적층 세라믹 콘덴서란?
적층 세라믹 콘덴서는 MLCC(Multi -Layer Ceramic Capacitor)라고도 불리며, 내부 전극과 유전체층이 다층으로 적층된 칩 부품 타입의 커패시터입니다. 소형화, 대용량화가 진행되고 있는 커패시터 산업에서 더욱 발전이 기대되는 제품입니다.
유전체로는 주로 티탄산 바륨이나 산화티타늄 등이 이용되며, 내부 전극과 유전체가 여러 층으로 형성되어 있습니다. 적층 수를 늘리면 커패시턴스를 크게 할 수 있어 MLCC의 소형화가 가능하다.
최근 MLCC의 주류 크기는 0603(0.6×0.3mm)과 0402(0.4×0.2mm)이다. 일부 용량 값의 경우 차세대 0201 사이즈도 이미 실현되었지만, 취급의 어려움으로 인해 아직 시장에서 널리 보급되지는 않았다.
적층 세라믹 콘덴서는 칩형과 방사형 커패시터가 있다. 다른 커패시터에 비해 고주파 임피던스, ESR(등가 직렬 저항)이 낮고 고주파 특성이 좋은 특징이 있다.
적층 세라믹 콘덴서의 종류
적층 세라믹 콘덴서는 다양한 특성을 가진 제품들이 제품화되어 있으며, 용도에 따라 크기(사이즈), 내전압, 온도 특성 등을 고려하여 채용할 품종을 결정해야 합니다. 적층 세라믹 커패시터는 특성면에서 크게 Class1, Class2의 2종류로 분류됩니다.
1. Class1
Class1은 온도 보상형이라고도 불리며, ESR이 매우 작고 커패시턴스의 온도 변화가 적고 변화도 선형적이기 때문에 비교적 쉽게 보정할 수 있습니다.
그러나 커패시턴스는 1pF~1μF 정도로 작은 것이 주류를 이룬다. 주로 발진 회로나 시차 회로 등 커패시턴스 변화가 바람직하지 않은 용도에 사용됩니다.
2. Class2
Class2는 강유전체형이라고도 불리며, 티타늄산 바륨을 주원료로 하여 작은 크기에서도 100μF 정도의 큰 정전 용량을 얻을 수 있습니다. 그러나 ESR이 크고, 커패시턴스의 온도 변동이 크며, DC 바이어스가 가해지면 실질적인 커패시턴스가 저하되는 등 사용 시 유의해야 할 사항이 많습니다.
따라서 Class2 적층 세라믹 커패시터를 채용하는 경우, 그 특성을 고려한 회로 설계가 필수적입니다. 주요 용도로는 전원 평활용, 디커플링 커패시터 등 커패시턴스가 다소 변화해도 영향이 적은 회로에 주로 사용됩니다.
적층 세라믹 콘덴서의 사용 용도
적층 세라믹 콘덴서는 층 수에 따라 성능을 선택할 수 있고, 라인업이 다양해 활용 범위가 넓습니다. 적층 세라믹 콘덴서는 디커플링, 커플링, 평활회로, DC/DC 컨버터의 평활용, 컴퓨터 전원, 노이즈 제거용으로 휴대폰, TV, 산업기기에 탑재되고 있습니다.
차량용은 수명이 길고 고장이 잘 나지 않는 것이 선택된다. 산업기기용으로는 고용량, 소형이 많이 사용되고 있으며 최근에는 다른 커패시터로 대체되는 추세다.
현재 주류 적층 세라믹 콘덴서의 크기는 1.0×0.5×0.5×0.5mm의 1005 사이즈나 0.6×0.3×0.3mm의 0603 사이즈로 상당히 작지만, 향후 시장에서 이미 사용되기 시작한 0402 사이즈 및 차세대 0201 사이즈와 같은 초소형 커패시터가 주류가 될 것으로 예상됩니다.
적층 세라믹 콘덴서의 원리
콘덴서의 콘덴서스 C는 유전체의 유전율 ε 및 전극 면적 S에 비례하고, 전극 간 거리 d에 반비례한다. 또한, 커패시터끼리 병렬로 연결하면 전체 커패시터의 커패시턴스는 각 커패시터의 커패시턴스를 합한 값과 같아집니다.
따라서 콘덴서의 콘덴서스를 높이기 위해서는 유전율이 높은 유전체를 사용하고, 전극 면적을 늘려 전극판 사이의 거리를 최대한 좁히는 것이 포인트입니다. 적층형 세라믹 커패시터는 매우 얇은 전극판을 여러 층으로 쌓아 올린 구조로, 전극판 간 거리가 가까운 커패시터를 많이 병렬로 연결한 것으로 볼 수 있습니다.
즉, 적층수 N은 콘덴서의 콘덴서스 C에 비례합니다. 따라서 적층수 N으로 용량을 크게 함으로써 적층 세라믹 커패시터는 소형화와 고용량화를 동시에 달성할 수 있습니다.
또한, 유전체에는 유전율이 매우 높은 바륨 티타네이트가 주로 사용되지만, 그 성능은 조만간 한계에 도달할 것으로 예상됩니다. 따라서 보다 우수한 유전율을 가지면서도 피로도가 낮은 소재의 개발이 기대되고 있습니다.
