KR101387822B1 - 필름 진동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피브이디에프 필름을 이용하는 진동기에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 필름 진동기는 외부 전원을 입력받는 입력부; 및 필름을 포함하며, 상기 필름을 이용하여 상기 입력부로부터 출력된 전압을 진동 에너지로 변환시키는 진동부를 포함한다. 본 발명에 따르면 PVDF 필름을 진동기로 사용할 때 입력 주파수가 변함에 따라 임피던스 값이 급변하더라도 PVDF 필름에 최대한 많은 전력을 공급할 수 있다.

Description

필름 진동기{Vibrator using a film}

본 발명은 진동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 필름을 이용한 진동기에 관한 것이다.

일반적으로 압전 액추에이터를 동작시키기 위해서는 적게는 수 볼트(V)에서 많게는 수백 볼트(V)의 출력 성능을 갖는 전압 증폭기가 요구된다. 압전 액추에이터 증폭기로는 증폭기의 효율을 보상하는 에너지 보상 증폭기와 증폭기의 효율을 높이고 압전 소재의 히스테리시스 현상을 줄일 수 있는 CLASS-B 아날로그 증폭기가 있으며, 고전압과 대 전류를 동시에 압전 소재에 인가할 수 있는 하이브리드(Hybrid) 증폭기가 있다.

에너지 보상 증폭기는 여러 개의 증폭 단을 이용하여 압전 소재에 인가되는 전압을 유지시켜 준다는 장점이 있으나, 압전 소재에서 소비되는 전력만큼만 증폭 단을 통해서 보상하기 때문에 높은 전압을 인가하기가 어려운 단점이 있다. CLASS-B 아날로그 증폭기는 높은 효율과 히스테리시스 현상을 효과적으로 줄이는 장점이 있으나 증폭 범위가 포화되면 더 이상 증폭할 수 없는 단점을 가진다. 하이브리드 증폭기는 높은 전압과 대 전류를 압전 소재에 인가할 수 있기 때문에 진동 액추에이터(vibration actuator)로써 사용될 때 큰 효용성을 발휘한다. 그러나 압전 소재의 특성에 따라서 주변 소자들을 적절하게 선정해야 하며, 증폭기의 특성보다는 드라이버의 특성을 갖는 것이 특징이다.
한편, 본 발명에 대한 관련 선행문헌으로서, 대한민국 등록특허 제10-0968394호(발명명칭: 진동 액추에이터)가 있다.

본 발명은 PVDF 필름을 진동 액추에이터로 사용하는 진동기를 제공한다.

또한 본 발명은 PVDF 필름의 전기적 특성이 파손되지 않는 한도 내에서 최대의 진동을 발생시키는 증폭기를 제공한다.

또한 본 발명은 입력 주파수가 변함에 따라 PVDF 필름의 임피던스가 급변하더라도 안정적인 출력 특성을 나타낼 수 있는 증폭기를 제공한다.

본 발명에 따른 필름 진동기는 외부 전원을 입력받는 입력부; 및 필름을 포함하며, 상기 필름을 이용하여 상기 입력부로부터 출력된 전압을 진동 에너지로 변환시키는 진동부를 포함한다.

또한 상기 증폭된 전압을 정현파형으로 변환하여 출력하는 출력부를 포함할 수 있다. 나아가 상기 출력부는, 상기 입력부로부터 출력되는 전압을 정류하는 제1 정류부; 및 상기 정류부로부터 출력되는 전압을 정현파형으로 변환하는 제2 정류부를 포함할 수 있다.

또한 상기 제1 정류부는 출력 전압의 위상을 교호적으로 전환시킬 수 있다. 나아가 상기 제1 정류부는 입력 전압을 바이폴라 전압으로 출력할 수 있다.

또한 상기 제1 정류부는 IGBT 풀 브릿지 컨버터일 수 있다.

또한 상기 진동부와 직렬로 연결되어 상기 진동부와 정합되는 정합부를 포함할 수 있다.

또한 상기 정합부는 상기 진동부에 공급되는 전압을 정현파로 변환하는 기능을 동시에 수행할 수 있다.

