전해 축전기

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1. 개요
2. 기본 정보
3. 종류 및 특징
- 3.1. 전기적 매개변수 비교
- 3.2. 알루미늄 및 탄탈륨 전해 축전기의 형태
4. 역사
5. 전기적 특성
6. 작동 특성
7. 추가 정보
참조

1. 개요

전해 축전기는 알루미늄, 탄탈륨, 나이오븀 등의 금속을 양극으로 사용하고, 비고체 또는 고체 전해질을 사용하여 전기 에너지를 저장하는 축전기이다. 구성 재료에 따라 다양한 종류가 있으며, 각기 다른 특성을 가진다. 1896년 카롤 폴락이 알루미늄 양극의 산화막이 전원이 꺼져도 안정적으로 유지된다는 것을 발견하면서 전해 축전기 개발이 시작되었다. 이후 여러 기술 발전을 거쳐 현재는 전자 제품에 널리 사용되며, 신뢰성, 수명, 고장 모드 등 다양한 작동 특성을 고려하여 적용된다.

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전해 축전기

2. 기본 정보

2. 1. 전해 축전기의 종류

전해 축전기는 구성 성분에 따라 알루미늄, 탄탈륨, 나이오븀 축전기로 분류할 수 있다. 이 세 종류의 축전기는 양극 재질과 전해질의 조합에 따라 여러 가지 종류가 존재한다.

사용된 양극 금속의 특성과 사용된 전해질에 따라 다양한 전해 축전기가 존재한다.

전해 축전기는 양극 재료와 사용되는 전해질의 조합에 따라 다양한 특성을 가진다. 비고체, 또는 "습식" 알루미늄 전해 축전기는 다른 모든 기존 축전기 중에서 가장 저렴하며, 디커플링 및 버퍼링 목적으로 높은 정전 용량 또는 전압 값에 대한 솔루션을 제공할 뿐만 아니라 낮은 저항 충전 및 방전, 저에너지 과도 현상에도 둔감하다. 표면 실장형 칩 축전기로서 고체 전해질을 갖는 탄탈럼 전해 축전기는 작은 공간을 사용할 수 있거나 낮은 프로파일이 필요한 전자 장치에 주로 사용된다. 니오브 전해 축전기는 니오브의 가용성이 더 높기 때문에 산업용 탄탈럼 전해 축전기와 직접적인 경쟁 관계에 있으며, 그 특성은 비슷하다.

다양한 전해 축전기 유형의 주요 기능 개요
전해 축전기 계열	전해질	정전 용량 범위(μF)	최대 정격 전압(V)	최대 온도(°C)
알루미늄 전해 축전기, 에칭된 호일	비고체, 유기 전해질, 예: GBL, DMF, DMA	0.1:1,000,000	550	105/125/150
	비고체, 예: 붕사, 글리콜	0.1:2,700,000	630	85/105
	비고체, 수성	1:18,000	100	85/105
	고체, 폴리머	10:1,500	25	105
	하이브리드, 폴리머 및 비고체	6.8:1,000	125	105/125
탄탈럼 전해 축전기, 소결된 양극	비고체, 황산	0.1:18,000	630	125/200
	고체, 이산화 망간	0.1:3,300	125	125/150
	고체, 폴리머	10:1,500	25	105
산화 니오브 전해 축전기, 소결된 양극	고체, 이산화 망간	1:1,500	10	105
산화 니오브 전해 축전기, 소결된 양극	고체, 폴리머	4.7:470	16	105

2. 2. 축전 원리

전해 축전기는 다른 축전기와 달리, 두 전극 사이의 유전체 산화물 층 내 전기장에서 전하 분리를 통해 전기 에너지를 정전기적으로 저장한다. 원칙적으로 비고체 또는 고체 전해질은 음극이며, 축전기의 두 번째 전극을 형성한다. 이는 전해질이 일반적으로 두 전극 간의 이온 전도 연결이고 저장 방식이 정적으로 이중층 커패시턴스 및 전기화학적 의사 커패시턴스로 발생하는 전기화학적 축전기 또는 슈퍼커패시터와 구별된다.

2. 3. 기본 재료와 제조 원리

전원 공급 장치로 전압을 가하여 금속 양극에 산화물 층을 형성하는 양극 산화(형성)의 기본 원리

전해 축전기는 일부 특수 금속의 화학적 특징을 이용한다. 과거에는 "밸브 금속"이라고도 불렸다. 이러한 금속은 특정 전해질과 접촉하면 양극 산화를 통해 표면에 매우 얇은 절연 산화물 층이 형성되어 유전체로 작용할 수 있다. 전해 축전기에 사용되는 양극 금속에는 세 가지 종류가 있다.

알루미늄 전해 축전기는 유전체로 산화 알루미늄을 사용하는 고순도 에칭된 알루미늄 호일을 사용한다.
탄탈 전해 축전기는 유전체로 오산화 탄탈륨을 사용하는 고순도 탄탈 분말의 소결 펠릿("슬러그")을 사용한다.
니오브 전해 축전기는 유전체로 오산화 니오브를 사용하는 고순도 니오브 또는 산화 니오브 분말의 소결된 "슬러그"를 사용한다.

단위 부피당 정전 용량을 높이기 위해 모든 양극 재료는 에칭 또는 소결되며, 동일한 면적 또는 동일한 부피의 매끄러운 표면에 비해 훨씬 더 높은 표면적을 갖는 거친 표면 구조를 갖는다. 전해조에서 위에 언급된 양극 재료에 양의 전압을 가하면, 인가된 전압에 해당하는 두께의 산화물 장벽 층이 형성된다(형성). 이 산화물 층은 전해 축전기의 유전체 역할을 한다. 이러한 산화물 층의 특성은 다음 표에 나와 있다.^[1]^[2]

알루미늄, 탄탈륨 및 니오브 전해 축전기의 서로 다른 산화물 층의 특성
양극- 재료	유전체	산화물 구조	상대 유전율	파괴 전압 (V/μm)	전기 층 두께 (nm/V)
알루미늄	산화 알루미늄 Al₂O₃	비정질	9.6	710	1.4
알루미늄	산화 알루미늄 Al₂O₃	결정질	11.6…14.2^[3]	800...1000^[4]	1.25...1.0
탄탈륨	오산화 탄탈륨 Ta₂O₅	비정질	27	625	1.6
니오브 또는 산화 니오브	오산화 니오브 Nb₂O₅	비정질	41	400	2.5

거친 양극 구조에 유전체 산화물을 형성한 후, 거친 절연 산화물 표면에 맞는 음극이 있어야 한다. 이것은 전해 축전기의 음극 전극 역할을 하는 전해질에 의해 수행된다. 다양한 전해질이 사용된다. 일반적으로 "비고체" 및 "고체" 전해질의 두 가지 종류로 구분된다. 움직이는 이온으로 인해 이온 전도도를 갖는 액체 매체인 비고체 전해질은 거친 구조에 쉽게 맞출 수 있다. 이산화 망간의 경우 열분해 또는 전도성 폴리머의 경우 중합과 같은 특수 화학 공정을 통해 전자 전도도를 갖는 고체 전해질이 거친 구조에 맞출 수 있다.

서로 다른 산화물 재료의 유전율을 비교하면 오산화 탄탈륨이 산화 알루미늄보다 약 3배 더 높은 유전율을 갖는다는 것을 알 수 있다. 따라서 주어진 CV 값을 갖는 탄탈 전해 커패시터는 이론적으로 알루미늄 전해 커패시터보다 작다. 실제로는 신뢰할 수 있는 부품을 달성하기 위해 다른 안전 여유가 있어 비교가 어렵다.

양극으로 생성된 절연 산화물 층은 인가된 전압의 극성이 변경되면 파괴된다.

2. 3. 1. 양극 산화

전해 축전기는 일부 특수 금속("밸브 금속")의 화학적 특징을 이용한다. 이러한 금속은 특정 전해질과 접촉하면 양극 산화를 통해 표면에 매우 얇은 절연 산화물 층이 형성되어 유전체로 작용할 수 있다. 전해 축전기에 사용되는 양극 금속에는 세 가지 종류가 있다.

# 알루미늄 전해 축전기는 유전체로 산화 알루미늄을 사용하는 고순도 에칭된 알루미늄 호일을 사용한다.

# 탄탈 전해 축전기는 유전체로 오산화 탄탈륨을 사용하는 고순도 탄탈 분말의 소결 펠릿("슬러그")을 사용한다.

# 니오브 전해 축전기는 유전체로 오산화 니오브를 사용하는 고순도 니오브 또는 산화 니오브 분말의 소결된 "슬러그"를 사용한다.

단위 부피당 정전 용량을 높이기 위해 모든 양극 재료는 에칭 또는 소결되며, 동일한 면적 또는 동일한 부피의 매끄러운 표면에 비해 훨씬 더 높은 표면적을 갖는 거친 표면 구조를 갖는다. 전해조에서 위에 언급된 양극 재료에 양의 전압을 가하면, 인가된 전압에 해당하는 두께의 산화물 장벽 층이 형성된다(형성). 이 산화물 층은 전해 축전기의 유전체 역할을 한다. 이러한 산화물 층의 특성은 다음 표에 나와 있다.^[1]^[2]

알루미늄, 탄탈륨 및 니오브 전해 축전기의 서로 다른 산화물 층의 특성
양극- 재료	유전체	산화물 구조	상대 유전율	파괴 전압 (V/μm)	전기 층 두께 (nm/V)
알루미늄	산화 알루미늄 Al₂O₃	비정질	9.6	710	1.4
알루미늄	산화 알루미늄 Al₂O₃	결정질	11.6…14.2^[3]	800...1000^[4]	1.25...1.0
탄탈륨	오산화 탄탈륨 Ta₂O₅	비정질	27	625	1.6
니오브 또는 산화 니오브	오산화 니오브 Nb₂O₅	비정질	41	400	2.5

거친 양극 구조에 유전체 산화물을 형성한 후, 거친 절연 산화물 표면에 맞는 음극이 있어야 한다. 이것은 전해 커패시터의 음극 전극 역할을 하는 전해질에 의해 수행된다. 다양한 전해질이 사용된다. 일반적으로 "비고체" 및 "고체" 전해질의 두 가지 종류로 구분된다. 움직이는 이온으로 인해 이온 전도도를 갖는 액체 매체인 비고체 전해질은 거친 구조에 쉽게 맞출 수 있다. 이산화 망간의 경우 열분해 또는 전도성 폴리머의 경우 중합과 같은 특수 화학 공정을 통해 전자 전도도를 갖는 고체 전해질이 거친 구조에 맞출 수 있다.

서로 다른 산화물 재료의 유전율을 비교하면 오산화 탄탈륨이 산화 알루미늄보다 약 3배 더 높은 유전율을 갖는다는 것을 알 수 있다. 따라서 주어진 CV 값을 갖는 탄탈 전해 커패시터는 이론적으로 알루미늄 전해 커패시터보다 작다. 실제로는 신뢰할 수 있는 부품을 달성하기 위해 다른 안전 여유가 있어 비교가 어렵다.

양극으로 생성된 절연 산화물 층은 인가된 전압의 극성이 변경되면 파괴된다.

2. 3. 2. 유전체

전해 축전기는 일부 특수 금속의 화학적 특징을 사용한다. 이러한 금속은 특정 전해질과 접촉하면 양극 산화를 통해 표면에 매우 얇은 절연 산화물 층이 형성되어 유전체로 작용할 수 있다. 전해 축전기에 사용되는 양극 금속에는 세 가지 종류가 있다.

