박형기 최충석 전주대학교소방안전공학과 (2011. 9. 23. 접수 / 2011. 12. 12. 채택 ) Examination of the Cause of Damage to Capacitors for Home Appliances and Analysis of the Heat Generation Mechanism Hyung-Ki Park Chung-Seog Choi Department of Fire Safety Engineering, Jeonju University (Received September 23, 2011 / Accepted December 12, 2011) Abstract : The purpose of this study is to examine the cause of damage to electrolytic capacitors and to present the heat generation mechanism in order to prevent the occurrence of similar problems. From the analysis results of electrolytic capacitors collected from accident sites, the fire causing area can be limited to the primary power supply for the initial accident. From the tests performed by applying overvoltage, surge, etc., it is thought that the fuse, varistor, etc., are not directly related to the accidents that occurred. The analysis of the characteristics using a switching regulator showed that the charge and discharge characteristics fell short of standard values. In addition, it is thought that heated electrolytic capacitors caused thermal stress to nearby resistances, elements, etc. It can be seen that the heat generation is governed by the over-ripple current, application of AC overvoltage, surge input, internal temperature increase, defective airtightness, etc. Therefore, when designing an electrolytic capacitor, it is necessary to comprehensively consider the correct polarity arrangement, appropriate voltage application, correct connection of equivalent series resistance(esr) and equivalent series inductance(sel), rapid charge and discharge control, sufficient margin of dielectric tangent, etc. Key Words : electrolytic capacitor, home appliances, heat generation mechanism, ESR, SEL 1. 서론 * 가전기술의비약적인발달의이면에는반도체소자 (IC) 의출현및전력용디바이스의소형화등이있었기에가능하였다. 최근에가전및영상기기등에적용되는커패시터, 저항, 인덕터등은기존의소자에비해부피및에너지손실이적어시스템을소형으로제작할수있게되었다. 대부분의가전및영상기기는시스템의신뢰성을높이기위해상용교류전원을공급받아정류회로를이용하여직류로변환된전기를이용한다. 그러나정류된직류에는필연적으로맥류 ( 불규칙한파형 ) 가포함되어시스템의오동작요인으로작용한다. 즉, 맥류의노이즈를제거하기위해적용되는소자가전해커패시터이다. 