李炯揆 공학박사 / 전자부품연구원 고주파재료연구센터 수석연구원 1. 배경 현대사회는 정보화에 부응하여 핸드폰, PDA, 노트북 PC와 같은 휴대 정보 처리 장치의 수요가 급증하고 있으며, 휴대장치 이외에도 데스크탑 모니터, TV(가정용, 광고용) 수요가 날로 팽창하고 있다. 이러한 기기장치에는 디스플레이 장치가 필수적이다. 지금까지 상용화 된 디스플레이는 브라운관, LCD, PDP 등이 있다. LCD는 핸드폰, PDA, 노트북 PC, 데스크탑 LCD 모니터, LCD TV, 실내 광고용 디스플레이 등에 사용되고 있다. 주로 LCD는 자체 발광이 되지 않기 때문에 LCD Panel 배면에 back light CCFL(Cold Cathod Fluorescent Lamp, 냉음극형광등)을 사용하고 있는데, 이를 구동하기 위해서는 고전압 발생장치가 필수적으로 사용된다. 보통 15인치 노트북용 back light CCFL은 점등시 1500볼트의 고전압이, 동작시 750볼트의 전압이 유지되어야 한다. 노트북은 휴대전원이 8~12볼트의 전원이므로 점등시 순간적으로 130배, 동작시 약 70배 정도의 승압전압이 공급되는 6watt 급 인버터가 필요하게 된다. 고전압 발생 방식으로는 종래에는 트랜스퍼머로 권선형 코일을 사용하였는데, 이는 동작시 높은 발열로 인한 회로부의 연소가능성을 내포하고 있을 뿐만 아니라 코일 주변에 유도되는 전기장에 의한 전자 노이즈 등의 문제점을 내포하고 있다. 또한 노트북에서는 소형 부품의 필요성이란 측면에서 권선형 코일은 문제점을 갖게 된다. 이러한 단점을 없애기 위해 최근 개발이 활발히 진행되고 있는 것이 압전 세라믹스를 이용한 트랜스퍼머(이하 압전 트랜스퍼머)이다. 표 1에 권선형 트랜스퍼머와 압전 트랜스퍼머의 장단점을 비교해 놓았다. 2. 압전 트랜스퍼머 압전 트랜스퍼머는 1950년대 C.A.Rosen이 그 구조 및 구동방식을 제안한 이래 수십 년간 여러 연구자에 의해 개발이 진행되어 왔으나, 실제 제품에 적용된 예는 최근 90년도 후반에 일본의 세라믹스 관련 회사들에 의해 제품이 출시되면서부터이다. 이와 같이 제품으로의 응용이 늦어진 데에는 몇 가지 이유가 있는데, 그 중 대표적인 이유가 트랜스퍼머로서의 특성을 만족하는 재료 개발이 어렵다는 것이다. 우수한 압전 트랜스퍼머를 만들기 위해서는 재료적인 관점에서 고려해야 할 요소가 있다. 대진폭 하에서 구동시 발열이 작아야 하므로 기계적 품질 계수(Qm, mechanical quality factor)가 높은 재료가 요구되며, 높은 승압비를 얻기 위하여 전기 기계 결합 계수(k, electro-mechanical coupling costants)가 커야 한다. 또한, 변환 효율을 극대화하기 위해서는 전기 및 기계적 손실을 최대한 억제하여야 하며, 장시간 사용하여도 특성 열화가 작아야 하므로 고 신뢰도를 가져야 한다. Rosen type 트랜스퍼머의 기본개념은 그림 1과 같이 입력쪽은 압전체의 두께방향으로 분극되어 있고 출력쪽은 길이방향으로 분극되어 있는 형태이다. 이러한 분극구조에서 압전체의 면적진동 공진주파수 부근의 전압을 입력하면 입력부는 전기-기계 변환이 3-1(X-Z) 방향으로, 출력부에서 다시 기계-전기 변환이 3-3(Z-Z)방향으로 에너지 변환되는 방법으로 승압이 이루어 지게 된다. 