[논문]PMN-PZN-PZT 세라믹스를 이용한 적층형 압전변압기의 전기적 특성

이창배; 류주현; 백동수; 강진규; 조봉희; 이성일

doi:10.4313/jkem.2006.19.7.655

PMN-PZN-PZT 세라믹스를 이용한 적층형 압전변압기의 전기적 특성
Electrical Properties of Multilayer Piezoelectric Transformer using PMN-PZN-PZT Ceramics 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.19 no.7, 2006년, pp.655 - 661

이창배 (세명대학교 전기공학과) , 류주현 (세명대학교 전기공학과) , 백동수 (이투에스(주)) , 강진규 (대림대학 전기과) , 조봉희 (수원대학교 전기공학과) , 이성일 (충주대학교 안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Dielectric and piezoelectric properties of PMN-PZT ceramics with a high mechanical quality factor$(Q_m)$ and a low temperature sintering temperature were investigated as a function of PZN substitution in order to develop multilayer piezoelectric transformer for AC-DC converter. Multilayer piezoelectric transformers were subsequently manufactured using the PMN-PZN-PZT ceramic offering the optimal behavior and then the electrical performance were invetigated. At the sintering temperature of $940^{\circ}C$, density, electromechanical coupling factor$(k_p)$, mechanical qualify factor$(Q_m)$ and dielectric constant$(\varepsilon_r)$ of 8 mol% PZN substituted specimen were $7.73g/cm^3$, 0.524, 1573 and 1455, respectively. The PZN substitution caused a increase in the dielectric constant and the electromechnical coupling factor. The voltage step-up ratio of multilayer piezoelectric transformer showed the maximum value at near the resonant frequency of 76.55 kHz and increased according to the increase of load resistance. The multilayer piezoelectric transformer with the output impedance coincided with the load resistance showed the temperature increase of less than $20^{\circ}C$ at the output power of 10 W. Based on the results, the manufactured multilayer transformer using the low temperature sintered PMN-PZN-PZT ceramics can be stably driven for both step-up and down transformers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 PMN-PZT 시스템에 PZN을 치환하여 치환량에 따른 유전 및 압전특성을 조사하였고, 소결 온도가 낮으면서 특성이 우수한 조성을 선정하여 적층형 압전변압기를 제작하였으며 적층형 압전변압기의 전기적 특성을 조사하여 AC-DC converter로의 적용가능성을 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 AC-DC converter적층 압전변압기를 개발하기 위하여 기계적품질계수가 높은 것으로 알려진 PMN-PZT 세라믹스에 전기 기계결합계수를 높이기 위하여 PZN 을 치환하여 PZN치환량에 따른 유전 및 압전특성을 조사한 후, 가장 뛰어난 조성으로 적층 압전변압기를 제작하여 압전변압기의 전기적 특성에 관하여 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

적층형 압전변압기의 전기적 특성을 측정하기 위해 입력전압에 따른 출력 전압 및 출력전력은 Power Amp.(Trek50/750), Function generator(HP33120A) 및 오실로스코프(Tektronix TDS3054)를 이용하여 측정하였고, 출력전력에 따른 온도상승은 접촉식 온도계로 측정하였다.
℃에서 2시간동안 하소하였다. 24시간동안 재 혼합 분쇄 후 PVA(5 wt% 수용액)를 5 wt% 첨가하여 k_p mode로써 제작하기 위해 직경 21 mmφ 몰더로 1 ton/㎠의 압력을 가하여 성형하였다. 성형한 시편을 600 ℃의 온도로 3시간동안 burn out 과정을 거치고, 1000, 970, 940 ℃ 의 온도로 각각 소결하였다.
전극이 형성된 시편을 120 ℃ 실리콘유 속에서 30 kV/cm의 전계를 30분 동안 인가하여 분극 하였다. 24시간이 지난 후에 공진 및 반공진법에 따라 impedance analyzer(Agilent 4294Ai를 사용하여 유전 및 압전 특성을 측정하였다.
24시간동안 재 혼합 분쇄 후 PVA(5 wt% 수용액)를 5 wt% 첨가하여 k_p mode로써 제작하기 위해 직경 21 mmφ 몰더로 1 ton/㎠의 압력을 가하여 성형하였다. 성형한 시편을 600 ℃의 온도로 3시간동안 burn out 과정을 거치고, 1000, 970, 940 ℃ 의 온도로 각각 소결하였다. 소결을 마친 후 특성 측정을 위해 1 mm 두께로 연마하였고, Ag paste를 도포하고 650 ℃ 에서 10분간 열처리하였다.
적층형 압전 변압기의 크기 및 구조, 내부전극패턴과 제작된 변압기를 그림 1에 나타내었다. 적층형 압전 변압기는 입력임피던스가 크고 출력임피던스가 작은 강압형으로 설계하였다. 적층형 압전변압기의 전기적 특성을 측정하기 위해 입력전압에 따른 출력 전압 및 출력전력은 Power Amp.
조성 실험 중 소결온도가 낮으면서 우수한 압전 특성을 나타내는 압전 세라믹스를 사용하여 적층형 압전변압기를 제작하였다. 먼저, 선정된 조성을 이용하여 batch size를 1700 g으로 하여 casting 용 분말을 제작하였으며 제작된 분말은 Ferro사의 B73305를 바인더로 첨가하여 슬러리로 제작하였다.