알루미늄 전해 커패시터는 유전체로 산화 알루미늄을 사용하는 고순도 에칭된 알루미늄 호일을 사용한다.
탄탈 전해 커패시터는 유전체로 오산화 탄탈륨을 사용하는 고순도 탄탈 분말의 소결 펠릿("슬러그")을 사용한다.
니오브 전해 커패시터는 유전체로 오산화 니오브를 사용하는 고순도 니오브 또는 산화 니오브 분말의 소결된 "슬러그"를 사용한다.

단위 부피당 정전 용량을 높이기 위해 모든 양극 재료는 에칭 또는 소결되며, 동일한 면적 또는 동일한 부피의 매끄러운 표면에 비해 훨씬 더 높은 표면적을 갖는 거친 표면 구조를 갖는다. 전해조에서 위에 언급된 양극 재료에 양의 전압을 가하면, 인가된 전압에 해당하는 두께의 산화물 장벽 층이 형성된다(형성). 이 산화물 층은 전해 커패시터의 유전체 역할을 한다. 이러한 산화물 층의 특성은 다음 표에 나와 있다.

알루미늄, 탄탈륨 및 니오브 전해 커패시터의 서로 다른 산화물 층의 특성^[1]^[2]
양극- 재료	유전체	산화물 구조	상대 유전율	파괴 전압 (V/μm)	전기 층 두께 (nm/V)
알루미늄	산화 알루미늄 Al₂O₃	비정질	9.6	710	1.4
알루미늄	산화 알루미늄 Al₂O₃	결정질	11.6…14.2^[3]	800...1000^[4]	1.25...1.0
탄탈륨	오산화 탄탈륨 Ta₂O₅	비정질	27	625	1.6
니오브 또는 산화 니오브	오산화 니오브 Nb₂O₅	비정질	41	400	2.5

거친 양극 구조에 유전체 산화물을 형성한 후, 거친 절연 산화물 표면에 맞는 음극이 있어야 한다. 이것은 전해 커패시터의 음극 전극 역할을 하는 전해질에 의해 수행된다. 다양한 전해질이 사용된다. 일반적으로 "비고체" 및 "고체" 전해질의 두 가지 종류로 구분된다. 움직이는 이온으로 인해 이온 전도도를 갖는 액체 매체인 비고체 전해질은 거친 구조에 쉽게 맞출 수 있다. 이산화 망간의 경우 열분해 또는 전도성 폴리머의 경우 중합과 같은 특수 화학 공정을 통해 전자 전도도를 갖는 고체 전해질이 거친 구조에 맞출 수 있다.

서로 다른 산화물 재료의 유전율을 비교하면 오산화 탄탈륨이 산화 알루미늄보다 약 3배 더 높은 유전율을 갖는다는 것을 알 수 있다. 따라서 주어진 CV 값을 갖는 탄탈 전해 커패시터는 이론적으로 알루미늄 전해 커패시터보다 작다. 실제로는 신뢰할 수 있는 부품을 달성하기 위해 다른 안전 여유가 있어 비교가 어렵다.

양극으로 생성된 절연 산화물 층은 인가된 전압의 극성이 변경되면 파괴된다.

2. 3. 3. 전해질

전해 축전기는 일부 특수 금속의 화학적 특징을 사용한다. 과거에는 "밸브 금속"이라고도 불렸다. 이러한 금속은 특정 전해질과 접촉하면 양극 산화를 통해 표면에 매우 얇은 절연 산화물 층이 형성되어 유전체로 작용할 수 있다. 전해 축전기에 사용되는 양극 금속에는 세 가지 종류가 있다.

# 알루미늄 전해 축전기는 유전체로 산화 알루미늄을 사용하는 고순도 에칭된 알루미늄 호일을 사용한다.

# 탄탈 전해 축전기는 유전체로 오산화 탄탈륨을 사용하는 고순도 탄탈 분말의 소결 펠릿("슬러그")을 사용한다.

# 니오브 전해 축전기는 유전체로 오산화 니오브를 사용하는 고순도 니오브 또는 산화 니오브 분말의 소결된 "슬러그"를 사용한다.

단위 부피당 정전 용량을 높이기 위해 모든 양극 재료는 에칭 또는 소결되며, 동일한 면적 또는 동일한 부피의 매끄러운 표면에 비해 훨씬 더 높은 표면적을 갖는 거친 표면 구조를 갖는다. 전해조에서 위에 언급된 양극 재료에 양의 전압을 가하면, 인가된 전압에 해당하는 두께의 산화물 장벽 층이 형성된다(형성). 이 산화물 층은 전해 축전기의 유전체 역할을 한다. 이러한 산화물 층의 특성은 다음 표에 나와 있다.

알루미늄, 탄탈륨 및 니오브 전해 커패시터의 서로 다른 산화물 층의 특성^[1]^[2]
양극- 재료	유전체	산화물 구조	상대 유전율	파괴 전압 (V/μm)	전기 층 두께 (nm/V)
알루미늄	산화 알루미늄 Al₂O₃	비정질	9.6	710	1.4
알루미늄	산화 알루미늄 Al₂O₃	결정질	11.6…14.2^[3]	800...1000^[4]	1.25...1.0
탄탈륨	오산화 탄탈륨 Ta₂O₅	비정질	27	625	1.6
니오브 또는 산화 니오브	오산화 니오브 Nb₂O₅	비정질	41	400	2.5

거친 양극 구조에 유전체 산화물을 형성한 후, 거친 절연 산화물 표면에 맞는 음극이 있어야 한다. 이것은 전해 커패시터의 음극 전극 역할을 하는 전해질에 의해 수행된다. 다양한 전해질이 사용된다. 일반적으로 "비고체" 및 "고체" 전해질의 두 가지 종류로 구분된다. 움직이는 이온으로 인해 이온 전도도를 갖는 액체 매체인 비고체 전해질은 거친 구조에 쉽게 맞출 수 있다. 이산화 망간의 경우 열분해 또는 전도성 폴리머의 경우 중합과 같은 특수 화학 공정을 통해 전자 전도도를 갖는 고체 전해질이 거친 구조에 맞출 수 있다.

서로 다른 산화물 재료의 유전율을 비교하면 오산화 탄탈륨이 산화 알루미늄보다 약 3배 더 높은 유전율을 갖는다는 것을 알 수 있다. 따라서 주어진 CV 값을 갖는 탄탈 전해 커패시터는 이론적으로 알루미늄 전해 커패시터보다 작다. 실제로는 신뢰할 수 있는 부품을 달성하기 위해 다른 안전 여유가 있어 비교가 어렵다.

양극으로 생성된 절연 산화물 층은 인가된 전압의 극성이 변경되면 파괴된다.

3. 종류 및 특징

'''전해 축전기'''의 구성 성분에 따라 알루미늄, 탄탈륨, 나이오븀 축전기로 분류할 수 있다. 이 세 종류의 축전기는 비솔리드나 솔리드 이산화망간이나 솔리드 폴리머 전해질을 사용하고, 양극 재질과 전해질의 조합에 따라 여러 가지 종류가 존재한다.

전해 축전기의 양극 재료와 사용되는 전해질의 조합으로 인해 다양한 특성을 가진 광범위한 종류의 축전기가 생겨났다. 아래 표에는 다양한 종류의 주요 특징이 요약되어 있다.

다양한 전해 축전기 유형의 주요 기능 개요
전해 축전기 계열	전해질	정전 용량 범위(μF)	최대 정격 전압(V)	최대 온도(°C)
알루미늄 전해 축전기, 에칭된 호일	비고체, 유기 전해질, 예: GBL, DMF, DMA	0.1:1,000,000	550	105/125/150
	비고체, 예: 붕사, 글리콜	0.1:2,700,000	630	85/105
	비고체, 수성	1:18,000	100	85/105
	고체, 폴리머	10:1,500	25	105
	하이브리드, 폴리머 및 비고체	6.8:1,000	125	105/125
탄탈륨 전해 축전기, 소결된 양극	비고체, 황산	0.1:18,000	630	125/200
	고체, 이산화망간	0.1:3,300	125	125/150
	고체, 폴리머	10:1,500	25	105
나이오븀 전해 축전기, 소결된 양극	고체, 이산화망간	1:1,500	10	105
나이오븀 전해 축전기, 소결된 양극	고체, 폴리머	4.7:470	16	105

비고체, 또는 소위 "습식" 알루미늄 전해 축전기는 다른 모든 기존 축전기 중에서 가장 저렴했다. 이들은 디커플링 및 버퍼링 목적으로 높은 정전 용량 또는 전압 값에 대한 가장 저렴한 솔루션을 제공할 뿐만 아니라 낮은 저항 충전 및 방전, 저에너지 과도 현상에도 둔감하다. 비고체 전해 축전기는 군사 응용 분야를 제외하고 거의 모든 전자 장치에서 찾아볼 수 있다.

표면 실장형 칩 축전기로서 고체 전해질을 갖는 탄탈럼 전해 축전기는 작은 공간을 사용할 수 있거나 낮은 프로파일이 필요한 전자 장치에 주로 사용된다. 이들은 큰 매개 변수 편차 없이 넓은 온도 범위에서 안정적으로 작동한다. 군사 및 우주 응용 분야에서는 탄탈럼 전해 축전기만이 필요한 승인을 받았다.

나이오븀 전해 축전기는 나이오븀의 가용성이 더 높기 때문에 산업용 탄탈럼 전해 축전기와 직접적인 경쟁 관계에 있다. 그들의 특성은 비슷하다.

알루미늄, 탄탈륨 및 나이오븀 전해 축전기의 전기적 특성은 폴리머 전해질에 의해 크게 개선되었다.

=== 전기적 매개변수 비교 ===

동일한 치수, 유사한 정전 용량 및 전압을 가진 커패시터를 비교하여 다양한 전해 커패시터 유형의 여러 특성을 아래 표에 나타내었다. ESR 및 리플 전류 부하 값은 최신 전자 장비에서 전해 커패시터를 사용하는 데 가장 중요한 매개변수이다. ESR이 낮을수록 부피당 리플 전류가 높고 회로 내에서 커패시터의 기능이 향상된다. 그러나 더 나은 전기적 매개변수는 더 높은 가격으로 이어진다.

