KR200351233Y1 - 강압용 압전변압기 및 이를 이용한 어댑터 - Google Patents

Abstract

본 고안은 압전 세라믹을 이용하여 전압을 강압시키는 강압용 압전변압기 및 이를 이용한 어댑터에 관한 것이다. 본 고안에 따른 강압용 압전변압기는, 입력 전압을 인가하기 위해 상하면 각각에 전극 층이 형성되는 입력 압전세라믹 층, 상기 입력 압전세라믹 층에 나란히 배치되고, 출력 전압을 출력하기 위해 상하면 각각에 전극 층이 형성되는 출력 압전세라믹 층, 및 상기 입력 압전세라믹 층과 상기 출력세라믹 층의 서로 대향하는 전극 층들 사이에 개재되는 절연세라믹 층을 포함하고, 상기 입력 압전세라믹 층의 분극 방향과 상기 출력 압전세라믹 층의 분극 방향은 두께 방향인 것을 특징으로 한다. 또한 본 고안에 따른 어댑터는, 상용 교류 전원으로부터 제 1 직류 전압을 형성시키는 제 1 정류회로, 상기 제 1 직류 전압을 제 1 교류 전압으로 변환시키는 스위칭회로, 상기 제 1 교류 전압을 소정의 비로 강압된 제 2 교류 전압으로 변환시키는 본 고안에 따른 강압용 압전변압기, 및 상기 제 2 교류 전압을 제 2 직류 전압으로 변환시키는 제 2 정류회로를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 본 고안에 따른 상용 전원 플러그는 본 고안에 따른 어댑터를 내장하는 것을 특징으로 한다.

Description

강압용 압전변압기 및 이를 이용한 어댑터{step-down piezoelectric transformer and adaptor using the same}

본 고안은 압전 세라믹을 이용한 압전 변압기에 관한 것으로, 특히 전압을 강압시키는 강압용 압전 변압기 및 이를 이용한 어댑터에 관한 것이다.

압전 변압기(piezoelectric transformer)는 전기적 에너지를 기계적 에너지를 매개로 하여 전기적 에너지로 변환하는 소자이다. 압전변압기는 권선형의 전자식(electromagnetic type) 변압기에 비하여 다음과 같은 장점을 갖는다. 즉, 권선이 불필요하므로 소형, 박형 및 경량화가 가능하고 대량 제조시 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한 고주파 구동시 권선형 변압기에서 발생하는 와류손, 히스테리시스손과 같은 자기 손실이 생기지 않으므로 고효율화가 가능하다. 더욱이, 권선형의 경우처럼 에너지 변화과정에서 자기에너지로 변환되는 단계가 없으므로 전자유도장애 측면에 있어서 매우 유리하다. 그리고, 권선형의 경우 고장모드가 단락(short) 상태이기 때문에 화재 등을 유발할 수 있으나, 압전변압기 경우에는 고장모드가 개방(open)상태이기 때문에 고장이 파급되지 않는 장점이 있다.

그러나, 압전변압기는 그 구동 주파수가 수십KHz 이상의 고주파로서 고효율동작을 위해서는 변압기의 온도나 부하에 따라 구동주파수를 제어해야 한다는 점 등의 단점도 있기 때문에 1950년대 Rosen에 의해 압전변압기가 제안된 이래 큰 주목을 끌지 못하여 활발한 연구도 수행되지 않았다. 그러나, 최근 노트북 컴퓨터의 LCD의 백라이트인 CCFL용 인버터의 크기축소, 효율개선 등이 이 분야에서 강하게 요구되면서 기존의 훼라이트를 코어로 사용한 권선형 변압기를 압전변압기로 대체하려는 연구가 활발히 수행되고 있다. 압전변압기를 이용하면, 권선형 변압기를 사용하는 기존의 경우에 비하여 최종 제품을 고효율화 및 소형화시킬 수 있어서 그 부가가치를 더욱 높일 수 있다.

한편, 압전변압기의 경우에도 권선형 변압기와 마찬가지로 구조 설계에 따라 승압용 외에도 강압용도 가능하다. 강압용 압전변압기의 주 용도는 각종 어댑터, DC-DC 컨버터 등을 예상할 수 있다. 그럼에도, 강압용 압전변압기의 경우 아직 기술선진국인 일본에서도 아직 실용화된 예는 없다. 강압용 변압기가 승압용 변압기에 비하여 개발이나 상용화가 늦어진 경향이 있는데, 그 이유는 승압용 변압기에 비해 강압용 변압기에 대한 시장의 요구가 약했으며, 기술적인 면에서도 강압용 변압기의 구조가 승압용 변압기보다 복잡하여 제조가 어려웠기 때문이다. 승압용 변압기의 경우에는 내부 임피던스 및 출력 임피던스가 일반적으로 높지만 강압용 변압기 경우에는 낮다. 따라서, 단순히 승압용 변압기를 1차, 2차 측을 바꾸어 강압용 변압기로 사용할 수 없다.

