KR200245817Y1 - 어댑터용 압전 트랜스포머 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 어댑터용 압전 트랜스포머에 관한 것으로서, 조성식 0.02Pb(Sb1/2Nb1/2)O3-0.13Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.85Pb(Zr0.48,Ti0.52)O3+ x wt% MnO2(x = 0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0) 의 압전 세라믹스 물질로 이루어지는 층을 적어도 3층 이상으로 적층하여 이루어진 적층형 압전 트랜스포머에 있어서, 상기 압전 트랜스포머는 정사각형의 수평 단면을 가지는 정사각 기둥 형태를 이루며, 상기 정사각 기둥은 상기 정사각형면의 중심으로부터 일정한 반경을 갖는 원 형태의 수평 단면적을 가지면서 적층 방향으로 수직 연장된 원기둥 형태의 입력 전극부와, 상기 원기둥 입력 전극부의 수직면으로부터 일정거리가 이격되어 상기 정사각형의 나머지 전체 부분을 차지하는 출력 전극부로 분할 구성되며, 상기 입력 전극부를 이루는 각 층은 분극 방향을 같게하여 직렬 배열로 구성하고, 상기 출력 전극부를 이루는 각 층중 적어도 한층의 분극 방향을 다르게 하여 병렬 배열로 구성하는 것을 특징으로 한다.

Description

어댑터용 압전 트랜스포머 {Piezoelectric transformer for adapter}
최근 들어 기존의 Rosen형으로 수십∼수백 kHz의 공진주파수를 갖는 압전 트랜스포머가 연구 개발되어 노트북 컴퓨터의 Liquid Crystal Display(LCD)에 이용되는 backlight 구동용 고압전원으로 실용화가 이루어졌다. 그외에 이러한 압전 트랜스포머는 오존발생기, DC-DC 컨버터, AC 어댑터, 모니터의 고압 전원 등으로 일부가 실용화되었으며, 성능을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 압전 트랜스포머가 주목받게 된 이유는 종래의 권선형 트랜스포머에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있는데, 기존의 권선형 트랜스포머와 같이 자기 에너지를 변환하는 방법이 아니기 때문에 누설자속이 없어 노이즈 발생이 없다. 또한 압전 트랜스포머는 구동할 때 공진주파수만을 이용하기 때문에 출력 파형이 정현파에 가까워 고조파 잡음의 영향이 적고, 세라믹 무기 재료를 사용하기 때문에 불연성이다. 특히, 슬림화, 소형화, 경량화가 가능하며, 80% 이상의 높은 효율을 갖는 등 많은 장점을 가지고 있어 앞으로 응용 분야가 확산될 것으로 기대된다. 그러나 기존의 LCD backlight(냉음극관)에 사용되는 압전 트랜스포머는 Rosen형이나 Rosen형이 개량된분극반전형으로 출력 임피던스가 높아 고전압, 소전류를 필요로 하는 냉음극관에는 적합하나 수백 mA 이상의 높은 전류를 필요로 하는 AC 어댑터용 압전 트랜스포머로는 적용하기 어렵다.
따라서 본 고안에서는 DC 전원을 공급하는 AC 어댑터용으로 응용하기 위한 압전 트랜스포머를 창안하였다. 대부분의 휴대용 기기는 소형, 경량화가 요구되며, 이런 기기에 DC 전원을 공급하는 AC 어댑터도 소형, 경량화가 요구된다. 그러나 기존의 AC 어댑터는 복잡한 구조 때문에 권선형 트랜스포머를 작고 가볍게 만들기가 어렵다. 그러므로 요구되는 크기와 경량화를 만족하기 위해서 자기적인 권선형 트랜스포머 대신 어댑터용 압전 트랜스포머를 개발하기 위하여 이에 적합한 조성 세라믹스를 연구 개발하고, 가장 우수한 특성을 갖는 압전 세라믹스 조성을 사용하여 압전 트랜스포머를 설계 제작하였으며 전기적 특성을 조사하여 20W 어댑터용 압전트랜스포머로의 적용가능성을 제시하였다.
도 1 은 본 고안에 의한 일 실시예로서 제작된 압전 트랜스포머의 평면 구조도이다.
도 2 는 도 1 과 같이 제작된 압전 트랜스포머의 측면 구조도이다.
도 3 은 도 1 및 도 2 와 같이 제작된 압전 트랜스포머의 구동 및 특성측정을 위한 시스템 구성도이다.
도 4 는 도 3 측정 시스템에 의해 측정된 MnO2첨가량에 따른 상온에서의 유전상수 변화도이다.
도 5 는 도 3 측정 시스템에 의해 측정된 MnO2첨가량에 따른 전기기계 결합계수(kp) 변화도이다.
