커패시터

커패시터(capacitor)는 전기를 저장할 수 있는 장치이다. 축전기라고도 한다. 'Capacitor'은 용량을 의미하는 ‘Capacity’에서 파생된 말로 커패시터가 전기를 저장한다는 것을 알 수 있다. 이 커패시터의 시초는 1745년 독일의 E. G. 클라이스트가, 1745~1746년에 네덜란드 라이덴 대학의 물리학자 P. 반 뮈셴브루크가 각기 독자 개발한 라이덴병'(Leyden jar)이다. 이는 유리병 안팎으로 금속박을 붙이고, 금속 막대에 사슬을 연결해 병 안으로 넣어, 사슬과 밑면이 접촉하도록 구성된다. 병 안쪽 전압은 3만 5000V까지 상승할 수 있으며 병에 넣은 금속 막대를 통해 방전되는 방식으로 사람이 의도적으로 전기를 저장, 방전할 수 있다는 데 의미가 있었다. 이후 전기적 실험에서 꾸준히 활용됐다.

커패시터는 기본적으로는 2장의 전극판을 대향시킨 구조로 되어 있다. 여기에 직류전압을 걸면,각 전극에 전하 라고하는 전기가 축적되며 축적하고 있는 도중에는 전류가 흐른다. 축적된 상태에서는 전류는 흐르지 않게 된다.

1uF정도의 전해 커패시터에서 "아나로그 테스터기"를 저항 측정 모드로 전환하고 접속을 하면 순간 전류가 흘러 테스터의 바늘이 움직이는것을 알수 있다. 그러나 바로 0으로 되고 만다.

반대로, 테스터의 접속 방법을 반대로 하면 역시 순간 전류가 흐른다는 것을 알 수있다. 그러므로 직류 전압이 커패시터에 가해진 경우, 순간적으로 전류가 흐르지만 후에는 흐르지 않기 때문에 직류를 통과시키지 않으려는(직류커트)용도에도 사용된다.

그러나 교류의 경우에는 +,-가 계속해서 바뀜에 따라 앞서 언급한 테스터의 측정봉을 항상 교대로 바꾸어 접속하는 것과 같으므로 그 때마다 전류가 흐르게 되어, 교류전류가 흐르는 것이다. 두 극판의 전극간에 절연체를 넣어 커패시터를 만드 는데, 이 재질에 따라 여러 종류의 커패시터가 있다. 아무것도 삽입하지 않고 공기를 유전체로 하는 커패시터도 있다.

커패시터의 용량을 나타내는 단위는 패러드(약호:F)가 사용된다. 일반적으로 커패시터에 축적되는 전하용량은 매우 작기 때문에, uF이나 pF 의 단위가 사용된다.(*단위1uF=1000nF=1000000pF) 최근에는 슈퍼 커패시터 라는 명칭으로 패러드 단 위의용량을 가진 커패시터도 등장했다. 커패시터의 용량 표시에 3자리의 숫자가 사용되는 경우가 있다.

부품메이커에 따라 용량을 3자리의 숫자로 표시하든가 또는 그대로 표시하기도 한다.

3자리의 숫자로 나타내는 경우에는 앞의 2자리 숫자가용량의 제1숫자와 제2숫자이고,3자리째가 승수(10의 제곱)가 된다.

예) 103 이면 10*103=10,000pF=10nF=0.01uF, 224는 22*104=220,000pF=220nF=0.22uF, 100는 10*100=10pF이다.

작동 원리

커패시터의 구조

 

커패시터는 일시적으로 전기를 저장하는 장치다. 일반적으로 2개의 도체판, 그 사이에 유전체가 위치하는 구조을 가진다. 도체판은 금속으로 이뤄져 전하 이동이 자유롭지만, 유전체는 절연 물질로서 전기적으로 대전은 되나, 전하가 통과할 수는 없다.

