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LiTaO3 단결정을 사용한 압전변압기의 개발
Development of Piezoelectric Transformer Using The Single Crystal of LiTaO3 원문보기

센서학회지 = Journal of the Korean Sensors Society, v.11 no.3, 2002년, pp.132 - 137  

황성필 (부경대학교 대학원 음향진동공학과) ,  김무준 (부경대학교 물리학과) ,  하강열 (부경대학교 물리학과) ,  강갑중 (부경대학교 물리학과)

초록
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본 연구에서는 온도에 따른 압전특성이 매우 안정적인 $LiTaO_3$ ($x-112^{\circ}$ y) 단결정을 이용하여 압전변압기를 제작하고 그 특성을 분석하였다. 제작시 $LiTaO_3$ 단결정의 변환효율이 낮은 단점을 보완하기 위해 Lame'-mode를 이용하여 길이와 폭의 비가 2:1인 압전변압기를 제작하고 PSpice를 이용하여 진동 모드 해석, 입력전압에 따른 출력전압특성 및 진동속도특성을 분석하였다. 제작한 압전변압기는 길이방향의 제 2차 고조파 주파수와 폭방향의 기본공진주파수가 결합된 290.83[kHz]에서 입력전압에 대한 최대출력전압이 나타났으며, 약 10배 정도의 승압비를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The single crystal of $LiTaO_3$ ($x-112^{\circ}$ y) has very stable thermal characteristics in a piezoelectric transformer. In this paper, a piezoelectric transformer made of the crystal is newly designed and its operating characteristics are analyzed. The length of the transfo...

AI 본문요약
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제안 방법

  • 그림 5는 압전변압기의 전기적 특"성을 측정하기 위한 장치도로서 우선 출력단을 단락 시킨 상태에서 네트워크 분석기 (R3754A Network Analyzer)로 어드미턴스를 측정하였다. 그리고 입력단에 연결된 전원장치(AFG 301 Function Generator)에서 진폭 1#시의 교류전원을 구동전압으로 인가하고 주파수를 100-350〔#〕까지 변화시키면서 출력단에 연결된 디지털 오실로스코프 (VC-6275 Digital Oscilloscope)로 입력전압에 대한 최대출력전압과 그때의 주파수를 측정하였다.
  • 하지만 장시간 사용시 압전세라믹의 열화에 의해 진동특성이 변하여 출력전압의 감소 및 발열에 의한 수명단축 등의 문제가 야기되고 있다.(1) 따라서 본 연구에서는 온도변화에 따른 공진주파수의 변화율을 나타내는 온도계수(temperature coeff- icient)가 압전세라믹보다 훨씬 우수한 것으로 알려진, 즉 - 18 [㎛℃] 의 낮은 온도계수'2 를 가지는 LiTaO3(x-112° y) 단결정을 이용하여 압전변압기를 제작하였다. 제작시 낮은 변환효율을 개선하기 위해 기존의 Rosen형 또는 Rosen 적층형과는 다른 Lame'-mode을 이용하여 압전변압기를 제작하고 그 특성을 해석하므로서 실용가능성을 확인하였다.
  • 그-림 6은 압전변압기의 진동속도를 측정하기 위한 장치도로서 단락 시킨 압전변압기의 출력 단단면의 중앙지점에서의 입력전압에 대한 진동 속도를 Laser Vibrometer (AT 3500)로 측정하였다.
  • 그리고 입력단에 연결된 전원장치(AFG 301 Function Generator)에서 진폭 1#시의 교류전원을 구동전압으로 인가하고 주파수를 100-350〔#〕까지 변화시키면서 출력단에 연결된 디지털 오실로스코프 (VC-6275 Digital Oscilloscope)로 입력전압에 대한 최대출력전압과 그때의 주파수를 측정하였다.
  • 그림 2의 계산을 토대로 각 0가 Ⅲ.6° 인지점에서 LiTaO-i 단결정을 잘라 길이, 과 폭 3 의 비가 2:1 인 압전변압기를 그림 3과 같이 제작하였으며, 변압기의 전극면은 금으로 코팅한 후 길이 방향에 대하여 〃2되는 지점에서 전극을 분할하였다. 표 2는 제작된 LiTaO3 압전변압기의 물질 상수값을 나타내고 있다.
  • 시뮬레이션 시전송선로 (4)는 구동전압에 의해 구동되는 반면에, 전송선로 (3)는 단락 되기 때문에, 전송선로 (B)는 전기단이 없이 기계단으로만 나타내었다. 시뮬레이션 방법은 진폭 1#의 교류전원을 구동전압으로 인가하고 주파수를 100-350〔kHz〕 까지 변화시키면서 저항 R에 걸리는 전류와 전압의 비를 계산하였다. 그림 4 (b)는 #방향에 대한 진동모드를 해석하기 위한 PSpice 모델로서 시뮬레이션 방법은 동일하다.
  • (1) 따라서 본 연구에서는 온도변화에 따른 공진주파수의 변화율을 나타내는 온도계수(temperature coeff- icient)가 압전세라믹보다 훨씬 우수한 것으로 알려진, 즉 - 18 [㎛℃] 의 낮은 온도계수'2 를 가지는 LiTaO3(x-112° y) 단결정을 이용하여 압전변압기를 제작하였다. 제작시 낮은 변환효율을 개선하기 위해 기존의 Rosen형 또는 Rosen 적층형과는 다른 Lame'-mode을 이용하여 압전변압기를 제작하고 그 특성을 해석하므로서 실용가능성을 확인하였다.a* 4:
  • 판상의 압전체에 있어 길이방향과 폭방향이 결합되어 진동하는 Lame'-mode를 이용하여 압전변압기를 제작할 경우, 결합의 효율을 높이기 위해서는 변압기의 길이와 폭에 대한 컴플라이언스의 값이 일치해야 하므로, 다음의 방정식을 이용하여 그림 1.에서와 같이 각 0의 회전에 따른 변화된 좌표축에 대한 컴플라이언스의 값을 계산하였다.⑸ 식 (1)은 동일한 원점을 가지는 단결정의 고정축 (X, y, z) 과 시료의 결정축 (%', y', z') 사이의 좌표변환 관계식을 나타내고 있다.

이론/모형

  • 그림 3과 같이 제작된 압전변압기의 진동모드를 해석하기 위해 그림 4와 같이 PSpice 모델을 이용하였다.⑹ 그림 4 (a)는 .
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참고문헌 (6)

  1. 남성이. 이수호, 홍재일. 류주현. '두께방향 진통형 압전트랜스포머의 특성에 관한연구.', 한국전기전자재료학회 추계학술대회 논문집, pp.177-181, 1997 

  2. 超音波便覽. 超音波便覽編集委員會 編, 九善 株式會社, pp.600-637 

  3. C. A. Rosen, 'Ceramic Transformer and Filters.', Proc., Electronic Sy-mposium. pp. 205-211, 1957 

  4. K. Nakamura and T. Tsujimoto, 'Lame' - mode Piezoelectric Reso-nators Using LiNbOy, Crystals.', Trans. lEICE(C-I). J78-C-I, No.11, pp. 494-499, 1995 

  5. WARREN P. MASON. 'Piezoelectric Crystal and Their Application to Ultrasonic.', D. Van Nostrand Company, Inc., New York, 1950 

  6. W. M. Leach, 'Controlled-source Analogous Circuits and SPICE Models for Piezoelecric Transducers.' Ultrason., Ferroelect., Freq., Contr., Vol. 41, pp. 60-66, 1994 

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