 얻을 수 있어 주조품과 동등 이상의 기계적인 특성을 얻을 수 있으며 세라믹, 초경과 같은 난가공성 제품을 후 가공 없이 경제적으로 제조 할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명에 적용된 3차원 곡면형상을 갖는 압전 인버터의 분말사출성형의 제조 공정을 상세히 설명하기로 한다.
(1) 제1 공정 : 혼합체(원료분말 및 결합제) 제조 공정
본 발명을 위한 원료분말은 Pb(Zr,Ti)O3를 주성분으로 하며 각각의 원소(Pb, Zr, Ti) 분말을 고 에너지 볼밀 공정을 통하여 균일하게 분산시킴과 동시에 분쇄하여 평균 2.0 ㎛ 이하 크기의 입도로 제조한다. 한편, 결합제는 폴리부틸 메타아크 릴레이트(PBMA)와 파라핀 왁스(PW)를 90:10 ~ 10:90의 범위내에서 적정비로 구성되며, 상기 적정비에 함유된 폴리부틸 메타아크릴레이트와 파라핀 왁스는 전체 중량% 기준으로 60 ~ 95중량 %이 되도록 하고, 나머지는 석유계 용매에 용해되는 에틸렌비닐아세테이트(EVA)로 구성된다. 이와 같이 제조된 원료분말과 결합제는 부피비로 약 45 ~ 55% 가 되도록 칭량한 후에 2개의 밴버리 타입 블레이드가 회전하는 가압니더내에서 150℃로 약 1시간 동안 혼합한 후 냉각하여 사출성형용 펠렛으로 분쇄하여 조립화한다.
(2) 제 2 공정 : 사출성형 공정 및 이를 위한 금형설계
사출성형체의 제조는 일반 플라스틱 사출성형기와 동일한 구조를 갖는 성형기에서 도 5a 내지 도 5d와 같은 금형을 이용하여 제작하였다. 사출성형을 위한 금형은 일반적으로 콜드러너 방식 또는 핫러너 방식을 사용 할 수 있으며 두 가지 방식에 있어서 사출성형체의 제조과정은 스푸루, 러너, 게이트, 캐비티로 분말혼합체가 충전되어 형성하게 된다. 도 5a는 게이트(14)의 위치가 압전 변압기의 정점부에 위치하도록 구성한 것으로서, 본 발명의 경우 이와 같이 게이트를 정점부에 위치토록 하는 이유는 정점부를 제외한 압전 변압기의 모든 표면에는 수직방향 압전모드와 전단방향 압전모드가 동시에 작용하므로 만일 사출성형 후에 게이트 흔적이나 미세한 흠이 존재하게 되면 균열발생의 원인이 될 수 있기 때문에 수직방향 압전모드만 존재하는 정점부에 게이트를 설치하여 비록 성형 후 정점부에 게이트 흔적이 존재한다 하더라도 제품의 수명 연장이 상대적으로 가능하기 때문이다. 이러한 금형의 구조를 좀 더 자세히 살피기 위하여 도 5a를 참조하면, 상기 금형 본체(400)는 고정측 몸체(411)와 이동측 몸체(412)로 구성되며 제품의 성형은 러너(413)로 주입된 성형분말이 게이트(414)를 거쳐 캐비티(415)내에 충전되면 이동측 몸체(412)가 이탈시킨 후 이젝터 핀(416)으로 제품을 취출하게 된다. 한편, 도 5b는 도 5a의 구조를 개선한 또 다른 실시예의 한 형태로, 캐비티(426)의 정점부에 돌기부(425)를 형성하여 성형분말이 캐비티(415)내에 충전된 후 게이트(424)를 제거하면 압전 변압기는 캐비티(426)와 돌기(425)로 구성되어지는 바, 이 때 게이트 흔적은 사출성형체의 표면에 성형되지 않고 돌기(425) 상에 형성되게 된다. 따라서 사출성형체 제조 후 혹은 소결체 제조 후에 반구의 외경을 따라 돌기를 가공하면 표면을 매끈하게 가공할 수 있으므로 제품 수명을 더욱 연장 할 수 있다.
