白壽鉉
72년 한양대 전기공학과 졸업
74년 한양대 공과대학원 전기공학 석사
81년 한양대 공과대학원 전기공학 박사
83년∼현재 동국대학교 공과대학 전기공학과 교수
대한전기학회 평의원 겸 재무이사, 감사원 자문위원, 산업기술정 책연구소 및 기초전력공학공동연구소 심의위원, 중소기업 기술혁신 개발사업 평가위원
휴대형 정보기기의 대중화가 가속화하고 있다. 휴대형 정보기기는 들고 다녀야 하는 만큼 소형화, 박형화, 저소비전력이 필수적이다. 휴대기기에 탑재되는 액정 배면 광원용 인버터도 소형화, 박형화, 고효율화가 요구된다.
배면 광원용 인버터는 냉음극 형광램프의 전원으로 사용된다. 건전지 등에 의한 직류 저전압은 냉음극 형광램프 점등시 1천V 이상 고주파 고전압으로 변환이 필요하다. 현재 배면 광원용 인버터에 사용되고 있는 자기식 트랜스포머는 특별 제작된 코어를 박형 구조의 트랜스포머에 이용함으로써 박형화에 대응할 수 있다. 하지만 절연 내압의 확보를 위한 소형화, 박형화에는 한계가 있고 코어손실과 권선손실에 의한 효율저하도 문제가 된다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 새로운 개념에 기초한 압전 세라믹 트랜스포머와 최적화한 구동회로 방식을 개발해 고효율 박형 인버터를 실현하는 것이 매우 용이할 것으로 기대된다.
50년대 말 고압 트랜스포머로 개발된 압전 트랜스포머는 고출력 특성이 어려워 한동안 개발이 중단됐다가 최근 고출력에 견디는 압전재료의 개발과 더불어 다시 연구가 활기를 띠고 있다. 압전 트랜스포머는 티탄산지르콘산납(PZT:PbZrTiO₃) 등 압전재료에 1차 및 2차의 전극을 붙여 1차측에는 트랜스포머의 공진주파수 전압을 인가해 트랜스포머를 공진시키고 이 공진에 의해 생기는 기계적 진동으로 발생되는 2차측의 전력을 이용하는 것이다. 로젠이 처음 개발한 압전 트랜스의 구조를 보면 트랜스포머의 길이가 기계 공진 파장의 2분의 1이 되도록 해 주파수를 인가하는데 이를 1차 로젠형 압전 트랜스포머라 한다.
압전 트랜스포머의 설계는 형상, 전극구조, 진동모드에 따라 여러 가지를 고려해야 한다. 중요한 것은 압전 트랜스포머의 출력 임피던스를 접속부하의 임피던스보다 적게 하는 것이다. 이렇게 함으로써 고효율을 유지함과 동시에 승압비를 크게 할 수 있게 된다.
압전 트랜스포머의 승압비는 직육면체 평면구조인 압전소자의 경우 트랜스포머의 두께와 2차측 전극간 거리의 비에 비례한다. 다시 말해 높은 승압비를 얻기 위해서는 트랜스포머를 길게 하거나 혹은 그 두께를 얇게 할 필요가 있다. 인버터를 소형화하기 위해서는 그 길이를 길게 하는 데 한계가 있으므로 소자의 두께를 얇게 하는 것이 실용적이다.
또 압전 트랜스포머로부터 인출되는 전력은 트랜스포머 내부의 기계적 공명에 의한 전력에 비례하고 구조적으로는 소자의 단면적에 비례한다. 고출력을 얻기 위해 단면적을 크게 하거나 트랜스포머의 횡폭을 크게 하면 길이 방향의 진동 외에 폭 방향 진동이 발생하여 결국 오동작을 야기하므로 폭 방향을 늘이는 데에는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해서는 얇은 판의 압전소자를 적층하여 트랜스포머를 설계하는 것이 효과적이다.
크기가 39×9이고 두께가 0.4인 소자 단면의 양면에 전극을 붙여 3장을 전기적으로 병렬로 접속하고 기계적으로는 1개의 구조로 적층하여도 단면 구조의 트랜스포머와 같은 모양이 나오는데 이를 구동회로와 조합해서 최소 인버터 입력전압을 얻을 수 있다. 다만 승압비를 높이기 위해 적층 수를 증가시키면 트랜스포머의 발열 급증으로 오히려 효율의 저하를 가져올 우려가 있다. 따라서 현재 박판 압전소자의 적층 수는 5장이 실용적인 한계로 규정되고 있다.
적층화 수단으로는 세라믹 소결 전에 내부 전극을 형성하고 한 개의 소결적층도 저출력 영역에 있어 접착제 층과 같은 특성이 얻어진다. 적층의 번거로움을 피하기 위해 3층 적층형 압전 트랜스포머와 같이 크기가 39×9이고, 두께 1.0인 단판형 압전 트랜스포머가 고려되고 있다.
