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| 다양한 종류의 커패시터 |
1. 개요
커패시터(Capacitor)[1] 또는 축전기(蓄電器)는 전기·전자 회로에서 전기를 모으고, 방출하기 위하여 사용하는 부품이다.2. 명칭
"캡(cap)"이라고 부르기도 한다. 더 줄여서 그냥 [math(C)]라고도 한다. 실제 회로도의 reference상에서도 [math(C_{1})], [math(C_{2})], [math(\cdots)]등으로 표기한다.흔히 '콘덴서'라고도 불리는데, 영미권에서는 'condensor'라는 단어가 축전기를 뜻하기도 하지만 주로 응축기의 의미로 사용되는 경우가 많다. Quora에 따르면 콘덴서는 오래된 말, 커패시터는 비교적 새로운 말이라고 한다.
대부분의 다른 유럽 언어에서는 콘덴서/콘덴세이터 계통이 여전히 공식적으로 쓰인다. kondensator(독일어), condensateur(프랑스어), condensador eléctrico(스페인어) 등.
한국에서도 90년대에는 '콘덴서'를 사용하여 주로 오래된 서적에서 이렇게 표기한 것을 볼 수 있다.
3. 기호
| | |
| 무극성 커패시터의 기호 | 극성 커패시터의 기호 |
필름, 세라믹, 마일러 커패시터처럼 극성이 없는 커패시터는 위의 좌측처럼 평행판 형태로 묘사하나, 전해, 탄탈륨 커패시터처럼 극성이 있는 커패시터는 위의 우측처럼 한 쪽 판을 구부리고 방향에 맞춰 +극을 표시해주는 식으로 표기한다.
커패시턴스를 바꿀 수 있는 가변 커패시터같은 경우는 마치 전위차계처럼 커패시터 기호 전체를 가로지르는 화살표를 그어주는 식으로 그린다. 이런 특수한 커패시터들의 기호는 아래 항목에서 자세히 서술한다.
4. 주의
보통 세라믹이나 마이카, 필름 콘덴서는 극성이 없지만, 전해 콘덴서는 긴 부분이 양극이고, 짧은 극이 음극이며 다리가 잘려있을 때는 흰색 띠가 있는 곳이 음극이다. 탄탈럼 콘덴서는 띠가 있는 쪽이 양극이므로 극성에 주의하여 끼워야 한다. 전해 콘덴서는 반대로 설치하거나 과전압이 가해지면 펑 터지는데 그치지만, 탄탈럼 콘덴서는 폭죽처럼 불을 내뿜으며 폭발한다. 탄탈럼 콘덴서 자체가 폭죽이랑 유사한 구조와 물질로 이루어져 있기 때문. 그리고 탄탈럼 콘덴서는 폭발하면 내부가 합선된다.5. 원리
커패시터 중 가장 간단한 형태인, 두 넓이가 [math(S)]인 두 금속판을 일정 거리 [math(d)]만큼 떨어뜨린 평행판 커패시터에 대해 먼저 논하고자 한다.위 그림에서 평행판 커패시터는 [math(V)]인 전원에 연결돼있다고 가정하자. 이때, 전원의 음극 쪽에서 전자는 평행판 커패시터의 한 쪽으로 몰리게 되고, 이에 따라 다른 극판에는 양전하가 몰리게 된다. 이로써 전하가 저장되는 것이다. 이때, 전하는 두 극판의 전위차가 전원의 전위차와 같아질 때까지 충전되게 된다.
이때, 커패시터에 저장되는 전하의 양을 [math(Q)]라 할 때, 이것은 전원의 전위차 [math(V)]에 비례하게 되는데, 그 비례 상수를 전기용량 또는 커패시턴스 [math(C)]라 한다. 즉,
| [math(\begin{aligned}\displaystyle Q=CV \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned}\displaystyle C=\varepsilon_{0}\frac{S}{d} \end{aligned})] |
5.1. 충전 과정
충전되는 과정에 대해 알아보자. 전류를 측정하기 위해 저항 [math(R)]을 추가적으로 회로에 달았다고 가정하자. 회로에 흐르는 전류를 [math(i)][2]라 놓고, 커패시터에 걸리는 전압을 [math(v)]라 하면,| [math(\begin{aligned} iR+\frac{q}{C}=V \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} \dot{i}R+\frac{\dot{q}}{C}=V \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} \ddot{q}R+\frac{\dot{q}}{C}=0 \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} \dot{q}=A\exp{\biggl(-\frac{t}{RC}\biggr)} \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} q=-RCA\exp{\biggl(-\frac{t}{RC}\biggr)}+B \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} q=Q\biggl[1-\exp{\biggl(-\frac{t}{RC}\biggr)} \biggr] \end{aligned})] |
더 나아가 [math(i=\dot{q})], [math(v=V-iR)]임을 이용하면, 커패시터에 걸리는 물리량을 추적할 수 있으며, 마찬가지로 지수함수적인 그래프가 나타난다.