도 5c는 캐비티(435)를 제조함에 있어서 고정측 몸체(431)와 이동측 몸체(432) 사이의 파팅면에 러너(433)와 게이트(434)를 형성시켜 게이트 흔적이 제품의 측면에 형성되도록 한 것이다. 이와 같은 경우 성형 후 게이트 흔적이 남게 되더라도 전극이 게이트 흔적 부위에 형성되지 않으므로 압전 변압기 작동시 균열 발생 등의 결함을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 도 5d는 도 5c와 금형구조 자체는 유사하나 게이트(444)의 형성 위치가 제품 하단부의 스트레이트부(446)에 형성되어 짐에 따라 제품 캐비티(45)의 전면 상에 보다 많은 전극부를 확보할 수 있는 설계 방법이다. 위와 같은 공정시 사출성형 압력은 300 MPa 이하였다.
(3) 제3 공정 : 결합제 제거 공정
분말사출성형에 사용되는 결합제는 사출성형시 분말에 유동성을 부여하여 금형내로 충전되게 하며 냉각 후 성형 형상을 유지시키는 역할을 수행하나 탈시 후에 결합제가 잔류하게 되면 주로 탄소 성분으로 잔류하게 됨에 따라 압전 세라믹 제품에는 압전물성 저하, 비정상 결정립 성장 등을 초래하여 전반적인 특성을 저하시킬 수 있기 때문에 완전하게 제거되어야 한다.
한편, 결합제 제거 공정은 사출성형체에 다량 첨가되어 있는 결합제를 뒤틀림이나 균열 등의 결함을 발생시키지 않으면서 완전히 제거하는 공정으로 전체 공정 중에서 가장 중요한 단계이며 장시간을 요하는 공정이다. 이와 같은 결합제 제거 공정은 소위 열분해법 또는 용매추출법으로 알려진 방법이 가장 많이 통용되는 방법이다. 열분해에 의한 결합제 제거공정은 증발에 의한 제거 방법이 있는데 로내에 사출성형체를 기공성이 있는 기판위에 올려놓고, 결합제의 용융온도 이상으로 가열하면 사출성형체 주위에 빠른 기체의 유동이 발생되어 사출성형체 표면의 결합체 증발계면에 와류가 형성되므로 이를 이용하되 경계층이 생기지 않도록 하면서 결합제를 제거하는 방법이다.
본 발명에 적용된 열분해법의 경우 알루미나 기판위에 사출성형체를 게이트부가 상부로 향하게 위치시키고, 서서히 승온시킨다. 이때 승온조건은 혼합체의 연화 온도인 140℃보다 낮은 온도인 130℃이며 적어도 20시간 정도 유지하도록 하여야 하는데 그와 같은 이유는 상기 온도 이상의 고온 유지시 사출성형체의 형상이 뒤틀릴 수 있기 때문이다. 한편, 130℃ 온도로 약 20시간 가열 후 로의 온도를 0.5 ~ 3 ℃/min 로 500 ℃까지 상승시키며 1시간 이상을 유지토록 하면 첨가된 결합제 의 99% 이상을 제거할 수 있다. 이때 잔류탄소는 0.1% 이하로 제어하며, 추가로 노의 온도를 700℃까지 상승시켜 1시간 이상을 더 유지하면 잔류탄소가 0.01% 이하로 제어된다. 이 때 승온속도는 5 ℃/min까지 빠르게 처리하여도 무방하다. 한편, 용매추출법은 결합제 중의 특정 물질만을 용매에서 추출하고 잔류한 주결합제를 열로써 제거하는 방법이다.
(3) 제4 공정 : 소결 공정
상기한 바와 같은 공정으로 제조된 3차원 곡면 타입의 압전탈지체를 산소가 포함된 분위기로 밀폐된 알루미나 도가니 내에서 1300℃의 온도로 1 ~ 2시간 소결하면 치밀한 구조의 3차원 곡면 타입의 압전체가 제조된다.
본 발명에 의해 제안된 3차원 곡면타입의 압전체의 성능을 입증하기 위하여 일실시예로 분말사출성형법에 의해 제작된 3차원 반구형 타입의 입체형상을 갖는 압전체와 분말프레스방법에 의하여 제조한 원판형 디스크 형태의 압전체의 압전물성을 EMAS6001규격에 따라 측정한 결과를 표 1에 나타내었다.