압전 트랜스포머는 기계적 진동을 이용하는 것이어서 기계적 진동에 의한 효율저하가 일어날 수 있다. 이를 방지하기 위해 압전 트랜스포머의 설계는 구조상 진동의 마디인 노드점을 지지해 주고 있다. 앞서 지적했지만 압전 트랜스포머에서 배면 광원용 인버터 전원 설계시 주안점은 고효율이라는 압전 트랜스포머의 특징을 최대한 이용, 회로구성 각 부분의 전력손실을 상세하게 파악하여 손실이 적은 회로를 구성하는 것이다.
압전 트랜스포머의 구동 방식은 종래 자려 발진이 주류를 이루었지만 변환 효율에 한계가 있기 때문에 최근 트랜스포머의 2차 출력을 귀환해서 주파수 제어를 하는 타려 발진 방식을 채택하고 있다. 이 방식은 냉음극 형광램프를 흐르는 전류를 검출하고 이것이 일정하게 되도록 발진 주파수를 제어하여 정전류 동작을 행한다. 또 트랜스포머의 입력 전압 파형이며 기계적 진동을 하기 위한 가장 효율이 좋은 파장으로 FET로 발생시킨 구형파를 초크 코일과 압전 트랜스포머의 용량성분과의 공진에 의한 정현파로 변환함으로써 구동의 고효율화를 꾀하고 있다.
인버터 회로를 형성한 배선 기판 위에 단판식 및 3층 적층형 압전 트랜스포머를 각각 미소 간격으로 직접 실장하고 외경 3, 길이 2백20의 냉음극 형광램프 1개를 이용해 컬러 액정용 백라이트를 부하로 한 인버터에 대한 적층형의 특성은 단판식인 경우 필요한 입력 전압이 상승한다. 하지만 기본적인 특성은 적층형의 경우와 같고 최대 효율은 단판품과 적층품에서 약 90%이며 종래의 자기식 트랜스포머를 이용한 인버터에 비해 약 10∼20% 정도 높다. 이러한 인버터를 이용한 냉음극관은 구동 주파수가 약 1백10k이고 1W 이상의 입력 전력에서 임피던스가 안정되며 부저항 특성 등을 나타낸다. 압전 트랜스포머는 부하 임피던스가 저하함에 따라 발생전압이 낮아진다. 부하 임피던스가 높을 때는 고전압을 발생하게 된다. 이것은 냉음극관의 시동과 부저항 특성에 대해 매칭이 되는 전원을 구축할 수 있는 장점을 지닌다.
압전 트랜스포머를 사용한 인버터는 기존 인버터에 비해 자기한류작용이라는 효과에 의해 안정기용 콘덴서가 불필요하다는 이점을 갖는다. 반면 기존 인버터와 유사한 문제점을 갖고 있다. 도전성 반사 시트에 의한 용량 분압 효과와 구동 주파수의 고주파화가 그것으로 이러한 문제점은 임피던스 매칭을 통해 해결될 수 있다.
압전 트랜스포머를 채용한 인버터의 특징을 보면 첫째 고효율이라는 것이다. 종래의 전자식 권선형 트랜스포머에 있어 60∼70%의 인버터 효율을 가지고 있으나 압전 트랜스포머는 기계적인 공진을 이용하기 때문에 에너지 이용효율이 높아 트랜스포머만의 효율은 97% 정도된다. 따라서 이를 채용한 인버터는 효율을 최대 90%까지 높일 수 있고 저소비 전력화를 기대할 수 있다.
둘째 기존의 전자식 권선형 트랜스포머의 두께가 가장 얇은 것에서도 최소 5인 데 비해 압전 트랜스포머는 소자 한 개가 1 정도이고 그외의 인버터 구성 부품의 선택에 의해 대폭으로 박형화를 꾀하는 것이 가능하다.
셋째는 저전자 노이즈다. 권선형 트랜스포머가 자기 에너지를 이용하는 것에 대해 압전 트랜스포머는 기계진동을 변환 에너지로 이용하기 때문에 누설 자속의 발생이 없어 이로 인한 장해의 우려가 없다.
넷째 불연성이다. 압전 트랜스포머에서는 세라믹 재료를 사용하므로 기존 트랜스포머의 층간 절연 파괴로 인한 발연, 발화의 우려가 없다.
지금까지 주로 인버터는 효율을 높이기 위해 권선형 트랜스포머를 이용, 고주파화를 추진해왔으나 이러한 권선형 인버터에서는 효율을 최대한 높여도 권선손실을 최소화하기가 매우 곤란할 뿐 아니라 권선의 절연 등에 대한 많은 문제를 내포하고 있다. 그러나 압전 트랜스포머를 이용한 인버터는 압전 세라믹을 사용하기 때문에 구조뿐만 아니라 제조공정이 간단하며 균일한 제품의 생산이 가능하다. 현재까지는 압전 세라믹의 고출력화가 매우 어려웠으나 가까운 시일 내에 고전압, 고주파 및 고출력 압전 트랜스포머의 실용화가 이루어지게 되면 조명 분야에서는 형광램프 및 고압 방전 등의 안정기 적용이 용이하게 되어 기존에 사용되던 전자식 안정기 분야에 많이 이용될 것으로 기대된다.