제 3장 콘덴서 (C)가 만들어지기 까지(1절~4절)

 이 장에서는, 콘덴서란 무엇인가, 콘덴서 C(Condenser)에는 어떤 종류가 있는가, 콘덴서는 어떻게 해서 만들어지는가에 대해서, 휴대전화 및 컴퓨터 등으로 특히 주목 받고 있는 칩 세라믹 콘덴서를 중심으로 알아 보도록 하겠습니다.

 

1)    콘덴서의 기초: 콘덴서는 언제, 어떤 목적으로 개발된 것입니까.

2)    콘덴서의 기본 특성: 콘덴서는 어떠한 전기적인 기본 특성을 가지고 있습니까.

3)    콘덴서의 역할: 콘덴서는 전자 회로 안에서 어떻게 사용되고 있습니까.

4)    콘덴서의 종류: 알루미늄 전해 콘덴서 및 칩 세라믹 콘덴서 등, 많은 종류가 있습니다.

5)    콘덴서의 기본 설계: 용도에 맞는 설계 대응에 대해 알아 보겠습니다.

6)    제조전의 준비: 칩 세라믹 콘덴서를 뒷받침하는 주변 기술에 대해 알아 보겠습니다.

7)    콘덴서의 제조: 칩 세라믹 콘덴서의 제조 공정에 대해서 알아 보겠습니다.

 

3-1 콘덴서의 기초

 

3-1-1 콘덴서란 무엇인가

 

 이 장에서는 ‘콘덴서는 어떻게 만들어지는가’ 에 대해서 알아 보도록 하겠습니다. 이를 이해하기 위해서는, 콘덴서의 특징에 대한 약간의 기초 지식이 필요합니다. (그림3.1)  컴퓨터 및 휴대전화 등의 발전의 원동력으로, LSI의 발전이 자주 거론되고 있으나, 콘덴서의 진화도 그러한 전자기기에 있어서 매우 중요한 것이었습니다. 그리고, 이러한 전자기기로 자주 사용되어 지는 것이, 첨단 칩 세라믹 콘덴서 입니다.

 

콘덴서의 기본 동작

 콘덴서의 기본적인 구조와 동작에 대해서 알아 보겠습니다.   구리(銅)로 만들어진 전선에 직류 전압을 인가하면, 매우 많은 양의 전류가 흐릅니다. 이 상태로는 아무리 전류가 흘러도, 전류를 멈추고 축적할 수 없습니다. 그래서 다음은 일정의 크기를 지닌 절연체를, 절연체와 같은 크기의 도체(上下)사이에 끼워 봅니다. 절연체는 플라스틱 및 유리처럼 전기가 통하지 않는 물체이며, 도체는 구리 및 알루미늄과 같이 전기가 통하는 물체입니다.

 

이 도체의 양단에 전지를 접속하고 전압을 인가해 보면, 처음에는 전류가 흐르지만, 이내 전류가 흐르지 않게 됩니다. 이 때, 흐른 전류만큼의 전하가 쌓이게 됩니다. 전압을 끊어도 전하가 남게 되는 것입니다. 그 후, 전지를 빼고 도체의 양단을 연결하면 전류가 반대 방향으로 흐르게 됩니다. 이 전기를 모을 수 있는 축전(蓄電) 기능을 하는 것이 콘덴서 입니다.(그림 3.2)

 

콘덴서의 동향

  콘덴서의 특징은, 축전에 의해 전하를 모을 수 있는 기능이 있다는 것입니다.

* 직류 전압: 콘덴서에 직류 전압을 인가하면, 기본적으로 직류 전류는 흐르지 않습니다. 사실은 인가 직후의 짧은 시간 동안은 전류가 흐르지만 그 후에는 흐르지 않습니다. 엄밀하게 말하면 leak 전류는 약간 흐릅니다. 콘덴서는 직류 전압을 저지한다는 특징이 있습니다.

* 교류 전압: 콘덴서에 교류 전압을 인가하면, 교류 전류가 인피던스 값에 따라 흐릅니다. 콘덴서에는 교류 전압을 통과시키는 특징이 있습니다. 이 때, 전류의 위상은 전압의 위상보다 90 ℃ 앞섭니다.

 

3-1-2 콘덴서의 기원은 라이덴 병

 콘덴서는 어떤 경로를 통하여 등장하게 되었는지 그 배경에 대해 알아보자.

 

의문에서 탄생한 콘덴서

전기를 축적하는 것은 가능한 것일까, 옛날 많은 과학자들은 이 문제에 대해 커다란 의문을 가졌습니다.

