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문제 정의
- 그러나 적층형 압전변압기의 경우, 층간의 내부 전극이 도포된 상태에서 소결하여야하몌9], 고온에서 소결시에 낮은 융점을 갖는 Ag 전극보다는 높은 융점을 갖는 Pd전극이 다량으로 함유된 Ag/Pd 내부전극을 사용해야 하기 때문에 Pd전극의 함유량을 줄인 비교적 저가의 내부 전극을 사용하거나, 약 960 ℃ 의 융점을 갖고 있는 순수한 Ag내부전극을 사용하기 위해서 960 ℃ 이하의 낮은 온도에서 소결 가능한 세라믹스 조성에 대한 연구개발이 필요한 실정이다[10, 11]. 본 연구에서는 위와같은 이유로 고출력 압전변압기용 저온 소결 세라믹스를 적용한 저온소 결 압전변압기를 제작하고 전기적특성을 평가하여 형광등 구동용 압전 변 압기 로서 의 적 용가능성 과, 추후 Pd함유 량이감소된 내부전극을 사용하여 적층형 압전변압기의 제작 가능성을 연구하고자 한다.
- 본 연구에서는 저온소결 압전변압기를 개발하기 위해 950 ℃의 소결온도에서 최적의 압전 및 유전 특성을 나타내는 압전세라믹스 조성을 이용하여 Ring-dot형 압전변압기를 간이적으로 제작하고, 부하저항에 따른 압전변압기의 전기적 특성을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 위의 조성을 순도 99 %이상의 파우더로 IO" g 까지 칭량하였으며, 아세톤을 분산매로 하여 지르코니아 볼을 이용해 24시간 볼밀하였다. 볼밀 한 파우더를 항온조에서 12시간 이상 건조하였으며, 건조된 시료를 850 ℃ 의 온도에서 2시간 동안 하소하였다.
- Ring-dotg형 압전변압기를 제작하기 위하여 27x27x2.6 mrr?의 크기로 연마하고, '압전변압기의 입력부와 출력부의 정전용량을 변화시키기 위해 Ag전극을 출력부인 dot직경을 15-17 mm$ (FT1, PT2, PT3)로 변화시켜 단판형 압전세라믹스의 양면에 screen printing법으로 도포하였다. 도포된 전극은 600 ℃에서 10분간 열처리 하고, 120 笆의 실리콘유에서 DC 25 kV/cm의 전계를 가해 30분 동안 분극처리 하였다.
- 제작된 압전변압기의 압전특성을 측정하기 위하여 Impedance Analyzer(Agilent 4294A)로 공진 및 반공진 주파수와 공진저항을 측정하여 유효전기기계결합계수 (keff) 와 기계적품질계수 (Qm) 를 산출하였으며, 압전변압기의 전기적특성을 평가하기 위하여 그림 2와 같은 압전변압기의 구동 및 측정 시스템에서 오실로스코프 (Tektronix TDS3032) 와 전류프로브(Tektronix TCP202)를 사용하여 입력 및 출력측의 전압과 전류를 측정하고 주파수와 부하저항(0.5, 1.0, 1.5, 2.0 kQ)에 따른 승압특성, 효율을측정하였으며, 최대출력을 평가하기 위하여 인가전압에 따른 출력전력 및 온도상승특성을 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 제작한 압전변압기의 기본조성식은다음과 같으며 산화물 혼합법으로 시편을 제조하였다.
성능/효과
- (1) 압전변압기의 승압비는 입력측의 공진주파수 부근에서 최대값을 나타내었고 부하저항의 증가에 따라 증가하는 특성을 나타내었으며, 압전 변압기의 출력임피던스와 부하저항이 일치할수록 낮은 입력전압에서 높은 출력을 보였다.
- (2) 압전변압기의 출력임피던스와 부하저항이 일치할수록 높은 효율을 나타내었고, 28 W에서 모든압전변압기가 95 %이상의 효율을 나타내었다.
- (3) 부하저항과 일치하는 출력임피던스를 보인 압전변압기는 30 W이하에서 20 笆이내의 온도상승을 보이며 안정적인 동작특성을 나타내었다. 이상의 결론으로부터 저온소결 압전변압기는 승압비, 입력전압에 따른 출력전력, 효율, 온도상승에 있어서 매우 안정적인 동작특성을 나타내었으며 추후 저온소결 적층형 압전변압기로의 적용 가능성을 나타내었다.