전해커패시터의구조는알루미늄혹은탄탈의얇은막에전기화학적으로산화피막을만들고 To whom correspondence should be addressed. enetek@naver.com 금속박막을양극으로하고, 전해액을음극으로제작되므로양단에극성이생성된다. 알루미늄을이용한커패시터는알루미늄박막표면을에칭하여유효표면적을증가시키고, 형성된산화피막에전해액이스며든종이와함께감아서알루미늄케이스에봉입한다. 알루미늄전해커패시터의사용전압은 450 V 이하, 정전용량은 1~5,000 µf, 사용온도범위는 -40~85 정도이다. 전해커패시터는 CRT(cathode ray tube) 를모니터로사용하는가전및영상기기등에많이사용되며극성의역사용 (reverse polarity), 과전압의인가, 급속한충전및방전등이빈번하게발생하는회로에서사고의위험성이있다 1-3). 일본의관서전자공업진흥센터의보고서및소니부품신뢰성핸드북등에의하면 CRT 모니터를사용하는시스템에적용된소자에서사고및화재가발생한사례가구체적으로제시되고있다. 또한국내의가전및영상기기등에서도사고가발생한사례가있으나기업들은자사제품의이미지추락및판 13
박형기, 최충석 매저하를우려하여대외비로분류하여관리되는것이현실이다 4-8). 따라서본연구에서는일반적인가전및영상기기등에적용된전해커패시터의소손원인을규명하고발열메커니즘을제시함에따라유사사고 ( 또는재해 ) 예방을위한과학적근거로확보하는데있다. 2. 관련이론 커패시터는전기및전자회로에주로사용되는소자로회로간의결합, 바이패스 (bypass) 회로, 저항및코일을조합한각종필터, 코일과조합한공진회로, 교류전동기의기동및분상용, 상용전원의역률개선등에사용되며, 종류및용도는 Table 1 과같이나타낸다. 커패시터의기본구조는유전체 (dielectric substance) 2 매의전극판으로씌워타원형또는적층형등으로제작하고양쪽에단자 ( 또는리드선 ) 를붙인구조로되어있다. 커패시터의정전용량은전극이전하를축적할수있는능력의정도를상수로나타낸것으로 C 로표시하며식 (1) 과같이나타낸다 1-3). 비유전율이큰재료의발굴이중요한요소이다. 그런데우수한전해커패시터라하더라도 Fig. 1 과같이전류 ( I ) 는전계의세기 (E) 와동상인도전전류 (I 1) 가흐르고, E 에직각방향인용량성전류인변위전류 (I 2) 와합성으로표시된다. 전류 ( I ) 가 I 2 와이루는각을 δ 라하면식 (2) 와같이나타내며, tan δ 를유전정접 (dielectric loss tangent) 이라한다. tan (2) 즉, 유전체를전극에끼우고교류전압을가하면흐르는전류의위상은유전손실이있기때문에완전히 90 진행하지못하고 δ 만큼늦게된다. 이 δ 가유전손실각이고유전손실은 tan δ(dielectric loss tangent) 에비례한다. 유전손실은교류의주파수및전기장의세기가커짐에따라증가하며, 일반적으로고 r (1) 여기서, [F/m] 은진공의유전율이며, r 은비유전율로물질마다갖고있는상수이다. 또한 A[m 2 ] 는전극의단면적이며, d[m] 는전극사이의거리를의미한다. 즉, 우수한전해커패시터를제작하려면 Fig. 1. Relation between the electric field and dielectric loss angle. Table 1. Type and use of capacitor 종류용도특징 종이커패시터현재산업용전기 전자기기에사용신뢰성, 안정성이우수하다. 금속종이커패시터 (MP 커패시터 ) 플라스틱필름커패시터 금속플라스틱필름커패시터자기커패시터 ( 세라믹커패시터 ) 마이카커패시터 텔레비전의수평회로, 세탁기및냉장고전동기의분상용 텔레비전, 비디오등의전자회로에널리사용 텔레비전, 비디오등의고주파회로및온도보상회로등에사용 산업용전자기기및용량의정밀도를요하는회로에사용 약간소형, 경량이다. 신뢰성이높다. 소형, 경량으로신뢰성이높다. 전기적특성이좋다. 고주파특성이좋다. 가장소형, 경량이다. 경년열화가적다. 온도특성이좋다. 용량의정밀도가좋다. 전기적특성이나쁘다. 알루미늄전해커패시터텔레비전, 비디오등의전원회로, 결합회로, 바대용량의것이가능하다. 이패스회로등다양한형태로사용알루미늄고체전해커패시터저온특성이좋다. 탄탈전해커패시터텔레비전, 비디오등결합회로, 바이패스회로전기적특성이좋다. 탄탈고체전해커패시터등에사용가장수명이길다. 14 Journal of the KOSOS, Vol. 26, No. 6, 2011