방전 과정 또한 같은 과정을 통해서 다루면 된다.
5.2. 커패시터 내 전기장
이 상황에서 두 극판의 넓이가 매우 크다면, 모서리 효과는 무시할 수 있고, 그 결과 크기는| [math(\begin{aligned} E=\frac{V}{d} \end{aligned})] |
외부의 경우 전기장은 생기지 않는다.[3]
5.3. 커패시터와 유전체
커패시터 안에 유전율이 [math(\varepsilon)]인 유전체를 채우면 어떻게 될까?아래 문단에서 [math(')]이 붙은 것은 유전체를 넣었을 때, 안 붙은 것은 그 사이가 진공일 때이다.
물질에 대한 가우스 법칙을 적용하여 유전체를 채운 뒤의 사이의 전기 변위장의 크기는 [math(D')]라 가정하자.
그렇다면, 전기장은 전기 변위장과의 관계에 의하여
| [math(\begin{aligned} E=\frac{D'}{\varepsilon} \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} -\frac{D'd}{\varepsilon}=V \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} -\frac{Dd}{\varepsilon_{0}}=V \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} D'=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}D \end{aligned})] |
이상에서 커패시터에 충전되는 전하량은
| [math(\begin{aligned} Q'=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}Q \end{aligned})] |
결국 전기용량은
| [math(\begin{aligned} C'=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_0}C \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} C'=\varepsilon\frac{S}{d} \end{aligned})] |
5.4. 전기 에너지
이제 두 극판의 정전기 에너지를 구하자.우선 한 극판의 전하가 충전되면 다른 부호의 전하가 전위차 [math(V)]를 거슬러 다른 극판으로 이동해야하므로 구하는 에너지는
| [math(\begin{aligned} U=\int_{0}^{q} V {\rm d}q=\int_{0}^{Q} \frac{q}{C}\,{\rm d}q=\frac{Q^{2}}{2C} \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} U=\frac{1}{2}CV^{2} \end{aligned})] |
6. 커패시터의 연결
6.1. 직렬 연결
커패시터를 직렬로 연결했을 때, 각 커패시터에 걸리는 전압의 크기의 합은 전원의 전합과 같다. 즉,| [math(\begin{aligned} \sum_{i} \frac{Q_{i}}{C_{i}} = V\end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} Q\sum_{i} \frac{1}{C_{i}} = \frac{Q}{C}\end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} C=\biggl[\sum_{i}\frac{1}{C_{i}} \biggr]^{-1} \end{aligned})] |
6.2. 병렬 연결
이 경우에는 각 커패시터에 걸리는 전압은 [math(V)]로 같다.| [math(\begin{aligned} \frac{Q_{i}}{C_{i}} = V \quad \to \quad Q_{i}=C_{i}V \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} \sum_{i} Q_{i}=Q= \biggl[\sum_{i}C_{i} \biggr] V \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned}C=\sum_{i}C_{i} \end{aligned})] |
7. 형태
7.1. 평행판 커패시터
평행한 두 극판을 대어둔 형태이다.위에서 분석하였다.
7.2. 구형 커패시터
내부 반지름이 [math(a)], 외부 반지름이 [math(b)]인 내부가 진공인 구형 커패시터를 고려하자.가우스 법칙에 따라 내부의 전기장은 다음과 같이 구할 수 있다.
| [math(\begin{aligned} E=\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0}}\frac{Q}{r^{2}} \quad (a<r<b) \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} V=-\int_{b}^{a} \frac{1}{4\pi \varepsilon_{0}}\frac{Q}{r^{2}}\,{\rm d}r =\frac{Q}{4\pi \varepsilon_{0}} \biggl(\frac{1}{a}-\frac{1}{b} \biggr) \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} C=\frac{Q}{V}=4\pi \varepsilon_0 \biggl(\frac{1}{a}-\frac{1}{b} \biggr)^{-1} \end{aligned})] |
7.3. 원통 커패시터
내부 반지름이 [math(a)], 외부 반지름이 [math(b)]인 내부가 진공인 구형 커패시터를 고려하자.가우스 법칙에 따라 내부의 전기장은 다음과 같이 구할 수 있다. [math(L)]은 가우스 면의 높이다.