- 또한, 35 W에서의 효율은 28 W에서의 효율 특성과 비교해 매우 낮은 값을 나타내고 있는데 이것은 압전변압기가 안정적으로 동작되는 출력전력의 크기를 초과하여 온도상승에 의한 손실의 증가로 효율이 크게 감소한 것으로 생각된다. 따라서 최대전력전달 효율을 얻기 위해서는 압전변압기의 출력 측 임피던스와 부하저항과의 정합이 중요할 것으로 판단되며, 측정결과로 볼때 28 W(T5)에서 가장 안정적인 구동을 할 것으로 생각된다.
- 또한, 각 부하에 대하여최대전력은 한계치를 나타내며 열발생에 의한 손실에 의하여 점차 감소하는 특성을 보였다. 따라서, 압전변압기의 입력전압에 대한 출력전력은 승압비에 의한 특성과 출력측 정전용량의 변화에 의한 압전변압기의 출력측 임피던스와 부하저항의크기에 크게 의존하는 것으로 판단되며, 온도상승에 의한 출력전력의 손실을 방지하기 위해서는 낮은 구동전압하에서 형광등 램프를 구동하는 것이중요하며, 제작된 Ring-dot형 압전변압기는 부하의견지에서 볼때 정상상태에서 1.5 威과 1 kQ의 부하를 갖는 35 W(T5)와 28 W(T5) 형광등에 적합할 것으로 판단된다.
- 이러한 결과는 압전변압기의 출력측 임피던스가 부하저항과 일치할 때 최대의 효율을 나타낸다는 기존의 연구결과로 볼때 표 2에서 알 수 있듯이, 각각 1448, 1210, 1056 Q의 출력임피던스를 나타낸 PT1, PT2, PT3의 특성과 일치함을 알 수 있다. 또한, 35 W에서의 효율은 28 W에서의 효율 특성과 비교해 매우 낮은 값을 나타내고 있는데 이것은 압전변압기가 안정적으로 동작되는 출력전력의 크기를 초과하여 온도상승에 의한 손실의 증가로 효율이 크게 감소한 것으로 생각된다. 따라서 최대전력전달 효율을 얻기 위해서는 압전변압기의 출력 측 임피던스와 부하저항과의 정합이 중요할 것으로 판단되며, 측정결과로 볼때 28 W(T5)에서 가장 안정적인 구동을 할 것으로 생각된다.
- 5 k2의 부하인 경우에는 낮은 입력전압에서는 거의 같은 크기를 나타내다가 입력전압이 증가할수록 높은 전력특성을 나타냈다. 또한, 각 부하에 대하여최대전력은 한계치를 나타내며 열발생에 의한 손실에 의하여 점차 감소하는 특성을 보였다. 따라서, 압전변압기의 입력전압에 대한 출력전력은 승압비에 의한 특성과 출력측 정전용량의 변화에 의한 압전변압기의 출력측 임피던스와 부하저항의크기에 크게 의존하는 것으로 판단되며, 온도상승에 의한 출력전력의 손실을 방지하기 위해서는 낮은 구동전압하에서 형광등 램프를 구동하는 것이중요하며, 제작된 Ring-dot형 압전변압기는 부하의견지에서 볼때 정상상태에서 1.
- 최대 승압비는 공진주파수 부근에서 나타났으며, 전극면적비가 증가함에 따라 입력측의 공진주파수가 증가하기 때문에 최대 승압비는 다소 높은 주파수로 이동하는 특성을 보였다. 또한, 부하저항의 증가에 따라 승압비는 증가하는특성을 보였고, 이에 따라 2차측의 탄성진동이 증가하여 최대 승압비는 다소 높은 주파수에서 나타났으며 [13], 전극면적비가 증가함에 따라 승압비는입력부의 유효전기기계결합계수의 감소와 출력 측의 임피던스의 감소로 점차 감소하는 특성을 나타냈다. 형광등과 같은 고출력을 요하는 부하는 점등전에 무부하와 같이 높은 저항값을 보이고, 점등후에는 관의 직경과 길이에 관계된 저항값을 나타낸다.
