알루미늄 커패시터
알루미늄 커패시터는 “전해” 커패시터의 범주에 속하는 소자 제품군입니다. 따라서 상대적으로 낮은 비용으로 작은 패키지에서 높은 정전 용량 값을 제공합니다. 이런 바람직한 품질과는 대조적으로, 전기적 특성과 수명은 상대적으로 암울한 경향이 있습니다. 비록 신호 관련 응용 분야에서는 가장 원시적인 경우를 제외하고는 부적합하지만, 알루미늄 커패시터는 DC 전원 관련 기능에는 필수적입니다. 표준 알루미늄 전해 커패시터, 바이폴라 알루미늄 전해 커패시터, 그리고 전도성 폴리머 전극을 포함하는 새로운 유형의 세 가지 구별되는 유형이 있습니다. 제품군을 "알루미늄 전해 커패시터"가 아닌 "알루미늄 커패시터"라고 부르는 것은 종래의 액체 전해질을 포함하지 않는 전도성 폴리머 전극 유형에 경의를 표하는 것입니다.
소자 구조
표준 알루미늄 전해 커패시터는 두 장의 고순도 알루미늄 포일로 구성되며, 이 사이에 전해질 용액으로 흠뻑 젖은 종이와 같은 간격을 메우는 소재가 끼워져 분리되어 있습니다. 이 포일 시트는 매끈한 상태의 포일일 때보다 유효 표면적이 수백 배 더 증가될 수 있도록 미세한 수준으로 에칭됩니다.
(표준 알루미늄 전해 커패시터에서) 포일 시트 중 하나에 커패시터의 유전체 역할을 하는 산화 알루미늄 층이 형성되며, 이는 산소를 포함하고 있는 전해질 용액을 통해 포일에 전압을 인가함으로써 형성됩니다. 그렇게 하면 전해질의 산소가 알루미늄 포일의 표면에 들러붙게 만들어 산화층을 형성하며, 그 두께는 형성 과정 동안 인가되는 전압에 비례하고 제조하려는 커패시터의 의도하는 동작 전압에 따라 결정됩니다. 일반적으로, 이 산화층의 두께는 대략 1 마이크로미터 또는 0.00004 인치입니다.
미가공된, 산화되지 않은 금속이 알루미늄 전해 커패시터의 전극 중 하나를 형성합니다. 다른 하나의 전극은 두 번째 포일 시트가 아닌 전해질 용액입니다. 표준 알루미늄 전해 커패시터에서, 두 번째 포일 시트에는 의도적으로 형성된 산화층이 없으며 단순히 액체를 회로 기판에 납땜하는 것은 다소 어렵기 때문에 전해질과의 전기적 접촉을 만들기 위해 사용됩니다. 바이폴라 커패시터에서 산화층은 두 알루미늄 시트 모두에 형성되며, 그 결과 사실상 두 개의 커패시터가 역직렬로 연결된 소자가 됩니다.
(전도성 폴리머 소재가 사용된 알루미늄 폴리머 커패시터의 경우를 제외하고) 전해질은 유체이기 때문에 에칭되고 산화된 포일 시트의 미세 구조에 맞아 들어갈 수 있어서, 그 결과 커패시터의 두 전극 사이에 큰 면적이 형성됩니다. 유전체(산화 알루미늄)는 상당히 얇기 때문에, 결론적으로 정전 용량이 높은 커패시터가 됩니다. 기본 커패시터 공식에 따르면, 정전 용량은 전극 면적에 비례하여 증가하며 전극 이격 거리/유전체 두께에는 반비례하여 증가합니다. 리드 와이어를 포일 시트에 부착하고, 조립체는 (일반적으로 동일한 알루미늄 재질인) 용기에 들어가도록 감거나 접거나 또는 다른 방법으로 만들어, 고무 밀폐 플러그를 사용하여 조립체를 밀폐합니다.
