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커패시터 가이드
기술 보고서 진화하는 커패시터 - 다층 세라믹 커패시터 1부 트렌드(2편 중 1부)
고성능 반도체 장치에 필수적인 다층 세라믹 커패시터
저항기, 커패시터, 인덕터는 다소 사소한 부품으로 여겨지는 수동 부품이지만 실제로는 첨단 전자제품에 없어서는 안 될 필수 부품입니다. 특히 다층 세라믹 커패시터는 최첨단 반도체 장치에 필수적인 부품입니다. 세라믹 커패시터가 없으면 기기가 제대로 작동할 수 없습니다. 전자 업계 일부에서는 커패시터가 결국 반도체 기기에 통합될 것이라고 예측했습니다. 그러나 실제로 다층 세라믹 커패시터의 중요성은 반도체 디바이스가 발전함에 따라 증가하는 경향이 있습니다.
다층 세라믹 커패시터는 설탕 입자보다 작습니다. 이 초소형 부품이 전자 기기에서 어떤 역할을 하는지 알고 계신가요? 반도체 장치에 필요한 전원 공급을 지원하고 오작동이나 성능 저하를 초래할 수 있는 노이즈를 제거하는 등 중요한 역할을 합니다. 다층 세라믹 커패시터가 없으면 마이크로프로세서, DSP, 마이크로컴퓨터, FPGA 등 첨단 첨단 공정 기술을 사용하여 제조된 반도체 기기가 제대로 작동할 수 없습니다.
크기 감소 및 용량 강화의 역사
적층 세라믹 커패시터 시장 규모는 현재 알루미늄 전해 커패시터, 탄탈 전해 커패시터, 필름 커패시터 등 다양한 유형의 커패시터 시장 중에서 가장 큰 규모를 차지하고 있습니다. 2008년 일본에서는 6,278억 개의 다층 세라믹 커패시터가 출하되었고, 일본 국내 매출은 3,059억 엔에 달했습니다(일본 경제산업성이 발행한 '기계 통계 연감' 기준). 알루미늄 전해 커패시터는 출하량 182억 개, 매출 1,743억 엔으로 2위를 차지했습니다. 1위와 2위 사이에는 큰 격차가 있습니다.
다층 세라믹 커패시터는 현재 커패시터 시장에서 가장 많이 판매되는 제품이지만, 처음 출시되었을 때는 시장의 수용이 더디게 진행되었습니다. 다층 세라믹 커패시터에 대한 아이디어를 처음 떠올린 것은 미국 회사였습니다. 1961년에 시작된 아폴로 프로그램 중에 소형의 고용량 커패시터에 대한 필요성을 충족하기 위해 다층 세라믹 커패시터가 발명되었습니다. 이 새로운 커패시터는 전극을 여러 개의 적층 유전체 층으로 형성하여 작은 크기에 높은 정전 용량을 갖도록 설계되었습니다(그림 1).
유전체 재료와 내부 전극의 층이 서로 적층되어 있어 더 큰 정전 용량을 얻을 수 있습니다.
무라타제작소는 이 기술을 남보다 앞서 도입하여 1965년 첫 제품을 시장에 출시했습니다. AM 라디오의 LC 공진 회로를 겨냥한 100pF 모델이었으며 50μm 유전체 필름 층으로 구성되었습니다. 이 제품은 유전체 재료로 산화티타늄(TiO2)을 사용했습니다. 무라타 부품 사업부 야마우치 기미노리 이사는 "처음 제품을 출시했을 때는 전혀 팔리지 않았다"며 "하지만 '종이 라디오'라는 초슬림 라디오가 출시된 후 다른 어떤 커패시터보다 작다는 이유로 다층 세라믹 커패시터 시장이 급성장했다"고 설명했습니다.
이후 다층 세라믹 커패시터의 역사는 '크기 축소와 커패시턴스 향상의 역사'라고 할 수 있습니다. 일반적으로 커패시터의 커패시턴스 C는 다음과 같이 표현할 수 있습니다:
여기서 ε, S, d는 각각 유전 상수, 전극의 면적, 전극 사이의 거리(유전체의 두께)를 나타냅니다. 즉, 특정 부피에서 커패시턴스를 높이는 방법은 ε 값이 더 높은 재료를 사용하거나 유전체의 두께를 줄이는 두 가지 방법밖에 없습니다.
무라타는 제품 출시 후 초기에는 산화티타늄을 유전체 재료로 사용했지만, 비교적 이른 시기에 티탄산바륨(BaTiO3)을 도입했습니다. 그 이후로 소재를 개선한 결과 상대 유전 상수가 지속적으로 증가하고 있습니다. 지금까지 이 값은 약 3,000에 도달했습니다. 산화티타늄의 상대 유전 상수는 최대 수십입니다. 즉, BaTiO3의 유전율은 산화티타늄의 유전율보다 두 배 이상 커졌습니다.
유전체 재료의 두께는 초기 50μm에서 현재 0.5μm로 점차 감소했습니다. 따라서 초기 값에 비해 유전 상수는 100배 높아진 반면 두께는 1/100로 줄었습니다. 두께를 1/100로 줄이면 레이어 수를 100배 늘릴 수 있습니다. 따라서 커패시턴스 측면에서 보면 같은 크기에서 100만 배 증가한 것과 같습니다. 반면 크기 측면에서는 동일한 커패시턴스로 1/1,000,000 감소가 가능하다는 의미입니다.
애플리케이션 트렌드와 각 애플리케이션에서 커패시터의 역할에 대해서는 '2부 2편'에서 계속 설명합니다.
표시된 회사명 및 제품명은 각 회사의 상표 또는 등록상표입니다.
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본 기사의 내용은 2010년 2월~3월호 "테크 온!" 닛케이 비즈니스 퍼블리싱에 게재된 내용을 재구성한 것입니다.
*무라타제작소의 적층 세라믹 커패시터에 대한 자세한
내용은 다음을 참조하시기 바랍니다:
커패시터 웹 사이트
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