[논문]PNW-PMN-PZT세라믹스를 이용한 윤곽진동모드 압전트랜스포머의 전기적특성

류주현; 오동언

doi:10.4313/jkem.2002.15.7.602

문제 정의

본 연구에서는 하소된 분말을 사용하여 attrition milling을 이용하여 미세분말을 만든 다음 소결온도가 유전적, 미세구조적 및 압전적 특성에 미치는 영향을 고찰하여 고출력 압전트랜스포머용 세라믹스의 제조조건을 확립하고자 한다. 더불어, 에너지변환효율을 높히고자 길이방향진동에서의 전기기계결합계수 K₃₁보다 2배로 높은 k_p를 이용한 윤곽진동모드 압전트랜스포머[4,5]를 제작하여 그에 대한 전기적특성및 T5형광등 구동특성을 조사하여 형광등 구동용 압전트랜스포머로서의 응용가능성을 고찰하고자 한다.
하소된 시료는 attrition mill을 이용하여 270 rpm의 회전 속도로 4시간 동안 재 분쇄한 후 PVA (5wt% 수용액)을 5wt% 첨가하여 직경 21mm 몰더로 1 ton/cm²의 압력을 가하여 성형하고 승하강 온도 300 ℃/h로 하여 1080 ℃ ~1240 ℃ 까지 온도 변화를 주어 2시간 동안 소결하였다. 또한, 하소된 시료를 일반 ball mill을 이용하여 24시간 분쇄하여 1200 ℃ 로 소성을 하여 attrition mill한 시편과 비교하고자 하였다. 시편들은 특성 측정을 위해 두께를 1 mm 로 하여 전극처리를 한 다음 120 ℃ 실리콘유속에서 30 kV/cm 의 전계를 인가하여 분극 처리하였고, 24시간 경과한 후 제 특성을 측정하였다.
더불어, 입력되는 전기적에너지를 증가시키 위하여 유전상수를 증가시켜, 소자의 정전용량을 크게해야 한다. 본 연구에서는 하소된 분말을 사용하여 attrition milling을 이용하여 미세분말을 만든 다음 소결온도가 유전적, 미세구조적 및 압전적 특성에 미치는 영향을 고찰하여 고출력 압전트랜스포머용 세라믹스의 제조조건을 확립하고자 한다. 더불어, 에너지변환효율을 높히고자 길이방향진동에서의 전기기계결합계수 K₃₁보다 2배로 높은 k_p를 이용한 윤곽진동모드 압전트랜스포머[4,5]를 제작하여 그에 대한 전기적특성및 T5형광등 구동특성을 조사하여 형광등 구동용 압전트랜스포머로서의 응용가능성을 고찰하고자 한다.

