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박막 고분자 적층 콘덴서“PMLCAP”의 특징과 활용

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PML CAP이란

Polymer Multi-Layer Capacitor의 이름과 같이 고분자(폴리머) 위에 금속증착을 실시하면서 연속적으로 적층을 하여 형성시킨 구조의 표면 실장형 필름 콘덴서 입니다.
루비콘 독자적인 진공 증착 기술로 기존의 필름 콘덴서보다 대폭 소형화를 실현하였습니다.

특 징

구조와 등가회로

박막 고분자 적층 콘덴서“PMLCAP”(사진 1)의 내부구조를 도면 1에, 등가회로를 도면2에 표시하였습니다.
등가회로에 있어서 유전흡수를 등가로 한 Rd와Cd는 일반적인 용도로는 무시할 수 있습니다.

PMLCAP
사진 1 박막 고분자 적층 콘덴서“PMLCAP”(단위: mm)

Construction of PML CAP
Fig. 1 Construction of PML CAP

등가회로
도면2 등가회로

PMLCAP은 진공증착으로 제조하기 때문에 유전체의 두께가 상당히 얇아서, 수지필름을 사용하는 기존의 필름 콘덴서와 비교하여 외형이 약 1/10정도로 상당히 소형화가 되어 있습니다.

전기특성

PMLCAP의 사양을 표1,다른 표면 실장 콘덴서와의 비교를 표 2에 표시하였습니다.
전기특성은 폴리에스테르 필름콘덴서(마일러 콘덴서)와 거의 동등합니다.
적층 세라믹 콘덴서(MLCC:Multi-Layer Ceramic Capacitor)와 비교하면 압전효과가 없기 때문에 잡음발생이 적고, 유전흡수도 작아, 직류전압인가에 의한 용량감소가 없는 특성을 가지고 있습니다.

표 1 PMLCAP의 사양
Specifications of PML CAP

표 2 표면 실장형 콘덴서 비교표(전해 콘덴서는 제외)
Comparison of PML CAP with other SMT Capacitors

내열성

PMLCAP은 유전재료에 열 경화성 수지를 사용합니다. 열중량 감소 개시점은 300ºC이상이기 때문에 내열성은 높다고 볼 수 있습니다..

전기특성

PMLCAP의 특성을 고유전율계 적층 세라믹 콘덴서와 비교하였습니다.

임피던스 주파수 특성

바이패스로서 사용할 때에 중요한 임피던스와 등가직렬저항(ESR:Equivalent Series Resistance)의 주파수 특성을 도면3에 표시하였습니다

MLCC와 PMLCAP의 임피던스/ESR-주파수특성
도면3 MLCC와 PMLCAP의 임피던스/ESR-주파수특성

PMLCAP은 ESR과 등가직렬 임피던스(ESL:Equivalent Series Inductance)가 작아,MLCC와 거의 등등한 주파수 특성을 가지고 있습니다.

직류 바이어스특성

바이패스나 커플링 콘덴서로서 사용할 때에 중요한 직류 바이어스 특성을 도면 4에 표시하였습니다. PMLCAP은 압전효과가 없기 때문에 직류전압이 가해졌을 때의 용량변화가 없습니다. 이것은 MLCC에 비해 특성상 우위점이 됩이다. 예를들어 정격전압이 50V인 MLCC를 DC25V이상에서 사용할 경우에는 실효용량이 같은PMLCAP과 같은 정도의 크기가 되는 경우가 많습니다.

직류 바이어스전압에 따른 용량변화율
도면4 직류 바이어스전압에 따른 용량변화율

온도특성

입력 커플링 콘덴서나 필터용 콘덴서로서 사용할 때에 중요한 온도특성을 도면 5에 표시하였습니다. -55ºC에서 +125ºC의 온도특성은 약 +520ppm/℃이 됩니다.