1737년, 덴마크의 J. 테사그래스는 유리와 놋쇠를 문지르면서 마찰에 의해 유리에 전기를 대전시켰습니다. 이 때 놋쇠에도 전기가 남아, 이 전기가 달아나지 않는다는 것을 처음으로 발견하였습니다. 놋쇠는 도체이지만 전기는 유리라는 절연체로 분리되어, 절연체를 사이에 두고 전기가 축적된다는 사실을 알게 된 것입니다.

 

축전(蓄電)에 대한 도전

 보다 능률적으로 전기를 축적할 수 없을까요. 그 문제에 대해서 많은 과학자가 도전을 거듭해 왔습니다.

 1745년, 독일의 E.그라이스트는 ‘ 도체가 대전상태를 잃게 되는 것은, 전기가 공기에 흡수되기 때문이다’라고 생각하였습니다. 그래서 그는 J. 테사그래스의 절연체에 주목하고, 이를 사용하여 보다 안정된 대전 상태를 유지하려고 하였습니다. 그러던 중, 그는 유리병 안에 물과 쇠사슬을 넣어, 쇠사슬의 일부분은 금속봉(도체) 사이에 두고 유리병의 밖으로 꺼내고, 유리병의 목 부분에는 들기 쉽도록 쇳조각으로 된 손잡이와 Sn 박편을 부착하여 실험 도구를 만들었습니다. 그리고, 금속봉에 점화코일(Ignition coil)로부터의 불꽃 방전을 접촉시켜 보았습니다. 잠시 후에 한 손으로 쇳조각의 손잡이를 잡고, 다른 한 손으로 금속봉을 스쳤더니, 매우 큰 충격이 그의 몸으로 전달되었습니다. 

 

전기가 철편의 손잡이와 유리라는 절연체를 끼고 물이라는 도체 사이에 쌓여 있었던 것입니다. 철편의 손잡이는 금새 Sn박으로 바뀌었습니다.  이 실험과는 별 관계 없지만, 1746년, 네덜란드의 P.뮤센브로크는 물에 전기를 흡수시켜, 이것을 절연체로 싸려는 비슷한 실험 도구를 생각해 냈습니다. 그는 라이덴 대학의 교수이기도 했기 때문에, 이 실험도구는 라이덴 병이라고 불리어지게 되었습니다. A.보르타는, 전기는 농축(Condense)할 수 있는 것이라고 생각하여, 이 구조를 콘덴서(Condenser)라 부르게 되었습니다. 이것은 1786년의 일입니다. (그림 3.3)

 

3-1-3 콘덴서의 역사

 콘덴서의 발전 중, 유전체의 발견은 커다란 성과였습니다.

 

유전체의 발견

 1773년, 영국의 H. 캬벤딧슈는 콘덴서에 축적되는 전기량이 면적에 비례하고 두께에 반비례하는 것, 공기 보다 큰 유전율을 가지는 물질이 있다는 것을 발견하였습니다.  1930년부터, 전기의 농축보다는 전기를 축적하는 (Capacity) 현상이 축전현상을 이해하기 쉽다는 생각에서 콘덴서는 Capacitor 라고 불리게 되었습니다. 현재, 구미를 중심으로 Capacitor는 소용량용으로, 콘덴서는 전력용으로 불리는 경우가 많은 듯 합니다. 1833년에는 영국의 M.패러데이가 ‘패러데이의 법칙’을 발표하고, 전압을 1V 높이기 위해 필요로 하는 전기량 Q 가 1클론(Coulomb) 이 되는 도체의 전기용량C를 1패럿(F: Farad)이라고 불렀습니다. 이것은 1881년 국제 전기표준 회의에서 채택되었습니다.

 

끊임없이 개발되어 온 콘덴서

 1890년에는 규산 마그네슘 분말을 소결한 세라믹 유전체에 의한 세라믹 콘덴서. 1891년에는 페이퍼 콘덴서. 그리고 1855년에는 영국의 C.호이트 스톤이 전해 콘덴서의 기본원리를 발견하였습니다. 1894년에는 전해질을 사이에 두고 금속 표면에 유전체 산화물을 형성한 대향평판(對向平板) 전극에 의한 전해 콘덴서. 1908년에는 GE(General Electric)사가 감은 양극을 원통 케이스에 넣은 전해 콘덴서. 1956년에는 D. 마크린이 Ta(탄탈) 고체 전해 콘덴서를 발견. 1894년에는 종이에 기름을 함침시키는 오일. 콘덴서. 1956년에는 바이엘사가 폴리카보네이트, 필름 콘덴서를 개발 하였습니다.  1942년에는 미국의 E. 웨이너와 A. 사로몬이, 1944년에는 일본의 小川建男와 和久茂가, 거의 같은 시기에 강유전성의 티탄산 바륨을 발견하였습니다.