- 부하저항이 증가함에 따라 출력전력 이 증가하는 것은 부하저항에 따른 승압특성에서 알 수 있듯이, 부하저항이 증가함에 따라 승압비가 증가하여 일정한 입력전압 하에서 부하저항이 클수록 보다 높은 출력전력을 얻는 것으로 생각되며, 부하저항의 증가에 따라 출력전류의 감소로 전력의 증가폭이 감소하였다. 또한, 전극면적비가 증가함에 따라 출력측정전용량의 증가로 인한 압전변압기의 출력측 임피던스가 감소하여 출력전력은 1.5 kQ, 2 kQ의 부하인 경우, 출력측 dot직경이 증가함에 따라 점차 감소하는 특성을 나타내었고, 1 kQ의 부하인 경우, 출력측 임피던스와 부하저항의 크기가 점차 같아지면서 점차 증가하는 특성을 나타냈으며, 0.5 k2의 부하인 경우에는 낮은 입력전압에서는 거의 같은 크기를 나타내다가 입력전압이 증가할수록 높은 전력특성을 나타냈다. 또한, 각 부하에 대하여최대전력은 한계치를 나타내며 열발생에 의한 손실에 의하여 점차 감소하는 특성을 보였다.
- 75배 정도가 되어야 한다. 본 실험에서 제작한 PT1, PT2, PT3압전변압기는 무부하시에 4배 이상의 승압특성을 보였고, 각 부하저항에 대하여 위의 조건을 만족하는 특성을 보였다. 표 4에 부하저항에 따른 압전변압기의 승압비를나타내었다.
- 압전변압기의 입력전압과 부하저항이 증가함에 따라 출력전력도 증가하는 특성을 나타냈다. 부하저항이 증가함에 따라 출력전력 이 증가하는 것은 부하저항에 따른 승압특성에서 알 수 있듯이, 부하저항이 증가함에 따라 승압비가 증가하여 일정한 입력전압 하에서 부하저항이 클수록 보다 높은 출력전력을 얻는 것으로 생각되며, 부하저항의 증가에 따라 출력전류의 감소로 전력의 증가폭이 감소하였다. 또한, 전극면적비가 증가함에 따라 출력측정전용량의 증가로 인한 압전변압기의 출력측 임피던스가 감소하여 출력전력은 1.
- 것이다. 소결조제 및 MnQ, 의 첨가에 의해 압전 및 유전특성은 향상되어 0.3 wt%의 CuO와 Bi2O3> 0.2 wt% 의 LizCOa 및 0.1 wt%의 MnO 첨가 시 950 ℃ 의 소결온도에서 전기기계결합계수 (知), 기계적품질계수 (Qm), 유전상수(負, 압전상수 (ch), 큐리온도(TQ는 각각 0.57, 1502, 1503, 356 pC/N, 337 ℃ 의 값을 나타내며, 압전변압기용 저온 소결 세라믹스 조성으로서 최적의 특성을 나타내었다.
- 입력부의 기계적 품질 계수(Qm‘)는 전극면적비가 증가함에 따라 입력부의 정전용량은 감소하지만, 공진저항이 크게 증가하여 감소하는 특성을 나타냈고, 출력부는 공진 저항의 감소에 비해 정전용량의 증가가 크게 되어 점차 감소하는 특성을 나타내며 유효 전기기계결합계수와 반대의 경향을 나타냈다. 압전변압기의 구동 시 발열의 관점에서 볼때, 진동을 발생시키는 입력 측에서 PT1 이 가장 높은 값을 보이며 가장 안정적인 특성을 나타내었고, 출력측 임피던스는 정전용량의 증가로 인해 점차 감소하는 특성을 나타냈다.
- 나타낸 것이다. 압전변압기의 온도는 출력전력이 증가함에 따라 증가하는 특성을 나타내었고 출력측 임피던스가 부하저항에 비해 큰 압전변압기가 보다 높은 온도상승을 나타내었다. 이러한결과는 출력전력의 증가에 따른 출력전류의 증가에 의하여, 일반적으로 출력전류에 비례하는 진동변위의 크기가 증가하여 이에 따라 진동속도의 증가에 의한 기계적손실이 증가한 것으로 볼 수 있다[14].