또한 상기 정합부와 상기 진동부는 직렬로 연결될 수 있다. 나아가 상기 진동부는 저항 성분(R_s) 및 커패시터 성분(C_s)을 갖을 수 있다. 더 나아가 상기 정합부는 저항 성분(R) 및 인덕턴스 성분(L)을 갖을 수 있다. 이 때 상기 정합부의 저항성분(R)은 하기 식 1로부터 산출될 수 있다.

식 1:

또한 상기 입력부 및 상기 출력부를 펄스폭변조(PWM) 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

한편, 진동기에 사용되는 PVDF 엑추에이터에 있어서, 본 발명에 따른 PVDF 엑추에이터는 PVDF 필름; 상기 PVDF 필름의 일면에 배열된 제 1 전도성 부재; 및 상기 PVDF 필름의 타면에 배열된 제 2 전도성 부재를 포함하되, 상기 PVDF 필름은 상기 진동기의 부하로서 동작할 수 있다.

또한 상기 제1 전도성 부재 및 제2 전도성 부재는 금속 부재로 형성될 수 있다.

또한 상기 제1 전도성 부재 및 제2 전도성 부재는 은(Ag) 성분을 포함할 수 있다.

또한 상기 제1 전도성 부재 및 제2 전도성 부재는 박막 또는 도선의 형태로 인쇄될 수 있다.

또한 상기 PVDF 필름은 상기 제1 전도성 부재 및 상기 제2 전도성 부재 사이에서 전기적 저항 성분(R_s)과 커패시터 성분(C_s)을 갖을 수 있다.

본 발명에 따르면 PVDF 필름을 진동기로 사용할 때 입력 주파수가 변함에 따라 임피던스 값이 급변하더라도 PVDF 필름에 최대한 많은 전력을 공급할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 PVDF 필름이 가지는 높은 기계적인 제작성을 이용하여 종래의 압전 재료로는 제작이 어려운 복잡하거나 소형인 진동기를 제작할 수 있다.

도 1은 PVDF 엑추에이터의 등가회로를 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동기를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 정류부 및 제어부의 모습을 개략적으로 나타내는 회로도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 정합부 및 PVDF 엑추에이터의 모습을 나타내는 회로도이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 PVDF 엑추에이터의 모습을 나타내는 평면도이다.
도 5b는 일 실시예에 따른 PVDF 엑추에이터의 모습을 나타내는 측 단면도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 PVDF 엑추에이터의 모습을 나타내는 평면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 정류부의 출력단에 인가되는 출력전압 및 출력전류을 나타내는 그래프이다.
도 8은 PWM 스위칭 주파수가 1KHz인 경우 PVDF 엑추에이터의 양단에 인가되는 전압 및 전류를 나타내는 그래프이다.
도 9는 PWM 스위칭 주파수가 3KHz인 경우 PVDF 엑추에이터의 양단에 인가되는 전압 및 전류를 나타내는 그래프이다.
도 10은 PWM 스위칭 주파수가 6KHz인 경우 PVDF 엑추에이터의 양단에 인가되는 전압 및 전류를 나타내는 그래프이다.
도 11은 준설토 탈수 실험을 위한 모형 지반을 나타내는 사진이다.
도 12는 준설토 탈수 실험의 결과를 비교하기 위한 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다.

도 1을 참조하여 일 실시예에 따른 PVDF 엑추에이터를 설명한다. 도 1은 PVDF 엑추에이터의 등가회로를 나타내는 회로도이다.

본 발명의 엑추에이터(Actuator)는 필름, 특히 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 필름을 진동자로 이용할 수 있다. 다만, 진동자로 사용되는 소자가 압전 재료로 이루어진 필름으로 이루어지면 충분하고 PVDF 필름으로 제한되지는 않는다. 다만, 이하 설명의 편의를 위하여 엑추에이터에 사용되는 필름을 PVDF 필름으로 가정하겠다.

본 실시예에서의 PVDF 필름은 a형의 PVDF 필름을 β형의 결정 구조로 형 전이한 필름일 수 있다. 본 실시예에 따른 PVDF 필름은 연신 과정 시 온도를 80-120도 적용하고, 4배 이상의 길이를 잡아당기는 과정을 거쳤으며 7[KV]에서 8[KV] 사이의 분극 과정을 거쳐 결정구조를 안정화하였다.