주파영역에서커진다. 유전손실의많고적음은절연물의성능을결정하는요소로서, 이것이적을수록좋은절연재이다. 유전손실을발생시키는원인은물질의불균일, 유전여효 ( 誘電餘效 ), 히스테리시스현상등이다 1-3). 3. 소손된전해커패시터의해석 가전및영상기기등에사용되는전해커패시터의소손원인은부품의설계여유 (margin) 부족, 전해질의이물질혼입, 사용환경 ( 온도, 압력, 습도 ) 의부적합및물리적인충격등이있다. Fig. 2 는사고현장에서수거된전해커패시터의실체사진을나타낸것이다. 일반가전기기의 PCB(Printed Circuit Board) 에설치된것으로정상제품 (00 Elect., Co., China) 의설계정전용량은 180 µf(±20%) 이며, 사용온도는 85 이하이다. 저압용커패시터로사용전압은 400 V 이하이며, 시스템에적용된목적은시스템전원의평활을위한것이다. 전해커패시터상부의방폭캡이탄화되었고, 인접한반도체소자의방열판역시오염된것을알수있다. 그러나현장조사에서극성의역사용, 과전압의인가및급속한충전및방전등은없었던것으로확인되었다. Fig. 3 은소손된전해커패시터의내부상태를해석하기위해나타낸실체사진이다. 탄화된흔적이없고단지물리적인변형이확인된것으로보아발열에의한폭발소손으로판단된다. 이와같은물리적인변화가있었다는것은어떤이유인지단언할수없으나상당시간충전및방전등에의해열에너지의균형이무너져폭발이발생한것으로유추할수있다. Fig. 4 는소손된전해커패시터의 X-ray 패턴을나 Fig. 3. Photo of the inside of the damaged electrolytic capacitor 타낸것으로 Xs Pro-MR300(Toshiba Co., 1A, Stand, Japan) 을이용하여측정한것이다. 전해커패시터상부의일부만이소손되었고내부의균열및회로의변형흔적은확인할수없었다. 즉, 전해커패시터의구조적인문제는없었던것으로판단되며재료의물성및전기적신호등의분석이요구된다 7-10). Fig. 5 는통계분석방법 (MiniTAB, 이레테크 ( 社 ) Release 13. Edition) 으로전해커패시터의표준정규 Fig. 4. X-ray pattern of the damaged electrolytic capacitor. Fig. 2. Photo of the damaged electrolytic capacitor. Fig. 5. Normal distribution of the electrolytic capacitor sample. 한국안전학회지, 제 26 권제 6 호, 2011 년 15
박형기, 최충석 분포특성을나타낸것이다. 정규분포의검증은수집된데이터가정규분포의가정을만족하는지여부를확인하기위함이다. 정규분포해석은관측된차이가큰경우에적용되는 Anderson-Daring method 를적용하여오차를최소화하였다 12,14). 표준편차는 2.760, P-value 는 0.487 등을나타내므로분석을위해표본추출한전해커패시터는정규분포를나타내는것을알수있다. Fig. 6 의 Cp 는공정능력지수 (process capability index) 이고, Cpk 는공정평균을나타내며, 부품사양에서제시하고있는하한사양한계 (LSL; Lower Specification Limit) 는 144 µf, 상한사양한계 (USL; Upper Specification Limit) 는 216 µf 이다. 공정평균이 1.21 로분석된것으로보아일부공정개선이요구된다. 또한부분공정능력과전체공정능력이같게분석되었다는것은제품군사이의변동이적다는것을의미한다. 그리고기대내부성능 (PPM) 이 145.42 라는것은 100 만개의부품중에 145 개이상이규격구간이외의성능을보일수있음을의미하므로신뢰성향상을위해정밀한공정관리가필요한것으로판단된다 11,13). Fig. 7 은전해커패시터의리플전류 (ripple current) 를오실로스코프 (DPO-7014, Tek, 1 GHz, USA) 로측정한것을나타낸것이다. 커패시터에서의정격리플전류 (rated ripple current) 는규정된온도에서커패시터에연속으로인가할수있는규정주파수의최대허용교류전류의실효치이다. 전해커패시터의리플전류분석은커패시터의발열온도및상용주파수등의해석으로소자의설계여유 (derating) 를확인하는방법이다 4). 