표. 1
압전시료 직경 (㎜) 두께 (㎜) 밀도 (㎏/㎥) d33(pC/N) 전기기계결합계수 Kp 유전율 정전용량 Qm
분말프레스법 12.5 1 7900 320 0.62 1320 2200
사출성형법 12.1 1 7850 350 0.62 1330 2100
또한 PIM법에 의하여 제조된 3차원 반구형 형상의 치수는 표2에 나타난 바와 같다.
표. 2
외부지름 내부지름 곡률반경 두께 1차 전극면적 2차 전극면적
25㎜ 21.2㎜ 16.5㎜ 2.5㎜ 538.4 mm2 27.6㎜2
한편, 이와 같이 제조된 압전 변압기의 한 실시 형태에 대해 공진주파수와 진동모드를 살펴보기 위하여 ATILA 전산코드를 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션 분석 작업을 수행하였으며, 그 결과로서 상기한 3차원 반구형 형상의 압전 변압기 단면에 형성된 분극방향을 도 6에 도시하였으며, 그와 같이 분극된 압전 변압기에 대해 분석한 공진주파수를 도 7에 나타내었다. 도 6에 표시된 화살표 방향이 본 발명에 의한 3차원 반구형 형상의 압전 변압기에 형성된 분극방향이며, 공진주파수에서 사인파 1V를 1차 측 전극에 인가하여 발진시킬 경우 단면에 발생하는 진동 변위는 수축 진동일 경우와 팽창 진동일 경우 각각 도 8a 및 도 8b에 도시한 바와 같다. 이 때 수축과 팽창 시 발생하는 변위는 3차원 반구형 형상의 압전 변압기 테두리(발진부)와 중심부분(출력부)에서 최대 변위를 갖는 것을 알 수 있다. 한편, 이러한 공진 주파수에서 진동변위를 3차원 반구형 형상에 입체적으로 표시한 결과를 도 9a와 도 9b에 각각 나타내었다. 이때 도9a는 공진 팽창 시 3차원 반구형 압전트랜스의 상부면에 발생하는 진동변위벡터를 나타내며, 도9b는 하부곡면에 나타나는 수축방향의 진동변위벡터를 나타내는 바, 화살표로 도시된 이들 변위벡터의 방향을 살펴보면, 중심점을 제외한 모든 면의 변위벡터 성분에는 전단변형성분이 존재하는 것 을 알 수 있다. 즉, 중심점을 제외한 모든 구면에 존재하는 변위벡터는 수직변형과 전단변형이 동시에 발생하고 있으며 이는 d33, d15 모드를 동시에 이용할 수 있음을 의미하는 것으로 일반적으로 알려진 평판형 압전 변압기에 비하여 높은 승압비가 가능한 것으로 해석될 수 있다. 한편, 출력측에 발생하는 변위와 출력과는 상호 비례관계가 있으므로 본원발명에 의한 압전 변압기와 종래의 로젠형 압전 변압기의 출력을 비교해 보기 위하여 동일 전계 하에서 출력 측의 최대변형률을 시뮬레이션에 의하여 정량적으로 해석해 보았으며 그 결과는 도 10과 같다. 도 10a에 나타난 바와 같이, 로젠형 압전 변압기의 장방향 길이 방향에서 최대 전체 변위는 2× 5.385× 10-8㎜ 이며, 전체 길이는 25㎜, 두께는 2.5㎜이므로 길이방향의 변형률(
Figure 112005057812855-pat00001
)은 4.3× 10-8 이다. 한편, 본 발명에 의한 3차원 반구형 압전 변압기에 있어서 동일조건하에서의 발생변위는 도 10b에 나타난 바와 같으며, 최대변위점인 출력부 중심점에서 발생하는 최대 전체 변위는 2× 1.695× 10-7㎜이고 이때 중심부위의 길이는 2.5㎜이므로 변형률(
Figure 112005057812855-pat00002
)은 1.92× 10-7 로 얻어진다. 따라서 출력부에 발생하는 최대변형률의 비는 다음 식 1에 의하여 계산되어지는 바, 결국 본 발명에 의한 3차원 반구형 압전 변압기의 변형률이 기존의 로젠형 압전 변압기에 비하여 4.8배 이상 큰 것을 알 수 있다.