대상 데이터

압전변압기를 제작하였다. 먼저, 선정된 조성을 이용하여 batch size를 1700 g으로 하여 casting 용 분말을 제작하였으며 제작된 분말은 Ferro사의 B73305를 바인더로 첨가하여 슬러리로 제작하였다. 이때 세라믹 파우더와 바인더의 배합 비는 70 : 30으로 하였다.
본 실험에서는 일반적인 산화물 혼합법으로 시편을 제작하였으며, 실험에 사용된 조성식은 다음과 같다.
적층된 시편은 340 ℃의 온도에서 3시간동안 binder burn out하여 950 笆의 온도에서 1시간동안 소결하였다. 적층형 압전변압기의 최종 사이즈는 27x27x2.3㎣의 크기로 제작하였다. 적층형 압전 변압기의 크기 및 구조, 내부전극패턴과 제작된 변압기를 그림 1에 나타내었다.
이때 세라믹 파우더와 바인더의 배합 비는 70 : 30으로 하였다. 제작된 슬러리는 casting machine을 사용하여 70㎛의 두께로 casting 하였으며, 내부 전극은 90Ag/10Pd (Daejoo DS-9165IE) 전극을 이용하였으며 interdigital구조로 2층으로 적층하였다. 적층된 시편은 340 ℃의 온도에서 3시간동안 binder burn out하여 950 笆의 온도에서 1시간동안 소결하였다.

