탄탈 콘덴서란?
탄탈 콘덴서는 전해 콘덴서의 일종으로, 유전체에 탄탈륨 산화물을 사용한 콘덴서입니다.
전해 커패시터란 알루미늄이나 탄탈륨 등의 산화막을 유전체로 사용한 커패시터를 말합니다. 일반적인 특징으로는 ‘커패시턴스가 큰 것’과 ‘전압의 극성이 있는 것’을 들 수 있는데, 탄탈륨 커패시터는 희소금속인 탄탈륨의 표면을 산화시켜 오산화탄탈륨(Ta2O5)을 형성하고 이를 유전체로 삼은 것입니다.
탄탈 콘덴서는 알루미늄 전해 콘덴서보다 크기가 작고 수명이 길며, 온도 변화에 강하고 주파수 특성이 좋은 특징이 있다. 반면 주재료인 탄탈륨은 매우 고가이기 때문에 커패시터로서는 상대적으로 가격이 높습니다.
또한 파손 시 전극 간 단락의 위험이 있습니다. 따라서 적절한 사용법을 지키는 것이 중요합니다.
탄탈 콘덴서의 사용 용도
탄탈 콘덴서의 용도는 매우 광범위하여 휴대폰, 컴퓨터, 게임기, 내비게이션, 오디오 기기 등 모든 전자기기에 사용되고 있습니다. 알루미늄 커패시터에 비해 고주파 특성 및 온도 특성이 우수하여 높은 주파수에서 전류를 ON-OFF하는 스위칭 전원의 평활 회로에 사용됩니다.
또한, 전원 회로의 스파이크 노이즈를 흡수하는 디커플링 커패시터도 최적의 용도 중 하나입니다. 또한, 백업 커패시터로서 일시적으로 전원을 유지하기 위한 용도로도 사용됩니다.
최근에는 소형화가 진행되어 0.5mm 높이의 제품도 등장하여 휴대폰, PC 등의 소형화에 기여하고 있습니다.
탄탈 콘덴서의 원리
탄탈 콘덴서는 음극, 유전체, 음극의 세 가지로 구성되어 있습니다.
1. 양극
재료는 탄탈륨으로 소결된 금속 막대를 통해 전극에 연결됩니다.
2. 유전체
양극의 탄탈륨을 산화시킨 오산화탄탈륨 박막이 유전체가 됩니다. 오산화탄탈륨과 음극 사이에는 일종의 다이오드가 형성되어 역방향 바이어스가 유지되는 상태에서는 정전 용량을 갖지만, 순방향으로 전압이 인가되면 큰 전류가 흐르게 됩니다.
이것이 탄탈 콘덴서에 극성이 있는 이유입니다. 또한, 오산화탄탈륨의 층은 매우 얇기 때문에 커패시턴스를 크게 할 수 있습니다.
3. 음극
음극 재료로는 이산화망간 또는 전도성 고분자가 사용되어 전극과 전극 사이의 전도를 보장합니다. 전도성 고분자는 이산화망간보다 저항값이 작아 ESR 특성이 우수합니다.
또한 음극과 전극 사이에 은이나 흑연 등 통전용 금속을 끼워 넣어 저항을 낮추기 위해 노력하고 있습니다. 알루미늄 전해 커패시터는 전해액을 사용하는데, 전해액이 서서히 증발해 수명이 상대적으로 짧다는 단점이 있습니다. 반면, 탄탈륨 커패시터는 모두 고체 물질로 구성되어 있어 수명이 길다는 장점이 있습니다.
탄탈 콘덴서의 기타 정보
1. 사용상의 주의 사항
탄탈 콘덴서가 고장나는 주요 원인은 콘덴서의 유전체가 국부적으로 단락된 상태이기 때문입니다. 전원 라인과 같은 저임피던스 회로에 연결되면 큰 전류가 단락된 부분에 집중되어 발열이 발생하여 발화될 수 있습니다.
탄탈륨 커패시터가 한번 발화하면 화염을 내며 계속 연소하여 소손됩니다. 이 때문에 고신뢰성이 요구되는 기기나 상시 통전되는 설비를 제조하는 업체 중에는 탄탈 콘덴서 사용을 전면 금지하는 곳도 많습니다. 배터리를 전원으로 하는 휴대용 기기에서도 탄탈 콘덴서의 소손이 보고되고 있으므로, 사용 시에는 충분한 주의와 회로 검증이 필요합니다.
일반적인 대책으로는 ‘어떠한 경우에도 역전압을 인가하지 않는 것’과 ‘커패시터에 걸리는 전압에 대해 충분한 여유가 있는 정격 전압의 커패시터를 선정하는 것’의 두 가지를 들 수 있습니다. 특히 전원 회로에 채용하는 경우에는 그 전원 전압의 2배 이상, 가능하면 3배 이상의 정격 전압의 탄탈 콘덴서를 채용하는 것이 바람직합니다.
또한, 유입되는 리플 전류가 큰 경우 커패시터 내부의 발열로 인해 열화가 진행될 수 있으므로 방열에 유리한 대형 패키지를 선정하는 것도 효과적입니다.
2. 탄탈 콘덴서의 극성 표시
탄탈 콘덴서는 유극성이며, 극성을 잘못 지정하면 큰 전류가 흐르고 최악의 경우 발화할 수 있습니다. 따라서 전극의 극성 표시를 이해해야 합니다.
탄탈 콘덴서는 그 구조에 따라 칩형, 금속 케이스 밀폐형, 수지 딥형 등 3가지로 분류할 수 있는데, 이들 탄탈 콘덴서의 극성은 다음과 같이 표기합니다.
칩형
검은색 몰드 케이스 상면에 정전 용량 및 정격 전압과 함께 흰색 띠가 인쇄되어 있는데, 이 띠의 아래쪽 전극이 양극이 됩니다.
금속 케이스 밀폐형
고신뢰성이 요구되는 용도를 위한 것으로, 둥근 원통형 표면에 커패시턴스, 정격전압 등과 함께 + 기호가 인쇄되어 있습니다. 그 + 기호 쪽의 리드선이 양극입니다.
수지 딥 타입
수직형 구조이지만, 수지 표면에 정전용량, 정격 전압과 함께 + 기호가 표기되어 있습니다. +기호가 가까운 쪽의 리드선이 양극입니다. 또한, 리드선 길이가 불균등하고 음극 쪽의 리드선이 짧습니다.
또한, 같은 양극성인 알루미늄 전해 커패시터는 음극 쪽에 표시가 있으며, 탄탈 콘덴서와는 표시 방법이 다릅니다. 알루미늄 전해 커패시터에서 탄탈 콘덴서로 교체할 때는 극성을 잘못 선택하지 않도록 주의해야 합니다.