이에 본 고안은 압전세라믹을 이용하여 소형 및 고효율의 강압용 압전변압기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 고안은 상기 강압용 압전변압기를 이용한 어댑터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 고안은 본 고안에 따른 어댑터를 내장하는 상용 전원 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 고안에 따른 강압용 압전변압기의 사시도이다.

도 2는 도 1의 I-I 라인의 단면도이다.

도 3은 강압용 압전변압기 두께 방향의 분극 및 응력 분포도이다.

도 4a는 본 고안에 따른 강압용 압전 변압기의 등가회로이다.

도 4b는 본 고안에 따른 강압용 압전 변압기의 직렬 공진 주파수에서의 등가회로이다.

도 5a는 본 고안에 따른 압전변압기에 있어서의 주파수에 대한 이득 G의 특성을 나타낸 그래프이다.

도 5b는 본 고안에 따른 압전변압기에 있어서의 주파수에 대한 효율 η의 특성을 나타낸 것이다.

도 6은 본 고안에 따른 어댑터의 회로도이다.

도 7은 본 고안에 따른 강압용 압전변압기의 실물 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 입력층 13: 입력 압전세라믹 층

15, 17: 입력 전극층 20: 출력층

23: 출력 압전세라믹 층 25, 27: 출력 전극층

30: 절연 세라믹 층 61: 제 1 정류회로

63: 스위칭회로 65: 강압용 압전변압기

67: 제 2 정류회로

전술한 목적을 달성하기 위해 본 고안은, 입력압전세라믹층과 입력 전압을 인가하기 위해 상기 입력압전세라믹층 상하면에 각각 형성되는 입력전극층을 구비하는 일련의 입력층, 출력압전세라믹층과 출력 전압을 출력하기 위해 상기 출력압전세라믹층 상하면에 각각 형성되는 출력전극층을 구비하는 일련의 출력층, 및 상기 입력층 및 상기 출력층 사이에 개재되는 절연층을 포함하고, 상기 입력압전세라믹층의 분극방향과 상기 출력압전세라믹층의 분극방향은 두께방향인 강압용 압전변압기를 제공한다.

또한 전술한 목적을 달성하기 위해 본 고안은, 상용 교류 전원으로부터 제 1 직류 전압을 형성시키는 제 1 정류회로, 상기 제 1 직류 전압을 제 1 교류 전압으로 변환시키는 스위칭회로, 상기 제 1 교류 전압을 소정의 비로 강압된 제 2 교류 전압으로 변환시키는 본 고안에 따른 강압용 압전변압기, 및 상기 제 2 교류 전압을 제 2 직류 전압으로 변환시키는 제 2 정류회로를 포함하는 어댑터를 제공한다.

또한 전술한 목적을 달성하기 위해 본 고안은, 본 고안에 따른 어댑터를 내장하는 상용 전원 플러그를 제공한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 상기의 목적을 달성할 수 있는 본 고안에 따른 강압용 압전변압기부터 설명하겠다.

도 1은 본 고안에 따른 강압용 압전변압기의 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I 라인의 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 강압용 압전변압기는 크게 입력층(10), 출력층(20) 및 절연 세라믹 층(30)으로 구성된다.

상기 입력층(10)은 입력 압전세라믹 층(13), 및 입력 전압을 인가하기 위해 상기 입력 압전세라믹 층(13) 상하에 형성되는 전극 층들(15, 17)로 구성된다.

그리고, 상기 출력층(20)은 출력 압전세라믹 층(23), 및 출력 전압을 출력하기 위해 상기 출력 압전세라믹 층(23) 상하에 형성되는 전극 층들(25, 27)로 구성되고, 상기 입력층(10)과 평면상으로 나란하게 배치된다.

그리고, 상기 입력층(10)과 상기 출력층(20) 사이에는 상기 절연 세라믹 층(30)이 개재된다.

본 고안에서 사용되는 압전세라믹으로는 통상 시중에서 구할 수 있는 압전세라믹이 사용될 수 있으나, 더욱 바람직하게는 본 고안자에 의해 한국특허공개번호 특2002-0078222에서 제시되는 압전세라믹이 사용될 수 있다. 상기 공개 문헌의 개시 내용은 본 명세서에서 참조된다.