한편, PVDF 필름을 진동 엑추에이터로 이용하기 위해서는 다음과 같은 문제점이 해결되어야 한다. 첫째로, PVDF 필름은 크기와 인가되는 구동 주파수에 따라서 임피던스가 크게 변하기 때문에 증폭기의 출력 단에 부하로 사용하게 되면 부하 변동이 심하게 발생되어 출력을 쉽게 예상하기 어렵다. 둘째로, PVDF 필름은 온도가 70도 이상이 되면 변형되는 특성이 있기 때문에 온도 변화에 대처할 수 있는 대비책이 필요하다. 셋째로, PVDF 필름은 약 200[KV/mm] 이상의 과도한 전압이 인가되거나 전류가 흐르게 되면 PVDF 필름에 인쇄된 은도선과 연결 단자가 파손되는 문제점이 있다. 따라서 PVDF 필름을 진동 엑추에이터로 이용하기 위해서는 이러한 문제점들을 보완할 수 있는 별도의 전압 증폭기를 필요로 하며, 이러한 전압 증폭기를 설계하기 위해서는 PVDF의 회로 모델 표현이 선행되어야 한다.

PVDF 엑추에이터는 도 1에 도시된 바와 같이 직렬로 연결된 커패시터와 저항 성분으로 모델링 할 수 있다. PVDF 필름을 커패시터(C_s)로 표현하고, PVDF 필름에 인쇄된 금속 도선, 예를 들어 은도선을 저항성분(R_s)으로 정의할 수 있다.

다음으로 평형 회로 모델에 의한 PVDF 필름 특성 조사를 위한 시편 제작 사양을 표 1에 도시하였다. 본 실시예에서 사용된 PVDF 엑추에이터는 PVDF 필름, 은(Ag)도선 및 라미네이트 코팅 세 부분으로 구성된다. 은도선은 전압을 인가하기 위하여 PVDF 필름 표면에 인쇄되었다. 또한 은도선의 산화를 막고 PVDF 필름의 외부 표면 손상을 막기 위하여 PVDF 필름과 은도선의 외측에 라미네이트 코팅층을 형성했다.

<표 1> PVDF 필름 시편 제작

먼저 제안한 평형 회로 모델이 PVDF 필름 특성에 적절한지 확인을 위하여 LCR 미터기 [LCR-8110G, GWInstek, Taiwan]를 이용하여 임피던스 값, R_s값, C_s값, D값(소산율), 그리고 θ값(Loss Angle)을 측정하였다. 실험은 정현파를 1KHz에서 10KHz까지 1KHz씩 증가시키면서 진행하였다. 표 2에 LCR 미터기로 구한 PVDF 필름의 특성값을 도시하였다. 측정 결과 주파수가 증가할수록 임피던스 값은 감소하며, 평형 회로를 구성하는 C_s값과 R_s값도 감소하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 주파수가 증가할수록 소자 자체의 ESR에 의한 열 손실 비율을 의미하는 소산율(D)은 점차 증가하고 커패시터의 손실을 의미하는 Loss Angle(θ)은 점차 커지는 결과를 얻을 수 있었다.

<표 2>

한편, 표 2에 측정된 값들을 다음의 수식(1)에서 수식(4)까지 주파수에 따라 대입하고 계산하였을 때 그 값이 모두 만족하였다.

(식 1):

(식 2):

(식 3):

(식 4):

따라서 PVDF 필름의 평형 회로 모델은 도 1에 도시된 것과 같이 저항성분과 커패시터 성분으로 구성된 평형 회로 모델을 가지는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 PVDF 필름의 평형 회로 모델은 압전(Piezoelectric) 진동기 회로 모델의 회로 모델과 유사하기 때문에 PVDF 필름을 진동 엑추에이터(vibration actuator)로 사용할 수 있다.

PVDF 필름의 기본적인 특성 조사에 이어서 PVDF 필름의 크기에 따라 임피던스와 커패시터 값의 변화가 있는지를 확인하기 위해 추가적인 PVDF 필름 특성 조사를 수행하였으며, 그에 따른 시편 제작 사양을 표 3에 도시하였다. 제작한 시편들의 모양은 사각형 타입으로 제작하였고, PVDF 필름 자체의 두께는 80[㎛]를 사용하였다.