Figure 112005057812855-pat00003
=
Figure 112005057812855-pat00004
= 4.8 (식 1)
따라서, 본 발명에 의한 압전 변압기는 종래의 평판형 로젠형 압전 변압기에 비하여 높은 출력이 얻어질 수 있음을 쉽게 알 수 있다.
이하에서는 상기한 시뮬레이션 결과와 실제 제작된 시제품에 대한 시험치를 상호 비교 분석한 결과에 대해 고찰하기로 한다. 먼저 시제품에 대한 제조방법은 앞서 기술한 분말사출성형법에 의해 제작되었으며, 그와 같은 방법으로 제작된 사출 성형체의 실제 상하 형태는 도 11a 및 도 11b에 나타난 바와 같다. 또한, 소결 후 전극이 형성된 구조를 도 12a 및 도 12b에 나타내었으며, 소결된 시편의 내부 파단면의 미세조직을 SEM으로 관찰한 결과 도 13과 같이 1.5~2㎛의 균질하고 치밀한 소결체를 얻을 수 있었다. 한편, 비교대상인 로젠형 압전 변압기의 규격치수는 가로 25 mm, 세로 7 mm, 두께 2.5 mm이다. 이와 같이 제작된 압전 변압기를 150℃의 실리콘오일 내에서 2.5㎸/㎜의 직류전계를 40분간 인가한 후 꺼내어 세척한 후 150℃에서 5시간 시효처리한 시편의 2차전극과 그라운드를 단락시킨 후 1차측 전극(발진부)의 공진-반공진 임피던스곡선을 HP4194 Impedance/Gain phase analyser를 이용하여 측정한 결과를 도 14에 도시하였다. 결과에 나타난 바와 같이 1차 공진주파수는 93.9056kHz로 시뮬레이션 결과와 근사한 결과를 보여주고 있다. 한편, 종래의 단판형 진동자 가운데 가장 승압비가 우수한 로젠 타입과 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 반구형 압전 변압기와의 승압 비를 비교하기 위하여 도 15a 및 도 15b와 같은 측정 장치를 구성하여 파형발생기로부터 구형파를 발생시킨 후 전력증폭기를 이용하여 5Vp-p로 압전 변압기의 1차측 전극에 입력한 후 2차측 전극에서 발생하는 전압을 오실로스코프를 이용하여 측정하였다. 이때 부하저항이 10㏀에서는 도 15a와 같이 전압프로브를 부하저항에 직접 연결하여 출력전압을 측정하였으며 100㏀이상에서는 오실로스코프의 내부저항에 의한 오차를 제거하기위하여 도 15b와 같이 10㏀의 표준저항(RS)을 부하저항(RL)과 병렬로 연결한 후 전압 프로브를 표준저항에 연결하여 전압을 측정한 후 부하저항에 따른 출력전압을 식 2를 이용하여 측정하였다.
Figure 112005057812855-pat00005
(식 2)
여기서 VL은 부하저항이 RL일 때의 출력전압, VS는 표준저항(RS) 10㏀에 걸리는 출력전압을 의미한다. 도 16은 부하저항이 10㏀인 경우 도 15a와 같은 장치에 의하여 측정한 입출력 전압 결과를 나타내며, 도 17은 부하저항이 10㏁인 경우 도 15b의 장치에 의하여 표준저항(RS)에 측정된 출력파형을 나타낸 것이다. 위와 같은 방법으로 입출력 파형을 분석하여 출력전압을 입력전압으로 나눈 값인 승압비를 측정한 최종 결과는 도 18에 나타난 바와 같다. 도 18에 도시된 바와 같이 기존의 로젠형 압전 변압기는 10㏁에서의 최대 승압비가 20배인 것에 비하여 본 발명에 의한 압전 변압기는 최대 승압비가 290배임에 따라 로젠형 압전 변압기에 비하여 14배 이상의 승압비가 상승한 것을 알 수 있다.