 

 초창기에, 콘덴서는 래그판에 직접 납땜하거나, 프린트 배선 기판의 through hole에 접속하기 때문에 리드 부착이었으나, 1970년쯤부터 표면 실장 기술의 등장에 의해 형상이 크게 바뀌어, 칩 형으로 변화하였습니다. 칩 세라믹 콘덴서가 휴대 라디오로 채용된 것은 1975년부터 입니다. (그림 3.4)

 

3-2 콘덴서의 기본 특성

 

3-2-1 콘덴서의 이미지

 콘덴서란, 어떤 것일까요.

 

콘덴서의 구조란

콘덴서 C의 기본형은 2장의 도체인 금속판으로 절연층(절연체)를 낀 구조입니다. (그림 3.5)

* 용량: 콘덴서C의 용량은 전극의 면적 S에 비례하며, 전극간의 거리 d에 반비례하 며, 절열체인 유전체의 유전율에 비례합니다.

* 유전율: 유전율이란 절연체 고유의 특성으로, 분극하기 쉬운 정도를 나타내었습니다.이 유전체의 내부는 중성입니다. 금속판 양단에 직류 전압을 인가하면 전계(電界)가 생기며, 이것이 유전체에 작용하여, 똑같이 분포되어 있던 물체 내의 분자(원자)가 + 와 – 로 치우친 부분으로 나뉘는 전자 분극을 형성합니다. 즉, 각각의 전극에 대해서 반대의 전하가 유전체 내부에 유기됩니다. 이 때 도체와 달리 유기된 전하가 전극의 전하와 중화되는 일은 없습니다. 이 유기 작용의 크기가 유전율 입니다. 이 전자 분극에는 분자 이온이 전계에 의해 위치 틀어짐을 일으키는 원자 분극과, 각각의 방향에 무작위로 향하고 있던 분자가 전계에 의해 방향을 맞추는 쌍극자 분극이 있습니다. 이에 의해, 반대의 전하가 전극에 축적되게 됩니다. 절연층 고유의 유전율은 비(比)유전율 εr 로 나타내며, 진공의 비유전율은 ε0 로 나타내었습니다.

* 대용량 대응: 대용량의 콘덴서를 만들기 위해서는, 비유전율 εr이 큰 재료(고유전율)를 선택하고, 면적 S를 크게 하고 간격 d를 작게 합니다. 교류동작에서는 분극이 전압변화에 따라가지 못하여, 유전체 손실이 발생합니다. 콘덴서의 범위는

약 0.1pF(0.1×10^-12 F)에서 3kF(3×10^3F) 정도 입니다. (칩 타입은 0.1PF에서 100uF)

 

콘덴서의 에너지

 

 콘덴서 용량이 C로, 단자 전압이 V의 상태라고 합시다.  이 상태일 때, 전하 dq가 외부에서 가해지면, 단자 전압 dv는 올라 갑니다. 이 때, 유전체에 에너지 dW가 축적됩니다.  이 결과, 에너지 W는 다음과 같습니다. (Vm : 최대전압)

 

 90도마다 전원과 콘덴서로 에너지를 주고 받기 때문에, 이상적인 콘덴서에서는 에너지의 손실이 없습니다.

3-2-2 콘덴서의 전기 특성(1)

 콘덴서가 가진 전기적인 특성에 대해서 살펴 보도록 합시다.

 

콘덴서 내부에서의 전자의 움직임

 

콘덴서의 양단에서 전극을 만들어 전압을 인가했을 때, 특유의 전기특성이 나타납니다.

* 전압을 인가한 순간: 콘덴서의 양단에 전류전압을 인가해도, 내부에 절연체가 있기 때문에 전류는 흐르지 않는다고 생각하기 쉽지만, 스위치를 ON으로 한 순간에 많은 전류가 흐르게 됩니다. 콘덴서에 저항을 삽입하고 직류전압을 인가했을 때, 전압을 인가한 순간의 콘덴서 단자 전압은 0V가 되며, 전류는 무한대로 흐르지만, 단시간에 흐르지 않게 됩니다. 그러나 현실적으로는 내부 저항 성분이 있어, 시간이 경과함에 따라 전압이 증가하며, 전류는 감소합니다. 단자 전압이 인가전압과 같아지면, 전류는 전혀 흐르지 않습니다. 이것이 충전상태로, 이 상태는 직류전원을 끊어도 유지됩니다. (그림 3.6). 현실적으로는 leak 전류에서 전압은 내려갑니다.

