소자 구조 및 구별되는 특성
산화 니오븀 커패시터는 탄탈럼-이산화 망간(Ta/MnO2) 소자의 구조와 유사하며, 애노드 소재로 탄탈럼 금속 대신 소결된 산화 니오븀(NbO)을 사용합니다. Ta/MnO2 커패시터의 대체제로 주로 AVX에서 제조하며, 고장 시 확 타버리는 심각한 성향이 없을 뿐만 아니라 원료의 물류 공급망이 개선될 가능성이 있는 산화 니오븀 커패시터는 다양한 응용 분야에서 탄탈럼 폴리머 소자와 경쟁 관계에 있습니다.
산화 니오븀 커패시터의 구조는 Ta/MnO2 소자의 구조와 유사합니다. 일반적인 Ta/MnO2 소자와 유사한 방식으로, 애노드 소재는 고다공성의 스폰지와 같은 대량의 (일)산화 니오븀(NbO) 위에 (오)산화 니오븀(Nb2O5) 절연층이 형성되고 그 주변으로 이산화 망간으로 된 상대 전극(counter electrode)이 덧붙여 구성됩니다. (NbO 산화물이 아닌) 니오븀 금속에 기반한 커패시터와 폴리머 전해 기술도 개발되었지만, 게시글 작성 시점에 대량으로 생산되고 있지는 않습니다.
왜 니오븀인가?
밀레니엄 전환기를 전후한 높은 수요 속 탄탈럼 공급의 부족으로 한 동안 탄탈럼 커패시터는 구하기 힘들고 비싼 품목이 되었고, 니오븀 기반 소자의 개발에 동기를 부여하는 생산 문제를 초래하였습니다. 전자 부품 산업에 주로 사용되는 탄탈럼에 비해, 니오븀은 자연에서 약 20개 더 풍부한 것으로 추정되며, 또한 전자 산업용으로 필요하다고 생각되는 것보다 훨씬 더 많은 양이 강철 생산 시 합금 원소로 널리 사용되고 있습니다. 사용 가능한 양이 더 많고 전자 산업이 니오븀의 주요 구매자가 아니기 때문에, 원재료에 대한 장기적인 공급 전망으로는 탄탈럼보다 니오븀을 선호하는 것으로 생각되고 있습니다.
응용 분야의 장단점
산화 니오븀/이산화 망간 커패시터는 탄탈럼류에 비해 치명적인 고장이 발생해도 일반적으로 점화되지 않는 상당한 장점을 가지고 있습니다. 이는 산화 니오븀을 점화시키기 위해 필요한 에너지의 양이 탄탈럼에 비해 훨씬 크고, 두 번째로는 결함 부위에 노출된 산화 니오븀 애노드 소재가 전도성이 더 약한 상태로 더욱 산화되는 자기 회복 효과 때문이기도 합니다. 두 가지 효과로, 치명적 고장이 발생한 산화 니오븀 커패시터의 동작은 고임피던스 단락 회로로 일컬어지며, 결과로 인한 고장 전류가 정격 전압에서 소자를 점화시킬 정도의 에너지를 전달하지 못하도록 충분히 높은 값인 Kohm에 달합니다.
Ta/MnO2 소자에 비해, NbO/MnO2 커패시터는 전압 정격이 10V 이하로 제한되고, 누설 전류가 탄탈럼 소자의 약 두 배이며, 체적당 정전 용량이 약간 낮으며, 85°C 이상에서 고온 경감이 있어 성능 면에서 다소 뒤떨어져 있습니다. 반면, “불타오르지 않는” 것은 매우 좋은 특징이며, 원재료 가용성의 향상은 낮은 가격을 가능케 합니다. 커패시터의 불꽃 문제에 대해 탄탈럼 폴리머 접근법이 더 큰 인기를 얻고 있는 것으로 보이지만, 특히 고습도 응용 분야에서 산화 니오븀 기술이 장기 수명 및 환경 내구성 측면에서는 이점을 유지하는 것으로 알려져 있습니다. 다른 이유가 없더라도, 서로 다른 진영을 대표하는 영업 및 마케팅 담당자들과 이 주제를 꺼내기만 하면 다른 시각과 의견을 확실히 이끌어 낼 수 있는 흥미로운 기술입니다.
응용 고려 사항
산화 니오븀 커패시터의 내점화 특성은 탄탈럼 기반의 대응품에 비해 NbO 기반의 소자를 보다 적극적으로 적용할 수 있도록 해줍니다. Ta/MnO2 커패시터로 설계할 때의 일반적인 원칙이 전압을 50%(직렬 저항이 매우 낮다면 그 이상) 디레이팅하는 것인 반면, NbO 기반 소자의 선도 제조업체인 AVX에서는 안전한 동작을 위해 전압을 20%만 디레이팅해도 충분하다고 제안하였습니다. 그러나 이러한 수준 이상의 추가적인 디레이팅은 두 소자 유형 모두의 장기적인 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이 밖에도, 소자 내부 구조와 고체 MnO2 전해질의 열기계적 특성은 유지되므로, 산화 니오븀 커패시터의 사용자는 조립 공정으로 인한 고장 가능성을 염두에 두는 것이 좋습니다.
영문 원본: Niobium Oxide Capacitors