도 6 은 도 3 측정 시스템에 의해 측정된 MnO2첨가량에 따른 기계적 품질계수(Qm) 변화도이다.
도 7 은 도 3 측정 시스템에 의해 측정된 입력전압에 따른 출력전압의 변화도이다.
도 8 은 도 3 측정 시스템에 의해 측정된 입력전압에 따른 출력전력의 변화도이다.
도 9 는 도 3 측정 시스템에 의해 측정된 출력전력에 따른 온도상승의 변화도이다.
본 고안은 압전 세라믹스 물질로 이루어지는 층을 적어도 3층 이상으로 적층하여 이루어진 적층형 압전 트랜스포머에 있어서, 상기 압전 트랜스포머는 정다각형의 수평 단면을 가지는 정다각 기둥 형태를 이루며, 상기 정다각 기둥은 상기 정다각형면의 중심으로부터 일정한 반경을 갖는 원 형태의 수평 단면적을 가지면서적층 방향으로 수직 연장된 원기둥 형태의 입력 전극부와, 상기 원기둥 입력 전극부의 수직면으로부터 일정거리가 이격되어 상기 정다각형의 나머지 전체 부분을 차지하는 출력 전극부로 분할 구성되며, 상기 입력 전극부를 이루는 각 층은 직렬 배열로 구성하고, 상기 출력 전극부를 이루는 각 층은 병렬 배열로 구성하는 것을 특징으로 하는 어댑터용 압전 트랜스포머이다.
이때, 상기 입력 전극부 각 층간의 직렬 배열은 각 층을 이루는 압전 세라믹스 물질을 동일 방향으로 분극시킴으로서 이루어지며, 상기 출력 전극부 각 층간의 병렬 배열은 각 층을 이루는 압전 세라믹스 물질중 적어도 한 층의 분극방향을 다르게 함으로서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 압전 세라믹스 물질은 0.02Pb(Sb1/2Nb1/2)O3-0.13Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.85Pb(Zr0.48,Ti0.52)O3+ x wt% MnO2(x = 0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0) 인 것이 바람직하다.
특히 상기 압전 세라믹스 물질은 0.02Pb(Sb1/2Nb1/2)O3-0.13Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.85Pb(Zr0.48,Ti0.52)O3+ 0.5 wt% MnO2인 것이 보다 바람직하다.
상기 정다각형은 정사각형 구조를 이루거나 원형 구조를 이루는 것이 바람직하다.
이하 정사각형 구조를 갖는 실시예를 통해 본 고안에 의한 어댑터용 압전 트랜스포머에 대해 상세히 설명하고자 한다.
〈시편의 제조 및 특성측정〉
본 고안에서는 조성식 0.02Pb(Sb1/2Nb1/2)O3-0.13Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.85Pb(Zr0.48,Ti0.52)O3+ x wt% MnO2(x = 0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0) 을 사용하여, 조성에 따라 시료를 10-4g까지 평량하여 아세톤을 분산매로 볼밀에서 24시간 혼합 분쇄하였고, 건조 후 알루미나 도가니로 850℃에서 2시간 하소하였다. 하소 후 재분쇄한 시료에 PVA(5wt% 수용액)을 첨가하여 1,200[kg/cm2]의 압력으로 성형하였고, 1200℃에서 2시간 소결하였다. 특성 측정을 위해 두께 1mm로 연마해 은 페이스트(Ag paste)를 도포하고 600℃에서 10분간 열처리하였다. 전극이 형성된 시편들은 120℃ 실리콘유 속에서 30[kV/cm]의 전계를 인가하여 도 2 와 같은 분극방향을 갖도록 각 층을 분극하였고, 24시간 후 제특성을 측정하였다. 유전특성을 조사하기 위하여 LCR meter(ANDO AG-4304)로 1kHz에서 정전용량을 측정하여 유전상수를 측정하였고, 압전 특성들을 조사하기 위하여 전기기계결합계수 및 기계적 품질계수 등을 IRE 규정에 따라 임피던스 어넬라이져(Impedance Analyzer)(HP4194A)로 공진 및 반공진 주파수를 측정하여 산출하였다.
〈압전 트랜스포머 제작〉
어댑터용 압전 트랜스포머는 조성 실험 중 가장 우수한 특성을 나타내는 압전 세라믹스를 사용하여 제작하였고, 제작된 압전 트랜스포머의 크기와 구조는 도 1 및 도 2 에 나타내었다. 도 1 은 본 실시예에 의한 압전 트랜스포머를 위에서 내려다 본 도면이며, 도 2 는 단면도이다. 압전 트랜스포머는 입력측이 직렬로 되어있기 때문에 입력 임피던스가 크고, 출력측은 병렬로 되어 정전용량이 크게 되므로 출력 임피던스가 작고 출력전류를 크게 할 수 있는 구조이며, 강압되도록 설계하였다.
