콘덴서는 무엇인가? 통상적은로 콘덴서는 전기를 축적하는 기능을 갖고 있는 소자의 한 종류이다. 또한 일반적으로 전기를 축적하는 기능 외에도 직류 전류를 차단하고 교류 전류를 통화 시키려는 목적에서도 사용되는 범용적인 소자이다. 또한 핸드폰, 스마트폰 및 MP3 플레이어 등 휴대용 개인 단말기에 사용되는 배터리도 역시 큰 의미에서 전기를 축적한다는 기능으로 본다면 이 역시 콘덴서라고 볼 수 있다.
콘덴서는 전기를 가지고 있는 기능 외에 직류 전원을 차단하고 교류 전류를 통과시키는 목적에서도 사용이 된다. 콘덴서는 기본적으로 두 장의 전극판으로 만들어지는데 이에 직류전압을 걸면, 각 전극에 전하라고 하는 전기가 축적이 되느 도중에는 전류가 흐르며 축적이 완료가 되면 전류가 흐르지 않게 된다. 콘덴서와 커패시터의 차이점은? 커패시터는 이론적으로 순수하게 정전용량 만을 가지는 이상적인 소자를 의미한다. 그렇다면 콘덴서는 무엇인가? 콘덴서는 저항 혹은 인덕턴스까지 존재하는 실제 기판에 부착하는 소자를 콘덴서라고 부른다. 학술적으로는 커패시터와 콘덴서를 구분하는 경향이 있지만 대부분의 원소 및 회로이론, 전자공학에 관한 책들은 콘덴서를 커패시터로 표기하고 있으며 그 둘의 차이점은 없다고 봐도 무방하다. 그래서 앞으로 브레인박스에서는 콘덴서 보다는 표준어인 커패시터 라는 용어로 통일하여 앞으로 나오게 될 리뷰에 사용하도록 하겠다. 커패시터의 구조는? 커패시터의 기본 구조는 간단한데, 유전체와 전극 사이에 유전체가 삽입된 형태이다. 실제 외형적으로는 다른 형태를 뜨고 있지만 이 기본적인 형태는 유지하고 있다. 외형적, 그리고 구조적으로 봤을 때 현재 커패시터들은 아래와 같은 형태가 일반적이다.
자 그렇다면, 컴퓨터에 커패시터가 얼마나 많이 사용이 되며 또한 어떤 종류들의 커패시터들이사용 되는지 커패시터의 종류를 통해 알아보도록 하자.
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커패시터의 특성 커패시터의 주요한 특성으로는 주파수 특성, 절연 저항, 유전 손실, 사용 온도 범위, 정전 용량, 정격 전압 등의 특성을 갖고 있다. 1. 주파수 특성 커패시터의 임피던스는 주파수가 높아짐에 따라 직선적으로 하강하는 것이 가장 좋지만 실제로 커패시터의 구조와 재질에 따라 크게 달라지만 공진시 저항값이 작을 수록 주파수 특성이 좋다고 할 수 있다. 실제 세라믹 커패시터와 필름 커패시터가 고주파 회로에 적절하다. 2. 절연 저항 커패시터의 절연 저항은 온도에 영향을 받지 않는 것이 가장 이상적이다. 하지만 실제로는 온도와 반 비례하여 온도가 상승될 수록 감소한다. 통상적으로 약 25도를 경계로 감소하는 경향이 있는데 필름 커패시터가 약간 크며 세라믹 계열이 작다. 알루미늄 전해 커패시터 알루미늄 전해 커패시터는 고순도 알루미늄박의 표면에 붕산 계통의 전해약을 사용하여 양극산화 화성환 산화피막을 유전체로 한다. 전해질로서 전해액을 사용하는 알루미늄 전해 커패시트와 유기 반도체나 전도성고분자를 사용하는 고체형 전해 커패시터로 구분한다. 알루미늄 전해 캐패시터는 크게 유기 반도체 전해 커패시터, 컨덕팅 폴리머 알리미늄 전해 커패시터, 표면실장 알루미늄 전해 커패시터, 축소형 알루미늄 전해 커패시터, 대형 알루미늄 전해 커패시터 등으로 분류된다.
