• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2009.11a
• /
• pp.94-94
• /
• 2009

전기 에너지를 기계적 에너지 변환하고 또한, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 압전 세라믹스는 압전 변압기 (piezoelectric transformer), 초음파모터, 센서등과 같은 응용분야에 넓게 사용되고 있다. 특히, 압전 변압기의 설계와 제조방법에 대해서는 이미 상당히 많은 연구가 수행되어 왔다. 특히, 전원장치에 있어서는 현재 주요부품으로 사용되고 있는 권선형 변압기와 같은 전자 변환기의 대체품으로서 누설손실이 없는 압전세라믹스 소재의 특성을 이용한 압전변압기의 개발과 응용연구가 국내외적으로 활발히 진행 중이다. 하지만 지금 까지 널리 사용된 PZT계 압전 세라믹스는 환경문제에 있어서 문제점을 가지고 있다. $1200^{\circ}C$ 이상에서 소결되는 PZT계열의 압전세라믹스 소재를 사용한 전자부품의 60~70%이상이 PbO로 구성되어 있기 때문에 $1000^{\circ}C$ 부근에서 급격한 휘발특성을 보이는 PbO로 인한 환경오염문제가 대두되고 있다. 압전변압기, 초음파모터등에 사용될 수 있는 무연계 압전재료 중에 PZT 압전소자의 기능을 대체할 만한 물질로는 높은 큐리온도와 우수한 압전특성을 보이는 $(Na,K)NbO_3$세라믹스가 가장 유력한 것으로 알려져 있다. 즉, 압전변압기용 조성 세라믹스는 높은 에너지 변환효율을 위해서 전기기계 결합계수($k_p$)가 커야 되며, 발열에 의한 온도 상승을 억제하기 위하여 기계적 품질계수($Q_m$)가 큰 것이 바람직하다. 또한, 높은 전류를 발생하기 위해서는 유전상수가 커, 압전변압기의 출력측 정전용량을 크게 하여야 한다. 본 연구에서는 무연계 압전세라믹스를 개발하고, 이를 이용한 전력밀도(power density)가 높은 무연계 압전변압기를 제작하여 그에 대한 전기적 특성을 조사하였다. 따라서 본 연구에서는 무연 압전변압기용 압전 세라믹스를 개발하기 위해 뛰어난 압전 및 유전특성을 가진 무연$(Na,K)NbO_3$계 세라믹스를 기본조성으로 하였고, KCN을 복합 첨가하여 볼 변화에 따른 미세구조, 압전 및 유전특성을 조사하고. 가장 우수한 조성으로 비납 압전변압기를 제작하여 전기적특성을 조사하였다.

• 전기의세계
• /
• v.33 no.10
• /
• pp.625-630
• /
• 1984

압전변압기는 압전효과를 응용한 점화소자와 필터의 중간적인 존재로서 그 두 기능을 합친 것과 같은 특성을 가지며, 전기적 에너지가 기계적 에너지로 변환된 후 다시 전기적 에너지로 환원되는 과정을 통하여 고전압을 얻는 변압기이다. 이러한 변압기는 자속을 응용하는 일반적인 변압기와는 달리, 유전체인 압전세라믹소자의 압전현상과 공진현상을 응용하므로 주파수대역이 좁고 취급되는 전류가 적다는 단점이 있으나, 구조가 간단하고, 제작이 용이하며, 소형이고, 손실이 적은 장점들이 있어서 특히 고전압고전류원을 필요로하는 음극선관, 음이온발생기, 집진기, 전자복사기, 도장기 등에 이용되고 있으며, 최근에는 다른 분야에도 응용이 시도되고 있다. 여기서는 기존의 압전변압기 중에서 가장 많이 쓰이고 있는 Rosen형(또는 transverse형)압전변압기의 구조와 특성들을 간단히 기술하고, 새로운 형태인 적층형 압전변압기에 관하여 소개하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
• /
• 2004.05a
• /
• pp.198-198
• /
• 2004

압전 구동기는 여러 가지 적용에 있어서 높은 응답 속도와 큰 힘, 작은 크기 둥의 장점을 가지고 미세 구동에서 독보적인 위치를 차지하고 있다. 하지만, 히스테리시스, 크？ 등의 압전 소자 자체의 비선형성과 이의 구동을 위한 증폭기 등의 한계로 압전 소자의 동적인 특성은 비교적 열악한 것으로 알려져 있다. 특히, 구동 속도가 빨라질 수록 히스테리시스 곡선의 모양이 달라게 되어 구동 궤적의 정확한 예측이 어려우며, 증폭기의 최대 발생 전류가 충분치 않을 경우 압전 구동기가 지령치를 따르지 못하게 된다.(중략)

• Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
• /
• 2003.10a
• /
• pp.106-106
• /
• 2003

