스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란? : 콘덴서편：대용량화가 진행되는 적층 세라믹 콘덴서

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

DC-DC 컨버터를 구축함에 있어서, 입력 및 출력 콘덴서와 인덕터는 DC-DC 컨버터용 IC와 함께 중요한 부품입니다. 최근, DC-DC 컨버터는 고효율과 더불어 저전압 대전류 출력, 고속 부하 과도 응답, 낮은 노이즈 등 다양한 사항이 요구되고 있습니다. 이에 대한, DC-DC 컨버터용 IC의 개량이 진행됨에 따라, 콘덴서와 인덕터도 계속 진화하고 있습니다. DC-DC 컨버터를 구축함에 있어서, 어떠한 콘덴서와 인덕터가 개발되고 있으며, 포인트가 되는 특성으로는 어떠한 것이 있는지 알아보고자, 일본 국내의 대표적인 공급 메이커 중 하나인 태양유전 주식회사의 신사업 추진본부 이시하라씨를 인터뷰하였습니다.

－스위칭 전원 설계에서는, 전원용 IC를 선택하는 것과 마찬가지로, 외장 부품의 선택도 중요하다는 인식이 높아지고 있습니다. 이러한 상황을 바탕으로 부품 메이커로서의 견해와 정보에 대해 여쭤보고자 합니다. 그럼, 콘덴서와 인덕터 중 먼저 콘덴서에 대해 여쭤보겠습니다.

   최근, 전원 IC의 응용 회로 예를 보면, MLCC (Multilayer Ceramic Chip Capacitor)라고 불리는 적층 세라믹 콘덴서를 권장하는 경우가 많은 것 같습니다. 다양한 면에서 메리트가 있기 때문이라고 생각됩니다만, 우선 기본적인 부분부터 설명해주시겠습니까.

말씀하신대로 스위칭 전원에 있어서 적층 세라믹 콘덴서의 수요는 증가하고 있습니다. 주된 이유는, 표면 실장에 적합한 형태가 가능하며, 특성면에서도 스위칭 전원에 적합하여, 기존의 전해 콘덴서의 대체품으로서 그 수요가 증가하고 있습니다. 먼저, 간단히 적층 세라믹 콘덴서의 구조에 대해 설명하겠습니다.

하기 그림과 같이, 분말 상태의 세라믹 재료를 도포한 시트 형태의 유전체와 전극이 서로 겹쳐진 구조로 이루어져 있습니다. 구조와 정전 용량의 관계를 쉽게 이해하실 수 있도록 하기 식을 통해 설명하겠습니다.

상기 식에서 알 수 있듯이, 적층 세라믹 콘덴서의 정전 용량은, 진공의 유전율 ε0 × 비유전율 εr이 높고 적층수 n이 많으며, 면적 S가 넓고, 유전체 1층의 두께가 얇을수록 높아집니다. 단순히 말하면 높이와 면적을 늘리는 것으로 정전 용량을 늘릴 수 있지만, 이 때, 요구되는 것은 「필요한 정전 용량에 대해 가능한 작게」하는 것입니다. 이를 위해서는, 하나의 유전체 층을 얇게 하면서 유전율을 향상시켜 적층수를 늘릴 필요가 있으므로, 고도의 재료 기술과 제조 기술이 필요합니다.

－적층 세라믹 콘덴서라고 하면, 그다지 큰 용량까지는 커버하지 않는다는 이미지가 있는데요, 실제로는 어떻습니까?

물론 용량이 작은 제품부터 시작하여, 현재 당사에서는 470µF 제품이 공급 가능합니다. 또한, 동일한 용량에서도 소형화가 진행되고 있습니다. 하기 표는 당사의 로드맵으로, 정전 용량, 사이즈, 내압의 관계를 이해하실 수 있을 것입니다.

IC 베이스의 DC-DC 컨버터는, 출력 콘덴서가 수십µF에서 수백µF이므로, 범위는 상당히 넓어졌습니다. 알고 계시겠지만, 정전 용량, 사이즈, 내압은 모두 상반되는 관계입니다. 앞서 설명드린 「유전율이 높고 얇은 하나의 층을 많이 적층」한다는 과제에 대한 개발을 지속하고 있습니다.

－이정도의 용량을 커버하게 되면, 예를 들어, 폴리머계의 칩 콘덴서 등과 필적해진다고 생각됩니다만, 어떠한 차이가 있는 것입니까?

말씀하신대로 폴리머계, 즉 기능성 고분자 콘덴서와 MLCC : 적층 콘덴서가 어떻게 다른지에 대해 이해하는 것은, DC-DC 컨버터를 설계함에 있어서 매우 중요한 부분이라고 생각합니다.

먼저, 구조 및 재료의 차이부터 설명하겠습니다. 구조는 하기의 좌측 그림과 같이, 적층 세라믹 콘덴서가 명칭 그대로 적층으로 이루어져 있는데 반해, 우측 그림은 탄탈 또는 알루미늄을 유전체로 한 콘덴서 소자로, 음극에 기능성 고분자와 이산화 망간이 사용되고 있습니다. 이산화 망간을 사용하는 것은, 탄탈 전해 콘덴서에서 최근 그다지 사용되지 않고 있지만, 기본적인 내용이므로 비교 대상에 포함시켰습니다. 종류에 따라 재료가 다르므로, 그 부분은 표를 참조하여 주십시오.

탄탈 전해는 유전체 막의 두께가 얇아 대용량이 가능하였지만, 음극에 이산화 망간을 사용하기 때문에 등가 직렬 저항 ESR이 높다는 과제가 있습니다. 단, 이산화 망간을 사용함으로써, 얇은 유전체 피막이 파괴되어도 자기 복원을 한다는 이점이 있습니다. 그러나, ESR의 저감은 중요한 시장 요구라는 점에서, 음극에 기능성 고분자를 사용한 콘덴서가 대두되어 왔습니다. ESR은 전극의 전도도와 관계가 있습니다. 하기 표에서 탄탈 전해가 0.1S/cm인데 비해, 예를 들어 폴리피롤을 사용한 것은 100S/cm로 크게 개선되었습니다. 자기 복원에 있어서, 기능성 고분자는 자기 복원이 불가능하지만, 파괴 부분이 스스로 절연되어 동작을 지속할 수 있습니다.

한편, 적층 세라믹 콘덴서는 전극의 재료에 따른 전도도와 적층 구조에서 ESR을 매우 작게 할 수 있어, 높은 비유전율을 실현함으로써 대용량화 / 소형화가 진행되고 있습니다. 또한, 유전체 피막이 두껍기 때문에 다른 것보다 전계 강도가 높아 수명이 길다는 장점이 있습니다. 자세한 사항은 상기 표의 수치를 참조하여 주시기 바랍니다.

※본 기사는 2015년 10월 시점의 내용입니다.