| [math(\begin{aligned} E=\frac{1}{2\pi \varepsilon_{0}L}\frac{Q}{\rho} \quad (a<\rho<b) \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} V=-\int_{b}^{a} \frac{1}{2\pi \varepsilon_{0}L}\frac{Q}{\rho}\,{\rm d}\rho =\frac{Q}{2\pi \varepsilon_{0}L} \ln{\frac{b}{a}} \end{aligned})] |
| [math(\begin{aligned} C=\frac{1}{L}\frac{Q}{V}=2\pi \varepsilon_0 \biggl(\ln{\frac{b}{a}} \biggr)^{-1} \end{aligned})] |
8. 용도
전하를 모으고 방출하여 안정적인 전기를 공급하는 역할을 하는 부품이다. 배터리는 화학 반응을 통해 전하를 생성하며, 이차 전지는 충전 시 전하를 받아들여 화학 에너지 형태로 저장했다가 방전 시 화학 반응을 일으켜 전하를 내보내지만, 커패시터는 전하 그 자체를 저장하기 때문에 배터리와 달리 저항만 받쳐준다면 충/방전속도에 한계가 없다. 따라서 낮은 저항으로 RC회로를 만들어 쇼트(short)시키면 순간적으로 엄청난 양의 에너지가 방출된다.[4]축전지는 전하를 저장하는 기능이 있으므로 매우 다양한 용도로 이용할 수 있다. 대표적으로 대량의 전하를 한꺼번에 방출하는 용도로 이용할 수 있으며, 제세동기, 플래시(카메라), 폭발물[5] 등이 대표적이다.
축전지를 직류 회로에 직렬로 연결하면 역전압을 걸어 전류 흐름을 막는 역할을 한다. 전원과 연결된 커패시터가 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 커패시터의 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. 거의 동일한 용례로 일렉트릭 기타나 베이스 기타의 내부 회로에서도 사용되는데, 젼위차계(포텐셔미터)의 다리에 부착하여 외부로 출력되는 사운드의 고주파 음역대를 깎아내는 역할을 한다.
그래서 일반적으로 저주파 통과 필터를 만들어서 노이즈를 제거하는 용도(bypass) 및 안정화를 위한 평활회로의 부품으로 많이 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 커패시터에 충전이 되었다가 전압이 떨어질 때 커패시터에서 전하를 내놓으므로 전압이 안정된다. 그래서 일정 수준 이상 전압이 요동치지 않게 된다. 일반적으로 개인 공작 수준에서 전해 커패시터와 세라믹 커패시터가 많이 쓰이는데, 전해 커패시터는 저주파, 세라믹 커패시터는 고주파 노이즈를 제거하는 데 유리하다. 용량이 클수록 더 낮은 주파수 신호도 잘 통과하기 때문이다. decoupling capacitor라고 해서 전원과 GND 양단 사이에 생기는 순간적인 전압강하를 잡아주는 기능도 있다.
전자회로에서는 고주파 신호가 정보를 전달하기 때문에 캐퍼시터로 직류를 막아 버릴 수도 있다. 커패시터와 다이오드를 이용한 정류회로는 가정으로 들어오는 교류전류를 직류로 변환해주기도 한다. 다이오드에 의해 순방향 전압만 걸리게 되는데 이 때까지는 전압이 들쭉날쭉한 상태이지만 위에서처럼 커패시터가 전압을 안정시키므로 직류로 변환되는 것이다.
송전에서는 역률 개선이나 전압강하 저하를 위해 쓰인다.
그 외에도 전하를 저장했다가 내놓는 특징을 살려 다양한 용도로 사용할 수 있다. 예컨데 트랜지스터의 스위칭 기능과 연동해 커패시터의 충전과 방전을 반복함으로써 LED를 깜빡거리게 한다든지.[8] 정전용량 무접점 방식 키보드는 커패시터의 원리를 이용해서 만든 물건이다. 콘덴서 마이크도 마찬가지. 터치스크린도 기본적으로는 커패시터를 응용한 물건이다. 커패시터가 충전되었는지 여부를 가지고 정보를 저장하는데도 이용이 가능한데, 대표적으로 DRAM에 쓰인다.
보드에서 커패시터가 고장나서 대체해야 하는 경우, 웬만하면 커패시턴스를 원본과 동일 용량으로 맞추는 것을 권장한다. 용량이 더 적은 건 당연히 나쁘고 약간 더 큰 정도로는 큰 문제는 없지만 원래 설계와 동작 차이를 유발할 수 있어서 장기적으로 문제가 생길 수 있기 때문. 내압은 대부분의 경우 더 높아도 상관없다.