알루미늄 전해 커패시터의 가장 큰 장점은 유전체로 얇은 산화막을 사용하고 전극으로 알루미늄을 사용하는데 유전체를 매우 얇게할 수 있으므로 커패시터의 크기에 비해 큰 용량을 가질 수 있다. 하지만 단점으로는 극성을 잘못 접속하거나 전압이 너무 높게 인가가 되면 커패시터가 터질 수 있다는 점이다. 주파수 특성이 낮고 수명이 비교적 짧은데, 이는 동작 온도에 매우 민감한 단점을 갖고 있기 때문이다. 일반적으로 많이 사용하는 모델인 85도 제품은 수명은 약 1000시간 정도인데 온도가 10도 정도 상승하면 수명은 50% 정도 감소한다. 또한 내부 구조가 복잡하기 때문에 직렬 저향값이 매우 커, 소비전력이 큰데 여기에 리플 전압까지 커지만 자체 발열량이 급증하기 되어 수명을 현저히 감소시킨다. 품질이 좋은 그리고 안정화가 된 커패시터가 많이 필요로 하는 부품이 바로 전원 공급기이다. 이는 각 전류별로 안정화된 전류를 공급하기 위해 즉 리플 노이즈를 최소화할 수 있는 역할을 커패시터가 하기 때문이다.
탄탈 전해 커패시터 탄탈 커패시터는 보다 정밀한 전자기기에 사용되는 우수한 작동 특성을 가지도로 설계가 된 커패시터이다. 이 커패시터는 앞서 설명한 알루미늄 전해 커패시터 보다 온도 특성 및 주파수 특성에서 보다 우수하다. 알루미늄 전해 커패시터의 경우는 온도의 변화에 따라 용량이 변화한다. 탄탈 전해 커패시터는 알루미늄 전해 커패시터에 비해 등가 직렬 저항 및 누설 전류가 작고 주파수 특성 및 온더 특성이 우수하다. 그러나 정상적인 수명을 위해 정격 전압의 80% 를 초과하지 않는 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다. 탄탈 전해 커패시터는 탄탈 파우더를 소결하여 굳혔을 때 나오는 빈틈에 전하를 모아두는 구조로 되어 있어 앞서 설명한 알루미늄 커패시터의 두루마리 형태가 아니므로 보다 우수한 성능을 갖는다. 또한 이 커패시터 역시 극성을 갖고 있어서 기판에 부착시 주의 해야하며 가격이 비싸기 때문에 온도에 따른 용량 변화가 엄격한 기판 그리고 주파수가 높은 회로에 주로 사용된다.
세라믹 커패시터 세라믹 커패시터는 다양한 소결체를 유전체로 하여 은 전극을 소부시켜 제조한 무극성 무기질의 커패시터로 특성에 따라 온도보상용, 고유전율계 반도체 등으로 구분되는 수동소자 이다. 세라믹 커패시터는 등가 인덕턴스 값이나 직렬 등가 저항값이 매우 작고 상당히 높은 주파수 특성을 갖는다. 하지만 세라믹 커패시터는 정전용량이 비교적 작기 때문에 이 단점을 극복한 적층형 세라믹 커패시터가 주로 사용된다. 세라믹 커패시터는 전극간의 유전체로 티탄산 바륨과 같은 유전율이 큰 재료로 사용되고 있다. 이 커패시터는 인덕턴스 (코일의 성질)이 적어 고주파 특성에 양호하기 때문에 고주파의 바이패스에 흔히 사용된다.
이 커패시터는 대부분 원반형의 형태를 띄는데 용량도 비교적 작은 편에 속한다. 또한 앞서 봤던 2개의 커패시터 전해 커패시터와 탄탈 커패시터와 달리 극성이 없다. 적층 세라믹 커패시터 (MLCC) 적층 세라믹 커패시터는 전하를 일시적으로 저장하는 일종의 전기적인 장치이다. 이는 온도 특성에 따라 몇 가지로 구분이 되는데 적층 세라믹 커패시터의 경우 유전체와 전극으로 구성이 되며 구조파용 적층 세라믹 커패시터의 경우 적극의 재료가 팔라듐 혹은 구리로 만들어진다. 칩 타압의 소형 적층 세라믹 커패시터를 만들기 위해서는 고밀도, 고효율의 세라믹 커패시터가 사용된다. 이 커패시터가 사용되는 장비로는 휴대 전화를 포함한 스마트폰과 PDA 그리고 캠코더와 같은 고주파 환경에서 사용하기 장비에도 주로 사용된다. 또한 적층 세라믹 커패시터의 경우 SMD MLCC, 수직형 MLCC, 수평형 MLCC 등으로 구분할 수 있다.