정상제품의리플전류 (25 기준 ) Fig. 7. Measurement of the ripple current of an electrolytic capacitor. 는제품이력에서실효전류는 1.35 A 로명기되어있으나사고가발생한부품을수거하여리플전류를측정한결과실효전류는 1.5 A 로확인되었다. 즉, 제품사양에서제시하고있는값보다많은전류가흘렀다는것은설계여유가부족하여발열이지속적으로발생했음을의미하며사고와밀접한관계가있었음을예측할수있다 12). Table 2 는전해커패시터에대한전기적특성을평가한결과이다. 정상제품의평균정전용량 (Cs) 은 166.70 µf, 직렬등가저항 (ESR; Equivalent Serial Resistance) 은 474.2 Ω, 유전정접 (Tan δ) 은 0.06 등을나타냈으나사고가발생한제품의정전용량은 6 µf, ESR 은 737 Ω, Tan δ 은 3.32 등을나타냈다. 이러한특성값의변화는발화에의한영향과부품의초기특성값저하의원인으로구분할수있으며, 정전용량의손실은 ESR 에의한발열이발생할수있음을예측할수있다. 사고제품과동일한사양의전해커패시터특성을측정한결과정격입력의커패시터인가전압을입력전압으로나눈값 (R) 은 65 Ω, 정격입 출력시의순간정전유지시간 (t) 는 404 ms, 입력최저보증전압 E in(min) 은 220 V, 정격입력전압 E in(man) 은 57 V 등 Fig. 6. Process capacity distribution of a normal electrolytic capacitor. Table 2. Evaluation of the electric characteristics of a normal electrolytic capacitor 번호 내용 s [uf] ESR [Ω] Tan δ 1 169.23 501 0.0545 2 172.91 463 0.0554 3 169.88 482 0.0563 4 163.25 456 0.0572 5 158.23 469 0.0582 Average 166.70 474.2 0.0600 16 Journal of the KOSOS, Vol. 26, No. 6, 2011
을나타냈다. 또한사고제품과동일한사양의커패시터의정전용량을측정한결과평균 166.7 µf 이었다. 그리고식 (3) 에서제시하고있는 Shade 이론을적용하여이론정전용량을계산한결과 217 µf 로계산되었다. 따라서본시스템에적용된전해커패시터는이론정전용량보다 50 µf 정도적은것이사용됨에따라시간의경과에따라반복적인스트레스로열화 ( 劣化 ) 가가속된것으로판단된다. s min man (3) Fig. 9. Energy range of the switching IC(STR-W6753) ASO. R : ( 정격입력시커패시터의인가전압 ) 2 / 입력전력 t : 순간정전유지시간 (holding time) E in(min) : 입력최저보증전압 ( 입력의하한값 ) E in(man) : 정격입력전압 시스템에적용된전해커패시터의불량에따른발화원인을추정하기위해서 Fig. 8 과같이포화점에대한전류를측정하였다. 트랜스의포화점을기준으로해석하면포화점에서의전류는 5.08 A 이다. 따라서부하경감계수 (derating factor) 0.8 을고려한전류의첨두치 3.3 A 로나누어 1.23 을얻을수있다. 즉, 트랜스는약 23% 의여유 (margin) 를가짐을확인할수있으므로트랜스의영향은고장발생의주요원인과관련이없음을알수있다 12). Fig. 9 는전해커패시터의스위칭 IC (STR-W6753, Sanken Co.,Ltd, Japan) 에대한전기적특성을분석한것이다. 스위칭 IC 에대한 Drain 과 Source 사이의전압과 Drain 전류의안정화영역 (ASO; Area Safety Operation) 에대한분석에서 V ds 는 520 V, I d 는 2.6 A 등으로측정되었으며, 정상제품의사양에서제시하고있는 ASO 영역내에존재하는것을확인할수있었다 11). 즉, 스위칭 IC 에의한사고발생의가능성은희박한것으로판단된다. 4. 전해커패시터의발열메커니즘 가전및영상기기에적용되는전해커패시터의발화메커니즘분석에서전해커패시터의설계여유, 절연특성, 등가직렬저항및등가직렬인덕턴스, 충전및방전특성등다양한요소가상호연관되어있는것을알수있다. 