9. 종류
9.1. 전해 커패시터
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| 다양한 형태의 전해 커패시터들 |
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, 이런 걸 쓸 바에 다른걸 쓰는 경우가 낫기 때문에 볼 일이 별로 없다. 마지막으로 고전압과 고용량으로 만들기 용이하고, ESR[9]이 적절히 높은 편이라 고전압 파워에 넣기 좋다.[10] 세라믹에서 후술할 떨림 문제도 없다.
오래된 전자제품이 제대로 작동하지 않을 때에 대부분의 원인을 제공하는 부품이기도 하다.[11] 고장난 커패시터는 윗부분이 부풀어있거나, 다리와 몸통 사이에 전해액이 질질 새는 등 외관상으로만 봐도 확연한 문제점들이 보이는데, 주로 전자는 임신을 했다고, 후자는 똥을 싼다고 표현하며, 심한 경우 아예 커패시터가 작동 중에 폭발해서 원래 꽂혀있어야 할 부분에는 다리 두 개만 달랑, 모서리 부근에는 폭발하고 남은 빈 커패시터 깡통만 굴러다니는 여러모로 충격적인 광경도 볼 수도 있다.[12]
기본적으로 소모성 부품이므로 오래된 기기라면 이 전해 커패시터의 수명이 다 되었거나 간당간당해져 있는 경우가 많으며, 이 때문에 레트로 기기가 오작동하거나 아예 작동을 안하는데 원인을 특정하기 어려울 경우는 일단 이 전해 커패시터부터 새로운 것으로 싹 교체해보고 수리를 시작하는 것이 좋다. 미디나 레트로 컴퓨터, 게임기 등 오래된 전자기기를 다루는 동호회 등에서는 이것을 통칭 '콘갈이'(콘덴서 갈이)[13]라 부르며, 수리 및 정비에 있어 거의 필수적인 조치로 여긴다. (아타리 2600 콘솔을 콘갈이하는 영상)
2000년대 초까지의 커패시터가 사용된 전자제품들의 유지보수는 특히 각별히 주의를 기울여야 한다. 크게 두 가지 원인이 있는데, 일찌기 전자산업이 먼저 융성했던 일본에서 일어났던 '4급 염산염 문제'와 2000년대 초 즈음에 일어난 '커패시터 역병 사태'를 들 수 있다. 둘 다 커패시터의 주 요소인 내부 전해액의 품질 문제로 발생한 사건이며 원인 및 영향, 결과가 매우 유사하다.
9.1.1. 4급 암모늄염 문제
현지 일본에서는 줄여서 '4급염' 정도로 부르는 것이 일반적이다. 대략 1987년 정도부터 제조가 시작된, 4급 암모늄염 화합물을 사용한 로우 ESR 전해 콘덴서들이 시장에 출하된 뒤 4~5년만에 전해액이 누출되고 기판을 부식시켜 고장을 일으킨 사건들을 말한다.당시 상황 및 4급 암모늄염 문제에 대해 자세히 분석하고 있는 EDN Japan 기사
대상 시기는 1987~2000년 경으로, 지금도 인기가 높은 일본의 레트로 전자제품들이 대거 등장했던 시기와 일치하기 때문에 이러한 레트로 제품들의 수리/유지보수에 있어서는 피해갈 수 없는 문제이다.
9.1.2. 대만제 불량 전해액 문제
2000년 초 일본이 주도하던 세계 커패시터 업계에 대만 신규 업체들이 대거 등장하며 경쟁이 격화되었고, 이들이 제조한 수명이 짧은 저가, 저질 또는 가짜 알루미늄 전해 커패시터들이 전자 업계에 크게 범람하였다. 이 대만산 불량 전해 커패시터들은 기성 일본제에 비해 값이 싸서 수 많은 PC 메인보드나 각종 전자제품들에 쓰였지만, 수명이 짧아 조기에 제품의 고장을 유발해 전 세계의 전자산업 전체가 큰 영향을 받은 커패시터 역병 사태(Capacitor Plague)를 일으키기도 했다.원인으로는 잘못된 전해액 조성이 지적되고 있는데, 구체적으로는 에틸렌글리콜과 물을 주 성분으로 한 전해액을 사용하였기 때문에 수분이 알루미늄과 반응하여 수산화알루미늄으로 변화해 버리고 누출을 일으킨 것이 원인이다. 전해액의 성분이 원인이 되어 누출을 일으켰다는 것은 4급염 문제와 같으나 원인이 된 전해액의 성분은 다르다는 것이 차이점.