중성 상태의 커패시터(좌)와 대전된 커패시터(우)

 

커패시터에 연결단자를 통해 전압을 걸어주면, 외부로부터의 전압과 전기적 평형을 맞추기 위해 전하가 이동하게 된다. 닫힌 회로에서 그림 상 왼쪽 도체판에서 전자가 회로를 타고 오른쪽 도체판으로 계속적으로 이동해 도체와 유전체의 경계면 가까이 전하가 축적되며, 외부 전압과의 전위차가 평형을 이루면 더 이상 전자의 이동도 없으며 전기가 통하지 않는 상태가 된다. 흐르는 전류는 공기중으로 방전되며, 커패시터는 전기적으로 완충된 상태를 띈다. 이처럼 완충된 경우는 디지털 신호 1, 그렇지 않은 경우엔 0을 나타낸다. 회로가 끊어져도 커패시터에 저장된 전기 에너지는 일시적으로 유지돼 용량이 큰 커패시터는 일시적인 배터리 역할을 하기도 한다.

만약 교류가 아닌 직류를 사용하면 이같은 효과를 얻을 수 없다. 커패시터는 전압과 전류의 변화에 반응해, 직류가 회로를 통해 들어오는 순간 증가하는 전압량으로 잠시 전기가 통할 수는 있으나 유전체의 분극을 유발할 정도로 오랜 시간이 아니기 때문에 지속적으로 전기를 전달할 수 없다.

종류

알루미늄 전해 커패시터

알루미늄 커패시터는 유전체로 얇은 산화막을 사용하고, 전극으로는 알루미늄을 사용하고 있다. 유전체를 매우 얇게 할수 있으므로 커패시터의 체적에 비해 큰 용량을 얻을수 있다. 특징은 극성이 있다 는 점이다. 일반적으로 커패시터자체에 마이너스측 리드를 표시하는 마크가 붙어 있다. 가할수 있는 전압 용량(전기를 축적할수 있는양)도 표시되어 있다.극성을 잘못접속하거나 전압이 너무 높으면 커패시터가 파열 되고 만다.(통상, 회로에도 +극성을 표시한다.) 이 커패시터는 1uF부터 수천uF,수만uF라는 식으로 비교적 큰 용량이 얻어지며,주로 전원이 평활 회로, 저주파 바이패스(저주파 성분을 접지)등에 사용된다. 또한,주파수 특성이 나쁘다(코일 성분이 많아 고주파에는 적합하지 않다) 칩 알루미늄 전해커패시터도 있다.

탄탈륨 커패시터

전극에 탄탈륨 이라는 재료를 사용하고 있는 전해 커패시터이다. 알루미늄 전해 커패시터와 마찬가지로, 비교적 큰용량을 얻을 수 있다. 그리고 온도 특성(온도의 변화에 따라 용량이 변화는 특성) 주파수 특성 모두 알루미늄 전해커패시터 보다 우수하다. 알루미늄 전해커패시터는,크라프트(kraft)지 등에 전해액이 스며들게 한것을 금속 알루미늄으로 삽입하여 감아 붙인 구조로 되어 있지만 탄탈 전해 커패시터의 경우는tantalum powder를 소결하여 굳었을 때에 나오는 빈틈을 이용하는 구조로 되어있어 두루마리 구조가 아니므로 알루미늄 전해 커패시터 보다 특성이 우수하다 탄탈륨 커패시터는 극성이 있으며, 통상, 커패시터 자체에 +의 기호로 전극을 표시하고 있으므로 절대로 극성을 잘못 접속해서는 안 된다. 또한, 탄탈륨 커패시터는 온도에의한 용량 변화가 엄격한 회로 어느 정도 주파수가 높은 회로 등에 사용한다. 칩 탄탈륨 커패시터도 있다.

세라믹 커패시터

유전율이 큰 세라믹 박막이나 티탄산 바륨 등의 유전체를 사용한 커패시터다. 크기와 용량이 작은 편이며 납작한 형태로 휴대폰과 같은 소형 기기에 많이 사용된다. 열에 강하고 고주파를 잘 흐르게 해 고주파 필터로서 전파 간섭 방지용으로 많이 활용되며, 주로 적층형 구조가 많아 MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor)라고 부르기도 한다.

'전자산업의 쌀'로 불리는 MLCC는 일반 세라믹 캐패시터와 다른 형태를 가진다. 이는 반도체에 전기를 균일하고 안정적으로 공급함으로써 기기를 보호하는 역할을 한다. 유전체와 내부 전극이 몇 백 겹씩 번갈아가며 쌓인 구조를 가지며, 층수로 커패시터의 사이즈를 조절해 최종 기기를 더욱 얇게 제작할 수 있다. 스마트폰에는 약 1000개의 MLCC가 들어가며, 차량에는 3000~1만 5000개까지 탑재된다. 개별 크기는 머리카락 굵기인 0.3mm 수준이다.