온도에 따른 용량변화율
도면5 온도에 따른 용량변화율

잡음 특성

정음(静音)을 구현하는 기기에 사용되는 경우에 중요한 잡음특성을 도면 6에 표시하였습니다. 도면6(a)는1.4kHz에서 3Vpeak의 펄스를 인가한 경우의 음압 레벨입니다. MLCC와 비교하여 -20dB,즉1/10이 됩니다.
図6(b)는 액정 백라이트 회로에 실장하여 가동시킨 경우에 발생하는 잡음의 주파수 분석결과의 한 예입니다. MLCC의 음향잡음은 압전효과에 의해 1kHz이상의 중음역대에서 커집니다. PMLCAP은 쿨롱의 힘에 의해 1kHz이하의 저음역대의 일부에서 커지는 것을 알 수 있습니다. 사람이 느끼는 잡음은 수kHz대 이며, 이 대역에서 발생하는 잡음이 적은 콘덴서가 요구되기 때문에 PMLCAP의 사용이 효과적입니다.

1.4kHz, 3Vpeak펄스 인가시의 잡음
도면6(a) 1.4kHz, 3Vpeak펄스 인가시의 잡음

액정 백라이트 회로에서 발생하는 잡음의 주파수 성분
도면6(b) 액정 백라이트 회로에서 발생하는 잡음의 주파수 성분

유전흡수 특성

유전체의 분극이 순간적으로 일어나지 않고 늦어지는 것이 원인으로 유전흡수(유전체 흡수라고도 함.)가 악화됩니다. 도면7에 유전흡수의 측정데이터를 표시하였습니다. JIS에서는 방전 후의 재기전압은 15분 후의 값으로 되어있습니다만, 여기에서는 시간이 걸리지 않는 최대치를 요구하고 있습니다.

유전흡수특성
도면7 유전흡수특성

PMLCAP의 유전흡수특성은 폴리에스테르 필름콘덴서와 거의 동등하며, MLCC와 비교하였을 때는 상당히 우수하다고 볼 수 있습니다
형상에 관계가 없다면, 큰 리드선이 부착된 폴리프로필렌 필름콘덴서가 더욱 우수한 특성을 나타냅니다만, 이러한 용량에서의 이러한 형상은 다른 대체 가능한 콘덴서는 없습니다.

자기 회복성

과전압 펄스가 인가되어 단락고장이 발생하여도 단락부분에 전류가 집중, 발열하여 증착 금속이 산화되고 증착 금속이 소실하여 유전체 및 증착 금속이 비산하므로 절연이 회복됩니다. 이러한 자기회복은 증착 저항이 높고 증착막이 얇을수록 발생하기 쉽기 때문에 그러한 구조를 갖는 PMLCAP은 안전성이 높다고 할 수 있습니다.
과전압 펄스를 인가하여 강제적인 단락고장을 발생시켰을 경우의 자기 회복성을 관측한 결과를 사진2 에 표시하였습니다. 사진2(a)가 186Vpeak,1msec의 펄스형상입니다. 이것을 2Ω의 직렬저항을 두고PMLCAP에 가해졌을 때의 단자간 파형이 사진2(b)입니다. 자기회복현상이 관측됩니다.
또한, 단락되면 회복을 하여도 절연저항 등의 전기적 특성이 단락 전의 상태로 회복하는 것은 아니기 대문에 신뢰성의 관점에서는 조기 교환이 필요합니다.

순간적인 과전압에 대한 자기회복특성
사진2 순간적인 과전압에 대한 자기회복특성

허용리플전류

PMLCAP의 허용리플의 한 예를 도면8에 표시하였습니다.

PMLCAP의 허용리플전류특성
도면8 PMLCAP의 허용리플전류특성

低누설전류”특성

필름콘덴서의 특징으로서 다른 콘덴서와 비교하여 누설전류 특성이 우수한 점이 있습니다. 도면9에16V22μF의 경우의 각종 콘덴서(전해, 탄탈, 적층세라믹)와의 누설전류특성을 비교한 데이터를 표시하였습니다.

