MLCC

蓄電器
capacitor
卝[1]
영미권에서는 콘덴서(condensor)가 축전기를 뜻하기도 하지만, 축전기보다는 주로 응축기의 의미로 사용되는 경우가 많다.

전자/전기에서 전기를 모으고, 방출하기 위하여 사용하는 부품. 다른 명칭으로는 커패시터(capacitor)라고 하며 줄여서 "캡"(cap)이라고 부르기도 한다.[2][3][4] 용량 단위는 마이클 패러데이에서 이름을 따온 패럿(farad, F)이다. 이는 1볼트 전압이 걸렸을 때 1쿨롱의 전하를 잡아 둘 수 있는 능력으로 정의되는데 (Q=C*V, 고로 C=Q/V=A²×s⁴×kg^-1×m^-2)이는 전자회로에서는 굉장히 큰 단위이므로 보통은 마이크로패럿(μF)을 많이 쓰고 그 아래인 나노패럿(nF) 또 그보다 더 아래인 피코패럿(pF) 단위도 꽤 쓴다.

보통 세라믹이나 마이카, 필름 콘덴서는 극성이 없지만, 전해 콘덴서는 긴 부분이 양극(+극)이고, 짧은 극이 음극(-극)이며 다리가 잘려있을 때는 흰색 띠가 있는곳이 음극(-극)이다. 탄탈 콘덴서는 띠가 있는 쪽이 양극이므로 극성에 주의하여 끼워야 한다. 전해 콘덴서는 반대로 설치하면 펑 터지는데 그치지만, 탄탈 콘덴서는 폭죽처럼 불을 내뿜으며 폭발한다. 탄탈 콘덴서 자체가 폭죽이랑 유사한 구조와 물질로 이루어져 있기 때문. 그리고 탄탈 콘덴서는 폭발하면 내부가 합선된다.

옛날 카메라 플래시를 사용해 본 사람이라면 카메라가 발광을 위해 전기를 모으면서 내는 "삐~" 소리를 기억할 것이다. 이것이 축전기에 전기가 모이면서 나는 소리다. 물론 전기 자체가 내는 소리가 아니라 축전기의 구성부품이 진동하며 내는 소리.
제세동기 역시 축전기가 들어 있으며, 방전을 위해 전기를 모을 때 특유의 “삐~” 소리가 난다.

창작물에 나오는 축전기 중에는 영화 백 투 더 퓨처에 나오는 자동차형 타임머신에 달려있던 "플럭스 커패시터"가 유명하다. 시간여행을 가능하게 하는 중요 부품으로, 엄청난 양의 전기를 필요로 하기 때문에 플루토늄이나 번개의 힘을 빌어 축전해야 했다.

전압이 높을 때에는 전하를 모으고(충전) 전압이 낮으면 전하를 방출(방전)하여 전원 전압과 동일한 크기의 전위차를 유지하려 한다. 그러므로 직류 전원에 연결하면 전하가 충전되는 짧은 시간동안 전류 크기가 감소하다가 결국 전류가 흐르지 못하게 된다. 이는 다른 말로 전압의 변화에 저항하여 전압의 급격한 변화를 막아준다는 뜻이다. 이와 대응되는 인덕터(코일)는 전류의 변화에 저항하여 전류의 급격한 변화를 막아주는 역할을 한다.

절연체의 유전 분극 현상을 이용하여 전기장을 만듦으로써 전기 에너지를 저장하는 역할이다. 이게 무슨 말이냐면, 축전기를 충전할때 + 전하와 - 전하를 떨어뜨려놓는데, 이때 전기장이 발생하고, 전하들은 전기적 위치 에너지를 얻는다. 간단한 형태의 축전기인 평면 축전기 (납작한 도체판 2개를 평행으로 조금 떨어뜨려 놓은것)의 에너지 용량은 $\frac{1}{2}C{V}^2$다 (여기서 V는 전압). 일반적으로 축전기의 에너지 밀도는 $u=\frac{1}{2}{ϵ}_0{E}^2$고, 총 용량은 $U={\int }_V\frac{1}{2}{ϵ}_0{E}^{2}dV$(E는 자기장의 세기, V는 전기장이 차지하는 공간).