고장 상태가 내부 압력을 증가시킬 수 있기 때문에, 대부분의 알루미늄 커패시터는 이런 압력을 비교적 안전한 방식으로 환기시키기 위한 대비가 되어 있습니다. 대형 소자에는 일반적으로 전용 메커니즘이 이 목적으로 사용되는 반면, 소형 소자는 내부 압력이 과도하게 증가할 경우 비교적 조심스럽게 파열될 수 있도록 고무 밀폐 플러그를 신중하게 설계하거나 및/또는 용기에 자국을 내어 보호용 환기구 기능을 추가합니다.
사용 가능한 정전 용량과 전압 범위
아래 차트는 이 게시글 작성하는 시점에 Digi-Key에서 구입가능한 알루미늄 커패시터의 전압/정전 용량 정격 범위를 보여줍니다. 표준, 바이폴라 및 폴리머 유형이 포함되어 있습니다.
응용 분야의 장단점
알루미늄 커패시터의 주요 장점은 비교적 저렴한 비용으로 작은 패키지에 높은 정전 용량 값을 제공할 수 있다는 것입니다. 게다가, 자기 회복 특성이 우수한 편입니다. 산화 알루미늄 절연층에 국부적으로 취약한 지점이 발생하면, 유전체의 그 취약한 부분을 통해 증가한 누설 전류는 초기 절연층 형성 과정에 사용된 화학 반응과 유사한 반응을 일으켜 취약한 부분의 유전체를 두껍게 만들며 그 결과 누설 전류가 감소합니다.
알루미늄 커패시터의 단점은 (a) 구조에 사용된 재료들의 화학적 반응성, (b) 전해질 용액의 전도 특성, 그리고 (c) 액체 전해질의 휘발성과 관련이 있습니다.
알루미늄 커패시터에 사용된 재료의 화학적 반응성은 두 가지 측면에서 문제가 됩니다. 절연층의 안정성과 소자의 장기적인 기계적 무결성입니다. 이러한 소자의 산화 알루미늄 절연층은 전기화학적 공정을 통해 형성되기 때문에, 단순히 인가 전압을 반전시키는 것만으로 전기화학적 공정에 의해 약화될 수 있습니다. 이것이 대부분의 알루미늄 커패시터가 극성이 있는 이유입니다. 잘못된 극성으로 전압을 인가하면 유전체가 급속하게 약화 및 얇아져서, 높은 누설 전류와 과도한 내부 가열을 초래합니다.
기계적 무결성 관점에서 고반응성 금속인 알루미늄을 부식성 전해질 용액과 섞어 사용하는 것은 민감한 과제입니다. 전해질 조성의 오류는 2000년대 초 "커패시터 역병(capacitor plague)"에서 증명되었듯이 조기 고장을 초래합니다.
알루미늄 전해 커패시터의 또 다른 단점은 전해질 용액에서의 전도는 전자 전도가 아닌 이온을 통해 이루어지기 때문에 사용된 전해질이 딱히 효율적인 전도체가 아니라는 사실입니다. 전하의 운반자 역할을 하며 원자 사이에서 움직이는 자유 전자 대신, (전자의 과잉 또는 부족으로 인해 전하를 띄고 있는 원자 또는 작은 원자 집단인) 이온이 전해액을 통해 움직입니다. 이온은 전자보다 부피가 크기 때문에 이동이 쉽지 않으며 따라서 이온 전도는 일반적으로 전자 전도에 비해 저항이 높은 경향이 있습니다. 그 정도는 온도에 상당히 영향을 받습니다. 온도가 낮을수록, 전해질 용액 내의 이온은 용액을 통해 움직이기 어려워지며 이를 다르게 말하면 저항이 높다는 것입니다. 따라서, 전해 커패시터는 온도와 강한 역 상관 관계를 보여주는 비교적 높은 ESR을 갖는 경향이 있습니다.
(고체 폴리머 유형을 제외한) 알루미늄 커패시터의 세 번째 주요 단점은 액체 전해질 용액이 시간이 지남에 따라 증발하는 경향이 있어, 고무 밀폐 플러그를 통한 확산, 안전 환기구 구조에서의 누출 또는 이와 유사한 현상을 통해 결국 대기 중으로 손실됩니다.
