제1장 적층세라믹 콘덴서의 종류와 규격

1. 콘덴서의 종류와 특징

 

콘덴서의 종류는 크게 나누어 固定 콘덴서와 可變 콘덴서가 있으며, 또한 誘電体와 電極의 종류에 따라 알루미늄 電解 콘덴서, 탄탈 電解 콘덴서, 磁器 (세라믹) 콘덴서, 필름 콘덴서 등으로 분류된다. JISC5101에 따른 콘덴서의 종류를 표1에 나타내었다. 또 素子의 構成방식의 차이에 따라 분류하는 경우에는 권회형 (卷回形), 積層形, 電解形으로 나눌 수 있다. 이와 같은 분류에 따른 콘덴서의 분류는 표 2에 나타내었다.

세라믹 콘덴서의 특징은 고주파 특성이 좋고 열에 강하며, 각종 온도 특성을 비교적 쉽게 구현할 수 있다는 점이다. 또 無極性인 것도 基板 裝着에는 유리하다. 알루미늄 전해 콘덴서는 저가격, 고용량이 특징이며, 결점으로서는 高周波帶域에서의 임피던스가 높고 형상이 크다는 문제가 있다. 최근 종래의 전해액에 대체하여 機能性 高分子를 이용하는 "기능성 고분자 알루미늄 전해콘덴서"와 TCNQ塩을 이용하는 "有機 半導體 콘덴서"가 개발되고 있다. 이들은 종래의 알루미늄전해콘덴서의 문제점이었던 ESR의 低減과 高溫 負荷壽命의 장수명화를 달성하고 있다

 

탄탈 전해 콘덴서는 정격전압이 낮고, 내전압이 낮다는 결점을 갖고 있다. 그러나 소형으로 고용량을 얻을 수 있다는 점과 상온에서 정격전압의 60~70%에서 사용하면 수명이 반영구적인 점이 중요한 특징이다. 필름콘덴서는 온도의존성이 낮은 것이 최대의 무기이다. 이들 콘덴서의 특징을 표 3에 정리하였다.

2.콘덴서의 종류와 규격

 

2.1 세라믹콘덴서의 규격

 

일본에 해당하는 우선규격은 JIS규격이다. 기술의 진보와 함께 요구가 다양화한 것을 국제규격인 IEC에 맞추어 개정한 것이 현재의 JIS이다. 세계 각국에서는 여러 규격을 가지며 다소 차이가 있다. 미국에서는 일반적으로 IEC규격을 이용하고, 군관계에서는 MIL규격이듯이 용도에 따라 요구수준이 달라진다. 각국의 여러 가지 규격은 잠재적인 비관세 장벽이라는 점에서 볼 때 WTO(세계무역기관)/TBT협정(무역의 기술생애에 관한 협정)에서는 각국의 규격을 국제규격으로 일치시키는 것에 합의하고 있는 점에서 「규격의 세계통일」의 움직임이 있다. 콘덴서 규격도 예외가 아니다. JIS에 해당하는 세라믹 콘덴서 규격을 표 4에 나타내었다. 이 세 가지 규격의 시험방법 및 측정방법 등은 품목별 규격인 JIS-C5101-10을 인용하고 있으므로 세라믹 콘덴서에 관계하는 규격은 전부 네 가지 규격이 되는 것이다.

최근의 적층세라믹콘덴서의 고용량화, 저정격 전압화, 혹은 고내압화등의 needs의 확대와 함께 상기 JIS-C5101-10만으로는 커버하지 못하는 제품이 나왔다. 예를 들면 고용량품에 해당하는 10V미만의 정격 전압품과 200V이상의 정격 전압품이다. 이것들에 대해서는 EIAJ (일본전자기계 공업계 규격)의 원안작성 심의 위원회에서 초안 작성 중이다.

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일본 전자기계 공업회로부터 제정되고 있는 EIAJ규격에 따른 분류를 표 5에 나타내었다. 분류기호는 형상, 외형 크기, 특성 등에 따라 세분화되어 있다. 역시 EIAJ규격의 기원이 되고 있는 것이 미국의 EIA 규격이다.

2.2 세라믹 콘덴서의 온도특성

 

JIS에서는 세라믹 콘덴서의 경우에 표4와 같이 종류1(Class I:온도 보상용 세라믹 콘덴서)와 종류2 (Class II:고유전율형 세라믹 콘덴서)로 나누어 규격화되어 있다. 세라믹 콘덴서를 형상으로 분류하면 디스크(disc)형과 칩형으로 구분된다. 세라믹콘덴서의 칩화율은 80%를 넘고 있다.