- 것이다. 압전변압기의 입력전압과 부하저항이 증가함에 따라 출력전력도 증가하는 특성을 나타냈다. 부하저항이 증가함에 따라 출력전력 이 증가하는 것은 부하저항에 따른 승압특성에서 알 수 있듯이, 부하저항이 증가함에 따라 승압비가 증가하여 일정한 입력전압 하에서 부하저항이 클수록 보다 높은 출력전력을 얻는 것으로 생각되며, 부하저항의 증가에 따라 출력전류의 감소로 전력의 증가폭이 감소하였다.
- 나타낸 것이다. 압전변압기의 출력부인 dot직경이 증가함에 따라 입, 출력부의 반공진주파수는 일치하고 있으나 입력부의 공진주파수는 압전변압기의 입력전극부가 감소함에 따라 점차 감소하는 특성을 나타냈다. 일반적으로 장방형 윤곽진동모드에서 압전세라믹스의 공진 주파수는 다음식으로 나타낼 수 있다[12].
- 또한, 모든 압전변압기는 20 W까지는 거의같은 온도상승을 나타내다가 25 W부근에서부터 PT2와 PT3에 비해 PT1의 온도상승이 크게 나타난 것은 효율측정 결과에서 알 수 있듯이 압전변압기의 출력임피던스가 부하저항과 일치하지 않기때문인 것으로 생각된다. 압전변압기의 허용 발열량을 20 ℃이내의 범위로 볼때, PT2와 PT3는 30 W를 최대출력으로 볼 수 있으며, 1 kQ의 부하저항을 갖는 28 W(T5) 형광등에 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 5 kQ에서 가장 높은 효율을 나타내었고 PT2와 PT3는 1 kQ에서 가장 높은 효율을 나타내었다. 이러한 결과는 압전변압기의 출력측 임피던스가 부하저항과 일치할 때 최대의 효율을 나타낸다는 기존의 연구결과로 볼때 표 2에서 알 수 있듯이, 각각 1448, 1210, 1056 Q의 출력임피던스를 나타낸 PT1, PT2, PT3의 특성과 일치함을 알 수 있다. 또한, 35 W에서의 효율은 28 W에서의 효율 특성과 비교해 매우 낮은 값을 나타내고 있는데 이것은 압전변압기가 안정적으로 동작되는 출력전력의 크기를 초과하여 온도상승에 의한 손실의 증가로 효율이 크게 감소한 것으로 생각된다.
- 나타내었다. 이상의 결론으로부터 저온소결 압전변압기는 승압비, 입력전압에 따른 출력전력, 효율, 온도상승에 있어서 매우 안정적인 동작특성을 나타내었으며 추후 저온소결 적층형 압전변압기로의 적용 가능성을 나타내었다.
- 나타내었다. 이상의 결론으로부터 저온소결 압전변압기는 승압비, 입력전압에 따른 출력전력, 효율, 온도상승에 있어서 매우 안정적인 동작특성을 나타내었으며 추후 저온소결 적층형 압전변압기로의 적용 가능성을 나타내었다.
- 의 증가에 기인한 것으로 생각할 수 있다. 입력부의 기계적 품질 계수(Qm‘)는 전극면적비가 증가함에 따라 입력부의 정전용량은 감소하지만, 공진저항이 크게 증가하여 감소하는 특성을 나타냈고, 출력부는 공진 저항의 감소에 비해 정전용량의 증가가 크게 되어 점차 감소하는 특성을 나타내며 유효 전기기계결합계수와 반대의 경향을 나타냈다. 압전변압기의 구동 시 발열의 관점에서 볼때, 진동을 발생시키는 입력 측에서 PT1 이 가장 높은 값을 보이며 가장 안정적인 특성을 나타내었고, 출력측 임피던스는 정전용량의 증가로 인해 점차 감소하는 특성을 나타냈다.
- 나타낸 것이다. 최대 승압비는 공진주파수 부근에서 나타났으며, 전극면적비가 증가함에 따라 입력측의 공진주파수가 증가하기 때문에 최대 승압비는 다소 높은 주파수로 이동하는 특성을 보였다. 또한, 부하저항의 증가에 따라 승압비는 증가하는특성을 보였고, 이에 따라 2차측의 탄성진동이 증가하여 최대 승압비는 다소 높은 주파수에서 나타났으며 [13], 전극면적비가 증가함에 따라 승압비는입력부의 유효전기기계결합계수의 감소와 출력 측의 임피던스의 감소로 점차 감소하는 특성을 나타냈다.
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