다양한 유형의 전해 커패시터의 가장 중요한 특성 비교
전해 커패시터 제품군	유형 ¹)	치수 D x L, W x H x L (mm)	최대 ESR 100 kHz, 20 °C (mΩ)	최대 리플 전류 85/105 °C (mA)	최대 누설 전류 2분 후 ²) (μA)
"습식" 알루미늄 전해 커패시터 1976 ³) 에틸렌 글리콜/붕사 전해액	Valvo, 034, 4.7/40	5x11	15.000	17	10 (0.01CV)

"습식" 알루미늄 전해 커패시터, 유기 전해액	Vishay, 036 RSP, 100/10	5x11	1000	160	10 (0.01CV)
"습식" 알루미늄 전해 커패시터, 에틸렌 글리콜/붕사 전해액	NCC, SMQ, 100/10	5x11	900	180	10 (0.01CV)
"습식" 알루미늄 전해 커패시터, 수성 전해액	Rubycon, ZL, 100/10	5x11	300	250	10 (0.01CV)

"습식" 알루미늄 전해 커패시터, SMD 에틸렌 글리콜/붕사 전해액	NIC, NACY, 220/10	6.3x8	300	300	10 (0.01CV)
"습식" 알루미늄 전해 커패시터, SMD 수성 전해액	NIC, NAZJ, 220/16	6.3x8	160	600	10 (0.01CV)

고체 탄탈륨 전해 커패시터 MnO₂ 전해액	Kemet, T494, 330/10	7,3x4.3x4.0	100	1285	10 (0.01CV)
고체 탄탈륨 전해 커패시터 다중 애노드, MnO₂ 전해액	Kemet, T510, 330/10	7.3x4.3x4.0	35	2500	10 (0.01CV)
고체 탄탈륨 전해 커패시터 폴리머 전해액	Kemet, T543, 330/10	7.3x4.3x4,0	10	4900	100 (0.1CV)
고체 탄탈륨 전해 커패시터 다중 애노드, 폴리머	Kemet, T530, 150/10	7.3x4.3x4.0	5	4970	100 (0.1CV)

고체 나이오븀 전해 커패시터, MnO₂ 전해액	AVX, NOS, 220/6,3	7.3x4.3x4.1	80	1461	20 (0.02CV)
고체 나이오븀 전해 커패시터, 다중 애노드, MnO₂ 전해액	AVX, NBM, 220/6.3	7.3x4.3x4.1	40	2561	20 (0.02CV)

고체 알루미늄 전해 커패시터, 폴리머 전해액	Panasonic, SP-UE, 180/6.3	7.3x4.3x4.2	7	3700	100 (0.1CV)
고체 알루미늄 전해 커패시터, 폴리머 전해액	Kemet, A700, 100/10	7.3x4.3x4.0	10	4700	40 (0.04CV)

고체 알루미늄 전해 커패시터, 폴리머 전해액	Panansonic, SVP, 120/6.3	6.3x6	17	2780	200 (0.2CV)

하이브리드 알루미늄 전해 커패시터, 폴리머 + 비고체 전해액	Panasonic, ZA, 100/25	6.3x7.7	30	2000	10 (0.01CV)

¹) 제조사, 시리즈 이름, 정전 용량/전압²) 100 μF/10 V 커패시터에 대해 계산됨,³) 1976년 데이터 시트

=== 알루미늄 및 탄탈륨 전해 축전기의 형태 ===

전해 축전기는 구성 성분에 따라 알루미늄, 탄탈륨, 나이오븀 축전기로 분류할 수 있다. 이 세 종류의 축전기는 비솔리드나 솔리드 이산화망간이나 솔리드 폴리머 전해질을 사용하고, 양극 재질과 전해질의 조합에 따라 여러 가지 종류가 존재한다.

알루미늄 전해 콘덴서는 다양한 크기와 저렴한 생산 비용으로 인해 전자 제품에 사용되는 전해 콘덴서의 대부분을 차지한다. 탄탈륨 전해 콘덴서는 일반적으로 SMD (표면 실장 장치) 버전으로 사용되며 알루미늄 전해 콘덴서보다 높은 비정전 용량을 가지며 랩탑과 같이 공간이 제한적이거나 평평한 디자인의 장치에 사용된다. 또한 군사 기술에도 사용되며, 주로 축형, 기밀 밀봉 방식으로 사용된다. 나이오븀 전해 칩 콘덴서는 시장의 새로운 개발 제품이며 탄탈륨 전해 칩 콘덴서를 대체하기 위한 것이다.

3. 1. 전기적 매개변수 비교

동일한 치수, 유사한 정전 용량 및 전압을 가진 커패시터를 비교하여 다양한 전해 커패시터 유형의 여러 특성을 아래 표에 나타내었다. ESR 및 리플 전류 부하 값은 최신 전자 장비에서 전해 커패시터를 사용하는 데 가장 중요한 매개변수이다. ESR이 낮을수록 부피당 리플 전류가 높고 회로 내에서 커패시터의 기능이 향상된다. 그러나 더 나은 전기적 매개변수는 더 높은 가격으로 이어진다.

다양한 유형의 전해 커패시터의 가장 중요한 특성 비교
전해 커패시터 제품군	유형 ¹)	치수 D x L, W x H x L (mm)	최대 ESR 100 kHz, 20 °C (mΩ)	최대 리플 전류 85/105 °C (mA)	최대 누설 전류 2분 후 ²) (μA)
"습식" 알루미늄 전해 커패시터 1976 ³) 에틸렌 글리콜/붕사 전해액	Valvo, 034, 4.7/40	5x11	15.000	17	10 (0.01CV)

"습식" 알루미늄 전해 커패시터, 유기 전해액	Vishay, 036 RSP, 100/10	5x11	1000	160	10 (0.01CV)
"습식" 알루미늄 전해 커패시터, 에틸렌 글리콜/붕사 전해액	NCC, SMQ, 100/10	5x11	900	180	10 (0.01CV)
"습식" 알루미늄 전해 커패시터, 수성 전해액	Rubycon, ZL, 100/10	5x11	300	250	10 (0.01CV)

"습식" 알루미늄 전해 커패시터, SMD 에틸렌 글리콜/붕사 전해액	NIC, NACY, 220/10	6.3x8	300	300	10 (0.01CV)
"습식" 알루미늄 전해 커패시터, SMD 수성 전해액	NIC, NAZJ, 220/16	6.3x8	160	600	10 (0.01CV)

고체 탄탈 전해 커패시터 MnO₂ 전해액	Kemet, T494, 330/10	7,3x4.3x4.0	100	1285	10 (0.01CV)
고체 탄탈 전해 커패시터 다중 애노드, MnO₂ 전해액	Kemet, T510, 330/10	7.3x4.3x4.0	35	2500	10 (0.01CV)
고체 탄탈 전해 커패시터 폴리머 전해액	Kemet, T543, 330/10	7.3x4.3x4,0	10	4900	100 (0.1CV)
고체 탄탈 전해 커패시터 다중 애노드, 폴리머	Kemet, T530, 150/10	7.3x4.3x4.0	5	4970	100 (0.1CV)

고체 니오브 전해 커패시터, MnO₂ 전해액	AVX, NOS, 220/6,3	7.3x4.3x4.1	80	1461	20 (0.02CV)
고체 니오브 전해 커패시터, 다중 애노드, MnO₂ 전해액	AVX, NBM, 220/6.3	7.3x4.3x4.1	40	2561	20 (0.02CV)

고체 알루미늄 전해 커패시터, 폴리머 전해액	Panasonic, SP-UE, 180/6.3	7.3x4.3x4.2	7	3700	100 (0.1CV)
고체 알루미늄 전해 커패시터, 폴리머 전해액	Kemet, A700, 100/10	7.3x4.3x4.0	10	4700	40 (0.04CV)

고체 알루미늄 전해 커패시터, 폴리머 전해액	Panansonic, SVP, 120/6.3	6.3x6	17	2780	200 (0.2CV)

하이브리드 알루미늄 전해 커패시터, 폴리머 + 비고체 전해액	Panasonic, ZA, 100/25	6.3x7.7	30	2000	10 (0.01CV)

¹) 제조사, 시리즈 이름, 정전 용량/전압²) 100 μF/10 V 커패시터에 대해 계산됨,³) 1976년 데이터 시트

3. 2. 알루미늄 및 탄탈륨 전해 축전기의 형태

전해 축전기는 구성 성분에 따라 알루미늄, 탄탈륨, 나이오븀 축전기로 분류할 수 있다. 이 세 종류의 축전기는 비솔리드나 솔리드 이산화망간이나 솔리드 폴리머 전해질을 사용하고, 양극 재질과 전해질의 조합에 따라 여러 가지 종류가 존재한다.

알루미늄 전해 콘덴서는 다양한 크기와 저렴한 생산 비용으로 인해 전자 제품에 사용되는 전해 콘덴서의 대부분을 차지한다. 탄탈륨 전해 콘덴서는 일반적으로 SMD (표면 실장 장치) 버전으로 사용되며 알루미늄 전해 콘덴서보다 높은 비정전 용량을 가지며 랩탑과 같이 공간이 제한적이거나 평평한 디자인의 장치에 사용된다. 또한 군사 기술에도 사용되며, 주로 축형, 기밀 밀봉 방식으로 사용된다. 니오븀 전해 칩 콘덴서는 시장의 새로운 개발 제품이며 탄탈륨 전해 칩 콘덴서를 대체하기 위한 것이다.

4. 역사

1857년 독일의 물리학자이자 화학자인 요한 하인리히 부프/Johann Heinrich Buff^de(1805–1878)는 탄탈륨, 니오브, 망가니즈, 티타늄, 아연, 카드뮴 등의 금속이 전기화학적 과정에서 한 방향으로 전류 흐름을 차단하고 반대 방향으로 전류 흐름을 허용하는 산화막을 형성할 수 있다는 현상을 처음 관찰하였다.^[8] 1875년 프랑스 연구자이자 창립자인 외젠 뒤크레테는 이 현상을 처음으로 사용하였으며, "밸브 금속"이라는 용어를 만들었다.^[9]

축전기 생산자였던 카롤 폴락은 알루미늄 양극의 산화막이 전원이 꺼져도 중성 또는 알칼리성 전해질에서 안정적으로 유지된다는 것을 발견했다. 1896년, 그는 중성 또는 약알칼리성 전해질과 결합하여 분극 축전기에 산화막을 사용하는 아이디어를 기반으로 "알루미늄 전극을 갖는 전기 액체 축전기"(de: ''Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden'')에 대한 특허를 출원했다.^[10]^[11]

1914년의 초기 소형 전해 축전기. 정전 용량은 약 2 마이크로패럿이었다.

최초로 산업화된 전해 축전기는 음극으로 사용되는 금속 상자로 구성되었다. 이 상자는 물에 용해된 붕사 전해액으로 채워졌으며, 이 안에 접힌 알루미늄 양극 판이 삽입되었다. 외부에서 직류 전압을 가하면 양극 표면에 산화물 층이 형성되었다. 이러한 축전기의 장점은 당시 다른 모든 축전기에 비해 실현된 정전 용량 값에 비해 훨씬 작고 저렴하다는 것이었다. 1930년대까지 다양한 스타일의 양극 구조를 갖지만 케이스를 음극과 전해액 용기로 사용하는 이러한 구조는 "습식" 전해 축전기라고 불렸다.

다양한 형태의 습식 축전기용 과거 애노드 구조. 이 모든 애노드에서 외부 금속 용기는 음극 역할을 했다.

습식 알루미늄 전해 축전기는 48V DC 전원 공급 장치의 릴레이 해시 (노이즈)를 줄이기 위한 대형 전화 교환기에 사용되었다. 1920년대 후반에는 AC 구동 가정용 라디오 수신기가 개발되면서 진공관 증폭기 기술에 필요한 대용량 및 고전압 축전기에 대한 수요가 발생했으며, 일반적으로 최소 4마이크로패럿 이상이고 약 500V DC 정격이었다. 왁스 종이 및 기름 먹인 실크 필름 축전기도 있었지만, 해당 정전 용량 및 전압 정격의 장치는 부피가 크고 가격이 비쌌다.