<표 3> PVDF 필름 시편 제작 사양; 크기 단위: (㎜), 면적단위:(㎟)

PVDF 필름에 인가되는 전압을 2Vrms로 고정하고 주파수를 1KHz에서 10KHz까지 1KHz씩 변동하면서 PVDF 필름의 임피던스와 커패시터 값을 LCR 미터기를 이용하여 측정하였으며, 실험을 통해 얻은 크기에 따른 PVDF 필름의 임피던스 측정값과 커패시터 값은 표 4와 표 5에 도시하였다.

<표 4> PVDF 필름의 크기에 따른 임피던스 특성

<표 5> PVDF 필름의 크기에 따른 커패시터 값 특성

측정된 값으로부터 알 수 있듯이 PVDF 필름의 임피던스는 크기가 클수록 반비례하여 작아지는 반면에 커패시터 값은 PVDF 필름 크기에 비례하여 커진다. 또한, 주파수 변화가 저주파수 대역에서 고주파수 대역으로 변동하게 될 때 임피던스 값은 급격히 감소하는 반면에 커패시터 값은 서서히 감소하는 특징을 보인다. 따라서 크기와 구동 주파수에 따라서 임피던스 값이 크게 변하는 PVDF 필름 엑추에이터를 진동 엑추에이터로 사용하기 위해서는 적절한 임피던스 정합이 필요하며 이를 고려한 전압 증폭기의 개발이 필요함을 알 수 있다.

도 2를 참조하여 입력부를 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동기를 개략적으로 나타내는 블록도이다.

입력부(110)는 제어부(140)로부터 제 1 제어 신호, 예를 들어 펄스 폭 변조 (PWM, Pulse-Width Modulation) 신호를 받아 입력 전압 예를 들어 +48Vdc를 약+200Vdc까지 승압시키는 부스트 컨버터(Boost Converter) 블록으로 구성될 수 있다. 부스트 컨버터는 DC-DC 컨버터의 한 종류로 입력 전압을 인덕터에 저장하였다가 스위치의 on/off 동작을 통해서 인덕터에 저장된 에너지를 출력으로 내보내는 방식으로, 항상 입력 전압보다 출력 전압이 높은 특징을 갖는다. 입력부(110)의 상세한 구성에 대한 설명은 생략한다.

도 2 내지 도 4를 참조하여 출력부(120)를 설명한다. 도 3은 일 실시예에 따른 정류부 및 제어부의 모습을 개략적으로 나타내는 회로도이고, 도 4는 일 실시예에 따른 정합부 및 PVDF 엑추에이터의 구조를 나타내는 회로도이다.

본 실시예에 따른 출력부(120)는 입력부(110)에 의하여 증폭된 전압을 정류 및 증폭하고 파형을 변환하여 출력한다. 출력부(120)는 정류부(121)와 정합부(122)를 포함한다.

정류부(121)는 제어부(140)로부터 제 2 제어 신호, 예를 들어 PWM 신호를 받아 구동되며, 입력부(110)로부터 출력되는 전압을 펄스파형으로 변환시킨다. 구체적으로 정류부(121)는 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 스위치들, 예를 들어 4개의 IGBT(Insulated Gate Bi-Polar Transistor, MF11, MF12, MF21, MF22)를 포함하는 풀 브릿지 컨버터로 구현될 수 있다. IGBT는 고내압 MOSFET의 일종으로 일반 MOSFET의 결점인 고내압화에 따른 온 저항의 증가를 도전변조효과를 이용하여 낮춘다. 각 IGBT는 제어부(130)로부터 제어 신호, 예를 들어 PWM 신호를 받아서 구동된다. 정류부(121)는 구동전압(Vdd)이 인가된 상태에서 PWM 제어에 따라 예를 들어 상기 PWM 신호와 동일한 주기를 갖는 펄스파를 발생시킨다. 정류부(121)의 출력단(a, b)에는 전압이 예를 들어 약 400[V_P-P]까지 증폭되어 발생된다. 풀 브릿지 회로는 유니폴라(Unipolar) 전압 입력을 바이폴라(Bipolar) 전압으로 출력할 수 있기 때문에 입력부(110)에서 유니폴라 전압만 만들어도 되는 장점이 있다.

