[커패시터] Capacitor의 구조 및 종류

 Capacitor는 전하를 저장하는 회로 소자로서 회로내의 배터리 정도로 이해하면 쉽긴 하다. 사실 배터리도 커패시터의 일종으로 전하(전기)를 저장하는 회로 소자이다.

 커패시터의 구조는 양 극 사이에 유전체라고 하는 물질을 넣어서 전하를 저장한다. 유전체는 절연체로 전기가 통하지 않으며 일반적인 상태에서는 극성을 띄지 않고 전기장 안에서는 극성을 띄게 된다.

 커패시터 양단에 전압차가 발생을 하면 양전하와 음전하가 서로 다른 단자에 모이면서 내부에 전기장을 형성하고 전기장의 영향을 받아 유전체의 극성이 만들어진다.

 커패시터의 전하가 충전되는 원리를 자세히 보면 전기장이 없을 때는 양자와 전자가 원형을 이루고 있다가 양극에 전기장이 가해지면 타원으로 변하면서 -극에는 +의 양자가 +극에는 -의 전자가 모이게 된다. 이런 현상을 유전분극 현상이라고 하는데 유전분극은 유전체의 물질에 의해 결정되며 유전분극이 잘 일어날수록 커패시터의 용량도 커지게 된다.

 커패시터의 용량은 아래의 3가지로 결정이 된다.

 1. 커패시터 양 단자의 면적

 2. 양 단자 사이의 거리

 3. 내부 유전체 재료의 특성

 

 위 그림과 식에서와 같이 도체의 면적 A, 양 극 사이의 간격 d, 그리고 유전체의 특성인 ε으로 나타난다. 결국 커패시터의 용량을 키우기 위해서는 단위면적을 키우고 양 극간의 간격을 매우 좁게 해야한다.

 여기서 유전체를 어떤 것으로 하느냐에 따라 종류와 특성이 결정된다. 아래 세가지가 대표적이며 이외에도 여러 종류가 존재한다.

 1. 알루미늄 전해 커패시터

 알루미늄 산화 피막을 유전체로 사용한 것으로 전해 콘덴서라고 많이 불린다. 에칭 처리로 표면을 거칠게 하여 면적을 넓히는 구조를 가지고 양극 산화 처리를 하여 산화피막을 만든다. 면적을 크게 하기 위해 알루미늄 박을 돌돌 마는 구조를 가지는데 알루미늄을 말면서 쇼트를 방지하기 위해 전해지를 넣는다. 그리고 내부에 전해액을 넣는다. 전해액은 음극 알루미늄과 함께 음극 역할을 한다. 정전용량이 크고 가격이 저렴하나 전해액이 시간에 따라 증발하며 정전용량의 변화가 생긴다. 누액이 발생하는 경우도 있다. 극성이 있어서 역으로 연결하면 발열하거나 파괴될 수 있다. 파괴될 시에는 대부분 오픈된다. 전해액이 들어 있기 때문에 온도 변화에 용량의 변화가 크고 압력에 의해 파괴될 수 있다.

 2. 세라믹 커패시터 (MLCC : Multi-Layer Ceramic Capacitor)

 유전체가 세라믹으로 크기가 작고 정전용량이 작은 편이다. 압력이나 온도 변화에 강하다. 하지만 세라믹 만으로 얻어지는 정전용량이 작아 칩으로 만들 경우 MLCC로 만든다. 내부 면적을 늘이기 위해 전도층을 적층하고 사이에 세라믹을 채워 만든다. 소형화가 가능하여 SMT 소자로 많이 활용된다.

 3. 탄탈 커패시터

 탄탈 소자의 양끝에 리드 프레임으로 전극을 구성하여 몰드 수지로 봉합하는 구조로 앞서 말한 전해와 세라믹의 중간쯤되는 커패시터로 보면 좋다. 전해에 비해 용량은 작은 편이지만 크기가 작고 온도 및 주파수 특성이 좋다. 당연히 세라믹 보다 크기는 크지만 용량은 월등히 큰 편이며 SMT 소자로도 많이 활용된다. 수지 몰드 구조로 인해서 강도도 매우 강한 편이며 압력에 의한 위험도 없다. 다만 높은 정전 용량에 비해 정격 전압이 낮은 편이고 가격도 비싼 편이다.