현대 전해 콘덴서의 원조는 1925년 새뮤얼 루벤이 특허를 받았다.^[12]^[13] 그는 듀라셀 인터내셔널로 알려진 배터리 회사의 창립자인 필립 맬러리와 협력했다. 루벤의 아이디어는 은운모 콘덴서의 적층 구조를 채택했다. 그는 콘덴서의 음극으로 전해액이 채워진 용기를 사용하는 대신, 양극 호일 옆의 전해액과 접촉하는 분리된 두 번째 호일을 도입했다. 적층된 두 번째 호일은 양극 단자와 별도의 단자를 갖게 되었고, 용기는 더 이상 전기적 기능을 하지 않게 되었다. 이 유형의 전해 콘덴서는 비수성 액체 또는 겔과 같은 전해액과 결합되었으며, 이는 매우 낮은 수분 함량을 갖는다는 의미에서 "드라이" 유형의 전해 콘덴서로 알려지게 되었다.^[14]

루벤의 발명과 함께, A. 에켈(독일의 Hydra-Werke)이 1927년에 종이 스페이서로 분리된 권선 호일을 발명하면서,^[15] 전해 콘덴서의 실제 개발이 시작되었다.^[14]

윌리엄 듀빌리어는 1928년에 전해 콘덴서에 대한 첫 번째 특허를 출원했으며,^[16] 전해 콘덴서에 대한 새로운 아이디어를 산업화하여 1931년 뉴저지주 플레인필드에 있는 Cornell-Dubilier (CD) 공장에서 최초의 대규모 상업 생산을 시작했다.^[14] 동시에 독일 베를린에서 AEG 회사인 "Hydra-Werke"가 대량의 전해 콘덴서 생산을 시작했다. 또 다른 제조업체인 랄프 D. 머숀은 전해 콘덴서에 대한 라디오 시장의 수요를 충족하는 데 성공했다.^[17]

1896년 특허에서 폴락은 이미 콘덴서의 정전 용량이 양극 호일의 표면을 거칠게 할 때 증가한다는 것을 인식했다. 오늘날(2014년), 전기 화학적으로 에칭된 저전압 호일은 매끄러운 표면에 비해 최대 200배까지 표면적을 증가시킬 수 있다.^[5]^[6] 에칭 공정의 발전은 지난 수십 년 동안 알루미늄 전해 콘덴서의 치수 감소의 이유가 되었다.

1960년부터 2005년까지 알루미늄 전해 콘덴서의 소형화, 10x16mm 케이스에서 최대 10배

알루미늄 전해 콘덴서의 경우 1970년부터 1990년까지의 수십 년은 예를 들어 누설 전류가 매우 낮거나 수명이 길거나 최대 125 °C의 더 높은 온도에 적합한 다양한 새로운 전문 시리즈가 특정 산업 응용 분야에 맞게 개발되었다.^[18]^[19]

최초의 탄탈륨 전해 축전기 중 하나는 1930년 군사용으로 미국 Tansitor Electronic Inc.에서 개발되었다.^[20] 권선형 셀의 기본 구조가 채택되었고, 탄탈륨 양극 및 음극 호일이 사용되었으며, 황산과 같은 액체 전해질로 함침된 종이 스페이서로 분리되어 은색 케이스에 캡슐화되었다.

윌리엄 쇼클리, 존 바딘, 월터 하우저 브래튼이 1947년 트랜지스터를 발명한 지 몇 년 후, 벨 연구소에서 새로 발명한 트랜지스터를 보완하기 위한 소형화되고 더 신뢰할 수 있는 저전압 지원 축전기로서 고체 전해질 탄탈륨 축전기를 개발하기 시작했다. 1950년대 초 벨 연구소의 R. L. 테일러와 H. E. 해링은 세라믹에 대한 경험을 바탕으로 탄탈륨을 분말로 갈아서 원통형으로 압착한 다음 진공 상태에서 1500~2000 °C의 고온에서 소결하여 펠릿("슬러그")을 생산했다.^[21]^[22]

최초의 소결 탄탈륨 축전기는 고체 전자 제품의 개념에 맞지 않는 비고체 전해질을 사용했다. 1952년 D. A. 맥린과 F. S. 파워가 벨 연구소에서 고체 전해질을 대상으로 한 연구를 통해 소결 탄탈륨 축전기의 고체 전해질로서 이산화 망간을 발명하게 되었다.^[23]

스프라그 일렉트릭 컴퍼니의 연구 이사였던 프레스턴 로빈슨은 1954년 탄탈륨 축전기의 실제 발명자로 여겨진다.^[24]^[25] 그의 발명은 1955년 R. J. 밀라드의 "개선" 단계를 거쳤는데,^[26]^[27] 이는 MnO₂ 증착의 각 침지 및 변환 사이클 후에 축전기의 유전체를 수리하는 중요한 개선으로, 완성된 축전기의 누설 전류를 크게 감소시켰다.

고체 탄탈륨 축전기는 알루미늄 전해 축전기보다 낮은 ESR 및 누설 전류 값을 가진 축전기를 제공했지만, 1980년 탄탈륨 가격 충격으로 인해 특히 엔터테인먼트 산업에서 탄탈륨 전해 축전기의 사용이 크게 감소했다.^[28]^[29] 그 후 업계는 다시 알루미늄 전해 축전기를 사용하는 것으로 전환했다.

1952년에 탄탈 콘덴서를 위해 개발된 이산화망간의 최초의 고체 전해질은 다른 유형의 비고체 전해질보다 10배 더 나은 전도성을 가졌다.^[30] 이는 알루미늄 전해 콘덴서의 개발에도 영향을 미쳤으며, 1964년에는 고체 전해질 SAL 전해 콘덴서를 사용한 최초의 알루미늄 전해 콘덴서가 필립스에서 개발되어 시장에 출시되었다.^[30]

1971년 인텔은 최초의 마이크로컴퓨터인 MCS 4를 출시했고, 1972년 휴렛 팩커드는 최초의 포켓 계산기 중 하나인 HP 35를 출시하면서 디지털화가 시작되었다.^[31]^[32] 이에 따라 바이패스 및 디커플링 콘덴서의 등가 직렬 저항 (ESR) 감소에 대한 요구가 증가했다.^[33]

1983년 산요는 "OS-CON" 알루미늄 전해 콘덴서를 통해 ESR 감소를 위한 새로운 단계를 밟았다. 이 콘덴서는 전하 이동 염 TTF-TCNQ (테트라시아노퀴노디메탄)를 사용하는 고체 유기 도체를 사용하여 이산화망간 전해질에 비해 10배의 전도성 향상을 제공했다.^[34]^[35]^[36]

1975년 앨런 J. 히거, 앨런 맥디어미드, 시라카와 히데키에 의한 전도성 고분자 개발은 ESR 감소의 다음 단계였다.^[37] 폴리피롤 (PPy) ^[38] 또는 PEDOT^[39]와 같은 전도성 고분자의 전도성은 TCNQ보다 100~500배 더 우수하며 금속의 전도성에 가깝다.

1991년 파나소닉은 "SP-Cap"^[40] 고분자 알루미늄 전해 콘덴서 시리즈를 출시했다. 이 콘덴서는 세라믹 적층 콘덴서 (MLCC)와 직접적으로 비교할 수 있는 매우 낮은 ESR 값을 달성했으며, 노트북 및 휴대폰을 위한 평평한 디자인으로 탄탈 칩 콘덴서와도 경쟁했다.

PPy 고분자 전해질 음극을 갖춘 탄탈 전해 콘덴서가 3년 후에 출시되었다. 1993년 NEC는 "NeoCap"이라는 SMD 고분자 탄탈 전해 콘덴서를 출시했고, 1997년 산요는 "POSCAP" 고분자 탄탈 칩을 출시했다.

Kemet은 1999년 "Carts" 컨퍼런스에서 탄탈 고분자 콘덴서용 새로운 전도성 고분자인 PEDT Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT, 상품명 Baytron®)를 발표했다.^[41]^[42]

2000/2001년 탄탈럼의 가격 폭등으로 인해 2002년부터 이산화 망간 전해액을 사용하는 니오브 전해 축전기가 개발되었다.^[43]^[44] 니오븀은 탄탈럼의 자매 금속이며, 양극 산화 동안 산화물 층을 생성하는 밸브 금속 역할을 한다. 니오븀은 원자재로서 탄탈럼보다 자연에서 훨씬 더 풍부하며 가격도 저렴하다. 1960년대 후반에 기본 금속의 가용성 문제가 발생하여 서방 세계와 달리 구소련에서 탄탈럼 축전기 대신 니오븀 전해 축전기가 개발 및 적용되었다. 니오븀 유전체 축전기를 생산하는 데 사용되는 재료와 공정은 기존 탄탈럼 유전체 축전기와 기본적으로 동일하다. 니오븀 전해 축전기와 탄탈럼 전해 축전기의 특성은 대략적으로 비교할 만하다.^[45]

1980년대 중반부터 일본에서 저렴한 비고체 전해 커패시터의 ESR을 줄이려는 목표로 알루미늄 전해 커패시터용 새로운 수계 전해액이 개발되었다. 물은 저렴하고, 전해질에 효과적인 용매이며, 전해액의 전도성을 상당히 향상시킨다. 일본 제조사 루비콘은 1990년대 후반에 전도성이 향상된 새로운 수계 전해액 시스템 개발의 선두 주자였다.^[46] 수계 전해액을 사용한 새로운 일련의 비고체 전해 커패시터는 데이터 시트에서 "낮은 ESR", "낮은 임피던스", "초저 임피던스" 또는 "높은 리플 전류"를 특징으로 설명되었다.

1999년부터 적어도 2010년까지, 중요한 안정제^[47]^[48]가 빠진^[49] 이러한 수계 전해액에 대한 도난된 레시피로 인해 컴퓨터, 전원 공급 장치 및 기타 전자 장비에서 "불량 커패시터"(고장난 전해 커패시터)의 누설 또는 때때로 파열이 광범위하게 발생하여 "커패시터 게이트"로 알려진 문제가 발생했다. 이러한 전해 커패시터에서 물은 알루미늄과 매우 격렬하게 반응하여 커패시터에서 강한 열과 가스가 발생하여 장비의 조기 고장 및 영세 수리 산업의 발전을 초래했다.

4. 1. 기원

1857년 독일의 물리학자이자 화학자인 요한 하인리히 부프/Johann Heinrich Buff^de(1805–1878)는 탄탈륨, 니오브, 망가니즈, 티타늄, 아연, 카드뮴 등의 금속이 전기화학적 과정에서 한 방향으로 전류 흐름을 차단하고 반대 방향으로 전류 흐름을 허용하는 산화막을 형성할 수 있다는 현상을 처음 관찰하였다.^[8] 1875년 프랑스 연구자이자 창립자인 외젠 뒤크레테는 이 현상을 처음으로 사용하였으며, "밸브 금속"이라는 용어를 만들었다.^[9]

축전기 생산자였던 카롤 폴락은 알루미늄 양극의 산화막이 전원이 꺼져도 중성 또는 알칼리성 전해질에서 안정적으로 유지된다는 것을 발견했다. 1896년, 그는 중성 또는 약알칼리성 전해질과 결합하여 분극 축전기에 산화막을 사용하는 아이디어를 기반으로 "알루미늄 전극을 갖는 전기 액체 축전기"(de: ''Elektrischer Flüssigkeitskondensator mit Aluminiumelektroden'')에 대한 특허를 출원했다.^[10]^[11]

4. 2. "습식" 알루미늄 축전기

최초로 산업화된 전해 축전기는 음극으로 사용되는 금속 상자로 구성되었다. 이 상자는 물에 용해된 붕사 전해액으로 채워졌으며, 이 안에 접힌 알루미늄 양극 판이 삽입되었다. 외부에서 직류 전압을 가하면 양극 표면에 산화물 층이 형성되었다. 이러한 축전기의 장점은 당시 다른 모든 축전기에 비해 실현된 정전 용량 값에 비해 훨씬 작고 저렴하다는 것이었다. 1930년대까지 다양한 스타일의 양극 구조를 갖지만 케이스를 음극과 전해액 용기로 사용하는 이러한 구조는 "습식" 전해 축전기라고 불렸다.