한편 3차원 곡면 타입의 입체형상을 갖는 압전 변압기에서 발생하는 다양한 진동모드를 이용하기 위한 몇 가지 상부전극의 실시 형태를 도 19a 내지 도 20b에 예시하였다. 도 19a와 도 19b는 상하 전극형태가 동일하며 넓은 전극면적(구형형상의 중심부)의 전극을 1차측 전극으로 하고 좁은 전극 면적부(구형형상의 테두리 전극)를 2차측 전극으로 한 후 도 21과 같이 1차측 전극은 상하 방향으로 분극하고 1차 전극과 2차 전극의 분극방향이 곡면의 접선방향을 따라 형성되도록 분극한 것이다. 이렇게 구성함으로써 2차측과 1차측의 정전용량비를 증가시킬 수 있으며, 최대 10㏁에서 450배의 승압비를 얻을 수 있었다. 또 다른 실시 예는 도 20a 및 도 20b과 같은 전극 형태로 도 21과 같은 분극방향이 배열되도록 한 경우이다. 이와 같은 실시예의 형태들은 로젠형의 경우에 비하여 1차측과 2차측의 분극방향이 수직방향이 아니므로 1차 전극과 2차 전극의 경계면 부위 파손을 방지할 수 있고 분극공정이 용이한 것도 실용상 큰 장점임과 더불러 높은 수율과 높은 승압비를 얻을 수 있는 효과적인 형상이다. 또한 AC-DC 변환기와 같은 출력측의 저전압 · 대전류가 요구되는 경우 입력과 출력측의 전극면적비가 작을수록 유리함에 따라 이와 같은 경우 에는 상부전극의 형태와 하부전극의 형태를 각각 도 22a 내지 도 22b와 같은 형태의 것을 제안하며, 하부전극은 전면전극(도 22b)으로 하여 도 6과 같이 두께 방향으로 분극한 형태의 3차원 반구형 압전 변압기를 또 다른 실시예로 제안한다.
이와 같이 분말사출성형기술을 이용하여 3차원 곡면형상으로 제조된 압전 변압기는 종래의 평면형상과 달리 다양한 진동모드와 큰 진동변위를 얻을 수 있어, 기존의 평면구조 압전세라믹의 제한된 물성을 크게 향상시킬 수 있으며, 다른 제조방법에 비하여 양산성과 치수정밀도가 우수하며, 또한 적층형으로 제조하는 번거로움 없이 큰 발생변위와 발생력을 얻을 수 있다.
이상, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하였는 바, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
본 발명에 의한 분말사출성형기술을 이용하여 3차원형상으로 제조된 압전 변압기는 종래의 평면형상과 달리 다양한 진동모드와 큰 진동변위를 얻을 수 있어, 기존 평면구조 압전세라믹의 제한된 물성을 크게 향상시킬 수 있으며, 다른 제조방법에 비하여 양산성과 치수정밀도가 우수하며, 또한 적층형으로 제조하는 번거로움 없이 큰 발생변위와 발생력을 얻을 수 있는 방법을 제공한다. 더불어 두께 및 곡률반경의 제한이 없고 공진구동이 가능한 재료에 응용이 가능하며 대량생산이 가능한 나름의 각별한 효과가 존재한다.

Claims (11)

  1. 압전재료로 조성된 몸체와 상기 몸체 상하의 제 1 및 제 2 곡면 표면 각각에 전극부가 형성되어, 수직변형과 전단변형이 동시에 발생되는 3차원 곡면 형상의 표면을 특징으로 하는 압전 변압기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극부는 발진부로서 1차측 전극에 해당되는 입력전극과 2차측 전극에 해당되는 출력전극이 분할 형성되고, 하부전극은 하부 몸체 전면인 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극부는 1차측 전극에 해당되는 입력전극과 2차측 전극에 해당되는 출력전극의 분극방향이 곡면의 접선방향을 따라 형성되도록 분극한 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극부는 1차측 전극에 해당되는 입력전극과 2차측 전극에 해당되는 출력전극의 분극방향이 상호 수직방향이 아닌 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 곡면 형상은 반구형 형상인 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
  6. 분말사출성형법으로 제작되는 몸체(100)와;
    몸체(100) 상부면에 각각 분할 형성된 입력전극(200) 및 출력전극(300)으로 이루어지는 상부전극과;
    하부 몸체 전면에 형성되는 하부전극;
    으로 이루어져 전압을 인가하여 발진시키면 상기 몸체(100) 표면의 수축 및 팽창시 발생하는 변위가 테두리부와 중심부에서 최대인 것을 특징으로 하는 압전 변압기.
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