그 당시는 웬만한 전자제품이 켜지지 않거나 뭐라도 고장이 났다 하면 뚜껑을 열어보지 않아도 이들 대만산 전해 커패시터들이 문제를 일으켰다고 볼 정도로 심각한 문제였다.
9.1.3. 알루미늄 전해 커패시터
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가장 흔히 볼 수 있는 전해 커패시터 중 하나. PC에 사용되는 메인보드부터 시작하여 오만가지 전자기기들에 들어가는 매우 흔한 유형의 전해 커패시터이다. 위 사진의 윗단은 스루홀 방식의 알루미늄 전해 커패시터이며, 사진의 아랫단은 표면 실장 방식의 알루미늄 전해 커패시터이다.
품질에 따라 수명, 전기적 특성에 차이가 나기 때문에 일부는 일본제 전해 커패시터가 장착된 고급형 메인보드를 고집한다고 한다. 커패시터가 많이 사용되던 아날로그 시대에 일본 기업들[14]이 이 전해 커패시터를 매우 월등히 잘 만들었던지라 일본 기업들의 브랜드 가치가 높으나, 한국 기업인 삼화콘덴서, 삼영전자의 커패시터 품질도 일본 기업과 거의 대등한 편이다. 삼영전자 최대주주가 니폰 케미콘이라 일본에 많이 납품한다.[15]
일정 크기 이상의 알루미늄 콘덴서는 윗부분에 십자 혹은 Y자 모양으로 홈이 파여있는데, 이는 일종의 안전장치로, 전해액이 기화될 때 이 기체가 상대적으로 약한 윗부분 홈을 파손시키고 배출되도록 설계된 것이라고 한다. 만일 이러한 홈이 없으면 압력이 쌓여 강한 폭발이 일어날 위험이 있다.# 역극성으로 연결하면 절연체 역할을 하는 알루미늄 산화막이 파괴되어 소자가 손상된다.
9.1.3.1. 고압 알루미늄 전해 커패시터
높은 내압을 가진 전해 커패시터로 보통 [math(200{\text -} 450\,{\rm V})]의 내압을 가진다. 최대 [math(600\,{\rm V})]에서 사용 가능한 제품도 있으며, 음료수 캔보다도 큰 크기를 가진 수천 [math(\mu\mathrm{F})] 이상의 고용량 제품도 있다. SMPS의 전원 입력부 정류회로나 일회용 카메라의 플래시 회로 등에 사용된다.9.1.3.2. 무극성 알루미늄 전해 커패시터
극성 구분이 없어 반대 방향으로도 전압을 가할 수 있는 전해 커패시터이다. DC bias 없이 교류전류를 통과시킬 수 있으며, 주로 오디오 회로에 사용된다. 특이하게도 극성 구분이 없음에도 불구하고 다른 무극성 커패시터들과 달리 한쪽 다리가 더 길다.9.1.4. 폴리머 전해 커패시터
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9.1.5. 고체 탄탈럼 전해 커패시터
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9.1.6. 고체 나이오븀 전해 커패시
희소 광물이자 분쟁광물인 탄탈럼을 나이오븀으로 대체한 커패시터이다. 외형은 탄탈럼 커패시터와 동일하다. 탄탈럼 커패시터에 비해 흔치 않은 편이다.9.2. 필름 커패시터
Film Capacitor양 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 테스트 기기라던가, 오디오 기기라던가. 단상 교류 유도 모터의 시동 토크를 증가시키려는 용도에 사용된다.
크기가 큰 편이라 웬만하면 안 쓴다. 보통 모양은 직육면체에 다리가 둘 달렸거나 아니면 원통형이다. 과거에 높은 전압 성능 등을 이유로 종이를 절연체로 사용한 커패시터도 존재했지만 수분 흡수 등 특성으로 대부분 필름 커패시터로 대체되었다.
9.2.1. 폴리에스테르 필름 커패시터
Polyester Film Capacitor줄여서 PET 커패시터라고 부른다. 국내에서는 주로 마일러(Mylar) 커패시터, 해외에서는 호스타판(Hostaphan)이라는 명칭으로도 불리나 둘 다 필름 재질의 상표명에서 따온 것으로, 일종의 보통명사가 된 상표에 해당한다. 필름 커패시터 중에는 가장 널리 볼 수 있는 형태로, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 유전체로 사용한 필름 커패시터이다. 특히 오디오 기기에 많이 사용되는 편이다.
