하나의 기사로 필름 커패시터 이해하기: 재료부터 구조까지 핵심 지식

I. 핵심소재 : 유전체박막

유전체 필름은 “마음” ~의 필름 콘덴서 , 커패시터의 기본 성능의 상한을 직접 결정합니다. 그들은 주로 두 가지 범주로 나뉩니다.

1. 전통적인(비극성)박막

폴리프로필렌(PP, BOPP):

• 성능 특성: 매우 낮은 손실(DF ~0.02%), 안정적인 유전 상수, 우수한 온도 및 주파수 특성, 높은 절연 저항. 현재 전반적인 성능과 가장 광범위한 적용 범위를 갖춘 박막 소재입니다.
• 신청: 인버터, 스위칭 전원 공급 장치, 공진 회로 및 고급 오디오 크로스오버와 같은 고주파수, 고전류 및 고전류 애플리케이션.

폴리에스테르(PET):

• 성능 특성: 높은 유전 상수(~3.3), 저렴한 가격, 우수한 기계적 강도. 그러나 상대적으로 손실이 크고(DF ~0.5%) 온도 및 주파수 특성이 좋지 않습니다.
• 신청: 가전 제품, 일반 DC 차단 및 바이패스와 같이 용량 대 볼륨 비율에 대한 요구 사항은 있지만 손실 및 안정성에 대한 요구 사항은 높지 않은 DC 및 저주파 애플리케이션.

폴리페닐렌 설파이드(PPS):

• 성능 특성: 높은 내열성(최대 125°C 이상), 치수 안정성 및 PET보다 손실이 적습니다. 그러나 비용은 더 높습니다.
• 신청: 자동차 전자 장치, 고온 표면 실장 장치(SMD), 정밀 필터.

폴리이미드(PI):

• 성능 특성: 고온 저항(최대 250°C 이상)의 왕이지만 가격이 비싸고 가공이 어렵습니다.
• 신청: 항공우주, 군사, 고온 환경.

2. 새로운 (극)박막 - 고온 및 고에너지 밀도를 나타냄

폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN):

• 성능은 PET와 PPS의 중간 수준이며, 내열성은 PET보다 우수합니다.

폴리벤족사졸(PBO):

• 초고내열성과 초고유전율을 지닌 이 소재는 미래 전기차 구동용 필름 커패시터용 소재로 유력하다.

불소중합체(예: PTFE, FEP):

• 고주파 특성을 가지며 손실이 매우 적지만 가공이 어렵고 가격이 높기 때문에 특수한 고주파 마이크로파 회로에 사용됩니다.

재료 선택의 핵심 장단점:

• 유전 상수(εr): 체적 효율(동일한 정전 용량을 달성하는 데 필요한 체적)에 영향을 미칩니다.
• 손실 탄젠트(tanδ/DF): 효율, 발열, Q값에 영향을 줍니다.
• 유전체 강도: 내전압에 영향을 미칩니다.
• 온도 특성: 작동 온도 범위와 용량 안정성에 영향을 미칩니다.
• 비용 및 가공성: 상용화에 미치는 영향.

II. 핵심 구조: 금속화 기술 및 전극

박막 커패시터의 본질은 얇은 필름 위에 전극을 어떻게 쌓느냐에 있으며, 이를 통해 다양한 특성을 지닌 제품이 탄생하게 된다.

1. 전극 종류

금속 호일 전극:

• 구조: 금속 호일(보통 알루미늄 또는 아연)을 직접 적층하고 플라스틱 필름으로 감습니다.
• 장점: 높은 전류(낮은 전극 저항)를 전달하는 강력한 능력, 우수한 과전압/과전류 내성.
• 단점: 크기가 크고 자가 치유 능력이 없습니다.