• Proceedings of the KIEE Conference
• /
• 1999.11c
• /
• pp.527-529
• /
• 1999

본 논문에서는 압전 구동기의 모델링과 진상-지상 보상기를 이용한 정밀 위치 제어 시스템을 제안한다. 최근 압전 구동기는 고속, 고정밀도가 요구되는 분야에 널리 응용되고 있으나 압전 소자의 히스테리시스 현상으로 인하여 폐루프 제어가 어렵다. 압전 구동기는 개루프 제어 특성이 우수하지만 최근의 X-Y 스테이지나 반도체 공정과 같은 높은 정밀도가 요구되는 작업에서 필요한 성능을 얻기 위해서는 폐루프 제어가 수행되어져야 한다. 따라서 위치 피드백을 이용한 폐루프 제어를 위해 선형 압전 이론으로부터 압전 구동기의 모델링을 정립하고 이 모델로부터 진상-지상 보상기를 설계하며 제어기의 성능을 검토하기 위하여 모의 실험 결과를 보인다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2010.06a
• /
• pp.18-18
• /
• 2010

전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하고 또한, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있는 압전 세라믹스는 압전 변압기 (piezoelectric transformer), 초음파 모터, 센서 등과 같은 응용분야에 광범위하게 사용되고 있다. 특히, 전원장치에 있어서 현재 주요 전자제품에 사용되고 있는 권선형 변압기와 같은 전자 변환기의 대체품으로 압전 세라믹스 소재의 특성을 이용한 압전변압기의 개발과 응용연구는 국내외적으로 활발히 연구되어왔다. 압전변압기는 권선형 변압기와 비교 하였을 때 누설자속이 없어 노이즈 발생이 없고, 공진주파수만을 이용하므로 출력의 파형이 정현파에 가까워 고조파 잡음이 없으며, 불연성의 특징을 가지고 있다. 추가적으로 압전 변압기는 소형화, 슬림화, 경량화가 가능하며 90%이상의 높은 효율을 얻을 수 있다. 또한, 단판형 압전변압기의 출력한계를 개선하기 위해 높은 승압비와 고출력을 갖는 적층타입의 압전변압기가 제안되었다. 압전변압기용 조성 세라믹스는 높은 에너지 변환효율을 위해서 전기기계결합계수 ($k_p$)가 커야 하며, 발열에 의한 온도 상승을 억제하기 위하여 기계적 품질계수(Qm)가 큰 것이 바람직하다. 또한, 높은 전류를 발생하기 위해서는 유전상수가 커 압전변압기의 출력측 정전용량을 크게 하여야한다. 이러한 압전변압기의 제작 조건을 위해 우수한 압전 및 유전특성을 갖는 PZT계 세라믹스가 주로 사용 되어져 왔다. 그러나, PZT계 세라믹스의 우수한 압전 및 유전특성에도 불구하고 $1000^{\circ}C$에서 급격히 휘발하는 PbO의 성질 때문에 환경적으로나 인체의 건강문제로 인해 전세계적으로 그 사용량을 제한하고 있다. 또한 적층 압전변압기의 구조적 특성상 내부전극과 함께 소결하여야 하는데, 이때 소결온도가 높으면 값비싼 Pd합량이 높은 전극을 사용하여야 한다. Pd함량이 10%미만인 Ag/Pd 전극을 사용하기 위해서는 $950^{\circ}C$ 이하에서 저온소결이 가능한 세라믹스 제조가 필수적이라 할 수 있다. 소결온도를 낮추는 방법으로는 다른 물질들을 치환하여 소결온도를 낮추는 방법과 미세분말을 만들어 그레인사이즈를 미세화 하는 방법들이 있다. 많은 미세 분말 제조 방법 중에서 Attrition mill은 일반적인 ball mill에 비해 분말의 입도를 미세하게 할 수 있어 증가된 분말의 비표면적에 의하여 반응을 촉진시킴으로써 저온소결이 가능한 세라믹스를 만들 수 있다. 따라서 본 연구에서는 소결온도가 낮으면서도 유전 및 압전특성이 우수한 조성을 사용하여 적층 압전변압기를 제작하여 전기적 특성을 조사하였다.

• Proceedings of the Acoustical Society of Korea Conference
• /
• 1997.06a
• /
• pp.53-56
• /
• 1997

Tonpilz 압전변환기에 관하여 유한요소법을 사용하여 공기중의 동특성 해석과 수중의 방사임피던스를 해석하였다. 공기중에서 트랜스듀서의 구조를 변화시키면서 입력 어드미턴스 특성과 진동모드를 해석하여 압전변환기를 모델링하였다. 음향 윈도우를 압전변환기 전면에 부착한 후 유한요소법(FEM)에 의하여 매질의 영향을 고려한 입력어드미턴스 특성을 해석하였으며, 또한 방사임피던스 계산 루틴을 추가하여 무한 배플의 경계조건하에서 방사 임피던스를 해석하였다. 공기중과 수중에서의 해석을 통하여 Tonpilz 압전변환기 단일 소자의 구조 변경 및 기계 부재의 추가등에 따라 변동하는 변환기의 특성 및 방사 임피던스를 해석하므로서 평면 배열형 음향 트랜스듀서의 설계에 필요한 파라메터를 구할 수있다.