습식 알루미늄 전해 축전기는 48V DC 전원 공급 장치의 릴레이 해시 (노이즈)를 줄이기 위한 대형 전화 교환기에 사용되었다. 1920년대 후반에는 AC 구동 가정용 라디오 수신기가 개발되면서 진공관 증폭기 기술에 필요한 대용량 및 고전압 축전기에 대한 수요가 발생했으며, 일반적으로 최소 4마이크로패럿 이상이고 약 500V DC 정격이었다. 왁스 종이 및 기름 먹인 실크 필름 축전기도 있었지만, 해당 정전 용량 및 전압 정격의 장치는 부피가 크고 가격이 비쌌다.

4. 3. "건식" 알루미늄 축전기

현대 전해 콘덴서의 원조는 1925년 새뮤얼 루벤이 특허를 받았다.^[12]^[13] 그는 듀라셀 인터내셔널로 알려진 배터리 회사의 창립자인 필립 맬러리와 협력했다. 루벤의 아이디어는 은운모 콘덴서의 적층 구조를 채택했다. 그는 콘덴서의 음극으로 전해액이 채워진 용기를 사용하는 대신, 양극 호일 옆의 전해액과 접촉하는 분리된 두 번째 호일을 도입했다. 적층된 두 번째 호일은 양극 단자와 별도의 단자를 갖게 되었고, 용기는 더 이상 전기적 기능을 하지 않게 되었다. 이 유형의 전해 콘덴서는 비수성 액체 또는 겔과 같은 전해액과 결합되었으며, 이는 매우 낮은 수분 함량을 갖는다는 의미에서 "드라이" 유형의 전해 콘덴서로 알려지게 되었다.^[14]

루벤의 발명과 함께, A. 에켈(독일의 Hydra-Werke)이 1927년에 종이 스페이서로 분리된 권선 호일을 발명하면서,^[15] 전해 콘덴서의 실제 개발이 시작되었다.^[14]

윌리엄 듀빌리어는 1928년에 전해 콘덴서에 대한 첫 번째 특허를 출원했으며,^[16] 전해 콘덴서에 대한 새로운 아이디어를 산업화하여 1931년 뉴저지주 플레인필드에 있는 Cornell-Dubilier (CD) 공장에서 최초의 대규모 상업 생산을 시작했다.^[14] 동시에 독일 베를린에서 AEG 회사인 "Hydra-Werke"가 대량의 전해 콘덴서 생산을 시작했다. 또 다른 제조업체인 랄프 D. 머숀은 전해 콘덴서에 대한 라디오 시장의 수요를 충족하는 데 성공했다.^[17]

1896년 특허에서 폴락은 이미 콘덴서의 정전 용량이 양극 호일의 표면을 거칠게 할 때 증가한다는 것을 인식했다. 오늘날(2014년), 전기 화학적으로 에칭된 저전압 호일은 매끄러운 표면에 비해 최대 200배까지 표면적을 증가시킬 수 있다.^[5]^[6] 에칭 공정의 발전은 지난 수십 년 동안 알루미늄 전해 콘덴서의 치수 감소의 이유가 되었다.

알루미늄 전해 콘덴서의 경우 1970년부터 1990년까지의 수십 년은 예를 들어 누설 전류가 매우 낮거나 수명이 길거나 최대 125 °C의 더 높은 온도에 적합한 다양한 새로운 전문 시리즈가 특정 산업 응용 분야에 맞게 개발되었다.^[18]^[19]

4. 4. 탄탈륨 축전기

최초의 탄탈륨 전해 축전기 중 하나는 1930년 군사용으로 미국 Tansitor Electronic Inc.에서 개발되었다.^[20] 권선형 셀의 기본 구조가 채택되었고, 탄탈륨 양극 및 음극 호일이 사용되었으며, 황산과 같은 액체 전해질로 함침된 종이 스페이서로 분리되어 은색 케이스에 캡슐화되었다.

윌리엄 쇼클리, 존 바딘, 월터 하우저 브래튼이 1947년 트랜지스터를 발명한 지 몇 년 후, 벨 연구소에서 새로 발명한 트랜지스터를 보완하기 위한 소형화되고 더 신뢰할 수 있는 저전압 지원 축전기로서 고체 전해질 탄탈륨 축전기를 개발하기 시작했다. 1950년대 초 벨 연구소의 R. L. 테일러와 H. E. 해링은 세라믹에 대한 경험을 바탕으로 탄탈륨을 분말로 갈아서 원통형으로 압착한 다음 진공 상태에서 1500~2000 °C의 고온에서 소결하여 펠릿("슬러그")을 생산했다.^[21]^[22]

최초의 소결 탄탈륨 축전기는 고체 전자 제품의 개념에 맞지 않는 비고체 전해질을 사용했다. 1952년 D. A. 맥린과 F. S. 파워가 벨 연구소에서 고체 전해질을 대상으로 한 연구를 통해 소결 탄탈륨 축전기의 고체 전해질로서 이산화 망간을 발명하게 되었다.^[23]

스프라그 일렉트릭 컴퍼니의 연구 이사였던 프레스턴 로빈슨은 1954년 탄탈륨 축전기의 실제 발명자로 여겨진다.^[24]^[25] 그의 발명은 1955년 R. J. 밀라드의 "개선" 단계를 거쳤는데,^[26]^[27] 이는 MnO₂ 증착의 각 침지 및 변환 사이클 후에 축전기의 유전체를 수리하는 중요한 개선으로, 완성된 축전기의 누설 전류를 크게 감소시켰다.

고체 탄탈륨 축전기는 알루미늄 전해 축전기보다 낮은 ESR 및 누설 전류 값을 가진 축전기를 제공했지만, 1980년 탄탈륨 가격 충격으로 인해 특히 엔터테인먼트 산업에서 탄탈륨 전해 축전기의 사용이 크게 감소했다.^[28]^[29] 그 후 업계는 다시 알루미늄 전해 축전기를 사용하는 것으로 전환했다.

4. 5. 고체 전해질

1952년에 탄탈 콘덴서를 위해 개발된 이산화망간의 최초의 고체 전해질은 다른 유형의 비고체 전해질보다 10배 더 나은 전도성을 가졌다.^[30] 이는 알루미늄 전해 콘덴서의 개발에도 영향을 미쳤으며, 1964년에는 고체 전해질 SAL 전해 콘덴서를 사용한 최초의 알루미늄 전해 콘덴서가 필립스에서 개발되어 시장에 출시되었다.^[30]

1971년 인텔은 최초의 마이크로컴퓨터인 MCS 4를 출시했고, 1972년 휴렛 팩커드는 최초의 포켓 계산기 중 하나인 HP 35를 출시하면서 디지털화가 시작되었다.^[31]^[32] 이에 따라 바이패스 및 디커플링 콘덴서의 등가 직렬 저항 (ESR) 감소에 대한 요구가 증가했다.^[33]

1983년 산요는 "OS-CON" 알루미늄 전해 콘덴서를 통해 ESR 감소를 위한 새로운 단계를 밟았다. 이 콘덴서는 전하 이동 염 TTF-TCNQ (테트라시아노퀴노디메탄)를 사용하는 고체 유기 도체를 사용하여 이산화망간 전해질에 비해 10배의 전도성 향상을 제공했다.^[34]^[35]^[36]

1975년 앨런 J. 히거, 앨런 맥디어미드, 시라카와 히데키에 의한 전도성 고분자 개발은 ESR 감소의 다음 단계였다.^[37] 폴리피롤 (PPy) ^[38] 또는 PEDOT^[39]와 같은 전도성 고분자의 전도성은 TCNQ보다 100~500배 더 우수하며 금속의 전도성에 가깝다.

1991년 파나소닉은 "SP-Cap"^[40] 고분자 알루미늄 전해 콘덴서 시리즈를 출시했다. 이 콘덴서는 세라믹 적층 콘덴서 (MLCC)와 직접적으로 비교할 수 있는 매우 낮은 ESR 값을 달성했으며, 노트북 및 휴대폰을 위한 평평한 디자인으로 탄탈 칩 콘덴서와도 경쟁했다.

PPy 고분자 전해질 음극을 갖춘 탄탈 전해 콘덴서가 3년 후에 출시되었다. 1993년 NEC는 "NeoCap"이라는 SMD 고분자 탄탈 전해 콘덴서를 출시했고, 1997년 산요는 "POSCAP" 고분자 탄탈 칩을 출시했다.

Kemet은 1999년 "Carts" 컨퍼런스에서 탄탈 고분자 콘덴서용 새로운 전도성 고분자인 PEDT Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT, 상품명 Baytron®)를 발표했다.^[41]^[42]

4. 6. 니오븀 축전기

2000/2001년 탄탈럼의 가격 폭등으로 인해 2002년부터 이산화 망간 전해액을 사용하는 니오브 전해 축전기가 개발되었다.^[43]^[44] 니오븀은 탄탈럼의 자매 금속이며, 양극 산화 동안 산화물 층을 생성하는 밸브 금속 역할을 한다. 니오븀은 원자재로서 탄탈럼보다 자연에서 훨씬 더 풍부하며 가격도 저렴하다. 1960년대 후반에 기본 금속의 가용성 문제가 발생하여 서방 세계와 달리 구소련에서 탄탈럼 축전기 대신 니오븀 전해 축전기가 개발 및 적용되었다. 니오븀 유전체 축전기를 생산하는 데 사용되는 재료와 공정은 기존 탄탈럼 유전체 축전기와 기본적으로 동일하다. 니오븀 전해 축전기와 탄탈럼 전해 축전기의 특성은 대략적으로 비교할 만하다.^[45]

4. 7. 수성 전해질

1980년대 중반부터 일본에서 저렴한 비고체 전해 커패시터의 ESR을 줄이려는 목표로 알루미늄 전해 커패시터용 새로운 수계 전해액이 개발되었다. 물은 저렴하고, 전해질에 효과적인 용매이며, 전해액의 전도성을 상당히 향상시킨다. 일본 제조사 루비콘은 1990년대 후반에 전도성이 향상된 새로운 수계 전해액 시스템 개발의 선두 주자였다.^[46] 수계 전해액을 사용한 새로운 일련의 비고체 전해 커패시터는 데이터 시트에서 "낮은 ESR", "낮은 임피던스", "초저 임피던스" 또는 "높은 리플 전류"를 특징으로 설명되었다.

1999년부터 적어도 2010년까지, 중요한 안정제^[47]^[48]가 빠진^[49] 이러한 수계 전해액에 대한 도난된 레시피로 인해 컴퓨터, 전원 공급 장치 및 기타 전자 장비에서 "불량 커패시터"(고장난 전해 커패시터)의 누설 또는 때때로 파열이 광범위하게 발생하여 "커패시터 게이트"로 알려진 문제가 발생했다. 이러한 전해 커패시터에서 물은 알루미늄과 매우 격렬하게 반응하여 커패시터에서 강한 열과 가스가 발생하여 장비의 조기 고장 및 영세 수리 산업의 발전을 초래했다.

5. 전기적 특성

5. 1. 직렬 등가 회로

전해 축전기의 전기적 특성은 국제 일반 규격 IEC 60384-1에 의해 조화롭게 관리된다. 이 표준에서 축전기의 전기적 특성은 모든 저항 손실, 축전 용량 및 전해 축전기의 유도성 매개변수를 모델링하는 전기 부품을 갖춘 이상적인 직렬 등가 회로로 설명된다.