 

콘덴서의 동작 해석

 

 콘덴서는 어떻게 이런 동작을 할까요.

 

* 직류 전압의 경우: 콘덴서에 직류전압 V를 인가합니다. 이 때, 양쪽의 도체판 사이에 –전하(전자)와 +전하(이온)가 마주 보고 축적됩니다. 이 축적된 전하의 크기는 Q로, 단위는 쿨롱입니다. 전하Q 는 도체간의 전압 V에 비례하고, 이 비례계수가 콘덴서의 정전용량 C로, 단위는 F(패럿)로 나타내었습니다. +도체에 +쿨롱이 쌓입니다.

* 교류 전압의 경우 : 콘덴서의 양쪽에 교류 전압v (t) =Vm sin ωt 를 인가하면, 교류 전류가 흐릅니다. 콘덴서의 내부에 절연체가 있음에도 불구하고, 전류가 흐르는 것입니다. 전하Q(t) = Cv(t)를 전하의 보존 측, 전류 i는 i(t) = Cdv/dt 라 하면,

ω : 각(角)주파수, f : 주파수, ω = 2πf 입니다. ωt와 π / 2는 각도(위상)를 나타내었습니다.   여기에서, 콘덴서에 흐르는 전류 ωt + π / 2 의 위상은 인가 교류전압 ωt의 위상보다 π / 2 즉 90도 앞섭니다. 거꾸로 표현하면 콘덴서에 인가되는 전압의 위상은 전류 위상보다 90도 늦어지게 (I = j ω CV) 이 됩니다. 1/ ωC는 Ω 의 단위의 값을 가집니다. j = √-1 을 곱하는 것은 위상을 90도 앞서는 등가입니다. 실제로는 δ 만큼 틀어집니다. 이 차이는 tanδ (114항 참조)로 나타내었습니다.

 

3-2-3 콘덴서의 전기 특성(2)

콘덴서에 교류 전압을 인가했을 때, 어떠한 움직임이 있을까요 (그림3.7)

 

인피던스란 무엇인가

 

 인피던스란, 교류에 대한 저항값이라 생각할 수 있습니다.  인피던스(복소(複素) 인피던스) Z는 저항 성분 r = cos ωt, 리액턴스 성분 x = sin ωt 로 나타내었습니다. 결국, 인피던스 Z은

 

Z = r + jx = cos ωt + sin ωt

 

오움의 법칙과 같이, 복소전류 i와 복소전압 v의 사이에는 i = 1/Z ・v의 관계가 있습니다. 인피던스는 복소 전압을 복소 전류로 나누어 구합니다.

 

        x < 0 일 때는 용량성 리액턴스,

        x > 0 일 때는 유동성 리액턴스

        용량성 리액턴스는 콘덴서이고,

        유동성 리액턴스는 인덕터입니다.

 

콘덴서의 인피던스 Z는

 

Z = 1/ (jωC) (Ω)

 

 

콘덴서에 교류전류가 흐르는 이유

 

콘덴서의 내부에는 절연체가 있습니다. 이 때문에, 흔히들 교류 전압을 인가해도 전류는 흐르지 않을 것이라 생각합니다. 그러나, 콘덴서는 축전 현상이 있기 때문에, 전극에 + 전압을 인가하면, 충전할 때까지 짧은 시간에 전류가 흘러, 이 전류에 의한 전하가 축적됩니다. 꽉 차게 되면 전류는 멈춥니다. 여기에서 극성을 바꾸어 – 전압을 인가합니다. 충전하고 있던 전하는 전극을 통해 역방향으로 흐르기 시작합니다. 물론 전하가 없어지면 전류는 멈춥니다. 이 형태를 반복하는 것이 교류 전압입니다. 즉, 교류전압에 대해서 콘덴서는 교류 전류를 흐르게 합니다.

 

이것은 전자기학(電磁氣學)의 전자 방정식에서 변위전류와 같습니다. 전자 이론에 의하면 진공중에 자계(磁界)변화가 변위전류 변화를 일으키고, 이 변위전류 변화가 자계변화를 일으키면서 전자파가 전파되는 것과 같습니다.

 

 

3-3 콘덴서의 역할

 

 콘덴서는 라디오, 텔레비전, 컴퓨터, 휴대전화 등의 각종 회로에서 사용 되고 있습니다. (그림 3.8)

 

 

고주파 회로에서의 콘덴서의 용도

 고주파 회로에서 콘덴서는 매우 중요한 역할을 합니다.