적층 세라믹 커패시터의 구조
전극에는 니켈, 유전체에는 주로 바륨 티타네이트가 사용됩니다. 시트 형태의 유전체에 내부 전극이 되는 니켈 페이스트를 도포하고, 그 시트를 여러 장 겹쳐서 압력을 가해 성형합니다.
이후 작게 잘라 1000℃ 정도에서 소결하고 외부 전극을 부착하면 적층형 세라믹 커패시터가 됩니다. 내부 전극이 외부 전극과 좌우로 번갈아 연결되도록 함으로써 층이 병렬로 접합된 것과 같은 상태가 됩니다.
시트 형태로 제작되기 시작하면서 효율성이 높아졌고, 소형화, 박형화가 한층 더 진화했다. 층의 수는 많게는 1000층에 이르는 것도 있습니다. 유전체에 주로 산화티타늄을 사용한 저유전율계와 티탄산 바륨을 사용한 고유전율계로 분류됩니다.
또한 커패시턴스 변화율과 온도 범위에 따라 Class1과 Class2로 분류되며, Class1은 온도 보상용, 저용량으로 신호 회로 등에 사용되며, Class2는 고유전율로 온도 계수가 커서 전원 디커플링 및 평활 회로용으로 활용됩니다.
적층 세라믹 커패시터의 기타 정보
1. 적층 세라믹 커패시터의 특징
적층 세라믹 커패시터는 온도에 따라 커패시턴스가 변동합니다. 따라서 적층 세라믹 커패시터를 선택할 때는 용량과 정격 전압뿐만 아니라 사용 환경의 온도도 고려해야 합니다.
적층 세라믹 커패시터는 전극에 니켈, 구리 등의 금속을 사용하기 때문에 등가 직렬 저항(ESR)이 낮은 것이 특징입니다. 또한 적층 세라믹 커패시터는 구조상 기생 인덕턴스(ESL)가 작아 고주파에서 사용하기에 적합하다는 특징이 있습니다.
즉, 이러한 ESR과 ESL이 작은 특징을 살려 높은 Q값을 갖는 공진 회로나 저손실 정합 회로를 형성할 수 있어, 전원부의 디커플링 용도나 노이즈 대책 용도와 함께 MLCC는 고주파 회로 제품 분야에서 없어서는 안 될 부품 중 하나입니다.
전극판의 층수를 변경하여 소용량부터 대용량까지 자유자재로 제어할 수 있습니다. 따라서 제품으로서의 적층 세라믹 커패시터는 준비된 라인업의 커패시턴스 범위가 매우 넓은 것도 특징 중 하나라고 할 수 있습니다.
2. 대용량화의 기본 기술
커패시터의 커패시턴스는 내부 전극판의 면적에 비례하여 커집니다. 적층 세라믹 커패시터의 크기를 바꾸지 않고 대용량화를 실현하기 위해서는 가능한 한 많은 전극층을 쌓아 올리는 것이 중요합니다.
일반적으로 소형화 및 대용량을 실현하기 위해서는 밀리미터 이하의 두께로 형성된 전극을 적층해야 하기 때문에 전극층의 박막화가 필수적인 기술입니다. 전극층 박막화는 유전체 원료인 산화바륨의 조정과 페이스트 형태의 내부 전극을 시트로 만들기 위한 인쇄기술이 중요합니다.
유전체는 산화바륨에 첨가제를 첨가하여 시트 형태로 인쇄한 후 소결하여 형성된 그레인이라는 미립자가 그 역할을 담당합니다. 박막화된 유전체가 충분히 기능하기 위해서는 그레인의 미세구조를 어떻게 설계하느냐가 중요합니다.
또한, 페이스트 위에 내부 전극을 얇게 인쇄하기 위해 실크스크린에서 사용되는 것과 같은 스크린 인쇄 기술이 사용됩니다. 미세 기공에서 페이스트를 압출하여 균일한 내부 전극의 얇은 층을 형성할 수 있습니다.
3. 적층 세라믹 커패시터 점유율
전자기기 세계에서 적층 세라믹 커패시터는 이제 산업의 쌀이라고 불릴 정도로 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, TV 수상기 1대당 200~300개, 스마트폰에는 1대당 1,000개 정도의 적층 세라믹 커패시터가 사용됩니다.
또한, 전기자동차의 경우 1대당 15,000개 이상입니다. 이 적층세라믹 생산에서 일본 기업이 많은 점유율을 차지하고 있습니다. 조금 오래된 데이터이지만, 2017년 금액 기준 점유율 상위 4개사는 다음과 같으며, 일본 기업 3사가 세계 시장 점유율의 대부분을 차지하고 있습니다.
무라타제작소: 33.9% (2020년에는 40% 이상)
삼성전기: 18.1%, 삼성물산: 18.1
타이요유덴: 10.3
TDK: 8.4
특히 자동차에서는 고성능 적층 세라믹 커패시터가 요구되는데, 무라타제작소와 TDK가 세계 시장을 독점하고 있습니다. 적층 세라믹 커패시터는 5G 세대 스마트폰이 보급되는 2021년 이후 사용량이 더욱 늘어날 것으로 예상되어 당분간 품귀현상이 지속될 것으로 보입니다.