''C'', 축전기의 정전 용량
''R''_ESR, 축전기의 모든 저항 손실을 요약하는 등가 직렬 저항으로, 일반적으로 "ESR"로 축약된다.
''L''_ESL, 축전기의 유효 자체 인덕턴스인 등가 직렬 인덕턴스로, 일반적으로 "ESL"로 축약된다.
''R''_leak, 축전기의 누설 전류를 나타내는 저항

5. 2. 정전 용량, 표준 값 및 허용 오차

전해 축전기의 전기적 특성은 양극의 구조와 사용된 전해액에 따라 달라지며, 이는 정전 용량 값에 영향을 미친다. 이는 측정 주파수와 온도에 따라 달라지는데, 고체 전해질이 없는 전해 축전기는 고체 전해질을 사용하는 축전기보다 주파수 및 온도 범위에서 더 넓은 편차를 보인다.

전해 축전기의 정전 용량 기본 단위는 마이크로패럿(μF)이다. 제조사 데이터 시트에 명시된 정전 용량 값은 정격 정전 용량 C_R 또는 공칭 정전 용량 C_N이라 하며, 축전기가 설계된 값이다. 전해 축전기의 표준화된 측정 조건은 20°C에서 100/120Hz 주파수에서 0.5V의 AC 측정 방법이다. 탄탈륨 축전기의 경우, 정격 전압이 ≤2.5V인 유형은 1.1~1.5V, 정격 전압이 >2.5V인 유형은 2.1~2.5V의 DC 바이어스 전압을 측정 중에 가하여 역전압을 방지한다.

1kHz 주파수에서 측정된 정전 용량 값은 100/120Hz 값보다 약 10% 적다. 따라서 전해 축전기의 정전 용량 값은 필름 축전기 또는 세라믹 축전기와 직접 비교할 수 없다.

100/120Hz에서 AC 측정 방법으로 측정하면 정전 용량 값은 전해 축전기에 저장된 전하와 가장 가까운 값이다. 저장된 전하는 특수한 방전 방법으로 측정하며, 이를 DC 정전 용량이라고 한다. DC 정전 용량은 100/120Hz AC 정전 용량보다 약 10% 더 높다. DC 정전 용량은 플래시와 같은 방전 응용 분야에 중요하다.

측정된 정전 용량의 정격 값에서 허용되는 편차의 백분율을 정전 용량 허용 오차라고 한다. 전해 축전기는 E 시리즈에 지정된 다양한 허용 오차 시리즈로 제공된다. 좁은 공간에서의 약식 표기를 위해, 각 허용 오차에 대한 문자 코드가 IEC 60062에 지정되어 있다.

정격 정전 용량, E3 시리즈, 허용 오차 ±20%, 문자 코드 "M"
정격 정전 용량, E6 시리즈, 허용 오차 ±20%, 문자 코드 "M"
정격 정전 용량, E12 시리즈, 허용 오차 ±10%, 문자 코드 "K"

필요한 정전 용량 허용 오차는 특정 응용 분야에 의해 결정된다. 필터 및 바이패스 축전기에 자주 사용되는 전해 축전기는 발진기와 같이 정확한 주파수 응용 분야에 주로 사용되지 않기 때문에 좁은 허용 오차를 필요로 하지 않는다.

5. 3. 정격 및 범주 전압

IEC/EN 60384-1 표준에 따르면, 전해 콘덴서에 허용되는 작동 전압은 "정격 전압 U_R" 또는 "공칭 전압 U_N"이라고 한다. 정격 전압 U_R은 정격 온도 범위 T_R 내의 모든 온도에서 지속적으로 인가될 수 있는 최대 DC 전압 또는 피크 펄스 전압이다.^[5]

전해 콘덴서의 전압 내구성은 온도가 증가함에 따라 감소한다. 일부 응용 분야에서는 더 높은 온도 범위를 사용하는 것이 중요하다. 더 높은 온도에서 인가되는 전압을 낮추면 안전 여유를 유지할 수 있다. 따라서 일부 콘덴서 유형에 대해 IEC 표준은 더 높은 온도에 대한 "온도 저감 전압", 즉 "범주 전압 U_C"을 지정한다. 범주 전압은 범주 온도 범위 T_C 내의 모든 온도에서 콘덴서에 지속적으로 인가될 수 있는 최대 DC 전압 또는 피크 펄스 전압이다. 전압과 온도의 관계는 오른쪽에 있는 그림에 나와 있다.^[5]

지정된 전압보다 높은 전압을 인가하면 전해 축전기가 파괴될 수 있다.

더 낮은 전압을 인가하면 전해 콘덴서에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 알루미늄 전해 콘덴서의 경우 인가 전압을 낮추면 수명이 연장될 수 있으며, 탄탈 전해 콘덴서의 경우 인가 전압을 낮추면 신뢰성이 증가하고 예상 고장률이 감소한다.^[50]

5. 4. 서지 전압

서지 전압은 제한된 사이클 동안 전해 콘덴서에 적용될 수 있는 최대 피크 전압 값을 나타낸다.^[5] 서지 전압은 IEC/EN 60384-1에 표준화되어 있다. 정격 전압이 315V 이하인 알루미늄 전해 콘덴서의 경우 서지 전압은 정격 전압의 1.15배이며, 정격 전압이 315V를 초과하는 콘덴서의 경우 서지 전압은 정격 전압의 1.10배이다.

탄탈 전해 축전기의 경우 서지 전압은 정격 전압의 1.3배가 될 수 있으며, 가장 가까운 볼트 단위로 반올림한다. 탄탈 콘덴서에 가해지는 서지 전압은 콘덴서의 고장률에 영향을 미칠 수 있다.^[51]^[52]

5. 5. 과도 전압

알루미늄 전해 축전기는 비고체 전해액을 사용하므로, 과도 전압의 주파수와 에너지 함량이 낮다면 서지 전압보다 높은 고전압 및 단기 과도 전압에 비교적 둔감하다. 이러한 능력은 정격 전압과 부품 크기에 따라 달라진다. 낮은 에너지 과도 전압은 제너 다이오드와 유사한 전압 제한을 초래한다.^[53] 허용 가능한 과도 전압 또는 피크 전압에 대한 명확하고 일반적인 사양은 불가능하다. 과도 현상이 발생할 경우, 해당 응용 분야는 매우 신중하게 검토해야 한다.

고체 산화 망간 또는 폴리머 전해액을 사용하는 전해 축전기와 알루미늄 및 탄탈 전해 축전기는 서지 전압보다 높은 과도 전압 또는 피크 전압을 견딜 수 없다. 과도 현상은 이러한 유형의 전해 축전기를 파괴할 수 있다.^[51]^[52]

5. 6. 역전압

일반적인 전해 축전기, 알루미늄, 탄탈럼, 니오븀 전해 축전기는 극성을 가지고 있으며, 일반적으로 양극 전압이 음극 전압보다 높아야 한다.

그럼에도 불구하고 전해 콘덴서는 짧은 시간 동안 제한된 사이클 수만큼 역전압을 견딜 수 있다. 특히 비고체 전해액을 사용하는 알루미늄 전해 콘덴서는 약 1V에서 1.5V의 역전압을 견딜 수 있다. 이 역전압은 콘덴서를 영구적으로 사용할 수 있는 최대 역전압을 결정하는 데 사용해서는 안 된다.^[54]^[55]^[56]

고체 탄탈럼 콘덴서 또한 짧은 시간 동안 역전압을 견딜 수 있다. 탄탈럼 역전압에 대한 가장 일반적인 지침은 다음과 같다.

25°C에서 정격 전압의 10% (최대 1V)
85°C에서 정격 전압의 3% (최대 0.5V)
125°C에서 정격 전압의 1% (최대 0.1V)

이러한 지침은 짧은 시간 동안의 변동에 적용되며, 콘덴서를 영구적으로 사용할 수 있는 최대 역전압을 결정하는 데 사용해서는 안 된다.^[57]^[58]

그러나 알루미늄, 탄탈럼, 니오븀 전해 콘덴서 모두 역전압을 영구적인 교류(AC) 응용 분야에 사용할 수 없다.

극성 전해 콘덴서가 회로에 잘못 삽입될 가능성을 최소화하기 위해, 극성은 케이스에 매우 명확하게 표시되어야 한다. 아래의 극성 표시 섹션을 참조하라.

쌍극성 작동을 위해 설계된 특수 쌍극성 알루미늄 전해 콘덴서가 있으며, 일반적으로 "무극성" 또는 "쌍극성" 유형이라고 한다. 이 콘덴서에는 역극성으로 연결된 전체 두께의 산화물 층이 있는 두 개의 양극 호일이 있다. 교류 사이클의 번갈아 가면서 호일의 산화물 중 하나가 차단 유전체 역할을 하여 역전류가 다른 쪽의 전해액을 손상시키는 것을 방지한다. 그러나 이러한 쌍극성 전해 콘덴서는 금속화된 고분자 필름 또는 종이 유전체를 사용하는 전력 콘덴서 대신 주요 교류 응용 분야에 적합하지 않다.

5. 7. 임피던스

일반적으로 축전기는 전기에너지를 저장하는 부품으로 여겨지지만, AC 저항기 역할도 할 수 있다. 알루미늄 전해 축전기는 원치 않는 AC 주파수를 접지로 필터링하거나 우회하거나 오디오 AC 신호의 용량성 결합을 위해 디커플링 축전기로 사용된다. 이때 유전체는 DC를 차단하는 데에만 사용되며, 임피던스는 정전 용량 값만큼 중요하다.

주파수에 따른 다양한 정전 용량 값의 일반적인 임피던스 곡선. 정전 용량이 클수록 공진 주파수가 낮아진다.

높은 주파수에서 단순화된 축전기의 직렬 등가 회로(위); 전기 리액턴스 ''X_ESL'' 및 ''X_C'', 저항 ''ESR'', 임피던스 ''Z'' 및 손실 계수 ''tan δ''를 보여주는 벡터 다이어그램

임피던스 ''Z''는 리액턴스와 저항의 벡터 합이며, 주어진 주파수에서 정현파 전압과 정현파 전류 사이의 위상차와 진폭의 비율을 나타낸다. 임피던스는 축전기가 교류를 통과시키는 능력을 측정하는 척도이며 옴의 법칙과 유사하게 사용할 수 있다.

:

Z = \frac{\hat u}{\hat \imath} = \frac{U_\mathrm{eff}}{I_\mathrm{eff}}.

임피던스는 주파수에 따라 달라지는 AC 저항이며, 특정 주파수에서 크기와 위상을 모두 갖는다.

전해 축전기의 데이터 시트에는 임피던스 크기 ''|Z|''만 명시되어 있으며, 단순히 ''"Z"''로 표기된다. IEC/EN 60384-1 표준에 따라, 전해 축전기의 임피던스 값은 축전기의 정전 용량 및 전압에 따라 10 kHz 또는 100 kHz에서 측정 및 지정된다.

임피던스는 이상적인 축전기 ''C'', 저항기 ''ESR'', 인덕턴스 ''ESL''을 포함하는 축전기의 직렬 등가 회로를 사용하여 계산할 수 있다. 각주파수 ''ω''에서의 임피던스는 ''ESR''의 기하학적(복소수) 덧셈과, 용량성 리액턴스 ''X_C''

:

X_C= -\frac{1}{\omega C}

및 유도성 리액턴스 ''X_L''(인덕턴스)에 의해 주어진다.

X_L=\omega L_{\mathrm{ESL}}

.

그러면 ''Z''는 다음과 같이 주어진다.

:

Z=\sqrt{{ESR}^2 + (X_\mathrm{C} + (-X_\mathrm{L}))^2}

.

공진의 경우, 두 반응성 저항 ''X_C''와 ''X_L''이 동일한 값(''X_C=X_L'')을 가지면, 임피던스는 ''ESR''에 의해서만 결정된다. 공진 주파수 이상의 주파수에서는 축전기의 ''ESL''로 인해 임피던스가 다시 증가한다. 축전기는 인덕터가 된다.