정류부(121)의 동작을 살펴보면, 제어부(140)는 스위치들(MF11, MF21, MF12 및 MF22)의 동작을 제어한다. 구체적으로는, 스위치들(MF11, MF21, MF12 및 MF22) 중 일부(MF11 및 MF12)가 턴-온(Turn-on)될 때 다른 스위치들(MF21 및 MF22)는 오프 상태를 유지하며, 스위치들(MF11, MF21, MF12 및 MF22) 중 일부(MF21 및 MF22)가 턴-온될 때 다른 스위치들(MF11 및 MF12)은 오프된다. 즉, 스위치들(MF11 및 MF12)과 스위치들(MF21 및 MF22)은 교대로 동작하며, 이는 정합부(122)로부터 발생되는 진동을 증가시키기 위해서이다. 다만, 정류부(121)는 입력부(110)로부터 출력된 신호를 정합부(122)로 정류하여 전달하는 한 풀 브릿지 구조로 제한되지는 않는다.

정합부(122)는 도 4에 도시된 바와 같이 저항 성분(R)과 인덕턴스 성분(L)을 갖는 회로 또는 등가 회로로 구현된다. 정합부(122)는 PVDF 필름과 직렬로 연결된다. 직렬로 연결된 정합부(122)와 PVDF 필름의 양단(c, d)은 도 3에 도시된 정류부(121)의 출력단(a, b)에 각기 연결된다.

PVDF 필름은 커패시터의 특성을 갖기 때문에, 정류부(121)에서 발생한 펄스 전압이 PVDF 필름에 직접 인가되면 전압 레벨이 바뀌는 시점에 PVDF 필름으로 전류가 흐른다. 또한, 이 때에 흐르는 전류의 크기는 순간적인 전압의 변동율에 비례하기 때문에 극히 짧은 시간 동안 큰 전류가 흐르게 된다. 따라서 과전류로 인하여 PVDF 필름이 손상될 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 정합부(122)는 PVDF 필름 양단에 인가되는 펄스파의 전압을 정현파로 변화시키고 전류의 파형도 순간 피크 치만 발생하는 파형에서 정현파로 변경시킨다. 즉, 정합부(122)의 인덕턴스 성분은 진동부(130) 캐패시터 성분과의 정합하기 위한 기능을 할 뿐 아니라, 전류가 급격히 변하는 것을 방지하는 인덕턴스 자체의 특성에 의하여 진동부(130) 양단에 걸리는 전압을 정현파로 전환시키는 기능도 수행한다. 즉, 정합부(122)는 후술할 진동부(130)와의 정합되는 기능을 수행할 뿐 아니라 제2의 정류부로서 기능하여 진동부(130)에 과전류가 흐르는 것을 방지하는 기능 또한 수행하게 된다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이 크기와 구동 주파수에 따라서 임피던스 값이 크게 변하는 PVDF 필름을 진동 엑추에이터로 사용하기 위해서는 적절한 임피던스 정합이 필요하다. 즉, 본 실시예에서는 정합부(122)와 PVDF 필름과의 임피던스 정합을 통하여 주파수가 변화에 따른 임피던스의 변동을 최소화한다. 즉, 정합부(122)와 PVDF 필름을 직렬로 연결하여 정합부(R-L)-PVDF 필름 직렬 회로를 구성하였기 때문에 R값과 L값 그리고 PVDF 필름의 크기에 따라서 전류가 불안정하게 흐를 수 있을 수 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 식 (5)와 같이 R-L-C 직렬 회로 방정식을 통하여 전류를 안정하게 공급할 수 있는 R값과 L값을 구하였다.

(식 5):

전류의 해를 구하기 위하여 특성 방정식을 세우고 해의 범위를 구하면 다음의 식 (6) 및 식 (7)의 해의 범위를 얻을 수 있다.

(식 6):

(식 7):

식 (6)의 범위를 갖는 해의 경우를 Under damped라고 하며 시스템에 단위 계단 응답을 넣었을 때 출력 값이 감쇠 진동하는 경우로 정합부(R-L)-PVDF 필름 직렬 회로에서 전류가 감쇠한다. 식 (7)의 범위를 만족하는 해의 경우는 Critical damped와 Over damped 의 경우로 R-L- PVDF 필름 직렬 회로에서 안정적으로 전류가 흐를 수 있다. R-L-PVDF 필름 임피던스 정합 회로에 안정적인 전류를 흐를 수 있는 R값과 L값을 구하기 위하여 아래 식(8)을 이용하였다.