성능/효과

(1) PZN 치환량 및 소결온도에 따라 제작된 시편은 소결온도가 증가할수록 PZN의 고용한계가 늘어나면서 최대 소결밀도가 소결온도 증가에 따라 PZN의 치환량이 많은 곳으로 이동하였다.
(2) 소결밀도의 증가와 함께 전기 기계 결합계수 (kp)와 유전상수가 증가하였고, 기계적 품질 계수(Ωm)는 PZN 치환량에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내었다.
(3) 소결온도 970, 940℃ , 8 mol% PZN 치환시 밀도 7.84, 7.73 g/㎤, 유전상수 1551, 1455 전기기계 결합계수 0.536 0.524, 기계적 품질계수 1803, 1573을 각각 나타냄으로써 적층 압전변압기로의 응용가능성을 나타내었다.
(4) 적층 압전변압기의 임피던스 특성곡선의 입력단은 f_r=76.65㎑, f_a=81.75 ㎑ 출력단은 fr= 79.45 ㎑, f_a=81.7 ㎑, 의 공진 및 반공진 주파수를 나타내었다.
(5) 주파수와 부하저항에 따른 승압비를 측정한 결과 100 Ω, 250 Ω, 500 Ω, 750 Ω 그리고 무부하시 주파수 75㎑~76㎑에서 최 대 승압비가 나타났으며, 각각의 최대승압비는 0.59, 0.9, 1.47, 1.88 그리고 2.89배의 승압비를 나타내었다.
(6) 입력전압과 부하저항에 따른 출력을 측정한 결과 입력전압이 증가할수록 출력전력이 증가하였으며, 공진저항 부근에서 비교적 큰 출력 전력을 나타내었다. 또한, 공진저항 부근인 250Ω에서 10 W까지 20 ℃ 미만의 온도상승을 보임으로서 AC-DC converter용 적층 압전 변압기로의 적용 가능성을 확인하였다.
나타내었다. 또한, 공진저항 부근인 250Ω에서 10 W까지 20 ℃ 미만의 온도상승을 보임으로서 AC-DC converter용 적층 압전 변압기로의 적용 가능성을 확인하였다.
나타낸 것이다. 부하저항은 100 Ω, 250 Ω, 500 Ω, 750 Ω, 무부하를 사용하여 측정하였다 부하저항의 증가에 따라 승압비는 증가하는 특성을 보였고 부하저항이 클수록 승압비는 다소 높은 주파수에서 나타났으며 승압비도 커지는 특성을 보였다. 이러한 결과는 압전변압기의 일반적인 특성으로 부하저항의 증가에 따라 승압비가 증가하고 이에 따라 2차측의 탄성진동이 증가하여 공진 주파수가 증가하기 때문이다[12].
인가된 입력전압에 따른 출력특성은 인가 전압이 높아질수록 출력 또한 높아졌으며 매칭 저항 부근인 250 Ω과 500 Ω 에서 가장 높은 출력전력을 나타내었다. 500 Ω과 750 Ω에서 비교적 낮은 출력전력을 나타냈는데, 이러한 결과는 부하저항의 증가에 따라 매칭저항에서 멀어지기 때문에 발열이 커지면서 손실이 생긴 것으로 사료된다.
나타낸 것이다. 입,출력의 유효 전기 기계 결합 계수 k_eff가 각각 0.34,0.23을 나타내어 우수한 압전 특성을 나타내었다.
적층 압전변압기의 온도는 출력전력이 증가함에 따라 증가하는 특성을 나타내었고 부하저항이 증가할수록 온도상승의 폭이 커지는 것을 확인하였다. 이러한 결과는, 부하저항이 커지게 되면서 압전변압기의 출력 임피던스와 부하저항의 임피던스 매칭이 되지 않아, 발열이 생기는 일반적인 압전변압기의 특성에 기인한 결과로 사료된다.

참고문헌 (12)

T. Ohno, N. Tsubouchi, M. Takahashi, Y. Matsuo, and T. Akashi, 'The piezoelectric, dielectric and elastic constants of the ternary and quaternary system consisting of $PbZrO_3-PbTiO_3$ and others', Tech. Rep. IEICE Jpn. US71-37, p. 1, 1972
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S. Takashi, S. Hirose, K. Uchino, and K. I. Oh, 'Electro-mechanical characteristics of lead zirconate-titanate ceramics under vibration level change', in Proc. 9TH IEEE Int. Symp. Application of Ferroelectrics, Penn. State, p. 377, 1995
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C. A. Rosen, 'Ceramic transformer and filters', Proc. of Electronics Symposium, p. 205, 1957
H. W. Katz, 'Solid state magnetic and dielec-tric device', New York, Jhon Wiley & Sons, p. 35, 1959
S. Takahashi and H. Hirose, 'Vibration characteristics of lead-zirconate-titanate ceramics', Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 31, p. 3055, 1992

상세보기
정광현, 이덕출, 류주현 '소결조제 변화에 따른 PCW-PMN-PZT 세라믹스의 저온소결 및 압전특성', 전기전자재료학회논문지, 17권, 12호, p. 1320, 2004

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류주현, 이현석 , 정광현, ' $Pb(Mg_{1/2}W_{1/2})O_3$ 치환에 따른 저온소결 $Pb(Mg_{1/2}W_{1/2})O_3-Pb(Mn_{1/3}Nb_{2/3})O_3-Pb(Zr_{1/2}Ti_{1/2})O_3$ 세라믹스의 압전 및 유전특성', 전기전자재료학회논문지, 19권, 5호, p. 417, 2006

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要祐一, '壓電セラミックトランス用素子の考察', 日本音響學會誌, 32券, 8號, p. 470, 1976

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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