과거 1960년대, 1970년대에는 마치 지금의 저항기처럼 폴리에스테르 필름 커패시터의 몸통에 색을 입혀 용량을 표시하기도 했다. 빈티지 오디오 애호가들 사이에서 유명한 뮬라드의 C280 폴리에스테르 필름 커패시터 시리즈[18]가 대표적인 예시이나, 현재는 여타 다른 커패시터들처럼 세자리 숫자로 용량을 표기하는 방식을 많이들 사용하고 있다.
9.2.2. 폴리프로필렌 필름 커패시터
9.2.3. 메탈라이즈드 폴리프로필렌 커패시터
9.2.4. 폴리스티렌 커패시터
스티롤 혹은 스치롤 커패시터라고도 불린다.X등급 안전 필름 커패시터 도 있는데, 220V 전원 노이즈 필터 등 커패시터에 쇼트가 발생할 경우 화재 위험이 있는 회로에 사용된다. 이들은 과전압으로 인해 파손될 경우 매우 낮은 저항값으로 쇼트되어 퓨즈나 차단기가 바로 동작되도록 하거나, 아예 회로에서 끊어지도록 설계된다. 전기 안전과 직결된 부품이므로 Y등급 커패시터와 함께 KC 인증 대상으로 규정되어 있다.
9.3. 세라믹 커패시터
필름 커패시터와 비슷한 구조이나 절연체로 세라믹을 사용한다. 사용되는 세라믹은 Paraelectric (Class 1, 상유전체) 혹은 Ferroelectric (Class 2, 강유전체) 중 한 특성으로 인해 특정 전압 구간 안에서 높은 유전율을 보이고 이를 통해 높은 커패시턴스(또는 전기용량)를 구현한다. 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 커패시턴스가 100 이라면, 3.3볼트에선 90 정도의 커패시턴스를 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[19]에 비례해서 고전압 소전류 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.
9.3.1. 적층 세라믹 커패시터
회로기판에 직접 실장되는 형식(SMD)의 세라믹 콘덴서이다. 최근 전자기기들이 고성능화되고 기판이 소형화되면서 수요가 폭증하여 정말 웬만한 기판에서는 전부 발견할 수 있는데 작은 직사각형에 전극이 두개고 백색-황토색-암갈색을 띄고있으면 MLCC일 확률이 크며, 검은색이면 커패시터가 아닌 소형 SMD 저항이나 인덕터일 확률이 크다. SMD 저항기와 달리 표면에 용량값을 표기하지 않기 때문에 용량을 알 수 없을 경우 기판에서 떼낸 후 별도의 계측기로 측정해야 한다. 보통 황토색이지만 용량이 높을수록 어두운 갈색을 띤다. 용량이 매우 낮은 경우(수십~수백 pF) 흰색을 띠기도 한다. 열이나 충격, 혹은 지속적인 스트레스로 인해 내부 세라믹이 깨져 쇼트가 발생하는 일도 있다. 일반 세라믹 커패시터보다 용량을 높일 수 있어 [math(10\,\mu\rm F)] 이상의 용량을 가지는 경우도 있으며, 스루홀 방식으로 생산되는 제품도 있다.9.3.2. 어레이 적층 세라믹 커패시터
동일한 세라믹 커패시터 여러개를 하나로 패키징한 부품이다.9.3.3. 고압 세라믹 커패시터
수백 볼트 이상의 높은 한계 전압을 가진 세라믹 커패시터이다. 수천~수만 볼트 이상에서 사용 가능한 고전압용 커패시터도 있으며, 라디오 송신소 등 고주파 고전압이 필요한 장소에서는 원판형으로 된 대형 고압 세라믹 커패시터를 사용하기도 한다.Y등급 안전 세라믹 커패시터라는 물건도 있는데, SMPS 등 감전 위험이 있는 전압이 흐르는 회로와 사용자가 접촉할 수 있는 저전압 회로가 공존하는 회로에서 노이즈 제거를 위해 사용된다. 이러한 장소에 사용되는 커패시터는 고장으로 인해 단락(쇼트)될 경우 감전 사고의 위험이 있으므로 특별히 안전해야 한다. Y등급 커패시터는 과전압 등으로 파괴될 경우 쇼트가 발생하는 대신 회로에서 끊어지도록 설계된다. 이러한 커패시터의 표면을 자세히 보면 커패시터의 용량 표기뿐 아니라 KC 인증을 비롯한 각종 안전 인증 로고들이 표기되어 있는 것을 확인할 수 있다. Y2 등급은 전원과 접지 사이에, Y1 등급은 가장 안전한 등급으로 전원과 접지 사이 또는 전원과 비접지된 저전압 회로 사이에 사용할 수 있다. 2010년대 후반부터는 전력 전자회로의 소형화 추세에 맞게 SMD 형태의 Y등급 커패시터도 등장하였다. 절연을 위해 일반적인 SMD 세라믹 커패시터보다는 크기가 크며, GaN 충전기 등 내부 공간이 협소한 SMPS에서 찾아볼 수 있다.