(식 8):

아래의 표 6은 PVDF 필름 임피던스 정합 회로의 최적 값을 찾기 위하여 주파수에 따라 변하는 PVDF 필름의 특성 값 중 PVDF 필름 평형 회로 모델을 구성하는 R_s값과 C_s값을 LCR 미터기로 측정한 결과이다. PVDF 필름을 진동 엑추에이터 로 사용하기 때문에 인가해주는 주파수에서 PVDF 필름이 최대한 많은 진동 에너지를 발생할 수 있도록 공진 주파수를 만족하는 인덕터 값을 구하였다. 인가해주는 주파수를 공진 주파수로 정하고 표 6에서 보이는 C_s값을 식 (8)에 대입하여 인덕터 값을 구한 결과는 표 7에서 보인다.

<표 6>PVDF 필름의 Rs 값과 Cs값 측정 결과

<표 7> PVDF 필름 임피던스 정합 회로의 최적 인덕터 값

전류가 감쇠 진동하지 않고 일정하게 흐를 수 있는 저항 값을 구하기 위하여 R-L-PVDF 필름 직렬 회로에서 전류가 최대로 흐를 수 있는 조건인 식 (9)을 정리하면 다음과 같다.

(식 9):

표 6과 표 7로부터 인가 주파수에 해당하는 R_s 값과 C_s 값 그리고 인덕터(L) 값을 식 (9)에 대입하여 R-L-PVDF 필름 직렬 회로에서 전류의 감쇠 진동을 막기 위한 저항 값을 구한 결과는 표 8에 보인다. 표 8에서는 R-L-PVDF 필름 직렬 회로에서 전류가 감쇠 진동을 하지 않고 일정하게 전류를 흐르게 할 수 있는 최적 저항 값을 PVDF 필름에 인가되는 주파수 별로 보인다.

<표 8> PVDF 필름 임피던스 정합 회로의 최적 저항 값

도 4 내지 도 6을 참조하여 진동부를 설명한다. 도 5a는 일 실시예에 따른 PVDF 엑추에이터의 모습을 나타내는 평면도이고, 도 5b는 일 실시예에 따른 PVDF 엑추에이터의 모습을 나타내는 측 단면도이며, 도 6은 다른 실시예에 따른 PVDF 엑추에이터의 모습을 나타내는 평면도이다.

진동부(130)는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다. 진동부(130)는 PVDF 필름(131)의 상부면 및 하부면 각각에 전도성 부재(132)로 인쇄된 박막 또는 도선이 형성될 수 있다. PVDF 필름(131) 상하부면에 형성된 전도성 부재(132)에는 각각 도선(133a, 133b)를 통하여 급전된다. 이 때 PVDF 필름(131)이 진동하게 된다. 이 경우 PVDF 필름(131)을 포함한 진동부(130)는 일정한 임피던스를 갖게되어 도 4에 도시된 바와 같이 저항 성분(Rs)과 커패시터 성분(C_s)을 갖는 등가회로로 표현될 수 있다.

한편, 진동부(130)는 불필요한 전력의 감쇄를 피하기 위하여 도 6에 도시된 바와 같이 전도성 부재를 저항이 극히 작은 은(Ag)과 같은 금속 부재(132a)로 형성할 수도 있다.

도 7 내지 도 10을 참조하여 본 실시예에 따른 PVDF 필름을 이용한 진동기의 성능 실험에 대하여 설명한다. 도 7는 일 실시예에 따른 정류부의 출력단에 인가되는 출력전압 및 출력전류을 나타내는 그래프이고, 도 8은 PWM 스위칭 주파수가 1KHz인 경우 PVDF 엑추에이터의 양단에 인가되는 전압 및 전류를 나타내는 그래프이다. 또한 도 9는 PWM 스위칭 주파수가 3KHz인 경우 PVDF 엑추에이터의 양단에 인가되는 전압 및 전류를 나타내는 그래프이고, 도 10은 PWM 스위칭 주파수가 6KHz인 경우 PVDF 엑추에이터의 양단에 인가되는 전압 및 전류를 나타내는 그래프이다.