5. 8. ESR 및 손실 계수 tan δ

등가 직렬 저항(ESR)은 축전기의 모든 저항 손실을 요약한다. 이는 단자 저항, 전극 접촉부의 접촉 저항, 전극의 선 저항, 전해액 저항 및 유전체 산화막에서의 유전체 손실이다.^[59] 전해 축전기의 경우, ESR은 일반적으로 주파수와 온도가 증가함에 따라 감소한다.^[60]

ESR은 평활화 후 중첩된 AC 리플에 영향을 미칠 수 있으며 회로 기능에 영향을 줄 수 있다. 축전기 내에서 ESR은 리플 전류가 축전기를 통과할 경우 내부 열 발생을 설명한다. 이 내부 열은 비고체 알루미늄 전해 축전기의 수명을 감소시키고 고체 탄탈 전해 축전기의 신뢰성에 영향을 미친다.

전해 축전기의 경우, 과거의 이유로 손실 계수 tan δ가 ESR 대신 데이터 시트에 명시되는 경우가 있다. 손실 계수는 정전 용량 리액턴스 X_C에서 유도 리액턴스 X_L을 뺀 값과 ESR 사이의 위상각의 탄젠트에 의해 결정된다. 인덕턴스 ESL이 작으면 손실 계수는 다음과 같이 근사할 수 있다.

:

\tan \delta = \mbox{ESR} \cdot \omega C

손실 계수는 손실이 매우 낮은 축전기, 즉 손실 계수의 역수가 품질 계수 (Q)라고 불리는 주파수 결정 회로에 사용되며, 이는 공진기의 대역폭을 나타낸다.

5. 9. 리플 전류

반파 정류를 사용하는 전원 공급 장치에서 평활 커패시터 C1에 걸리는 높은 리플 전류는 커패시터의 ''ESR''에 해당하는 상당한 내부 열 발생을 유발한다.

리플 전류는 지정된 온도 범위 내에서 연속 작동에 대한 임의의 주파수 및 임의의 전류 곡선 파형의 중첩된 AC 전류의 RMS 값이다. 이는 주로 AC 전압을 정류한 후 전원 공급 장치(스위칭 모드 전원 공급 장치 포함)에서 발생하며, 모든 디커플링 및 평활 커패시터를 통해 충전 및 방전 전류로 흐른다.

리플 전류는 커패시터 본체 내에서 열을 발생시킨다. 이 손실 전력 ''P_L''은 ''ESR''에 의해 발생하며 유효(RMS) 리플 전류 ''I_R''의 제곱 값이다.

:

P_{L} = I_R^2 \cdot ESR

주변 온도 및 기타 외부 열원 외에 이 내부적으로 생성된 열은 주변 온도에 대해 ''Δ T''의 온도 차이를 갖는 커패시터 본체 온도를 유발한다. 이 열은 커패시터 표면 ''A''와 주변 온도에 대한 열 저항 ''β''를 통해 열 손실 ''P_th''로 분산되어야 한다.

:

P_{th} = \Delta T \cdot A \cdot \beta

내부적으로 생성된 열은 열 복사, 대류, 열전도를 통해 주변으로 분산되어야 한다. 생성된 열과 소산된 열 사이의 순 차이인 커패시터의 온도는 커패시터의 최대 지정 온도를 초과해서는 안 된다.

리플 전류는 상한 카테고리 온도에서 100 또는 120 Hz 또는 10 kHz에서의 유효(RMS) 값으로 지정된다. 비정현파 리플 전류는 푸리에 분석을 통해 단일 정현파 주파수로 분석하고 분리하여 단일 전류를 제곱으로 더하여 요약해야 한다.^[111]

:

I_R=\sqrt{{i_1}^2 + {i_2}^2 + {i_3}^2 + {i_n}^2 }

비고체 전해 커패시터에서 리플 전류에 의해 생성된 열은 전해질의 증발을 유발하여 커패시터의 수명을 단축시킨다.^[61]^[62]^[63]^[64]^[65] 제한을 초과하면 폭발적인 고장이 발생할 수 있다.

이산화 망간 전해질을 사용하는 고체 탄탈 전해 커패시터에서 리플 전류에 의해 생성된 열은 커패시터의 신뢰성에 영향을 미친다.^[66]^[67]^[68]^[69] 제한을 초과하면 가시적인 연소를 동반하는 단락 고장으로 인한 치명적인 고장이 발생할 수 있다.

리플 전류에 의해 생성된 열은 또한 고체 폴리머 전해질을 사용하는 알루미늄 및 탄탈 전해 커패시터의 수명에도 영향을 미친다.^[70] 제한을 초과하면 단락 고장으로 인한 치명적인 고장이 발생할 수 있다.

5. 10. 전류 서지, 피크 또는 펄스 전류

비고체 전해질을 사용하는 알루미늄 전해 콘덴서는 전류 서지, 피크 또는 펄스 제한 없이 정격 전압까지 충전될 수 있다. 액체 전해질 내의 제한된 이온 이동성으로 인해 유전체 전압 램프가 느려지고 콘덴서의 ESR이 낮기 때문이다. 시간 경과에 따라 적분된 피크의 주파수만 최대 지정된 리플 전류를 초과해서는 안 된다.^[51]^[52]

이산화망간 전해질 또는 고분자 전해질을 사용하는 고체 탄탈 전해 콘덴서는 피크 또는 펄스 전류에 의해 손상된다. 서지, 피크 또는 펄스 전류에 노출되는 고체 탄탈 콘덴서(예: 고도로 유도적인 회로)는 전압 디레이팅과 함께 사용해야 한다. 가능하다면 전압 프로파일을 램프 턴온으로 해야 한다. 이렇게 하면 콘덴서가 겪는 피크 전류를 줄일 수 있다.

5. 11. 누설 전류

[[File:https://cdn.onul.works/wiki/source/19515806861_fa4345e0.svg|thumb|right|전해 축전기의 일반적인 누설 특성: 다양한 종류의 전해액에 대한 시간

t

에 따른 누설 전류

I_{leak}

]]

전해 축전기의 직류 누설 전류(DCL)는 다른 일반적인 축전기에는 없는 특성이다. 이 전류는 전해 축전기의 등가 직렬 회로에서 축전기와 병렬로 연결된 저항 R_leak으로 표시된다.

누설 전류의 원인은 전해액 종류에 따라 다르다. 비고체 알루미늄 전해 축전기의 경우, 작동 주기 사이에 전압이 가해지지 않는 시간(보관 시간) 동안 발생하는 화학적 과정으로 인해 유전체의 약화된 결함이 생긴다. 수성 전해액은 유기 액체를 기반으로 한 전해액보다 산화 알루미늄 층에 더 공격적이어서, 서로 다른 전해 축전기 시리즈에서 개형을 수행하지 않고 서로 다른 보관 시간을 지정한다.^[71] "습식" 축전기에 양의 전압을 가하면 재형성(자가 치유) 과정이 발생하여 약화된 유전체 층을 복구하고, 누설 전류는 낮은 수준으로 유지된다.^[72] 비고체 전해 축전기의 누설 전류는 세라믹 또는 필름 축전기보다 높지만, 유기 전해액을 사용하는 최신 비고체 전해 축전기의 자체 방전은 몇 주가 걸린다.

고체 탄탈 축전기의 DCL의 주요 원인은 유전체의 전기적 파괴, 불순물이나 불량한 양극 산화로 인한 전도성 경로, 과도한 이산화 망간, 습기 경로 또는 음극 도체(탄소, 은)로 인한 유전체의 우회 등이다.^[73] 고체 전해질 축전기의 이 "정상적인" 누설 전류는 "자가 치유"로 줄일 수 없는데, 정상적인 조건에서 고체 전해질은 형성 과정을 위한 산소를 제공할 수 없기 때문이다.

데이터 시트의 누설 전류 사양은 정격 정전 용량 값 ''C_R''과 정격 전압 ''U_R''의 곱에 추가 숫자를 더하여 주어지며, 2분 또는 5분 동안 측정한 후의 값으로 주어진다. 누설 전류 값은 가해진 전압, 축전기 온도 및 측정 시간에 따라 달라진다. 고체 MnO₂ 탄탈 전해 축전기의 누설 전류는 비고체 전해 축전기보다 훨씬 더 빠르게 감소하지만 도달한 수준으로 유지된다.

5. 12. 유전 흡수 (soakage)

유전 흡수는 오랫동안 충전된 축전기가 잠시 방전되었을 때 불완전하게 방전될 때 발생한다. 이상적인 축전기는 방전 후 0볼트에 도달하지만, 실제 축전기는 유전 완화라고도 하는 현상, "소크에이지(soakage)" 또는 "배터리 작용"과 같은 시간 지연 쌍극자 방전으로 인해 작은 전압이 발생한다.^[74]^[75]^[76]

자주 사용되는 일부 축전기의 유전 흡수 값
축전기 유형	유전 흡수
고체 전해질을 사용한 탄탈 전해 축전기	2~3%^[74], 10%^[75]
비고체 전해질을 사용한 알루미늄 전해 축전기	10~15%^[76]

유전 흡수는 긴 시정수 적분기 또는 샘플 앤 홀드 회로와 같이 전자 회로의 기능에 매우 작은 전류가 사용되는 회로에서 문제가 될 수 있다.^[77] 대부분의 전해 축전기 응용 분야에서 전원 공급 장치 라인을 지원하는 경우 유전 흡수는 문제가 되지 않는다.

그러나 특히 정격 전압이 높은 전해 축전기의 경우, 유전 흡수로 생성된 단자 전압은 인원 또는 회로에 안전 위험을 초래할 수 있다. 감전을 방지하기 위해, 대부분의 매우 큰 축전기는 축전기를 사용하기 전에 제거해야 하는 쇼트 와이어와 함께 배송된다.^[78]

6. 작동 특성

6. 1. 신뢰성 (고장률)

배스텁 곡선은 "초기 고장", "무작위 고장", 마모 고장의 시간을 보여준다. 무작위 고장 시간은 일정한 고장률을 가지는 시간이며, 비고체 전해 축전기의 수명과 일치한다. 부품의 신뢰성은 이 부품이 특정 시간 간격 내에서 얼마나 안정적으로 기능을 수행하는지를 나타내는 속성이다. 이는 확률 과정의 영향을 받으며 질적 및 양적으로 설명할 수 있다. 직접적으로 측정할 수는 없다. 전해 축전기의 신뢰성은 내구 시험을 동반한 생산 과정에서 고장률을 파악하여 경험적으로 결정된다.^[79]

신뢰성 예측은 일반적으로 고장률 λ로 표현되며, '''FIT'''('''F'''ailures '''I'''n '''T'''ime, 시간당 고장)로 줄여 표기한다. 이는 일정 무작위 고장 기간 동안 고정된 작동 조건에서 10⁹ 부품-시간당 예상되는 고장의 수이다(예: 1000개 부품을 100만 시간, 또는 100만개 부품을 1000시간 작동하는 경우, 100만개 부품에 대한 1000시간당 1ppm). 이 고장률 모델은 "무작위 고장"의 개념을 암묵적으로 가정한다. 개별 부품은 무작위적인 시간에 고장나지만 예측 가능한 속도로 고장난다. 고장이 없는 대량의 부품 생산을 보장하기 위해 오늘날 요구되는 매우 낮은 수준의 고장률을 설정하려면 수십억 부품-시간의 테스트가 필요하다. 이는 장기간에 걸쳐 약 100만 개의 부품이 필요하며, 이는 대규모의 인력과 상당한 자금 조달을 의미한다.^[79] 테스트된 고장률은 종종 주요 고객으로부터의 현장 피드백(현장 고장률)에서 얻은 수치로 보완되며, 이는 대부분 테스트된 고장률보다 낮은 고장률을 나타낸다. FIT의 역수는 평균 고장 간격 (MTBF)이다.