전하를 모으고 방출하여 안정적인 전기를 공급하는 역할. 내부에 전하가 직접 저장되어있어 배터리와 달리 저항만 받쳐준다면 충방전속도에 한계가 없다. 따라서 낮은 저항으로 RC회로를 만들어 쇼트(short)시키면 순간적으로 엄청난 양의 에너지가 방출된다.[5]

축전기를 직류 회로에 직렬로 연결하면 역전압을 걸어 전류 흐름을 막는 역할을 한다. 전원과 연결된 축전기가 충전되고 나면, 같은 전압의 배터리를 같은 극끼리 연결한 것과 마찬가지 상태[6]가 되기 때문에 직류 전기가 흐르지 않게 된다.[7] 그러나 노이즈가 발생하면 전원과 축전기의 전압의 균형이 깨져서 전기가 흐르게 되는데, 여기에 직렬로 연결된 회로 입장에서는 보내라는 전류는 안 보내고 노이즈만 보내는 상황이 펼쳐진다.

반면에 교류 회로에서는 필터 역할을 수행한다. 코일과는 반대로 저주파는 막고 고주파는 잘 통과시키는 특성을 가지고 있기 때문에, 음향 쪽에서는 이퀄라이저나 크로스오버에 없어서는 안될 필수 부품이기도 하다.

그래서 일반적으로 저주파 통과 필터를 만들어서 노이즈 제거용으로 쓰인다. 노이즈라는 것이 전압이 원치 않는 방향으로 순간적으로 요동치는 것인데, 콘덴서를 회로에 병렬로 연결해 두면 마치 추가 배터리를 병렬로 연결한 것과 같이, 전압이 높을 때는 축전기에 충전이 되었다가 전압이 떨어질 때 축전기에서 전하를 내놓으므로 전압이 안정된다. 그래서 일정 수준 이상 전압이 요동치지 않게 된다. 일반적으로 개인 공작 수준에서 전해 축전기와 세라믹 축전기가 많이 쓰이는데, 전해 축전기는 저주파, 세라믹 축전기는 고주파 노이즈를 제거하는 데 유리하다. 용량이 클수록 더 낮은 주파수 신호도 잘 통과하기 때문이다.

전자회로에서는 고주파 신호가 정보를 전달하기 때문에 캐퍼시터로 직류를 막아 버릴 수도 있다. 축전기와 다이오드를 이용한 정류회로는 가정으로 들어오는 교류전류를 직류로 변환해주기도 한다. 다이오드에 의해 순방향 전압만 걸리게 되는데 이 때까지는 전압이 들쭉날쭉한 상태이지만 위에서처럼 축전기가 전압을 안정시키므로 직류로 변환되는 것이다.

보통 전원부의 노이즈 제거(Bypass) 및 안정화를 위한 평활회로의 부품으로 많이 쓰인다. Decoupling Capacitor라고 해서 전원과 GND 양단 사이에 생기는 순간적인 전압강하를 잡아주는 기능도 있다. 진상용 콘덴서의 경우는 역률 개선에도 쓰인다.

그 외에도 전하를 저장했다가 내놓는 특징을 살려 다양한 용도로 사용할 수 있다. 예컨데 트랜지스터의 스위칭 기능과 연동해 축전기의 충전과 방전을 반복함으로써 LED를 깜빡거리게 한다든지......[8] 정전용량 무접점 방식 키보드는 축전기의 원리를 이용해서 만든 물건이다. DRAM과 콘덴서 마이크도 마찬가지. 터치스크린도 기본적으로는 축전기를 응용한 물건이다.

다양한 축전기의 종류


1패럿짜리 축전기. 아래 언급된 초축전기 분류에 들어갈수 있으며 지름이 2cm 남짓 된다. 게다가 5.5V용이라...