• Journal of KSNVE
• /
• v.5 no.3
• /
• pp.292-302
• /
• 1995

압전재료를 이용한 능동진동제어에 관한 연구동향과 연구결과를 살펴보았다. 능동 진동제어에 사용되고 있는 감지기/작동기들 중 압전세라믹은 몇 가지 장점을 지니고 있어 그 적용에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있는 것이 현실이며 실제 구조 물로의 적용이 이루어지고 있다. 압전세라믹을 이용한 진동제어는 박판으로 이루어진 국부구조물의 진동제어에 적합하며 그래서 자동차의 진동소음제어, 위성체 태양판의 진동제어에 사용할 수 있고 또한 겹쳐놓은 형태의 압전세라믹은 트러스 구조물의 능동 멤버로 활용할 수 있다. 이렇게 겹쳐놓은 압전세라믹 구조는 진동 고립(vibration isolation)을 원하는 장비의 지지대로 사용할 수 있어 그 응용분야가 넓다. 최근까지 도 압전세라믹을 이용한 진동제어는 주로 외팔보, 또는 평판과 같은 단순한 기하학적 형상을 가진 구조물에 국한되어 연구가 진행되어 왔고 제어기법 또한 그동안 전기 제어분야에서 개발되어 온 기법들을 적용하는 현상을 보였는데 구조물의 자유도가 무한대임을 고려할때 앞으로 구조물에 합당한 제어기법의 개발이 요망된다고 하겠다. 이 논문에서 선보인 PPF와 SRF 제어 기법은 필자가 간단히 회로를 구성하여 실험을 수행하였는데 압전재료의 진동제어 기법으로 단순하면서도 효율적인 제어기법이라고 말할 수 있다. 압전재료를 이용한 진동제어에 관한 국내의 연구활동이 미미한 상태 이으로 이분야에 대한 연구자들의 관심을 모을 필요가 있다. 압전세라믹 감지기와 작동기의 설치는 그동안 압전세라믹 판을 직접 구조물에 접착시킨 형태로 진행되었 는데 새로운 형태의 압전세라믹 작동기의 개발이 시급하다. 이는 높은 전압을 필요로 하는 진동제어는 필수적으로 커다란 부대시설을 요구하게 됨으로 전압을 높이지 않고 도 진동제어를 효율적으로 할 수 있는 압전세라믹의 제조가 필요하다고 하겠다. 필자 는 이런 목적으로 다층 압전세라믹(multilayer piezoceramic plate)을 제작한 적이 있었는데 실험결과는 신통치 않았다. 또한 압전세라믹을 길고 얇은 조각으로 잘라 사용하는 방법로 있었으나 세라믹의 절단시 다이아몬드 컷터를 사용해야 되어 제작이 곤란했다. 또한 압전세라믹이 부서지기 쉬운점을 개선한다면 진동제어에 있어 아주 효과적인 감지기/작동기가 될 수 있을 것이다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2004.07b
• /
• pp.753-756
• /
• 2004

최근 전자 부품으로써 널리 사용되는 압전 변압기근 고전계 구동시 야기되는 압전체의 기계적인 진동 손실 및 유전 손실에 의해 높은 온도 상승이 초래된다. 이는 압전 변압기의 동작 특성 변화를 일으키며 결국 안전 변압기의 공진 주파수의 변화 및 효율의 감소 등 비선형성의 원인이 된다. 본 논문에서는 유한 요소법을 이용한 압전 변압기의 공진 특성을 해석하였으며 이를 이용하여 압전 변압기의 기계저인 진동 손실 및 유전 손실을 계산하였다. 또한 유한 요소법을 이용한 3차원 열전달 방정식의 해석을 이용하여 암전 변압기의 온도 분포를 해석하였으며 이를 실험적으로 검증하였다.

• Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
• /
• v.16 no.2
• /
• pp.183-195
• /
• 2003

In this study, the method of the finite element modeling for free vibration control of beam-type smart structures with bonded plate-type piezoelectric sensors and actuators is proposed. Constitutive equations for the direct piezoelectric effect and converse piezoelectric effect of piezoelectric materials are considered. By using the variational principle, the equations of motion for the smart beam finite element are derived. The proposed 2-node beam finite element is an isoparametric element based on Timoshenko beam theory. Therefore, by analyzing beam-type smart structures with smart beam finite elements, it is possible to simulate the control of the structural behavior by applying voltages to piezoelectric actuators and monitoring of the structural behavior by sensing voltages of piezoelectric sensors. By using the smart beam finite element and constant-gain feed back control scheme, the formulation of the free nitration control for the beam structures with bonded plate-tyPe Piezoelectric sensors and actuators is proposed.