따라서 트랜스퍼머로서의 성능을 결정 짓는 요소는 Qm, K 등 압전재료의 특성에 좌우되는 부분과 구조에 의해 결정되는 부분으로 나뉘게 된다. 1997년경부터 다무라에서 단판형 압전 트랜스퍼머를 채용한 인버터가 상용화되어 노트북 LCD back light 구동으로 채용되기 시작하였다. 그러나 압전트랜스퍼머가 단판형이라 승압비가 작아(7~10배) 압단에 코일트랜스퍼머로 1차 10배정도 승압하고 2차로 단판형 압전트랜스퍼머를 사용하는 2단 승압구조로 되어 있어 완전히 소형화 되지는 못하였다. 그래서 트랜스퍼머가 높은 승압비를 갖도록 하기 위해 단판형에서 적층형 압전트랜스의 필요성이 대두하기 시작하였다. 그러나 생산기업의 입장에서는 단판형 압전 트랜스퍼머의 제조라인(세라믹 건식 프레스 공정)과 적층형 압전 트랜스퍼머의 제조라인(세라믹 습식 테잎 캐스팅 공정)이 상이하기 때문에 두가지 다를 가져가는 것은 사업적 측면에서 바람직하지 않다는 생각에서 하나의 구조로 가져가게 되었다. 일본의 경우 단판형은 다무라에서만 제작되고 신규 압전 인버터를 시작하는 기업에서는 장기적으로 적층형 압전 인버터가 시장을 장악할 것이라는 판단 하에 적층형으로 상업화가 진행되었다. 2004년 현재 시장에서 노트북에 채용되는 압전 인버터는 50:50으로 단판형과 적층형이 공존되어 있고 점점 적층형으로 확대되는 추세이다. 표 2에 단판형과 적층형의 장단점을 비교하여 놓았으며 그림 2에 적층 압전트랜스퍼머의 개념도를 도시하였다. 입력부는 MLCC(Multi Layer Cofired Ceramics) 구조로 층간전극이 반복적으로 엇갈려 있고 출력부는 층간전극이 하나로 붙어 있는 구조이다. 적층 압전 트랜스퍼머는 적층공정을 활용하며 공정도를 그림 3에 나타내었으며 제작된 샘플을 그림 4에 예시하였다. 3. 압전 트랜스퍼머 재료 기존 압전체의 경우 적층형 압전트랜스는 세라믹재료의 소결온도가 1100℃~1200℃정도로 높기 때문에 동시소결을 위해 내부전극을 고온용 Ag-Pd 합금 전극을 사용하게 된다. 그러나 현재 Pd가격은 Ag의 80배정도로 높아 제조 cost가 높다. 또한 압전세라믹은 대부분 1000℃ 이상의 소결온도에서 PbO 성분이 휘발되는 성질이 있어 인체에 유해한 작업환경과, 휘발에 따른 제품의 재현성에 어려움이 있어 분위기 조절이 까다롭게 되는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방법은 압전세라믹 소재가 1000℃이하에서 소결되는 재료를 개발하는 것이며, 900℃ 정도에서 소결하면 내부전극을 값싼 Ag 전극만으로 사용이 가능하고 소결시 환경오염도 없으며 공기 중에서 소결하여도 제품의 안전성이 있어 가격경쟁력과 재현성도 확보할 수 있다. 따라서 적층 압전재료는 순수 Ag 내부 전극과의 Co-firing이 가능하도록 1000℃이하에서 소결이 되는 저온 소결용 재료의 개발이 이루어야 한다. 제조된 압전 트랜스퍼머는 그림 5에 나타난 바와 같이 트랜스퍼머 입력측에 power amp.와 signal generator를 연결하여 오실로스코프상에서 승압비를 측정할 수 있다. 4. 압전 트랜스퍼머 종류 압전 트랜스퍼머의 성능은 앞에서 언급한 바와 같이 재료와 구조에서 결정지어 진다. 구조 설계는 사용하고자 하는 용도에 맞게 출력에 적당한 적층 세라믹 볼륨을 결정하고 승압비에 맞는 적층수를 고려한다. 적층수가 많으면 승압비가 증가하지만 입력 용량값이 불필요하게 커질 수 있고 내전압에는 약하게 된다. 