음극 전해질에 금속 양극이 들어 있는 구조로, 금속 표면에 산화막이 형성되어 이것이 절연 및 유전체 역할을 한다. 아래 필름 커패시터와 비교했을 때 유전체의 두께가 얇기 때문에 더 높은 용량을 얻을 수 있다. 공통적인 전기적 특성으로서는 일단 부피/무게 대비 용량이 중간쯤 한다. 선형성도 높고, 직렬 저항값도 큰 편이다. 다만 가격이 약간 비싼 편이고, 최소 크기가 매우 큰 편이다. 즉, 작은 용량의 전해 콘덴서는 아예 안 판다. 또한 보통 반대 방향으로 전압을 가하면 폭발하기 때문에 교류용으로 쓰려면 항상 DC bias가 있어야 한다. 양방향 전압을 가할 수 있는 전해 커패시터도 있긴 한데, 이런거 쓸 바에 다른걸 쓰는 경우가 낫기 때문에 볼일이 별로 없다. 마지막으로 고전압 + 고용량으로 만들기 용이하고, ESR[9]이 적절히 높은 편이라 고전압 파워에 넣기 좋다. [10] 세라믹에서 후술할 떨림 문제도 없고.

양 극에 교대로 연결된 얇은 금속막과 절연체를 여러 번 겹쳐 만든다. 고등학교 물리 시간에 배우는 바로 그 구조. 양극이 모두 금속이고 구조가 단순하기 때문에 선형성, ESR, 온도계수, 그리고 용량 정밀도가 출중하다. 다만 절연체를 아주 얇게 만드는 것이 어려우므로 비싸고 용량이 작다. 고주파 회로에 세라믹과 같이 가끔 보이고, 정밀도가 요구되는 회로에서도 나온다. 이를테면 테스트기기라던가, 오디오 기기라던가.

크기가 큰 편이라 웬만하면 안 쓴다. 보통 모양은 직육면체에 다리가 둘 달렸거나 아니면 원통형이다.

아래 오일 커패시터 항목에 언급했듯이 이런 방식으로 제작해 오일을 함침시켜 마무리하는 제품도 오디오용으로 존재한다.

필름 커패시터와 비슷한 구조이나 절연체로 세라믹을 사용한다. 사용되는 세라믹은 Paraelectric (Class 1) 혹은 Ferroelectric (Class 2) 한 특성으로 인해 특정 전압 구간 안에서 높은 유전율을 보이고 이를 통해 높은 전기용량을 실현한다. 현대 회로의 왕이나 다름없는 포지션을 담당한다. 일단 부피/무게 대비 용량이 매우 높다. 전해식의 10배에서 100배 가량 되는 경우도 있다. 장점은 그것뿐만 아니라, ESR 과 ESL이 무지막지하게 낮다. 일단 크기가 작으니까...

다만 사용하는 세라믹의 전기적 특성으로 인한 단점이 존재한다. 일단 선형성이 매우 떨어진다. 무슨 뜻이냐면, 일단 6.3볼트까지 올릴 수 있는 세라믹 콘덴서가 있다고 하자. 직류 전압이 0일때 전기용량이 100 이라면, 3.3볼트에선 90 정도의 전기용량을 보이고, 한계전압인 6.3볼트까지 올라가면 심한 경우에는 10까지 내려가는 경우도 있다. 고압의 정현파 같은걸 넣으면 반대편에서 뾰족뾰족한 삼각파가 나올 수 있다는 얘기다. 이것 때문에 고주파 라디오나 오디오에선 사양하는 경우가 있다. 이를 타파하기 위해 일부러 한계전압이 디자인 전압보다 훨씬 높은 콘덴서를 쓴다. 어차피 그렇게 비싼것도 아니고, 선형성이 떨어지는게 사실 한계전압의 비율에 따라 떨어지기 때문이다.