세라믹 콘덴서의 특징 중 하나로 소망의 온도특성을 갖도록 하는 것이 가능하다는 점이 있다. 이 때문에 온도특성이 미세하게 규정되어 있다. EIA에 따른 정전용량의 온도특성을 나타내는 분류CODE를 표 6, 7에 표시하였다. 이 표에 따르면 X8R특성이라는 것은 -55℃부터 150℃의 범위에서 ±15% 이내의 정전용량의 온도변화를 나타내고 있는 것이다.

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3. 유전체재료의 종류와 특성

 

3.1 고유전율재료

 

고유전율형의 세라믹재료는 강유전체의 바륨티타네이트(BaTiO3)를 주원료로 하는 것과 Pb계 복합 페로브스카이트(complex perovskite)재료를 주성분으로 하는 것으로 대별된다. 유전율이 높은 것이 특징이나, 온도 의존성, 전압 의존성도 크다.

 

3.1.1 BaTiO3계 재료

 

BaTiO3는 그림1에 나타냈듯이 페로브스카이트형 결정구조를 하고 있으며, 그림 2와 같이 온도에 따라 비유전율과 결정구조가 변화한다. 이 계의 온도특성의 조절은 shifter라고 하는, 큐리점(강유전체와 상유전체의 상전이 온도)을 이동시키는 첨가제와 depressor로 불리는, 유전율의 온도의존성을 작게 하는 첨가제를 이용하여 이룬다. shifter로서는 BaZrO3 ,CaZrO3, SrTiO3, BaSnO3, CaSnO3, PbTiO3등이, 또 depressor로서는 MgO, MgTiO3, NiSnO3, MgZrO3, CaTiO3, Bi2(SnO3)3등이 이용되고 있다.

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3.1.2 Pb계 복합페로브스카이트재료

 

페로브스카이트 결정구조의 A-site에 Pb, B-site에 Ti대신 Mg, Nb, W, Fe...등으로 치환시킨 Pb계 복합 페로브스카이트라고 하는 일군의 화합물이 있다. 이들 화합물 중에 1950년대에 소련에서 Smolenskii등이 연구한 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3가 대표적인 것이다. 이 계의 재료는 완화형의 강유전성 분산을 갖으므로 relaxor로 불린다.

Pb계 복합 페로브스카이트는 고유전율이면서 그 자체가 저온 소성이 가능하므로 여러 종류가 개발되어 있다. 표 8에 Pb계 복합 페로브스카이트 화합물의 강유전성, 반강유전성의 구별과 큐리점, 큐리점에서의 유전율을 나타내었다. 900~1,000℃에서 소성이 이루어지며, 20,000을 초과하는 유전율이 얻어지고 있다. 이들의 조합에 따라 고유전율의, 저온 소성이 가능한 유전체가 얻어진다. 비유전율의 전압 의존성이 작고, 내전압이 BaTiO3 계에 비교하여 높고, 유전손실이 작은 등의 특징이 있으며, 중고압 콘덴서와 교류콘덴서에 사용된다. 그러나 최근의 환경문제가 커짐에 따라 Pb의 독성이 문제시되어 멀리하는 경향이 있다.

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3.2 온도보상용 재료

 

넓은 온도범위에 걸쳐 온도변화가 작은 유전체가 온도보상용이다. 온도보상용 세라믹스는 상유전체를 주원료로 하고 있다. 상유전체 중에 가장 유전율이 높은 TiO2를 주원료로 한 것이 많다. 비유전율은 수백 이하로 작지만 전압 의존성, 경시변화가 없는 우수한 특성을 나타낸다. 온도계수가 일반적으로 (-)의 재료가 많으며, 그 조성 비에 따라 표 9와 같은 각각의 온도계수와 유전율을 나타내는 것을 만들 수 있다. 그러나 비유전율이 높을수록 온도계수도 커지는(나빠지는) 경향이 있다. Q값이 높고 위성통신과 같은 GHz대에서의 사용도 가능하므로 고주파용으로서의 용도가 많다. 또 교류콘덴서와 유전체 공진기 등에도 이용된다.

 

 

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문헌

 

1) 岡崎淸 セラミック誘電体工學,學獻社

2) ニュ―ケラス③ [積層セラミックコンデンサ],學獻社 (1988)

3) 注目の誘電体セラミック材料(增補改訂版),(株)ティ―アイシ―

4) 2000年版 コンデンサ市場,産業情報調査會

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적층세라믹콘덴서의 개발과 제료기술 및 고신뢰성화, 기술정보협회, 2000