일반적인 용도와 응용 분야
알루미늄 커패시터는 시간에 따른 AC 성능 및 파라미터 안정성이 특별히 중요하지 않은 경우, 저렴하고 비교적 큰 값의 커패시터가 필요한 DC 전원 응용 분야에 주로 사용됩니다. 이러한 응용 분야에는 전원 공급 응용 분야에서의 정류된 AC 전원 전압의 벌크 필터링, 저주파 스위칭 전원 공급에서의 출력 필터링 등이 포함됩니다. 큰 공칭 정전 용량에 직렬로 연결된 비교적 높은 ESR에 의해 형성되는 시정수 때문에, 알루미늄 커패시터 전체는 리플 주파수가 100kHz에 가까워질수록 빠르게 매력을 잃는 경향이 있습니다. 그러나 소자 최적화는 매우 다양해서, 주어진 소자에 대해 사용 가능한 주파수 제한은 최소 수 kHz에서 1MHz일 수 있습니다.
알루미늄 전해 커패시터는 일반적으로 온도와 동작 조건에 따라 손실이 높고 소자 파라미터 변동성이 넓은 응용 분야에는 적합하지 않으며, 여기에는 대부분의 아날로그 신호 경로가 포함됩니다.
일반적인 고장 메커니즘/중요한 설계 고려 사항
전해질 손실
대부분의 알루미늄 커패시터에서 발견되는 액체 전해질은 시간이 지남에 따라 증발하여 ESR은 증가하고 정전 용량은 감소하게 됩니다. 이것이 알루미늄 전해 커패시터의 수명을 제한하는 요인인 마모 메커니즘입니다. 시계는 소자 제조 즉시 시작해서 멈추지 않지만, 응용 조건 및 보관 조건이 시계 바늘이 움직이는 속도에 영향을 줍니다.
온도는 전해질 손실의 속도를 결정하는 주요 요인이며, 이는 온도가 10°C 변화할 때마다 진행률은 대략 두 배가 변할 것으로 예측하는 아레니우스 식에 의해 잘 설명됩니다. 다르게 말하면, 다른 모든 요인들은 동일한 채 전해 커패시터의 온도를 10°C 낮추면 예상 수명은 대략 두 배가 됩니다.
전해질 손실은 대기압의 영향도 받으며, 압력이 낮으면 전해질 손실이 가속됩니다. 극도로 낮은 압력 환경은 이러한 환경에 맞게 설계되지 않은 소자의 케이스를 파열시키거나 안전 환기구를 개방 시켜, 높은 대기압에서 발생하는 것보다 훨씬 빠른 고장을 초래합니다.
아레니우스 관계식과 제조업체에서 명시한 수명 사양에 기초하여 커패시터 수명을 추정할 때, 리플 전류로 인한 자기 가열을 반드시 고려해야 합니다. 단순히 응용 환경의 주변 온도가 아닌 커패시터의 내부 온도가 주된 관심의 대상입니다.
고도가 높거나 압력이 낮을 경우, 외부 대기압과 전해질의 증기 압력 간의 차이가 커패시터의 안전 환기구를 개방시키는 대기압에서는 명시된 수명을 0까지 디레이팅해야 할 필요가 있으므로 제조업체의 사양을 참조하십시오. 증기 압력은 일반적으로 온도에 따라 증가하므로 동작 온도와 최대 허용 동작 고도 사이에 트레이드오프가 발생합니다.
불량 전해질
부적절한 전해질 조성은 내부 구성품의 급속한 부식 및/또는 알루미늄 커패시터 내부의 가스 압력 증가를 유발하여 이른 불량을 초래합니다. 보고된 바에 따르면, 이 메커니즘이 2000년대 초 많은 소비자 가전제품에서 광범위하게 발생한 알루미늄 커패시터 조기 고장의 원인입니다.
독자적인 테스트와 평가 외에도, (많은 회사에서 엄청난 비용을 들여 입증한)이런 문제를 피할 수 있는 가장 좋은 방법은 평판이 좋은 제조업체로부터 제품을 구입하거나 제조업체 공인 유통업체를 통해 직접 구매하는 것입니다. 의심스러운 곳에서 저렴한 전자 부품을 산다는 것은 새벽 2시에 위험한 시내 길모퉁이에서 낯선 사람으로부터 비닐봉지에 담긴 약을 사는 것과 매우 유사합니다. 이러지 마십시오.
