커패시터 종류와 특징

커패시터 종류와 특징에 대해 설명합니다. 이상적인 커패시터는 정전용량 성분만이지만 실제 커패시터는 저항성분 및 인덕턴스 성분을 포함하고 있습니다.

목차

1. 커패시터 특성
2. 커패시터 종류
3. 커패시터의 종류와 특징 정리
4. 파나소닉의 커패시터 라인업

지난 포스팅에서는 커패시터 원리와 구조 등 커패시터의 기본적인 지식에 대해 알아보았습니다. 이번에는 커패시터의 특성과 종류, 파나소닉이 가지고 있는 커패시터의 라인업에 대해 소개하겠습니다.

1. 커패시터 특성

이상적인 커패시터는 정전용량 성분만을 가지고 있지만 실제 커패시터는 저항성분과 인덕턴스 성분을 포함하고 있습니다. 이러한 기생 성분은 커패시터의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 커패시터의 간이 등가 회로를 그림으로 나타내면, 실제 커패시터의 등가 회로에는 ESR(등가 직렬 저항)과 ESL(등가 직렬 인덕턴스)이 포함됩니다. 또한 커패시터의 전극 사이는 이상적으로 절연이 이루어지지만, 실제로는 약간의 누설 전류가 존재합니다.

이러한 성분에 대해 정리했습니다.

게다가 또 다른 중요한 특성은 임피던스입니다. 임피던스는 간단히 말해 교류 회로에서의 전압과 전류의 비율로, 직류 회로에서의 저항에 해당합니다. 기호는 Z를 사용하고 단위는 저항과 마찬가지로 Ω을 사용합니다.
커패시터의 임피던스(Z)는 다음 식 ①로 나타내고, 임피던스의 절대값은 다음 식 ②로 계산할 수 있습니다.

① Z = R + j 2πf L+ 1/(j 2πf C)
② |Z| = R² +(2πf L - 1/(2πf C))²

Z : 임피던스 [Ω]
R : 저항 성분 = ESR [Ω]
j : 허수
π : 원주율 (3.14)
f : 주파수 [Hz]
L : 인덕턴스 성분 = ESL [H]
C : 커패시턴스 [F]

이 수식에서 다음을 알 수 있습니다.

1) 주파수가 낮은 영역에서는 거의 정전 용량(C)에 의해 임피던스가 결정된다.
2) 자기 공진 주파수 (2πf L = 1 / (2πf C)가 되는 주파수)에서는 ESR에 의해 임피던스가 결정된다.
3) 주파수가 높은 영역에서는 거의 ESL에 의해 임피던스가 결정된다.

이것을 그래프로 나타내면 아래와 같은 그림이 됩니다.

커패시터의 임피던스 Z는 자기 공진 주파수까지는 용량성(C)으로 낮아지지만, 자기 공진 주파수에서는 C나 ESL의 영향이 제로가 되고 ESR만 남습니다. 이를 지나면 유도성(ESL)이 되어 주파수와 함께 증가합니다.

커패시터를 그 주요 용도인 노이즈 흡수(디커플링)로 사용하는 경우, 임피던스에 따라 노이즈 흡수 효과가 결정되므로 다음과 같은 사항을 고려하여 부품을 선정해야 합니다.

1) 노이즈의 주파수와 커패시터의 자기 공진 주파수가 가까울 것
2) ESR이 작을 것
3) 고주파 노이즈의 경우 ESL이 작을 것

2. 커패시터 종류

커패시터에는 사용하는 재료나 구조 등에 따라 다양한 종류가 있습니다. 또한 종류에 따라 특징이 다르며, 설계에서는 이러한 특징에 따라 선택하게 됩니다. 주요 커패시터 종류는 아래 그림과 같습니다.

가변 커패시터

커패시터는 고정 커패시터가 주류를 이루지만, 일정 범위에서 정전 용량을 바꿀 수 있는 가변 커패시터도 있습니다. 가변 커패시터는 대향 전극 면적을 바꾸어 정전 용량을 변화시키는 것이 일반적입니다. 가변 커패시터에는 라디오의 주파수 선택 등에서 자주 변화시키는 것(Variable condenser)과, 회로 조립 시 한 번 조정하기 위해 변화시키는 것(Trimmer condenser)이 있습니다.

정전용량의 변경은 노브나 드라이버로 변경하지만, 기계적으로 변경하는 구조이기 때문에 정전 용량이 큰 것을 만들기가 어려워 pF(피코패럿) 단위의 소용량으로 만들어집니다.