제안 방법

PNW-PMN-PZT 세라믹스를 이용하여 CIP법으로 27.5×27.5×2.5mm 크기를 갖는 윤곽진동모드의 장방형 압전트랜스포머를 제조하여 형광등 구동특성을 조사하였다.
또한 Power Amp(Trek 50/750)와 실제 제작한 형광등 안정기를 구동 전원으로 사용하여 압전트랜스포머의 전기적 특성 및 T5(28W) 형광등 구동특성을 오실로스코프(Tektronix TDS 3054)와 current probe(Tektronix TCP 202)로 측정하였으며, 온도상승은 비접촉식 적외선 온도계(Raytex MX2)로 측정하였다.
또한, PNW-PMN-PZT 세라믹스를 이용하여 CIP법으로 27.5×27.5×2.5mm 크기를 갖는 장방형 압전트랜스포머를 제조하여 형광등 구동특성을 조사하였다. 실험으로부터 얻어진 결과는 다음과 같다.
시편들은 특성 측정을 위해 두께를 1 mm 로 하여 전극처리를 한 다음 120 ℃ 실리콘유속에서 30 kV/cm 의 전계를 인가하여 분극 처리하였고, 24시간 경과한 후 제 특성을 측정하였다. 미세구조는 시편의 표면을 주사전자 현미경(SEM)으로 관찰하였으며, 시편의 큐리온도는 20~400[℃]의 온도 범위에서 LCR meter(ANDO AG-4304)로 1 kHz에서 정전용량 변화로 측정하였다.
본 실험에서는 소결온도를 하강시키고, 그레인사이즈를 줄이기 위해서 하소된 시료를 attrition mill을 사용하여 4시간 분쇄시켜 시편을 제작하였다. attrition mill를 사용하면 하소된 분말의 입도를 미세하게할 수 있어, 분말의 비표면적이 증가하게 된다.
본 연구에서는 Pb(Ni_1/2, W_1/2)O₃-Pb(Mn_1/3, Nb_2/3)O₃-Pb(Zr,Ti)O₃ 세라믹스를 attrition milling 방법을 이용하여 제작하여, 미세구조, 유전 및 압전 특성 등을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한, 하소된 시료를 일반 ball mill을 이용하여 24시간 분쇄하여 1200 ℃ 로 소성을 하여 attrition mill한 시편과 비교하고자 하였다. 시편들은 특성 측정을 위해 두께를 1 mm 로 하여 전극처리를 한 다음 120 ℃ 실리콘유속에서 30 kV/cm 의 전계를 인가하여 분극 처리하였고, 24시간 경과한 후 제 특성을 측정하였다. 미세구조는 시편의 표면을 주사전자 현미경(SEM)으로 관찰하였으며, 시편의 큐리온도는 20~400[℃]의 온도 범위에서 LCR meter(ANDO AG-4304)로 1 kHz에서 정전용량 변화로 측정하였다.
시편의 압전 특성을 조사하기 위하여 전기기계결합계수 및 기계적 품질계수 등과 제작된 압전트랜스포머는 분극 후 24시간 경과 후에 Impedance analyzer(HP 4294)로 주파수에 따른 임피던스, 공진·반공진 주파수 및 제반 등가회로 정수를 측정하였으며, 압전트랜스포머의 유효 전기기계결합계수 k_eff, 출력임피던스 Z_out, 기계적 품질계수 Q_m'은 다음식으로 구하였다[4].
입력전압이 최소가 되는 주파수는 공진주파수이고, 입력전류가 최소가 되는 주파수는 반공진주파수이다. 이 역시 출력전력을 10W로 일정유지하여 측정하였다. 출력전류와 전압은 출력전력을 일정하게 유지하였기 때문에 주파수 변화에 따라 일정함을 알 수 있다.
표 2는 위의 결과를 표로 정리한 것이다.일반 ball ill로 제조된 시편은 Sb로 나타내어 attrition mill로 제조된 시편과 비교하였다. attrition mill을 이용하여 1160℃로 제조된 시편이 일반 ball mill 로 1200℃로 제조된 시편보다 그레인크기도 작고,kp,Qm특성에서 우수한 특성을 보여, attrition mill을 이용하는 방법이 소결온도의 감소와 더불어 압전특성을 향상시킴을 확인하였다.
출력전력을 10 W로 일정하게 유지한 상태에서 측정을 하였다. 그림에서 알 수 있듯이 최대승압비를 나타내는 주파수와 최대효율을 나타내는 주파수와는 일치하지 않았다.

대상 데이터

동안 혼합 분쇄한 후 건조하였다. 건조된 시료는 알루미나 도가니로 850 ℃에서 2시간 유지하여 하소하였다. 하소된 시료는 attrition mill을 이용하여 270 rpm의 회전 속도로 4시간 동안 재 분쇄한 후 PVA (5wt% 수용액)을 5wt% 첨가하여 직경 21mm 몰더로 1 ton/cm²의 압력을 가하여 성형하고 승하강 온도 300 ℃/h로 하여 1080 ℃ ~1240 ℃ 까지 온도 변화를 주어 2시간 동안 소결하였다.
본 논문에서는 Ring/Dot의 Dot 사이즈를 18mm φ로 하였다.

이론/모형

본 실험에서는 다음의 조성식에 의해 산화물 혼합법으로 시편을 제조하였다.