제작된 적층형 압전 트랜스포머는 3층 구조이며, 한 층의 두께는 0.7mm이고 에폭시 접착제를 사용하여 결합시켰다. 압전 트랜스포머의 전기적 특성을 측정하기 위해 도 3 과 같은 측정 시스템으로 입력전압에 따른 출력전압 및 출력전력은 Power Amp.(Trek50/750), Function generator(HP33120A) 및 오실로스코프(Tektronix TDS3054)를 이용하여 측정하였고, 출력전력에 따른 온도상승은 비접촉식 온도계(Reytek Laser Thermometer)로 측정하였다. 압전 트랜스포머는 부하저항에 따라 특성이 큰 폭으로 변화하기 때문에 여러 가지 부하에 대한 출력 특성을 조사하여야 하나, 본 고안에서는 압전 트랜스포머의 출력 임피던스와의 정합을 고려해 45Ω의 부하저항으로 전기적 특성을 조사하였다.
〈특성 측정 결과〉
1. 유전 및 압전 특성
① MnO2첨가에 따른 상온에서의 유전상수의 변화
MnO2첨가에 따른 상온에서의 유전상수의 변화를 도 4 에 나타내었다. MnO2첨가량이 작을 때는 유전상수가 크게 감소하였으나, 0.5wt% 첨가되었을 때 다시 증가하였고 그 이후 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 MnO2가 첨가되면서 Mn3+이온이치환되어 들어감에 따라 억셉터로 작용하여 공간전하중성을 유지하기 위하여 산소공공을 유발하고, 이 산소공공이 분역벽의 움직임을 감소시켜 유전상수를 저하시키는 것으로 보인다. 그러나 MnO2첨가 량이 0.3wt% 이상일 때는 소결성의 증가로 유전상수가 증가하다가, 너무 많은 양이 첨가되면 결정 내부로 충분히 고용되지 못하고 입계에 편석되면서 유전상수는 감소하였다.
② MnO2첨가에 따른 전기기계결합계수 kp
MnO2첨가에 따른 전기기계결합계수 kp는 도 5 에 나타내었다. 전기기계결합계수는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜주는 효율을 나타내는 것으로 압전 트랜스포머에서는 중요한 요소중의 하나이다. MnO2첨가에 따라 전기기계결합계수는 증가하여 0.5wt% 첨가시 최대값을 나타내었으며, 그 이상 첨가시 감소하였다.
③ MnO2첨가에 따른 기계적 품질계수 Qm
MnO2첨가에 따른 기계적 품질계수 Qm은 도 6 에 나타내었다. MnO2첨가에 따라 기계적 품질계수는 증가하다 0.5wt% 첨가시 최대값을 나타내었으며, 그 이상 첨가시 감소하였다. MnO2를 첨가할 때 기계적 품질계수가 크게 증가하는 이유는 ABO3 구조인 PZT계 압전 세라믹스의 소결온도 범위에서 Mn 이온이 +3가로 존재하여 Mn3+이온이 +4가인 B자리에 치환되어 들어감에 따라 억셉터로 작용하여 분역벽의 움직임을 감소시켜 분역벽의 안정화 작용을 하기 때문으로 판단된다. 표 1은 MnO2첨가에 따른 PSN-PNN-PZT 세라믹의 유전 및 압전 제특성을 나타낸 것이다.
2. 전기적 특성
제작된 압전 트랜스포머의 1kHz에서 측정한 입력측 정전용량 Cin=2.2nF, 출력측 정전용량 Cout=48nF이다. Cin이 클수록 입력전압을 낮출 수 있으며, Cout은 출력단 부하저항과의 임피던스 정합을 고려할 때 중요한 변수가 된다.
① 입력전압에 따른 출력전압
도 7 은 입력전압에 따른 출력전압을 나타낸 것이다. 입력전압 증가에 따라 출력전압이 증가하였다.
② 입력전압에 따른 출력전력
압전 트랜스포머의 구동주파수에서 입력전압에 따른 출력전력은 도 8 에 나타내었다. 입력전압이 증가함에 따라 출력전력은 증가하였는데, 이는 입력전압이증가할 때 출력전압과 출력전류가 증가하였기 때문이다. AC 어댑터에 적용하기 위한 압전 트랜스포머의 특성으로 정격출력을 20W로 고정할 때 입력전압 230Vrms에서 출력전압 25.7Vrms, 출력전류 778mA를 각각 나타내었다.