성능 실험에서 정류부의 출력 전압 파형은 오실로스코프를 이용하여 측정하였고, PVDF 필름 엑추에이터에 흐르는 전류는 전류 증폭기와 전류 프로브를 이용하여 측정하였다. 또한 주파수가 1KHz, 3KHz, 그리고 6KHz인 입력 신호를 인가하였으며, 각 해당 주파수에 따라서 PVDF 필름의 출력 파형과 출력 전류를 측정하였다.

앞서 설명한 바와 같이 PVDF 필름을 진동 엑추에이터로 동작시킬 때 효과적으로 PVDF 필름에 전압과 전류를 인가하기 위하여 R-L-PVDF 필름 직렬 회로를 구성하였으며, 이 때 전류를 일정하게 공급하기 위하여 공진 주파수를 맞춘 R값과 L값에 따라 각 소자를 선정하였다. 실험에 사용한 R-L-PVDF 필름 직렬 회로의 소자 값들은 출력 증폭부에서 사용한 각 소자들이 가진 특성의 한계점들을(발열, 전류, 소비전력, 크기 등) 고려하여 선정하였다. 이러한 점을 고려한 각 소자들의 특성값들을 아래의 표 9에 도시하였다. 각각의 내부 저항(Rs), 커패시터(Cs), 그리고 임피던스(Z)는 실험에서 사용한 PVDF 필름의 특성 값이다.

<표 9> PVDF 필름 임피던스 정합 회로 선정 값

한편, L값과 R값은 R-L-PVDF 필름 임피던스 정합 회로를 구성하는 소자들로 전압 확대율 Qc의 값을 가능한 크게 하는 값으로 선정하였으며, 주파수가 증가할수록 그 값이 줄어드는 경향을 보이는 전압확대율 Q_C와 Q_L은 식 (10)과 식 (11)를 이용하여 구하였다.

(식 10):

(식 11):

도 7에 도시된 바와 같이 Full-Bridge 회로, 즉 정류부의 출력 파형을 살펴보면 최대 출력은 약 400[V_p-p]이다. 채널 1은 전압의 파형을 나타내고, 채널 2는 전류의 파형을 나타내고 있다. 정류부의 출력 전압은 정합부(R-L)-PVDF 필름 직렬 회로에 인가된다.

도 8은 입력되는 주파수가 1KHz일 때, 즉 PWM 스위칭 주파수가 1KHz인 경우 PVDF 엑추에이터의 양단에 인가되는 전압 및 전류를 나타내고 있다. 채널 1의 전압 파형을 살펴보면 정현파에 유사한 형태를 갖게 된다. 따라서 시간당 전압의 변화율에 비례하는 전류도 안정적인 범위 내에서 흐르게 되어, 과전류에 의하여 PVDF 필름이 손상될 우려를 최소화 할 수 있다. 채널 2는 정합부-PVDF 필름 직렬 회로에 흐르는 전류 파형을 보인다. 이 때 PVDF 필름에 전달되는 전력을 구하기 위하여 식 (12)를 이용하면 PVDF 필름에서 소비되는 전력은 8.98W임을 알 수 있다.

(식 12):

한편, 도 9과 도 10을 통하여 PWM 스위칭 주파수가 변화될 때 정합부(R-L)-PVDF 필름 직렬 회로를 통해서 PVDF 필름이 소비하는 전력의 변화를 알 수 있다. 도 9 는 파형 측정기의 주기를 200[㎲]로 설정하고 PWM 스위칭 주파수를 3KHz 인가할 때의 PVDF 필름에 전달되는 전압 파형(채널 1)과 전류 파형(채널 2)을 나타내고 있으며, 도 10은 파형 측정기의 주기를 100[㎲]로 설정하고 PWM 스위칭 주파수를 6KHz를 인가하였을 때 PVDF 필름에 전달되는 전압 파형(채널 1)과 전류 파형(채널 2)를 나타내고 있다. 입력 주파수에 따라 PVDF 필름에 전달되는 전력을 식 (12)를 이용하여 구하면 3KHz에서는 16.64W 그리고 6KHz에서는 7.87W의 전력을 소비하고 있음을 알 수 있다.