무극성 커패시터와 유극성 커패시터

고정 커패시터는 크게 무극성 커패시터와 유극성 커패시터로 구분됩니다. 무극성 커패시터는 커패시터 단자에 인가하는 전압의 극성이 규제되지 않는, 즉 어느 쪽 단자가 플러스여도 상관없는 커패시터입니다. 무극성 커패시터는 제로 전위에서 상하로 전압을 인가할 수 있기 때문에 교류 회로에서도 직접 사용할 수 있습니다. 무극성 커패시터는 세라믹 커패시터와 필름 커패시터가 주류를 이루며, 그 외에도 마이카 커패시터, 종이 커패시터, 공기 커패시터 등이 있습니다.

반면 유극성 커패시터는 두 단자 중 어느 쪽을 플러스 쪽으로 할 것인지가 정해진 커패시터로, 이를 잘못 사용하면 커패시터가 고장나게 됩니다. 따라서 유극성 커패시터는 직류 전압 또는 플러스 쪽에서만 변동하는 전압으로 사용해야 한다는 제약이 있습니다. 그러나 유극성 커패시터는 소형 · 대용량의 커패시터를 얻기 쉬운 장점이 있어 널리 사용되고 있습니다. 알루미늄 전해 커패시터 · 탄탈 전해 커패시터 · 전도성 고분자(전해) 커패시터 · 전기 이중층 커패시터가 이에 해당합니다.

세라믹 커패시터

세라믹 커패시터는 유전체에 고유전율 세라믹을 사용한 커패시터로 다음과 같은 특징이 있습니다.

• 무극성
• 우수한 고주파 특성(낮은 ESR)
• 고내열
• 긴 수명

원래는 고내압/저용량의 단판 커패시터였지만, 박막 적층 구조로 소형 대용량화된 적층 세라믹 커패시터의 출현과, 단점이었던 온도 특성(온도에 따른 정전 용량의 변화율이 큼)을 극복한 온도 보상용 커패시터의 출현으로 그 사용 범위가 크게 확대되었으며, 커패시터 중에서 가장 많이 사용되고 있습니다. 다만, 온도 보상용 커패시터는 기존의 고유전율계보다 형태가 크고 대용량화하기 어렵기 때문에 용도에 따라 구분하여 사용합니다.

하지만 세라믹 커패시터에는 DC 바이어스 특성(인가 전압에 의해 정전 용량이 크게 변화)과 소리(고주파에 의한 진동으로 이음이 발생), 온도/기계적 충격에 의해 균열이 발생하기 쉽다는 단점이 있어 사용 시 주의가 필요합니다.

필름 커패시터

필름 커패시터는, 유전체에 플라스틱 필름을 사용한 커패시터로 다음과 같은 특징이 있습니다.

• 무극성
• 우수한 고주파 특성(낮은 ESR)
• 우수한 온도 특성(온도에 따른 정전 용량의 변화율이 작음)
• 정전 용량의 고정밀도 대응 가능
• 긴 수명

세라믹 커패시터에 비해 내열성은 낮지만, 우수한 온도 특성과 정전 용량의 고정밀 대응이 가능이라는 항목이 추가되어 있으며, DC 바이어스 특성이나 소리, 온도/기계적 충격에 의한 균열의 문제도 없습니다. 따라서 세라믹 커패시터보다 고성능 커패시터이지만 형태가 크고 비싸다는 단점이 있어 세라믹 커패시터로는 커버할 수 없는 전압 및 용량 영역이나 고성능/고정밀 용도로 사용됩니다.

필름 커패시터는 사용하는 유전체에 따라 다음과 같은 특징이 있으며, 용도에 따라 구분하여 사용합니다.

◎:매우 좋음  ○:좋음  △:별로 좋지 않음  ×:나쁨

PET와 PP는 리드선 타입의 유전체이며, 이전에는 소형이면서 저렴한 PET가 일반적으로 사용되었고, 우수한 고주파 특성(낮은 ESR)을 가진 PP가 고주파/대전류 용도로 구분되어 사용되었습니다. 그러나 PP는 고안전 · 고내습성이라는 특징도 가지고 있고, PP 필름 커패시터의 소형화 기술 발전 덕분에 현재는 PP가 많이 사용되고 있습니다.

PPS와 PEN은 고내열의 특징으로 인해 표면 실장용 필름 커패시터에 사용되고 있습니다. 이러한 전기적 특성은 PEN은 PET에 가깝고, PPS는 PP에 가까운 특성을 보입니다.