누설전류 특성비교
도면9 누설전류 특성비교

대표적인 용도와 사용법

대표적인 용도로서, 고음질의 특징을 활용한 음향기기, 잡음이 거의 없는 특징을 활용한 전원 바이패스콘덴서, 유전흡수가 작은 특징을 활용한 PLL(Phase Lock Loop)의 루프필터, 저 누설전류의 특징을 활용한 에너지 하베스트(환경발전)의 축전용 콘덴서 등이 있습니다.

음향기기

도면10에 D급 앰프(디지털 앰프)에 사용한 경우의 예를 표시하였습니다. PMLCAP은입력부분의 직류 커트용 커플링 콘덴서나 출력필터에 사용됩니다. 음질로서는 중고역대의 투명감이 증가합니다. 또한 출력필터에 사용하면, 용량변화가 없기 때문에 필터특성의 변동이 작아집니다.

D급 앰프의 입출력 콘덴서로의 사용 예
도면10 D급 앰프의 입출력 콘덴서로의 사용 예

도면11에는 실제의 D급 앰프의 출력을 변화시킨 경우의 각 주파수에 있어서의 THD+N (Total Harmonic Distortion:전고주파왜곡,Noise:노이즈)를 측정한 결과를 표시하였습니다.
원래에는 출력필터에 폴리프로필렌 필름콘덴서(630V,0.47μF,17.5×18.0×9.0mm)가 사용되고 있었습니다. 이 콘덴서를 PMLCAP 35V,1μF (3.2×2.5×1.4mm), MLCC 50V, 1μF (X7R,3.2×2.5×1.8mm)로 변경하여 측정을 실시하였습니다.

필름 콘덴서의 THD+N
도면11(a) 필름 콘덴서의 THD+N

PMLCAP의 THD+N
도면1(b) PMLCAP의 THD+N

MLCC의 THD+N
도면11(c) MLCC의 THD+N

이 결과에 따라 PMLCAP은 기존의 필름 콘덴서와 등등, MLCC보다는 우수하다는 점을 알 수가 있습니다.

백라이트용 LED드라이버 사용 예

유전체로 있는 박막 필름에는 압전효과가 없기 때문에 잡음발생이 적은 특징을 활용하여 큰 리플전류가 흐르는 전원의 바이패스 콘덴서로 사용되고 있습니다.
도면12에 LED백라이트용 DC-DC컨버터의 입력과 출력의 바이패스에 사용하는 경우에 삽입부분을 표시하였습니다. LED백라이트에서는 조광에 가청주파수의 PWM(Pulse Width Modulation)신호를 사용하기 때문에 MLCC를 사용하면 큰 잡음이 발생하는 경우가 많이 있습니다.
도면12에서는 승압형 컨버터를 위한 입출력 바이패스 콘덴서에 사용되고 있습니다만, 강압형에서는 입력의 바이패스로 사용됩니다.

백라이트용 LED드라이버의 입출력 콘덴서로의 사용 예
도면12 백라이트용 LED드라이버의 입출력 콘덴서로의 사용 예r

PLL의 루프필터용

도면13에 PLL의 루프필터에 사용되는 예를 표시하였습니다. 고유전율계의 MLCC와 비교하여 유전흡수가 작기 때문에 LockupTime이라고 부르는 주파수 변환시간의 단축이 가능합니다.

PLL신디사이저 루프필터용 콘덴서로의 사용 예
도면13 PLL신디사이저 루프필터용 콘덴서로의 사용 예

에너지 하베스트(환경발전)

PMLCAP은 유전체에 박막 필름을 채용하기 때문에 누설전류가 상당히 작고, 게다가 기존의 필름 콘덴서보다 소형, 대용량을 갖는 특징이 있습니다.
그렇기 때문에 미약한 전력을 다루는 에너지 하베스트≪환경발전≫(도면14)의 축전용 콘덴서에 적용됩니다.

에너지 하베스팅 Block도
도면14 에너지 하베스팅 Block도


본문은CQ출판주식회사刊「트랜지스터기술」2010년8월호 게재된 기사를 기준으로 가필, 수정한 것입니다.

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