9.4. 실버 마이카 커패시터
주재료로 은과 운모를 사용한 커패시터.9.5. 오일 커패시터
이름 그대로 부도체가 기름이다. 일단 기름이란 게 유체니까 펌프나 대류 같은거로 움직일 수 있다는 게 장점이다. 전하판이 뜨거워지면 기름이 열을 흡수하고, 대류로 기름을 히트싱크에 보내서 냉각시켜 다시 넣는 게 가능하다. 비슷하게 기름이 채워진 변압기도 있는데, 이건 전기적 특성 때문이 아니라 이물질 유입 보호 차원 및 냉각 차원에서 쓴다. 보통 고에너지 상용 전기기기 (모터, 변전소, 전동차 등)에서 쓰인다. 실생활에서는 전자레인지의 마그네트론 전원부에 사용된다. IGBT를 활용한 SMPS 전원회로를 가진 전자레인지는 제외. 작동 주파수가 매우 높기 때문에 저용량의 고압 필름 커패시터가 대신 사용된다.9.6. 가변 커패시터
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.
9.6.1. 에어 바리콘
금속으로 제작된 가변 커패시터로 공기를 유전체로 사용한다. 70년대까지는 탁상용 라디오 등에서 주파수 조절 다이얼 등에 많이 쓰였지만 요즘은 보기 힘들다.9.6.2. 폴리 바리콘
플라스틱막과 알루미늄막을 겹쳐서 만든 가변 커패시터로, 다이얼로 주파수 맞추는 모든 라디오는 2015년 이후의 DSP화 이전에는 이 부품을 사용했다. 다만 최근 따라 순수 라디오 수신기 수요감소, 일부 중국산 바리콘(특히 NCE 제품)의 품질 저하 문제, DSP 수신기(디지털 방송 라디오 수신기 포함)의 확산 등으로 수요 전망이 밝지는 않으며, 2030년대이면 사실상 멸종될 전망이다. 1955년에 세계 최초로 폴리바리콘을 개발, 양산한 일본 기업인 미쓰미[20]는 2017년부로 폴리바리콘 생산을 종료했다.9.7. 슈퍼 커패시터
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| 1패럿(1F) 용량의 슈퍼 커패시터 |
#!if (문단 == null) == (앵커 == null)
를#!if 문단 != null & 앵커 == null
의 [[슈퍼 커패시터#s-|]]번 문단을#!if 문단 == null & 앵커 != null
의 [[슈퍼 커패시터#|]] 부분을일명 슈퍼캡. 말 그대로 용량이 매우 큰 커패시터이다. 일반적인 이차 전지와 비교하면 용량은 작지만 충방전 속도가 아주 빠르다는 이점을 가진다. 이러한 특징 때문에 주로 이동수단의 고출력 전원 보조용으로 사용된다.
위의 [math(1\,{\rm F})] 짜리는 기본이고 [math(\bf{3400\,F})] 급도 있다. 이젠 아예 슈퍼가 아닌 울트라커패시터도 있는데, EDLC(전기이중층 커패시터)와 Pseudo 두 가지가 있다. EDLC는 최소 [math(1\,{\rm F})]-최대 [math(3600\,{\rm F})] 등등 다양하게 있고 pseudo는 [math(10\,{\rm kF})]까지 존재한다. 보통 10k되는 것들은 실용이 아니라 실험 용도인 것을 감안해야 하며 LIC(lithium ion capacitor)이거나 hybrid capacitor로 순수 EDLC가 아닐 가능성이 있다.
10. 소음
옛날 카메라 플래시를 사용해 본 사람이라면 카메라가 발광을 위해 전기를 모으면서 내는 "삐~" 소리를 기억할 것이다. 이것이 커패시터에 전기가 모이면서 나는 소리다. 물론 전기 자체가 내는 소리가 아니라 커패시터의 구성부품이 진동하며 내는 소리. 제세동기 역시 커패시터가 들어 있으며, 방전을 위해 전기를 모을 때 특유의 “삐~” 소리가 난다. 의성어로 표현하긴 어렵지만, 처음엔 약간 낮은 소리로 시작해 소리의 진동수가 급격히 증가하며 곧 귀에 안 들리게 된다.ASUS의 노트북 제품군들은[21] 커패시터의 품질이 좋지 않은지 사용 시 삐~ 하는 고주파음을 고질병으로 갖고 있다.