적층 세라믹 커패시터

적층 세라믹 커패시터는 전극간의 유전체로 고유전율계 세라믹을 다층 구조로 사용하고 있으며, 온도 특성,주파수 특성이 양호하고, 게다가 소형이라는 큰 특징이 있다. 디지털 회로에서 취급하는 구형파(펄스파) 신호는 비교적 높은 주파수 성분이 함유되어있다. 이 커패시터는 주파수 특성이 양호하고, 현재MURATA(JAPAN)의 칩 세라믹 커패시터가 널리 알려져 있다. 현재(99')MURATA에서는0402SIZE,0603SIZE,0805SIZE(EIA CODE)가 많은 국내 업체에서 사용하고 있으며 이보다 작은 0201SIZE도 생산하고 있다.

필름 커패시터

폴리프로필렌, 폴리 에틸렌, 폴리 스티렌 등의 플라스틱 필름 유전체를 사용하는 커패시터로 이 필름 양면에 금속박을 댄 후 원통형으로 감싼 형태를 띤다. 이 역시 크기가 작아 소형 기기에 사용하기 적합하나 유전체와 전극 모두 얇은 형태로 구성되기 때문에 절연이 잘 이뤄지지 않을 수 있으며, 정밀도 또한 높지 않은 편이다. 필름의 종류에 따라 주파수에 대한 성능 차이를 가진다.

슈퍼커패시터

이와 같은 대용량의 커패시터(용량은 0.47F(470,000uF)로 초대용량 커패시터)를 전원 회로등에 사용 할 때에는 각별한 주의가 필요하다. 그이유는 커패시터가 텅 비어 있을 때에는(전기가 축적되어 있지 않을 때에는) 전류가 계속 유입하므로 정류기 등이 과전류로 인해 파괴되는 경우가 있기 때문이다. 통상적인 전원회로의 평활 커패시터는 1,000uF 정도이므로, 커패시터는 순간적으로 충전되지만, 이러한 커패시터를 사용하면 충전이 완료되기까지 회로가 쇼트 되어 있는 것과 같으므로 보호회로를 설치하지 않으면 위험하다. 용량이 크기 때문에 단시간의 백업(배터리 정도의 장시간은 아니지만)등에 사용 할 수 있을 것이다. 최대 용량인데 비해 비교적 형태가 작으며,직경이 21mm, 높이 11mm이다. 극에 극성이 있으므로 주의 할 필요가 있다.

마일러 커패시터

얇은 폴리에스테르(polyester) 필름을 양측에서 금속으로 삽입하여, 원통형으로 감은 것이다.낮은 가격으로, 사용하기는 쉽지만 높은 정밀도를 기대할 수는 없다. 오차는 대략 ±5%에서 ±20% 정도이다.

폴리프로필렌 커패시터

마일러 커패시터보다 높은 정밀도가 요구되는 경우에 사용한다. 유전체 재료는 폴리프로필렌(polypropylene) 필름을 사용하며,100kHz이하의 주파수에서 사용하면 거의 용량의 변화가 없다.

가변용량 커패시터

용량을 변화 시킬 수 있는 커패시터이며, 주로 주파수 조정등에 사용한다. 부착할 때의 주의 사항으로, 전극 극성은 없지만 용량을 조절하는 나사 부분이 어느 한 쪽의 리드선에 연결 되어 있기 때문에 리드선의 한 쪽이 어스에 접속되는 경우에는 조절나사가 연결되어 있는 리드선을 어스측으로 한다. 그렇게 하지 않으면 조절할 때의 드라이버의 용량이 영향을 주므로 잘 조절 되지 않는다.(드라이버는 규격품을 사용해야함) 현재 MURATA(Japan)에서는 2Ø,3Ø,4Ø,6Ø 가변 커패시터가 생산되고 있다.

커패시터 종류

 

참고자료

• 선연수 기자, 〈전기를 저장하는 혁신의 열쇠, 커패시터〉, 《테크월드뉴스》, 2019-08-13
• 〈캐패시터〉, 《세운전자플라자》

같이 보기

• 슈퍼커패시터
• 축전기
• 배터리

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