알루미늄 전해 커패시터

알루미늄 전해 커패시터는 양극의 알루미늄박의 표면에 유전체가 되는 알루미늄 산화 피막을 형성시켜, 전해질(음극)에 전해액(용매에 전해질을 녹인 액체)을 사용하는 구조입니다.

알루미늄 전해 커패시터는 대용량인 것이 특징인데, 이는 알루미늄박의 표면을 에칭하여 요철을 형성함으로써 전극 표면적(S)을 크게 하고, 산화 피막의 두께(d)를 옹스트롬 수준의 초박형으로 형성하여 실현하고 있습니다. 그러나 세라믹 커패시터나 필름 커패시터에 비해 등가 직렬 저항(ESR)이 높습니다.

알루미늄 전해 커패시터는 수명이 유한한 제품입니다. 이는 전해액이 온도에 따라 기화되어 실링 고무에서 서서히 투과하기 때문에 시간이 지남에 따라 용량이 감소하고 ESR이 상승하여, 최종적으로는 오픈 상태(전해액의 건조)가 됩니다.

알루미늄 전해 커패시터의 수명 예측에는 일반적으로 「10℃ 2배칙」을 적용할 수 있습니다.

탄탈 전해 커패시터

탄탈 전해 커패시터의 기본 구조는 알루미늄 전해 커패시터와 거의 동일하며 양극이 되는 탄탈 금속 분말의 소결체 표면에 유전체로 오산화탄탈을 형성하고 전해질로 이산화망간(고체)을 사용하는 구조입니다.

탄탈 전해 커패시터는 알루미늄 전해 커패시터보다 소형이며 주파수 특성이 우수하고 수명이 길다는(전해질이 고체) 특징이 있습니다. 그러나 고장 모드가 단락(short)이며 발화에 이를 위험성이 있기 때문에 안전 대책이 필요합니다.

전도성 고분자 커패시터

전도성 고분자 커패시터는 전해 커패시터의 전해질을 전도성 고분자(고체)로 만든 것입니다. 전도성 고분자의 전기 전도율은 알루미늄 전해 커패시터의 전해액의 10,000배, 탄탈 전해 커패시터의 이산화망간의 1,000배로 매우 높고 등가 직렬 저항(ESR)이 낮기 때문에 리플 흡수 용도에서 다른 전해 커패시터보다 유리합니다.

따라서 다른 전해 커패시터에서 전도성 고분자 커패시터로 교체가 진행되고 있지만, 가격이 비싸고 정격 전압이 높은 제품이 없어 용도에 따라 다른 전해 커패시터와 구분하여 사용합니다.

전기 이중층 커패시터

전기 이중층 커패시터는 알루미늄 전해 커패시터와 이차 전지(배터리) 사이의 용량을 가진 특수한 커패시터로, 그 용량 밀도는 알루미늄 전해 커패시터의 약 1,000배 이상이며, 이차 전지의 1/10 정도입니다.

전기 이중층 커패시터에는 전해 커패시터와 같은 유전체가 없습니다. 대신 전극과 전해액의 경계에 형성되는 전기 이중층을 유전체의 기능으로 활용하고 있습니다. 이것이 전기 이중층 커패시터 이름의 유래입니다.

전기 이중층 커패시터의 충방전은 양극과 음극에 사용된 활성탄의 전극 표면에서 이온 흡착과 탈착을 이용한 것입니다. 이 충방전에 따른 중층의 변화를 아래 그림에 나타냈습니다.

전기 이중층 커패시터를 이차 전지와 비교하면 다음과 같은 특징이 있습니다.

• 충방전 사이클 수가 특성 열화에 거의 영향을 미치지 않음(유지 보수가 불필요)
• 충방전이 간단(0V까지 방전 가능, 단자 전압으로 에너지량을 알 수 있고 미세 전류 및 대전류 충전 가능)
• 전지와 같은 규제(회수, 폐기, 관세)의 대상이 아님

따라서 정전 시 IC 메모리의 데이터 보호 등 백업용 전원으로 활용됩니다.

3. 커패시터의 종류와 특징 정리

지금까지 각종 커패시터의 특징에 대해 설명하였습니다. 각각의 커패시터를 비교해 정리하면 아래의 표와 같습니다.

◎:매우 좋음  ○:좋음  △:별로 좋지 않음  ×:나쁨

※세라믹은 고유전율계 적층 세라믹 커패시터의 특성을 나타낸다.

4. 파나소닉의 커패시터 라인업

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