전압 과부하
알루미늄 전해 커패시터에 가해지는 전압이 규정된 한계치를 초과하면 산화 알루미늄 절연층을 통한 누설 전류는 유전체 내 국부적인 “얇은” 지점을 시작으로 급격히 증가합니다. 이 누설 전류의 증가는 소자 내 국부적인 지점에서의 가열 증가를 초래합니다. 누설 전류를 제한하지 않으면, 증가한 국부 가열은 절연층에 추가 손상을 가하여 유전체의 연쇄 고장 및 커패시터의 파괴를 초래합니다.
전류 과부하
보통 알루미늄 전해 커패시터의 ESR 값은 비교적 큰데, 이는 주로 전해질 용액의 고유 저항 때문입니다. 이 저항을 통해 흐르는 AC 전류는 옴 가열(ohmic heating)을 발생시키며, 이는 전해질 손실의 원인이 되고 절연 파괴 사고의 위험을 증가시킵니다. 알루미늄 전해 커패시터의 피상 정전 용량(apparent capacitance)은 주파수 의존적입니다. 따라서 제조업체가 제공하는 리플 전류 사양은 응용 제품에 존재하는 리플 주파수를 고려하여 해석되어야 합니다. 알루미늄 전해 커패시터의 최대 리플 전류 값은 일반적으로 120Hz와 100kHz에서 값이 인용되므로, 소자를 선택할 때 인용된 리플 전류 값을 관찰할 뿐만 아니라 해당 값이 인용된 시험 주파수에도 주의해야 합니다.
노화에 따른 전압 과부하
유전체 형성 과정의 전기화학적 특성으로 인해, 장기간 전압 인가 없이 보관하면 산화 알루미늄 절연층의 열화가 발생합니다. 유전체가 약해지면, 인가 전압이 소자의 정격 한계치 이내라고 하더라도 전압 과부하 상태가 발생할 수 있습니다. 경미한 경우, 유일한 증상은 소자가 자기 회복할 때까지 잠시 누설 전류가 증가하여 소자 온도가 증가할 수 있습니다. 심각한 경우 심하게 열화된 유전체의 소스 임피던스는 낮은데 최대 정격 전압이 인가되어, 소자는 단락 회로 고장이 발생하여 극적으로 파열될 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위한 전해질 조성의 개발이 지속적으로 이루어졌지만, 보관 안정성은 제품마다 크게 다르며, 일부는 방전된 상태에서 1~3년만 보관하여도 눈에 띄는 저하를 경험하기도 합니다.
장기간 휴면 상태에 있을 수도 있는 응용 제품을 설계할 때, 이 효과에 대해 향상된 안전 마진을 제공하기 위해 소자의 적당한 전압 디레이팅이 권장됩니다. 보관 중 열화에 강하도록 특별히 설계된 제품을 사용하는 것도 권장됩니다.
수리하거나 재사용할 때, 노화한 알루미늄 전해 커패시터에 대한 일반적인 규정된 처치법은 4-8시간에 걸쳐 시스템 전압을 점진적으로 인가하는 것입니다. 그렇게 하기 전에, 사양 이하의 공급 전압에서 장시간 작동해도 장비를 손상시키지는 않을지 확인하시기 바랍니다.
소자 특징, 옵션 및 대상 용도
오디오
오디오 용도로 판매되는 알루미늄 전해 커패시터는 일반적으로 낮은 ESR 유형이며, 구조에 있어서의 설계 절충이 크기와 비용 같은 부분은 희생하고 전기적 성능과 파라미터 안정성에 편향되어 있을 수 있습니다.