금속화 전극(주류 기술):

• 구조: 고진공 하에서 금속(알루미늄, 아연 또는 그 합금)이 원자 형태로 박막 표면에 기화되어 두께가 수십 나노미터에 불과한 극히 얇은 금속층을 형성합니다.
• 장점: 크기는 작고 비체적은 높으며 "자가 치유" 능력이 있습니다. 유전체의 일부가 파손되면 파손점에서 순간적으로 발생하는 고전류에 의해 주변의 얇은 금속층이 기화·증발되어 결함을 격리하고 커패시터의 성능을 회복시킨다.

2. 금속화 전극 핵심 기술(신뢰성 향상)

가장자리를 남기고 가장자리를 두껍게 하기:

• 가장자리 떠나기: 증착 시 필름 가장자리에 공백 영역을 남겨 권취 후 가장자리 접촉으로 인해 두 전극이 단락되는 것을 방지합니다.
• 두꺼운 모서리(현재 퓨즈 기술): 전극 접촉면(금도금 표면)의 금속층은 두꺼워진 반면, 중앙 활성 영역의 금속층은 극도로 얇게 유지됩니다. 이는 접촉 표면의 낮은 접촉 저항을 보장하고 자가 치유에 필요한 에너지를 줄여 보다 안전하고 신뢰성을 높여줍니다.

분할 전극 기술:

• 메쉬/줄무늬 분할: 증착된 전극을 여러 개의 작은 상호 절연 영역(예: 낚시 그물 또는 줄무늬)으로 나눕니다.
• 장점: 잠재적인 자가 치유를 국지화하여 자가 치유 에너지와 면적을 크게 제한하고, 대면적 자가 치유로 인한 정전용량 손실을 방지하고, 커패시터의 내구성과 안전성을 크게 향상시킵니다. 이는 고전압, 고전력 커패시터의 표준 기술입니다.

III. 구조 설계: 권선 및 적층

1. 권선방식

과정: 두 개 이상의 금속화된 얇은 필름 층이 롤과 같은 원통형 코어로 감겨 있습니다.

유형:

• 유도 권선: 전극은 코어의 양쪽 끝에서 인출되므로 상대적으로 큰 인덕턴스가 발생합니다.
• 비유도 권선: 전극은 코어의 단면 전체에서 연장됩니다(금속 단면은 금 분사 공정으로 형성됨). 전류 경로가 평행하고 인덕턴스가 매우 낮아 고주파, 고펄스 애플리케이션에 적합합니다.

장점:

• 성숙한 기술, 넓은 용량 범위 및 제조가 용이합니다.

단점:

• 평평한 모양이 아니므로 일부 PCB 레이아웃에서는 공간 효율성이 낮아질 수 있습니다.

2. 적층형(단일형)

과정: 전극이 미리 증착된 박막을 평행하게 적층한 후 연결 공정을 통해 전극을 교대로 인출해 '샌드위치' 다층 구조를 형성한다.

장점:

• 매우 낮은 인덕턴스(최소 ESL)로 초고주파 애플리케이션에 적합합니다.
• 고밀도 SMT 배치에 적합한 일반 모양(정사각형/직사각형)입니다.
• 더 나은 열 방출.

단점:

• 공정이 복잡하고, 대용량/고전압 구현이 어렵고, 비용도 상대적으로 높다.

신청:

• 고주파 무선 주파수 회로, 디커플링, 마이크로파 애플리케이션.

IV. 결론: 재료와 구조의 시너지 효과

필름 커패시터의 성능은 재료 특성과 구조 설계 간의 정확한 시너지 효과의 결과입니다.

미래 개발 동향:

재료 혁신: 더 높은 온도(>150°C)와 더 높은 에너지 저장 밀도(높은 εr, 높은 Eb)를 갖춘 새로운 폴리머 필름을 개발합니다.

세련된 구조: 증기 증착 패턴(나노규모 분할)을 더욱 정밀하게 제어하면 자가 치유 제어 및 성능이 향상됩니다.

통합 및 모듈화: 인덕터, 저항기 등이 포함된 여러 커패시터를 단일 모듈로 통합하여 전력 전자 시스템을 위한 전체적인 솔루션을 제공합니다.