11. 국내 관련 사업 기업
12. 창작물
- 창작물에 나오는 커패시터 중에는 영화 백 투 더 퓨처 시리즈에 나오는 타임머신의 핵심 부품인 "플럭스 커패시터"가 유명하다. 시간여행을 가능하게 하는 중요 부품으로, [math(1.21\,\bf{GW})]라는 엄청난 양의 전기를 필요로 하기 때문에 플루토늄이나 번개, 핵융합 등으로 축전해야 했다. 백 투 더 퓨처 1편의 이야기가 동력에 필요한 여분의 플루토늄을 챙기지 않은 채 타임머신으로 과거에 가게 되면서 이를 대체할 수단을 찾는 게 줄거리다.
[1] 후술하겠지만 콘덴서(Condensor)라는 단어를 사용하는 경우도 있다.[2] 허수단위 [math(i \triangleq \sqrt{-1})]가 아니다! 전자기학에서 허수단위가 필요할 경우 [math(i)] 대신 [math(j)]를 쓴다.[3] 다만, 현실에서는 모서리 효과로 인해 생긴다.[4] 이를 이용해서 참외를 폭발시키는 영상이 있다.[5] 사제폭발물(IED)를 만들 때 축전지를 쇼트시킨 후 내부 화학물질과 폭발시키는 경우도 있다. 물론 최근에서는 배터리가 대중화되고, 점화플러그 등을 이용한 폭발이 대중화되었기에 잘 사용되진 않는다.[6] 즉, 양쪽에서 똑같은 힘으로 밀기 때문에 어느 쪽으로도 움직이지 않는다[7] 이 상태를 정상상태라고 한다.[8] 굳이 트랜지스터까지는 필요없다. 저항이랑 콘덴서만 있다면 비안정 멀티바이브레이터로 더 쉽게 회로를 구성할 수 있다.[9] Equivalent Series Resistance. 말 그대로 커패시터에 전류를 흘릴 때 내부에서 생기는 전압 강하의 정도를 나타낸다. 이것이 크면 내부 전압 강하가 커져 Quality Factor 가 낮아지고 추가적인 에너지 손실이 발생한다.[10] 높은 교류 전류를 흘리면 문제지만, DC-DC 컨버터 등에서는 오히려 ESR이 너무 낮거나 높으면 안정성이 떨어지는 문제가 있다.[11] 다만 커패시터 한두 개가 고장나서 제품 전체를 맛 가게 하는 경향은 SMD 타입 MLCC가 훨씬 심하다. 전해 커패시터는 특성상 고장날 때 대부분 그대로 열려버리지, 쇼트를 일으키지는 않기 때문.[12] 아래에도 나올 내용이나, 몇몇 전해 커패시터들을 보면 위쪽에 약하게 칼집이 나있는데, 이게 커패시터의 내부 압력이 일정 이상이 되면 폭발하기 전에 기화된 전해액을 그 쪽으로 뿜어버리라고 만들어놓은 것이다. 당연히 압력이 한계에 봉착하여 폭발하는 것보단 그냥 푸슉 하고 전해액 연기만 뿜고 마는게 백배 천배 나으므로...[13] 해외에서는 이러한 행위를 리캡(Recap)이라고 부른다.[14] 니치콘, 마츠시타 등[15] 여담으로 같은 회사 제품이라면 85도 짜리보다는 105도 짜리가 더 수명이 길다.[16] 사실 부품 자체의 신뢰성 이전에 이미 듀오 자체가 오래된 기기이므로 현재 시점에서 봤을 때 커패시터에 문제가 생기는 것은 어느 정도 어쩔 수 없는 일이기도 하다.[17] 오래된 전자기기에 전원을 넣었을 때 탄탈럼 커패시터가 폭발하는 경우가 종종 있다. 빈티지 컴퓨터를 취미로 모으거나 한다면 한번쯤은 경험할 수 있다.[18] 특유의 알록달록한 외관이 마치 열대어같다 하여 트로피컬 피쉬(Tropical Fish) 커패시터라는 애칭을 가지고 있다.[19] 정확히는 전기장 세기. 커패시턴스 × 전압량이랑 비례한다.[20] 폐업한 것은 아니고 폴리바리콘 생산만 중단. 같은 해에 베어링 업체에 인수[21] ROG, TUF같은 게이밍 노트북뿐만 아니라 젠북, 비보북같은 사무용 노트북들도 마찬가지다.