그것뿐만이 아니라, 온도계수가 무지막지하게 높은게 대다수다. 50%에서 200% 차이나는게 부지기수다. 그리고 마지막으로 교류 전압이나 전류를 가하면 피에조 효과라고 세라믹 부도체가 팽창과 수축을 한다. 그게 그대로 기판에 전달되어 소리가 나버린다. 유도자도 이런 일이 있어서 사람들이 싫어하기도 하는데 사실 세라믹 커패시터도 소리를 낸다. 유도자 팽창 수축 운동은 전류에 비례하는데, 세라믹은 전압[12]에 비례해서 고전압 저전류 교류 회로에서 특히 소리가 잘 난다. 특히 CCFL 백라이트 같은 것.

단, 상술했듯이 안에 들어가는 세라믹에 따라 장단점의 강도가 다르다. 세라믹의 종류 및 커패시터의 특성 등으로 세라믹 커패시터를 몇 가지 class로 구분하는데, 일반적으로 Class 1, 2 를 많이 사용한다. 각 클래스별로 용량 오차율, 동작 온도, 온도 계수를 대략 나타내는 영문 약어가 존재하며, 보통 얘기하는 NP0, X5R, X7R 등이 바로 그것이다. Class 1의 NP0의 경우는 필름 못지않은 높은 선형성과 낮은 온도계수를 보여주는 대신에 용량이 시궁창이다. Class 2의 X7R은 반대로 용량이 매우 높은 대신에 온도계수가 엄청 높고, 선형성도 꽝이다. 다만 공통적으로 ESR/ESL은 매우 낮다.

일명 바리콘. 정식 명칭은 Variable Condenser 혹은 Variable Capacitor. 약어로 VC로 불린다.
커패시턴스 공식의 변수 중, 단면적에 해당하는 부분을 조절하여 커패시턴스를 임의로 조절할 수 있도록 만든 소자다. 유전체로 사용되는 물질에 따라 아래와 같이 나뉜다.

말 그대로 용량이 큰 것이다. 맨 위의 1F 짜리는 기본이고 아래의 영상에서 소개되는 것과 같이 2600F 급도 있다. 이젠 아예 슈퍼가 아닌 울트라커패시터도 있는데, EDLC(전기이중층 커패시터)와 Pseudo 두가지가 있다. EDLC는 최소 1F~최대 3600F 등등 다양하게 있고 pseudo는 10kF까지 존재한다. 보통 10k되는 것들은 실용이 아니라 실험 용도인 것을 감안해야 한다.
말 그대로 용량이 큰 것이다. 정식명칭은 전기이중층커패시터로 EDLC(Electric Double-Layer Capacitor)로 통용된다. 맨 위의 1F 짜리는 기본이고 아래의 영상에서 소개되는 것과 같이 2600F 급도 있으며 국내에는 LS머트리얼즈에서 3V 3400F까지 상용화 했다. 이젠 아예 슈퍼가 아닌 울트라 커패시터도 있는데, EDLC(전기이중층 커패시터)와 Pseudo 두가지가 있다. EDLC는 최소 1F~최대 3600F 등등 다양하게 있고 pseudo는 10kF까지 존재한다. 보통 10k되는 것들은 실용이 아니라 실험 용도인 것을 감안해야 하며 LIC(Lithium ion capacitor)이거나 Hybrid capacitor로 순수 EDLC가 아닐 가능성이 있다.




이러한 슈퍼커패시터(초축전기)는 일반적인 축전기처럼 사용되기도 하지만, 한편으로는 배터리(2차 전지)와 비슷한 동력원으로서 사용하고자 하는 시도도 계속되고 있다. 이는 용량이 매우 작은 일반적인 축전기와는 달리 용량이 비교적 커서 배터리와 비슷한 용도에도 사용할 수 있으면서도, 한편으로는 축전기로서의 특성을 살려 충방전 횟수가 많고 고속충전과 고속방전이 가능하다는 특유의 이점을 살리기 위한 것이다.

휴대폰에서는 갤럭시 노트9의 S펜에 슈퍼커패시터(초축전기)가 배터리 용도로 사용되었다. 40초 충전에 대기시간 30분, 클릭 200번 가능.