한편 로젠형 압전 트랜스퍼머도 진동모드에 따라 여러 가지가 있으며 인버터 설계에 따라 승압비, 크기, 지지방식의 장단점을 고려하여 선택조절 할 수 있다. 표 3에 각 구조와 특징을 나타내었다. 압전 트랜스도 실제 동작시 진동을 하게 되므로 부위별로 변위와 응력의 분포가 있게 되고 응력이 집중되는 곳에서 재료의 파괴강도 이상의 응력이 가해지면 파괴가 일어난다. 코일형 트랜스퍼머는 과부하시 화재의 염려가 있지만 압전 트랜스퍼머는 과부하시 응력이 집중되는 곳에서 파괴가 일어나기 때문에 단락의 위험은 있으나 화재의 염려는 없다. 그러나 파괴가 일어나지 않도록 재료의 설계 및 구조를 고려하여야 한다. 그림 6은 λ/2 모드의 압전 트랜스퍼머에서 응력과 변위 분포를 나타낸 것으로 가운데 부분이 가장 큰 응력이 집중되어 파괴가 일어난다. λ 모드의 압전 트랜스에서는 1/4 또는 3/4 지점에서 파괴가 일어날 확률이 크고, 3λ/2 모드의 압전 트랜스에서는 1/3 또는 2/3 지점에서 파괴가 일어날 확률이 크다. 5. 결언 노트북 PC의 수요증가와 더불어 노트북의 고품위 고기능화가 진전되고 있어 적층형 압전 트랜스퍼머의 채용이 늘어나고 있으며 일본, 대만, 중국 등에서도 개발 및 생산에 노력을 하고 있으나 국내의 노트북업체(삼성, 삼보, LG)가 현재까지 LCD backlight용 inverter에 기존 코일트랜스퍼머를 사용한 인버터를 채용하고 있는 실정이다. 국내는 아직까지 일본 노트북업체에서 채용하고 있는 압전 트랜스퍼머의 신뢰성 등을 지켜보고 있는 실정이다. 압전 적층 트랜스퍼머용 세라믹재료는 기존의 특성을 만족하면서 저온소결되는 재료의 개발과 Q, K 값이 우수한 재료조성을 찾는 연구를 하여야 한다. 또한 유럽, 일본 등에서 납규제 제한과 연관되어 PZT 사용의 규제연한을 몇 년 연기하였지만 궁극적으로 Pb free 재료의 조성개발이 이루어 져야 하나 아직까지 기존 특성과 유사한 특성을 내는 재료는 없는 것 같아 이분야의 연구도 많이 이루어져야 할 것 같다. 한편, LCD backlight용 inverter 이외에 채용되는 또 다른 응용제품으로 어댑터 및 일반 형광등용 ballast 등이 있다. 현재 노트북용 어댑터는 비교적 큰 사이즈를 갖고 있으며 발열 문제도 있어 여기에 압전 트랜스퍼머를 채용한 어댑터를 개발하고 있으며 backlight용 인버터와는 반대로 감압형이며 고출력(80watt 이상) 트랜스퍼머가 필요하게 된다. 이러한 응용에 개발방향은 로젠형의 입출력을 반대로 해서 감압형 인버터를 개발하는 방향과 로젠형이 아닌 단판 접합형이 가능성을 보이고 있다. 그림 9에 접착형 압전 트랜스퍼의 개략도를 나타내었다. 비록 국내의 압전 트랜스퍼 분야도 연구 출발은 늦었지만 압전 트랜스분야의 다양한 응용분야를 찾아내고 개발하여 이 분야의 부품도 수입에 의존하는 현상이 답습되지 않기를 바란다. 표 1. 권선형 트랜스퍼머와 압전 트랜스퍼머의 비교 권선트랜스 압전트랜스 주재료 ferrite core, 동선 piezoelectric ceramics 구조 복 잡 간 단 원리 電磁유도 壓電현상 승압비 권선비, 결합계수(수십배정도) 형상비 전기기계 결합계수(수백배) 출력 전력 大 小 출력 파형 입력 파형 정현파 주파수 특성 평탄 공진 주파수 電磁 노이즈 有 無 형상 코아 형상 평판 파괴 형태 燒損 破斷 난연성 가연성 불연성