FIT 테스트의 표준 작동 조건은 40 °C 및 0.5 U_R이다. 인가 전압, 전류 부하, 온도, 정전 용량 값, 회로 저항(탄탈륨 축전기의 경우), 기계적 영향 및 습도와 같은 다른 조건의 경우, 산업^[80] 또는 군사^[81] 응용 분야에 대해 표준화된 가속 계수를 사용하여 FIT 수치를 변환할 수 있다. 예를 들어, 온도와 인가 전압이 높을수록 고장률이 높아진다. 고장률 변환에 대해 가장 자주 인용되는 출처는 전자 부품에 대한 고장률 계산의 "바이블"인 MIL-HDBK-217F이다. 수락 샘플링 및 품질 관리를 위한 온라인 통계 계산기인 SQC Online은 주어진 응용 조건에 대한 주어진 고장률 값을 계산하기 위한 간단한 검사를 위한 온라인 도구를 제공한다.^[82]

일부 제조업체는 탄탈륨 축전기^[83]^[84] 또는 알루미늄 축전기^[85]에 대한 자체 FIT 계산 표를 가지고 있을 수 있다. 탄탈륨 축전기의 경우 고장률은 종종 85 °C 및 정격 전압 U_R을 기준으로 지정되며, 1000시간당 고장 부품의 백분율(n %/1000 h)로 표시된다. 즉, 10⁵ 시간당 "n"개의 고장 부품 또는 10⁹ 시간당 만 배 값인 FIT이다.

탄탈륨 축전기는 현재 매우 신뢰할 수 있는 부품이다. 탄탈륨 분말 및 축전기 기술의 지속적인 개선으로 이전에 대부분의 현장 결정 고장을 유발했던 불순물의 양이 크게 감소했다. 상업적으로 이용 가능한 산업 생산 탄탈륨 축전기는 현재 표준 제품으로 고 MIL 표준 "C" 수준에 도달했으며, 이는 85 °C 및 U_R에서 0.01%/1000 h 또는 85 °C 및 U_R에서 10⁷시간당 1회 고장이다.^[86] MIL HDKB 217F에서 제공되는 가속 계수를 사용하여 40 °C 및 0.5 U_R에서 FIT로 변환하면 고장률이 된다. 직렬 저항이 0.1 Ω인 100 μF/25 V 탄탈륨 칩 축전기의 경우 고장률은 0.02 FIT이다.

알루미늄 전해 축전기는 "% per 1000 h at 85 °C and U_R" 사양을 사용하지 않는다. 40 °C 및 0.5 U_R을 참조 조건으로 하는 FIT 사양을 사용한다. 알루미늄 전해 축전기는 매우 신뢰할 수 있는 부품이다. 간행된 수치는 저전압 유형(6.3…160 V)의 경우 1~20 FIT 범위의 FIT율^[87]을, 고전압 유형(>160 …550 V)의 경우 20~200 FIT 범위의 FIT율^[85]을 보여준다. 알루미늄 전해 축전기의 현장 고장률은 0.5~20 FIT 범위이다.^[85]^[87]^[88]

간행된 수치는 탄탈륨 및 알루미늄 축전기 유형 모두 다른 전자 부품과 비교하여 신뢰할 수 있는 부품이며, 정상적인 조건에서 수십 년 동안 안전한 작동을 달성한다는 것을 보여준다. 그러나 마모 고장의 경우에는 큰 차이가 있다. 비고체 전해질을 사용하는 전해 축전기는 마모 고장이 시작될 때까지 일정한 무작위 고장 기간이 제한되어 있다. 일정한 무작위 고장률 기간은 "습식" 알루미늄 전해 축전기의 수명 또는 사용 수명에 해당한다.

6. 2. 수명

비고체 전해액을 사용하는 알루미늄 전해 커패시터는 시간이 지남에 따라 전해액이 증발하여 전기적 특성이 변한다. 지정된 한계에 도달하면 커패시터의 수명이 종료된다. 그래프는 105 °C에서 2000시간 내구 시험 결과를 보여준다.

전해 커패시터의 수명은 액체 전해액이 시간이 지남에 따라 증발하는 비고체 알루미늄 전해 커패시터의 특성이다. 전해액 수위가 낮아지면 정전 용량 감소, 임피던스 및 ESR 증가 등 전기적 매개변수에 영향을 준다. 전해액 건조는 온도, 리플 전류 부하, 인가 전압에 따라 달라지며, 이러한 값이 낮을수록 커패시터의 "수명"이 길어진다. "수명 종료"는 정전 용량, 임피던스, ESR, 누설 전류 등이 지정된 한계를 초과하여 마모 고장 또는 열화 고장이 발생하는 시점으로 정의된다.^[89]^[90]^[91]^[92]^[112]

수명은 테스트된 커패시터 모음에 대한 사양이며, 유사한 유형의 동작에 대한 기대를 제공한다. 이는 배스텁 곡선에서 일정한 임의 고장률의 시간에 해당한다.

수명 종료 후에도 전자 회로가 즉시 위험해지는 것은 아니며, 커패시터 기능만 감소한다. 높은 순도의 재료 사용으로 인해, 수명 종료 시점에 단락이 발생할 가능성은 낮다.

비고체 알루미늄 전해 커패시터의 수명은 "온도당 시간" (예: "2,000시간/105 °C")으로 지정된다. 작동 조건에서의 수명은 제조사 데이터 시트의 공식이나 그래프로 추정할 수 있다.^[87] 작동 시간 계산의 기본 원리는 "10도 규칙" (아레니우스 규칙)이다.^[93]^[94]^[95] 온도가 10 °C 낮아질 때마다 증발이 절반으로 줄어들어 커패시터 수명이 두 배가 된다. 예를 들어, 2000시간/105 °C 사양의 커패시터는 45 °C에서 약 15년(128,000시간)의 수명을 가진다.

고체 폴리머 전해 커패시터(알루미늄, 탄탈륨, 니오브)도 수명 사양이 있다. 폴리머 전해질은 전도성 폴리머의 열적 열화로 인해 전도도가 저하된다.^[96] 폴리머 전해 커패시터의 수명은 비고체 전해 커패시터와 유사하게 지정되지만, 수명 계산 규칙이 달라 작동 수명이 더 길다.^[97]^[98]^[99]

고체 이산화 망간 전해질을 사용하는 탄탈륨 전해 커패시터는 마모 고장이 없어 수명 사양이 없다. 비고체 전해액을 사용하는 탄탈륨 커패시터("습식 탄탈")는 밀봉되어 수명 사양이 없다.

6. 3. 고장 모드, 자가 치유 메커니즘 및 적용 규칙

전해 콘덴서장기적
전기적 거동고장 모드자가 치유
메커니즘적용
규칙알루미늄 전해 콘덴서,
비고체 전해질시간이 지남에 따라 건조,
정전 용량 감소,
ESR 증가결정적인
고유한 고장 없음전압을 가하여
새로 생성된 산화막 (형성)수명
계산알루미늄 전해 콘덴서,
고체 폴리머 전해질전도도 저하,
ESR 증가결정적인
고유한 고장 없음산화 또는 증발에 의한 유전체 내
결함 절연
폴리머 전해질수명
계산탄탈 전해 콘덴서,
고체 MnO₂ 전해질안정적필드 결정화^[86]^[100]전류 공급이 제한된 경우, 전해질 MnO₂의 산화에 의해
유전체 내 결함을 절연
절연 MnO₂O₃로 열적으로 유도전압 디레이팅 50%
직렬 저항 3 Ω/V^[101]^[102]탄탈 전해 콘덴서,
고체 폴리머 전해질전도도 저하,
ESR 증가필드 결정화^[86]^[100]산화 또는 증발에 의한 유전체 내
결함 절연
폴리머 전해질전압 디레이팅 20 %^[101]^[102]니오브 전해 콘덴서,
고체 MnO₂ 전해질안정적결정적인
고유한 고장 없음Nb₂O₅의 산화에 의한 유전체 내 결함 절연
절연 NbO₂로 열적으로 유도니오브 양극:
전압 디레이팅 50%
니오브 산화물 양극:
전압 디레이팅 20 %^[101]^[102]니오브 전해 콘덴서,
고체 폴리머 전해질전도도 저하,
ESR 증가결정적인
고유한 고장 없음산화 또는 증발에 의한 유전체 내
결함 절연
폴리머 전해질니오브 양극:
전압 디레이팅 50%
니오브 산화물 양극:
전압 디레이팅 20 %^[101]^[102]하이브리드 알루미늄 전해 콘덴서,
고체 폴리머 + 비고체 전해질전도도 저하,
시간이 지남에 따라 건조,
정전 용량 감소,
ESR 증가결정적인
고유한 고장 없음전압을 가하여
새로 생성된 산화막 (형성)수명
계산

100px	100px
사각 고분자 축전기, 탄탈럼 및 알루미늄, 양극(플러스) 측에 극성 표시가 있습니다.	원통형 고분자 축전기 는 음극(마이너스) 측에 극성 표시가 있습니다.

제조사	알루미늄 전해 콘덴서				탄탈럼 전해 콘덴서			니오브 전해 콘덴서
제조사	SMD 래디얼	파워 SI, ST	폴리머 SMD 래디얼	폴리머 하이브리드	SMD MnO₂	SMD 폴리머	습식 전해질	SMD MnO₂ 폴리머
AVX	-	-	-	-	X	X	X	X
CapXon	X	X	X	X	-	-	-	-
CDE Cornell Dubilier	X	X	X	X	X	X	-	-
Capacitor Industries	-	X	-	-	-	-	-	-
[http://www.chinsan.com/welcome/ Chinsan, (Elite)]	X	X	X	-	-	-	-	-
대우, (Partsnic)	X	X	-	-	-	-	-	-
Elna	X	X	X	-	-	-	-	-
Exxelia group	-	X	-	-	X	X	-	-
Frolyt	X	X	-	-	-	-	-	-
Hitachi	-	X	-	-	-	-	-	-
Hitano	X	X	X	-	X	-	-	-
Itelcond	-	X	-	-	-	-	-	-
Jackcon	X	X	-	-	-	-	-	-
Jianghai	X	X	X	X	-	-	-	-
Kaimei Electronic Corp, (Jamicon)	X	X	-	-	-	-	-	-
KEMET	X	X	X	-	X	X	X	-
Lelon	X	X	X	-	-	-	-	-
MAN YUE, (Samxon)	X	X	-	-	-	-	-	-
NEC Tokin	-	-	-	-	X	-	X	-
Nippon Chemi-Con	X	X	X	X	-	-	-	-
NIC	X	X	X	X	X	-	X	-
Nichicon	X	X	X	-	-	-	-	-
파나소닉(Panasonic), 마쓰시타(Matsushita)	X	X	X	X	-	-	X	-
Richey	X	X	-	-	-	-	-	-
ROHM	-	-	-	-	X	-	X	-
루비콘(Rubycon)	X	X	X	-	-	-	-	-
삼화(Samwha)	X	X	X	-	-	-	-	-
SUN Electronic Industry	X	-	-	X	-	-	-	-
TDK EPCOS	X	X	-	-	-	-	-	-
Teapo (Luxon)	X	X	X	-	-	-	-	-
비셰이(Vishay)	X	X	X	-	X	X	X	X
야게오(Yageo)	X	X	X	-	-	-	-	-