커패시터 가이드

정전기 커패시턴스의 전압 특성

11/28/2012

안녕하세요, 여러분.
이번 기술 칼럼에서는 커패시터에 대한 기본적인 사실을 설명합니다.
이번 단원에서는 정전기 커패시턴스의 전압 특성에 대해 설명합니다.

전압 특성

직류(DC) 또는 교류(AC) 전압에 따라 커패시터의 유효 커패시턴스 값이 변하는 현상을 전압 특성이라고 합니다. 커패시터는 이 변동 폭이 작으면 전압 특성이 좋다고 하고, 변동 폭이 크면 온도 특성이 나쁘다고 합니다. 전력선의 리플 제거와 같은 애플리케이션에 사용되는 전자 장비에 커패시터를 사용할 때는 작동 전압 조건을 고려하여 설계해야 합니다.

1. DC 바이어스 특성

DC 바이어스 특성이란 커패시터에 직류 전압이 인가될 때 유효 정전 용량이 변화(감소)하는 현상을 말합니다. 이 현상은 티탄산바륨 기반의 강유전체를 사용하는 유전 상수형 다층 세라믹 커패시터에 특유하며, 전도성 고분자 알루미늄 전해 콘덴서(Polymer Al), 전도성 고분자 탄탈 전해 콘덴서(Polymer Ta), 필름 콘덴서(Film), 산화티타늄 또는 지르코네이트 기반 파라전극(MLCC<C0G>)을 사용하는 온도 보상형 다층 세라믹 콘덴서는 전혀 발생하지 않습니다(그림 1 참조).
실제로 어떤 일이 일어나는지 예를 들어 설명하겠습니다. 정격 전압이 6.3V이고 정전 용량이 100uF인 유전 상수형 다층 세라믹 커패시터에 1.8V의 DC 전압이 인가되는 경우를 상상해 보겠습니다. 이 경우 X5R 온도 특성을 가진 제품의 정전 용량은 약 10% 감소하므로 유효 정전 용량 값은 90uF가 됩니다. 또한 Y5V 특성 제품의 정전 용량은 약 40% 감소하므로 유효 정전 용량 값은 60uF가 됩니다.

그림 1. 다양한 커패시터 유형의 커패시턴스 변화율과 DC 바이어스 특성 비교(예시)

티탄산바륨 기반 강유전체에 직류 전압을 인가하면 전기장이 작을 때는 자속 밀도(D)와 전기장(E)이 비례합니다. 그러나 전기장이 커지면 여러 방향으로 배향되어 있던 자발분극(Ps)이 전기장 방향으로 재배열되기 시작하면서 물질은 매우 큰 유전 상수를 나타내며 유효 커패시턴스 값이 증가합니다. 자발적인 편광 재배열이 끝나고 편광이 포화 상태가 되는 지점까지 전기장이 더 증가하면 유전 상수가 작아지고 유효 커패시턴스 값이 감소합니다(그림 2 참조).
따라서 다층 세라믹 커패시터를 선택할 때는 카탈로그에 명시된 정전 용량을 무조건 수용해서는 안 됩니다. 대신 커패시터를 사용할 전원(신호) 라인의 DC 전압 성분을 인가한 상태에서 정전기 커패시턴스를 측정하고 유효 커패시턴스 값을 파악해야 합니다. 그러나 이러한 DC 바이어스 특성은 인가된 DC 전압 성분이 감소할수록 정전기 커패시턴스의 감소 폭이 작아지는 특징이 있습니다. 최근에는 1V 미만의 공급 전압(DC 전압)으로 동작하는 FPGA, ASIC 등의 반도체 칩이 등장하고 있는데, 이러한 반도체 칩의 전원 공급 라인에 사용되는 적층 세라믹 커패시터의 경우 DC 바이어스 특성과 관련된 이슈는 크게 눈에 띄지 않습니다.

2. AC 전압 특성

교류 전압 특성이란 커패시터에 교류 전압이 인가될 때 유효 정전 용량이 변화(증가 또는 감소)하는 현상을 말합니다. 이 현상은 DC 바이어스 특성과 마찬가지로 티탄산바륨 기반 강유전체를 사용하는 유전 상수형 다층 세라믹 커패시터에 특유하며, 전도성 고분자 알루미늄 전해 콘덴서(Polymer Al), 전도성 고분자 탄탈 전해 콘덴서(Polymer Ta), 필름 콘덴서(Film), 산화티타늄 또는 지르코늄 칼슘 기반 부전극을 사용하는 온도 보상형 다층 세라믹 콘덴서(MLCC<C0G>)(그림 3 참조).
예를 들어 정격 전압이 6.3V이고 정전 용량이 22uF인 유전 상수형 다층 세라믹 커패시터에 0.2Vrms의 교류 전압(주파수: 120Hz)을 인가하는 경우를 생각해 보겠습니다. 이 경우 X5R 온도 특성을 가진 제품의 정전 용량이 약 10% 감소하므로 유효 정전 용량 값은 20uF가 됩니다. 또한 Y5V 특성 제품의 정전 용량은 약 20% 감소하므로 유효 정전 용량 값은 18uF가 됩니다.

그림 3. 다양한 커패시터 유형의 커패시턴스 변화율 대 AC 전압 특성(예시)

위에서 설명한 것처럼 강유전 세라믹의 입자는 도메인을 가지며, 각 도메인의 자발 분극(Ps)은 무작위로 배향되어 전체 분극이 없는 상태와 동일합니다. 이 상태의 강유전 세라믹에 전기장(E)을 가하면 분극은 전기장 방향으로 정렬되어 포화 값에 도달합니다. 이 상태에서 전기장을 제거해도 편광의 방향은 원래의 랜덤 상태로 돌아가지 않고 부분적으로 편광 상태로 남게 되며, 이는 외부에 잔류 편광으로 나타납니다. 이 잔류 편광을 0(영)으로 되돌리려면 반대 방향의 전기장이 필요합니다. 또한 역방향 전기장을 더 강화하면 편광 반전이 발생하여 물질이 반대 방향으로 편광됩니다. 이러한 방식으로 외부 전기장에 의한 강유전체의 분극 거동은 그림 4와 같은 D-E 히스테리시스 곡선을 그립니다.
높은 교류 전압 조건에서 강유전체에 흐르는 전류에는 큰 파형 왜곡이 발생하므로 선형 재료의 정의 ^(*1)를 그대로 적용할 수 없습니다. 그러나 유효 커패시턴스 값에서 얻은 유전율(εr)은 히스테리시스 곡선(그림 4에서 점선으로 표시된 직선)의 평균 기울기와 거의 같다고 해도 무방합니다.