적층 세라믹 커패시터의 가장 큰 장점은 그 크기에서 찾을 수 있는데, 전극간의 유전체로 고유 전율계 세라믹으로 다층 구주로 사용하고 있어, 온도 특성, 주파수 특성 등이 양호하며 게다가 작은 크기로 만들어 있다는 큰 특징이 있다.
필름, 금속 증착 커패시터 플라스틱 필름 커패시터는 유전체로 폴리에스터, 폴리 프로필렌 등을 사용하여 2매의 전극 사이에 끼운 기본 구조로 되어 있다. 2차측 전자회로의 충방전, 결합, 우회, 평활 회로용으로 사용되기도 한다. 또한 전극간의 유전체로 폴리스티렌 필름이 사용되고 있다. 이 커패시터는 필름을 감은 구조이므로 인덕턴스 성분이 크다. 따라서 고주파 에는 사용할 수 없으며 수백 kHz 이하의 필터 회로나 타이밍 회로에 사용한다.
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소형화에 따른 적층 세라믹 커퍼시터가 많은 발전을 할 듯 최근 전자기기의 소형 경량화 및 박형화 (얇은 두께)로 인해 세라믹 커패시터의 연구도 이와 발맞추어 움직이고 있다. 크게 소형화, 고용량화, 다기능화로 집약되는데 적층형 세라믹 커패시터 (MLCC)의 경우 제품별로 1005-> 0603 -> 0402 (0.4mm X 0.2mm) 크기로 소형화가 진행중이다. 또한 MLCC 용량 영역도 고용량 영역대인 (10 ~ 100uF)에서 사용되기 위해 Al, Ta 등의 전해 커패시터까지 확대가 가능하며 고용량화를 구현하기 위해 박막화 기술에 대한 연구가 꾸준하게 진행이 되고 있다. MLCC의 전극 소재를 보면, 종전에는 팔라듐과 은과 같은 고가의 전극 소재를 사용하였으나 최근에는 니켈, 구리 등을 사용하여 고성능, 저 원가를 실현하고 있으며 MLCC 핵심 내부 전극 소재로는 니켈, 외부 전극 소재로는 구리 및 유전체 소재로는 티탄산 바륨이 주로 사용되고 있다. 적층형 세리믹 커패시터는 쌀알 크기 만큼의 1~2mm 정도의 작은 크기를 갖고 있으나 300~400 층을 싸을 수 있을 정도로 기술 집약이 필요한 제품이다.
오늘 본, 대한 간단한 기사를 통해 컴퓨터 부품들에 상당히 많은 숫자의 커패시터가 장착되어 있으며 특히나 작은 적층형 세라믹 커패시터가 유독 많이 장착이 되어 있다는 것을 알 수 있었을 것이다. 이 처럼 적층형 세라믹 커패시터가 많이 사용되는 까닭은 컴퓨터도 고성능 및 작은 사이즈를 위해 또한 보다 작아진 공정의 영향도 크다. 컴퓨터에 입력이 되는 전원은 220V 로 고정이 되어 있지만 GHz 이상의 높은 고주파로 작동을 하는 부품들도 있으며 12V, 3.3V 그리고 1.0V 대의 다양한 전압으로 각기 부품이 작동 되기 때문에 컴퓨터를 구성하는 프로세서, 하드디스크, 그래픽카드, 메인보드 및 전원 공급기 등에 주로 사용되는 부품 즉 커패시터의 역할이 상대적으로 크다고 볼 수 있다. 출처 : 한국 과학 기술 정보 연구원 - 세라믹 콘덴서 / 공주대학교 윤덕용 교수님 논문 중 |
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