성능/효과

1. 소성온도를 증가시킴에 따라 그레인 사이즈는 점차 증가하였다.
2. 밀도와 전기기계 결합계수는 1120℃ 시편에 7.77g/cm³, 0.546으로 가장 큰 값을 나타내었다.
나타낸 것이다. 24분 경과후에 측정을 하였으며, 출력전력을 증가함에 따라 온도상승은 증가하였으며, 다만 상승곡선이 비선형곡선을 나타냄을 알 수 있었다. 이에 대한 결과에 대해서는 더욱 분석이 필요하다.
3. 기계적 품질계수는 1160℃ 제조된 시편에서 1943 가장 큰 값을 나타내었다.
4. 1160℃ 제조된 시편이 밀도 7.69g/cm³, 전기기계결합계수0.540, 유전상수 1693, 기계적 품질계수 1943 그레인 사이즈 3.4 μm를 고려하여, 고출력 압전트랜스포머용 세라믹스로서의 가장 적절한 특성을 나타내었다.
5. 부하저항이 증가함에 따라 최대승압비를 나타내는 주파수는 점차 고주파측으로 이동해감을 알수 있었다.
6. 압전트랜스포머의 부하저항이 1.5 kΩ 에서 출력전력 증가에 따라서 최소 온도상승을 나타내었다.
7. 압전트랜스포머가 출력전력 28.26 W에서 효율 98.23%, 온도상승 6.8[℃]로 형광등을 구동하기에 적합한 특성을 나타내었다.
일반 ball ill로 제조된 시편은 Sb로 나타내어 attrition mill로 제조된 시편과 비교하였다. attrition mill을 이용하여 1160℃로 제조된 시편이 일반 ball mill 로 1200℃로 제조된 시편보다 그레인크기도 작고,kp,Qm특성에서 우수한 특성을 보여, attrition mill을 이용하는 방법이 소결온도의 감소와 더불어 압전특성을 향상시킴을 확인하였다.
1200℃ 이후에는 과소성과 PbO휘발에 의한 소결성저하로서 밀도가 감소하여 기계적품질계수가 저하한 것으로 생각된다. 따라서, 본 연구 결과 1160℃ 제조된 시편이 밀도7.69g/cm³,전기기계 결합계수 0.540, 유전상수 1693, 기계적 품질계수 1943 그레인 사이즈 3.4 μm를 고려하여, 고출력 압전트랜스포머용 세라믹스로서의 가장 적절한 특성을 나타내었다.
출력전류와 전압은 출력전력을 일정하게 유지하였기 때문에 주파수 변화에 따라 일정함을 알 수 있다. 또한, 부하저항이 증가함에 따라 공진 반공진주파수가 증가함을 알 수 있었다. 이 데이터는 실제로 부하저항을 연결하였을 때의 공진및 반공진주파수를 알 수 있는 결과로서, 출력전력을 더욱 증가시켰을 때는 압전트랜스포머의 손실의 증가로서 공진및 반공진주파수가 다소 변하게 된다.
이에 대한 결과에 대해서는 더욱 분석이 필요하다. 모든 부하저항에서 28W구동시에 온도상승이 20℃이내로서 28W사용시 안정적임을 나타내었다. 부하저항 1500 Ω에서 가장 작은 온도상승을 나타내었다.
것이다. 미세구조를 관찰한 결과, 그레인 성장에 필요한 열에너지를 흡수하여 소성온도의 증가에 따라 그레인 사이즈는 점차 증가함을 알 수 있었다. 여기서, 그림 2에서 (a), (b)는 10,000배, (c)는 5,000배이다.
입력부의 유효전기기계결합계수가 0.26, 기계적품질계수 700를 나타내어 윤곽진동을 유기하기에 충분한 값을 나타내었다.
제작된 압전트랜스포머는 출력전력 28.26W에서 효율 98.23%, 온도상승 6.8 ℃로 형광등을 구동하기에 적합한 특성을 나타내었다.
그림에서 알 수 있듯이 최대승압비를 나타내는 주파수와 최대효율을 나타내는 주파수와는 일치하지 않았다. 최대효율을 나타내는 주파수는 공진과 반공진주파수사이이었으며, 부하저항이 증가함에 따라 최대승압비를 나타내는 주파수는 점차 주파수가 높은 쪽으로 이동함을 알 수 있었다. 효율은 공진주파수 근방에서 95%이상의 높은 효율을 나타냈으며, 500 Ω 에서는 압전트랜스포머의 출력임피던스와 많은 차이를 나타내어 74.
최대효율을 나타내는 주파수는 공진과 반공진주파수사이이었으며, 부하저항이 증가함에 따라 최대승압비를 나타내는 주파수는 점차 주파수가 높은 쪽으로 이동함을 알 수 있었다. 효율은 공진주파수 근방에서 95%이상의 높은 효율을 나타냈으며, 500 Ω 에서는 압전트랜스포머의 출력임피던스와 많은 차이를 나타내어 74.5 kHz이후에서 급격히 효율이 하강하였다.또한, 이 측정치들은 출력전력을 10W로 고정시켜 측정한 것이기 때문에, 출력전력을 증가시키면 물론 압전트랜스포머 소자의 열발생에 의한 손실의 증가로서 효율은 다소 감소하게 된다.

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