그러나 오디오 분야는 주관적 견해와 소비자를 속여 돈을 편취하기 위한 마케팅이 넘쳐나며, 이 영향은 심지어 부품 수준까지 퍼져 있다는 점에 주목해야 합니다. 커패시터 A가 커패시터 B보다 라벨도 예쁘고 10배 더 비싸다면 당연히 커패시터 A가 더 낫겠죠? 꼭 그런 것은 아닙니다. 사양을 확인하고, 적용하려는 제품에 무엇이 중요한지 이해한 후 제품 요구 사항에 가장 적합한 소자를 선택하십시오. “방향성” 스피커 케이블에 수백 또는 수천 달러를 기꺼이 지불하려는 부류의 사람들에게 판매할 목적으로 무언가를 만들고 있는 것이 아니라면 말이죠. 그런 경우라면, 비용 대비 가장 화려할 수 있는 제품을 선택하십시오.
차량용
차량용으로 표시된 소자들은 일반적으로 긴 수명과 최소 105°C 까지의 확장된 온도 범위에서 동작하도록 설계되어 있습니다. 대부분은 AEC(Automotive Electronics Council, 자동차 전자부품 협회) 표준에 인증되어 있습니다.
바이폴라
바이폴라 전해 커패시터는 표준 알루미늄 전해 커패시터에 사용되는 알루미늄 포일 시트 하나가 아닌 둘 모두에 산화 필름을 형성함으로써 전압의 극성이 변해도 손상 없이 동작하도록 설계되어 있습니다. 이런 소자들은 높은 ESR 때문에 AC 전압이 계속 인가되는 응용 분야에는 일반적으로 적합하지 않다고 여겨져 왔으며, 이러한 이유로 이런 점을 강조하기 위해 "무극성 DC 커패시터"라고 가끔 부르기도 합니다. 이들의 사용은 일반적으로 인가될 극성의 전압이 불확실하거나, 가끔 일시적으로 반전되거나, 또는 소자를 통해 흐르는 전류가 자기 가열을 유발하지 못할 정도로 제한되는 DC 응용 분야에 제한됩니다.
General Purpose
"범용"은 명확하게 특정 응용 분야 카테고리를 다루도록 설계되지도 않았으며 구조에 있어 주요한 차별되는 특성도 없는 소자에 대한 포괄적 명칭입니다.
고온 리플로우
“고온 리플로우” 유형으로 지정된 소자들은 무연/RoHS 준수 제품의 리플로우 솔더링에서 흔히 접할 수 있듯이 제조 과정에서 높은 공정 온도를 접하게 되는 응용 분야에 사용하도록 설계 및 검증되어 있습니다.
모터 런
모터 런으로 지정된 알루미늄 전해 커패시터는 가변속 모터 드라이브 및 인버터 응용 분야와 같은 연속 사용 및 고 리플 응용 분야용으로 설계되었습니다.
모터 스타트
모터 스타트로 지정된 알루미늄 전해 커패시터는 일반적으로 AC 모터 시동 응용 분야에 사용하도록 설계되었습니다. 일반적으로 양극성이며, 정격은 수백 볼트이며, 수십에서 수천 uF 사이의 값을 갖습니다.
폴리머
이 명칭은 액체 전해질 대신 고체 전도성 폴리머를 전해질 소재로 사용하는 알루미늄 전해 커패시터와 관련이 있습니다. 일반적으로 이들은 비슷한 액체 전해질 소자보다 안정성이 우수하며, ESR은 낮고, 고온에서의 수명도 길지만, 상대적으로 낮은 정전 용량과 전압 정격만 사용할 수 있으며 특정 정전 용량과 전압 정격에 대한 소자 비용이 유사한 액체 전해질 유형보다 상당히 높습니다.
스테인리스강 케이스
스테인리스강 케이스로 지정된 소자는 커패시터 내부와 외부 간 평균 이상의 압력 차이를 견딜 수 있는 견고한 스테인리스강 케이스로 설계되어 있습니다. 이는 대부분의 다른 소자보다 더 낮은 대기압에서도 동작할 수 있도록 해주며, 전해질 손실을 경감시킬 수 있어서 예상 동작 수명이 더 길어집니다. 일반적으로 이런 소자들은 상당히 비싸기도 합니다.
영문 원본: Aluminum Capacitors