도 11 및 도 12를참조하여 본 실시예에 따른 진동기를 이용한 준설토 탈수 실험을 설명한다. 도 11은 준설토 탈수 실험을 위한 모형 지반을 나타내는 사진이고, 도 12은 준설토 탈수 실험의 결과를 비교하기 위한 그래프이다.

본 실시예에 따른 PVDF 필름을 이용한 진동기를 적절히 구동하여 준설토의 함수비를 효과적으로 낮출 수 있는지를 확인하는 탈수 실험을 수행하였다. 도 11에 도시된 바와 같이 실험에 사용한 모형지반은 모형상자에 자갈로 배수 층을 조성하여 탈수 실험 시에 준설토가 유실되지 않도록 하였다.

실험에서 사용된 준설토의 무게와 물의 양은 표 10에서 보인 바와 같이 준설토와 물의 함수비를 90%로 맞추기 위해서 준설토 550g을 모형 지반에 쌓고 500의 물을 부어 탈수량을 측정하였다.

<표 10> 실험에서 사용된 준설토의 무게와 물의 양

실험 방법은 비교예로서 자연 탈수 실험을 진행하였으며 본 실시예에 따른 진동기에 의한 탈수 실험을 별도로 진행하였다. 또한, 본 실시예에 따른 진동기에 인가되는 입력 주파수를 출력이 가장 큰 3.68KHz와 출력이 낮은 6KHz 두 가지 주파수를 적용하여 실험을 진행하였다. 탈수량의 측정 방법으로는 5분 간격으로 60분 동안 메스실린더에 저장되는 물의 양을 측정하고 기록하였다. 실험은 3번 반복하였으며 3번 반복된 실험의 평균 결과를 도 12에 도시하였다.

도 12에 도시된 바와 같이 자연 탈수를 할 때보다 본 실시예에 따른 진동기를 사용하는 경우 탈수 시작 후 30분 후 자연 탈수에 비하여 약 3배 빠른 탈수 효과를 보이고 있음을 알 수 있다. 또한 3.68KHz의 입력 주파수를 사용하는 경우 6KHz의 입력 주파수를 사용하는 경우에 비하여 초기에는 더욱 효과적이었으나 30분 이후에는 큰 차이가 없음을 알 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 필름 진동기로 구현될 수 있다.

100: 진동기 110: 입력부
120: 출력부 121: 정류부
122: 정합부 130: 진동부
140: 제어부

Claims (18)

1. 외부 전원을 입력받는 입력부; 및
   필름을 포함하며, 상기 필름을 이용하여 상기 입력부로부터 출력된 전압을 진동 에너지로 변환시키는 진동부; 및
   상기 진동부와 직렬로 연결되어 상기 진동부와 정합되는 정합부를 포함하되, 상기 진동부는 저항 성분(Rs) 및 커패시터 성분(Cs)을 갖고,
   상기 정합부는, 상기 진동부에 공급되는 전압을 정현파로 변환하는 기능을 동시에 수행하며, 저항 성분(R) 및 인덕턴스 성분(L)을 갖는 필름 진동기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 입력부로부터 출력된 전압을 정현파형으로 변환하여 출력하는 출력부를 포함하는 필름 진동기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 정합부는 상기 출력부에 포함되며, 상기 출력부는
   상기 입력부로부터 출력되는 전압을 정류하는 제1 정류부; 및
   상기 제1 정류부로부터 출력되는 전압을 정현파형으로 변환하는 제2 정류부를 더 포함하는 필름 진동기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 정류부는 출력 전압의 위상을 교호적으로 전환시키는 필름 진동기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 정류부는 입력 전압을 바이폴라 전압으로 출력하는 필름 진동기.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제1 정류부는 IGBT 풀 브릿지 컨버터인 필름 진동기
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제1항에 있어서,
    상기 정합부의 저항성분(R)은 하기 식 1로부터 산출되는 필름 진동기.
    식 1:

    
13. 제2항에 있어서,
    상기 입력부 및 상기 출력부를 펄스폭변조(PWM) 제어하는 제어부를 포함하는 필름 진동기.
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