또한, 상기의 구성에 있어서 상기 입력 압전세라믹 층(13)과 상기 출력 압전 세라믹 층(23) 각각의 압전세라믹 분극 방향은 두께 방향으로 된다. 더욱이, 실험에 의하면 상기 각각의 압전세라믹 분극 방향은 도 2에 도시된 바와 같이 절연세라믹 층을 향하지 않는 방향으로 (즉, 도 2에서 도시된 바와 같이 입력 압전 세라믹 층은 상향으로, 출력 압전 세라믹 층은 하향으로) 되는 경우에 절연층에 기계적 스트레스를 가장 적게 주는 것으로 밝혀졌다.

이러한 구성을 갖는 본 고안에 따른 압전변압기의 사용 주파수에 대해 도 3을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

일반적으로 압전세라믹은 여러 개의 공진 주파수를 가지는데, 가장 낮은 공진 주파수를 1차 진동 모드라 칭하고, 그 이상의 공진 주파수들을 순서대로 2차, 3차 등의 진동모드라고 칭한다. 그런데, 압전체 내에서 유도되는 전하량은 압전체 내에 인가되는 응력(stress)에 비례하고 또한 응력은 구동 주파수에 비례하기 때문에, 좀 더 높은 전력을 구현하기 위해서는 압전 변압기가 좀 더 높은 공진 주파수에서 구동되도록 하는 것이 바람직하다. 그런데, 압전변압기가 높은 공진주파수에서 사용되도록 하려면 압전변압기의 주변회로에서 사용되는 소자도 그만큼 높은 주파수에서 무리없이 사용될 수 있는 고품질의 고가여야 한다. 따라서, 너무 높은 공진주파수에서 압전변압기가 구동되도록 하는 것은 압전변압기의 사용 측면에서 볼 때 비경제적이고, 가장 바람직한 압전 변압기의 구동 주파수는 2차 진동 모드 이내이다.

2차 진동 모드 이내의 공진 주파수 중 먼저 1차 진동 모드에 대해 살펴보겠다. 1차 진동 모드는 도 3의 (a)에서 도시된 바와 같이 반파장모드이며 압전 변압기의 두께가 1차 진동 모드 주파수의 반파장 길이와 동일하다. 이 경우, 압전 변압기에 1차 진동 모드 주파수를 인가하면 입력층 및 출력층의 팽창과 수축이 동시에일어나서 최대 응력이 가운데 부분인 절연층에 집중하게 되어 진동 에너지를 효율적으로 이용할 수 없다.

이에 반하여, 2차 진동 모드는 도 3의 (b)에서 도시된 바와 같이 한파장모드이며 압전 변압기의 두께가 2차 진동 모드 주파수의 한파장 길이와 동일하다. 이 경우는 상기 1차 진동 모드의 경우와는 달리, 압전 변압기에 2차 진동 모드 주파수를 인가하면 입력층 및 출력층의 팽창과 수축이 반대로 일어나서 진동 에너지를 효율적으로 이용할 수 있다.

따라서, 본 고안에 따른 압전 변압기는 이러한 이유로 2차 진동 모드에서 구동하는 것이 가장 바람직하다.

이러한 구성을 갖는 본 고안에 따른 강압용 압전 변압기에 대한 특성을 그 등가회로를 통해서 더욱 살펴보면 다음과 같다.

도 4a는 본 고안에 따른 강압용 압전 변압기의 등가회로이고, 도 4b는 본 고안에 따른 강압용 압전 변압기의 직렬 공진 주파수에서의 등가회로이다.

본 고안에 따른 압전변압기의 특성은 도 4b에서 다음의 관계식을 유도할 수 있다.

(1)

(2)

(3)

여기서,는 직렬 공진각주파수이며이다.

또한, 전압이득 G는 다음과 같다.

(4)

(5)

출력 전력 P₂는 다음과 같다.

(6)

(7)

만일, (ω_SC₂n²R)²<<1이면, P_2MAX는 다음과 같다.

(8)

(4-6)에서 P_2MAX일때 R_L은 다음과 같다.

(9)

또한, (ω_SC₂n²R)²<<1인 경우 R_L은 다음과 같다.

(10)

그 때 입력전력 P₁은 다음과 같다.

(11)

효율 η은 다음과 같다.

(12)

(13)

최고효율에서 R_L은 다음과 같다.