③ 출력전력에 따른 압전 트랜스포머의 온도변화
출력전력에 따른 압전 트랜스포머의 온도상승(△T℃)은 도 9 에 나타내었다. 모든 전기적 소자에 있어서 발열은 그 소자의 사용 한계점을 나타내는 중요한 요소로, 압전 트랜스포머의 적용시 구동상태의 발열량이 크면 사용상의 제한을 받게 된다. 따라서 압전 트랜스포머의 발열량 △T℃가 20℃ 이내의 범위에서 나타나는 출력을 최대출력이라 할 수 있다. 압전 트랜스포머는 출력전력이 증가함에 따라 발열이 증가하는 경향을 나타내는데, 이는 출력전류의 증가에 따른 진동변위의 증가로 인한 진동속도의 증가에 의한 것이다.
지금까지의 각 특성 실험결과를 정리하면 다음과 같다.
본 고안에서는 유전상수, 전기기계결합계수 및 기계적 품질계수가 큰 압전 트랜스포머용 세라믹스를 개발하기 위하여 PSN-PNN-PZT계에 불순물로 MnO2를 첨가하여 유전 및 압전 특성을 조사하였으며, 여기서 가장 우수한 특성을 나타내는 조성으로 적층형 압전 트랜스포머를 제작하여 전기적 특성을 측정한 결과는 다음과 같다.
1. MnO2첨가에 따라 유전상수는 감소하였다가 0.5wt% 첨가시 1950으로 증가하였다가 다시 감소하였다.
2. MnO2첨가에 따라 전기기계결합계수 kp와 기계적 품질계수 Qm은 증가하다가 0.5wt% 첨가시 각각 0.61, 1321 로 최대값을 나타내었으며, 그 이상 첨가시 감소하였다.
3. 입력전압에 따라 출력전압 및 출력전력은 증가하였으며, 출력을 20W로 고정할 때 입력전압 230Vrms에서 출력 전압 25.7Vrms, 출력전류 778mA를 각각 나타내었다.
4. 출력전력이 증가함에 따라 발열량이 증가하였으며, 압전트랜스포머의 발열량 △T℃가 20℃ 이내의 범위에서 나타나는 출력을 최대출력이라 할 때, 20W 이내에서 구동시 안정적이었다.
본 고안에 의한 압전 세라믹스 조성 및 심플한 압전 트랜스포머 구조를 통해 소형, 경량화된 20W 어댑터용 압전트랜스포머로의 응용이 가능하다.

Claims (6)

  1. 압전 세라믹스 물질로 이루어지는 층을 적어도 3층 이상으로 적층하여 이루어진 적층형 압전 트랜스포머에 있어서, 상기 압전 트랜스포머는 정다각형의 수평 단면을 가지는 정다각 기둥 형태를 이루며, 상기 정다각 기둥은 상기 정다각형면의 중심으로부터 일정한 반경을 갖는 원 형태의 수평 단면적을 가지면서 적층 방향으로 수직 연장된 원기둥 형태의 입력 전극부와, 상기 원기둥 입력 전극부의 수직면으로부터 일정거리가 이격되어 상기 정다각형의 나머지 전체 부분을 차지하는 출력 전극부로 분할 구성되며, 상기 입력 전극부를 이루는 각 층은 직렬 배열로 구성하고, 상기 출력 전극부를 이루는 각 층은 병렬 배열로 구성하는 것을 특징으로 하는, 어댑터용 압전 트랜스포머.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 전극부 각 층간의 직렬 배열은 각 층을 이루는 압전 세라믹스 물질을 동일 방향으로 분극시킴으로서 이루어지며, 상기 출력 전극부 각 층간의 병렬 배열은 각 층을 이루는 압전 세라믹스 물질중 적어도 한 층의 분극방향을 다르게 함으로서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 어댑터용 압전 트랜스포머.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 압전 세라믹스 물질은 0.02Pb(Sb1/2Nb1/2)O3-0.13Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.85Pb(Zr0.48,Ti0.52)O3+ x wt% MnO2(x = 0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0) 인 것을 특징으로 하는, 어댑터용 압전 트랜스포머.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 압전 세라믹스 물질은 0.02Pb(Sb1/2Nb1/2)O3-0.13Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.85Pb(Zr0.48,Ti0.52)O3+ 0.5 wt% MnO2인 것을 특징으로 하는, 어댑터용 압전 트랜스포머.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 정다각형은 정사각형 구조를 이루는 것을 특징으로 하는, 어댑터용 압전 트랜스포머.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 정다각형은 원형 구조를 이루는 것을 특징으로 하는, 어댑터용 압전 트랜스포머.
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