 

* 인피던스 매칭: 전자회로에서는 정보를 전송하기 위해서 전력이 사용됩니다. 이   때, 전력을 능률적으로 전송하기 위해서는, 송신 (보내는 쪽)과 수신 (받는 쪽)의 인피던스를 매칭시킬 필요가 있습니다. 반사파를 없애기 위해서 송신 측과 수신 측의 인피던스 저항 성분을 같게 하고, 리액턴스 성분을 0으로 할 필요가 있습니다. 고주파 회로에서는 직류 성분을 방지하고, 저항기 대신에 콘덴서가 사용됩니다. 정밀도가 높은 콘덴서와 인덕터로 Q를 높게 합니다.

 

* 아날로그 증폭 회로 주변: 고주파 증폭 회로에서는, 능동소자를 동작시키는 주변기기로 콘덴서가 사용되고 있습니다. 이것은 바이어스 직류 전압과 신호를 분리하는 커플링 및 전원 변동의 영향이 다른 회로에 전해지지 않도록 하는 디커플링용입니다.

 

*디지털 주변 회로:  컴퓨터 등에 내장된 DRAM 및 MPU 등으로, 콘덴서는 동작을 동반한 급격한 전류 변화의 스파이크 변동을 억제하기 위해 사용됩니다.

 

* 필터:  폭넓은 주파수 성분을 포함한 신호부터, 높은 주파수를 제외한 LPF(Low Pass Filter) 및 높은 주파수만 통과시키는 HPF(High Pass Filter) 및 SCF 등에 콘덴서는 사용됩니다.

 

* EMI용의 Capacitor: 전자회로에서는 EMI 대책이 매우 중요하며, 콘덴서는 여러 곳에 사용되고 있습니다.

 

전원회로에서의 콘덴서의 용도

 

 전원회로에서의 콘덴서의 응용은 매우 다양하다.

* 바이패스용: 이것은 전원에서의 고주파 인피던스를 낮추기 위함이다.

* 정류(整流)회로용: 여기에서의 기본 동작은 상용주파수의 반(反) 사이클로 콘덴서에 전력을 축적하고, 다음의 反 사이클로 대용량 콘덴서에 보다 많은 전력을 방출하는 곳에 사용합니다.

* DC-DC 컨버터:  여기에서는 직류전압을 임의의 직류전압으로 변환하거나 하는  Charge Pump 및 Switched Capacitor에 콘덴서가 사용됩니다.

 

3-4 콘덴서의 종류

 

전자회로에 사용하는 콘덴서의 종류는 매우 많지만, 크게 나누면 고정 타입의 콘덴서와 전해 타입의 콘덴서로 나눌 수 있습니다. (그림 3.9) 콘덴서의 구조로는, 리드 구조(THT)와 칩 구조(SMT)가 있습니다. 최근의 경향으로는, 칩 구조가 주로 사용되고 있습니다.

 

 

전해 타입

 

전해 타입의 전해 콘덴서에는, 크게 나누어 알루미늄계의 알루미늄 전해 콘덴서, 탄탈계의 탄탈 콘덴서, 그 외의 산화 니오브 콘덴서, 유기 반도체 콘덴서, 전기 이중층 콘덴서 등이 있습니다. 이것들은 모두 습식 및 고체 등으로 분류할 수 있습니다. 

또한 알루미늄계 콘덴서의 경우는 4가지로 나눌 수 있습니다. 한가지는 얇은 2장의 고순도 알루미늄박 사이에 절연체를 끼고 감은 구조입니다. 또 한가지가, 케미컬 콘덴서 (케미콘) 이라는 방법입니다. 

이 콘덴서는 알루미늄 Al박을 얇게 펴서 양극으로 하고, 그것을 유전체인 산화 Al2O3로 하여 절연체화 하고, 이것을 감아 만듭니다. 음극은 전해액으로, 극성이 있습니다.  이 외에, 습식 알루미늄 전해 콘덴서 및 고체 알루미늄 전해 콘덴서가 있습니다.

 

고정 타입

 

유전체 타입의 콘덴서는 크게 나누면 세라믹 콘덴서와 플라스틱 콘덴서 2종류로 나눌 수 있습니다.  여기서는 세라믹 콘덴서를 살펴보도록 하겠습니다. 이것은 절연체(유전체)로 세라믹을 사용한 것입니다. 세라믹의 특징은 유전 손실이 작고, 고주파 특성이 뛰어나다는 점입니다. 양극과 음극의 전해 재료는 은Ag, 구리Cu 및 팔라듐 Pd 등의 페이스트를 소성하여 사용합니다. 세라믹에는 재료에 따라서 온도 보상에 사용하는 산화 티탄계의 저유전율계 및 대용량화에 적합한 티탄산 바륨계의 고유전율계 등이 있습니다.