(14)

도 5a 및 도 5b는 본 고안에 따른 압전변압기에 있어서 압전세라믹의 기계적품질계수 Q_m이 1000이고 부하저항이 10Ω일 때의 주파수에 대한 이득 G와 효율 η의 특성을 나타낸 것이다. 도 5a 및 도 5b에서 알 수 있는 바와 같이, 이득 G는 두께방향진동(thickness extensional vibration)의 1차모드(first mode)인 0.85 MHz 근처에서 최고치였고 1.7 MHz부근은 2차모드(second mode)의 피크치이다. 92%효율은 2차모드(second mode)근처에서 얻어졌다. 게다가 효율은 0.7 MHz에서 2.8MHz 사이에서 90%이상을 나타냈다. 이러한 이득 G와 효율 η의 특성들은 주파수 변조에 의해서 조절될 수 있는 가능성을 보여주었다.

이하에서는 본 고안에 따른 강압용 압전 변압기를 이용한 어댑터에 대해 도 6을 참조하여 살펴보도록 하겠다.

도 6은 본 고안에 따른 어댑터의 회로도이다.

먼저 제 1 정류회로(61)는 110V 또는 220V의 상용 전원을 정류시켜 제 1 직류 전압을 만든다. 그 다음, 스위칭회로(63)는 스위칭 동작을 통해 상기 제 1 직류 전압을 제 1 교류 전압으로 변환시킨다. 그 다음, 본 고안에 따른 강압용 압전변압기(65)는 상기 제 1 교류 전압을 소정의 비로 강압된 제 2 교류 전압으로 변환시킨다. 그 다음, 제 2 정류회로(67)는 상기 제 2 교류 전압을 정류하여 제 2 직류 전압으로 변환시킨다. 이렇게 형성된 제 2 직류 전압은 직류 전원을 필요로 하는 가전기기 등(R_L)에 인가되어 사용될 수 있다.

본 고안에 따른 강압용 압전변압기는 그 크기가 도 7에 도시된 바와 같이 12.0 * 10.0 * 1.3 mm³에 불과하다. 따라서 본 고안에 따른 강압용 압전변압기를 사용하는 어댑터는 일반 상용 전원 플러그에 내장될 만큼 충분히 그 크기가 작아질 수 있다.

본 고안은 본 고안의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 고안의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 고안의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 고안의 범위에 포함된다.

상술한 본 고안에 따른 강압용 압전변압기 및 이를 이용한 어댑터의 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 고안에 의하면 압전세라믹을 이용한 소형, 고효율의 강압용 압전변압기를 구현할 수 있는데, 이는 권선형 변압기에 비하여 효율 및 크기 면에서 상당한 장점을 가진다. 따라서, 본 고안에 따른 강압용 압전변압기가 어댑터에 적용되는 경우어댑터의 효율은 극대화되면서 그 크기는 일반 상용 전원 플러그 내에 수용될 만큼 작아질 수 있으므로 그 부가가치는 매우 커질 것이다.

Claims (5)

1. 입력압전세라믹층과, 입력 전압을 인가하기 위해 상기 입력압전세라믹층 상하면에 각각 형성되는 입력전극층을 구비하는 일련의 입력층;

   출력압전세라믹층과, 출력 전압을 출력하기 위해 상기 출력압전세라믹층 상하면에 각각 형성되는 출력전극층을 구비하는 일련의 출력층; 및

   상기 입력층 및 상기 출력층 사이에 개재되는 절연층을 포함하고,

   상기 입력압전세라믹층의 분극방향과 상기 출력압전세라믹층의 분극방향은 두께방향인, 강압용 압전변압기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 입력 압전세라믹 층의 분극 방향과 상기 출력 압전세라믹 층의 분극 방향은 상기 절연층을 향하지 않는 상호 반대 방향인 것을 특징으로 하는 강압용 압전 변압기.
3. 상용 교류 전원으로부터 제 1 직류 전압을 형성시키는 제 1 정류회로;

   상기 제 1 직류 전압을 제 1 교류 전압으로 변환시키는 스위칭회로;

   상기 제 1 교류 전압을 소정의 비로 강압된 제 2 교류 전압으로 변환시키는 제 1 항의 강압용 압전변압기;

   상기 제 2 교류 전압을 제 2 직류 전압으로 변환시키는 제 2 정류회로를 포함하는 어댑터.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 1 교류 전압의 주파수는 상기 압전변압기의 2차 진동모드 주파수인 것을 특징으로 하는 어댑터.
5. 제 3 항의 어댑터를 내장하는 상용 전원 플러그.