또한과전류검출저항의특성변화가스위칭 IC 의 Source part 로유입되어내부의절연파괴 (Drain 포함 ) 를초래한것으로발화원인에대한진행과정을설명할수있다. Fig. 10 은전해커패시터의일반적인잠재적고장형태및특성분석에적용되는 FMEA(Failure Mode Effects Analysis) 의개략도를나타낸것이다. 즉, 전해커패시터의선정및설계에서고려해야할내용으로는역극 Fig. 8. Evaluation of the upper limit current for the transformer knee point. Fig. 10. Schematic diagram of the (FMEA) Failure Mode Effects Analysis. 한국안전학회지, 제 26 권제 6 호, 2011 년 17
박형기, 최충석 성사용, 정격전압, 리플전류, 급속충전및방전, 등가직렬저항, 누설전류, 주위온도에따른수명등이있다. 이와같은고장발생의요소및발화가능성등을설계단계에서표준작업절차 (SOP; Standard Operating Procedure) 의준수가신뢰성향상에기여할것으로판단된다 11,15). 전해커패시터를시스템에적용할때극성을반대로연결하면발열에의한파괴또는화재발생등을예측할수있고, 인가전압은정격전압의 60~80 % 에서사용하는것이최적의성능을나타낸다. 또한리플전류및등가직렬저항 (ESR; Equivalent Series Resistance) 등에의한열이발생하여커패시터내부에가스가발생하게되므로시간의경과에따라충전된전해액의분해및소비가일어나고정전용량이감소하게된다. 커패시터가방전될때역기전력에의한음극화가진행하게될수있고용량이감소하며내부온도가상승하게된다. 또한반복적인충전및방전등이빈번하게발생하거나급격한전류의유출입에의한수명의단축및발열등을고려해야한다. 등가직렬인덕턴스 (ESL; Equivalent Series Inductance) 는고주파수인경우시스템에미치는영향이크므로무유도성이되도록시정수를적절하게조정해야한다. 시스템에서발생될수있는누설전류는유전분극뒤틀림, 유전체의용해, 생성, 흡기흡착등이지배하므로작업중에인체의손상및감전등의주의가필요하다. 아레니우스법칙에따르면사용하는부품주위온도가 10 상승할때마다 2 배의수명이단축되는것으로제시하고있으므로내구수명연장을위해서는적절한온도를유지하는것이중요하다. Fig. 11 에전해커패시터의등가회로를나타냈으며, 기기마다적합한최적의시정수가필요하다. 알루미늄전해캡 (cap) 에서의임피던스특성을고려하면공진주파수대역이하에서는저항성분으로작용하고이후에서는리액턴스성분으로나타나는 U-Type 곡선을나타내므로설계에서는어려운면 ESR : 등가직렬저항 ESL : 등가직렬인덕턴스 C S : 정전용량 R L : 양극산화피막의등가병렬저항 Fig. 11. The equivalent circuit of an electrolytic capacitor. 이있지만상호특성을고려한최적의용량을결정하는것이요구된다 5). 5. 결론 가전및영상기기등에사용되는전해커패시터의소손원인을규명하기위해소손패턴, 공정능력평가, 트랜스포화점에대한전류상한치평가등을분석하여다음과같은결과를얻었다. 1) 사고제품의실체분석에서최초의사고는 1 차측전원으로발화영역을한정할수있었다. 2) 과전압및서지등에대한재현실험을통해퓨즈, 바리스터등은사고와직접적인관련성이없는것으로판단된다. 3) 전해커패시터의공정능력특성해석에서충전및방전특성등이기준치 (180) 에미달하는것으로확인되었다. 4) 정상제품의리플전류는제품이력에서실효전류는 1.35 A 로명기되어있으나사고가발생한부품을수거하여리플전류를측정한결과실효전류는 1.5 A 로확인된것으로보아설계여유가부족한것으로판단된다. 5) 전해커패시터에서발열이발생하는경우인접한저항및소자등에도반복적인열적스트레스가인가될수있고시스템의급격한온도상승으로폭발이발생할수있다. 따라서가전및영상기기등에적용되는전해커패시터를설계할때의고려사항은정확한극성의적용, 적절한전압의인가, 적절한 ESR 및 ESL 의적용, 급속한충전및방전의제어, 충분한유전정접여유 (margin) 확보등을종합적으로고려할필요가있다. 참고문헌 1) 전춘생, 표준전자기학, 동명사, pp. 243~246, 1988. 2) 최충석외 5, 전기화재공학, 도서출판동화기술, pp. 189~198, pp. 304~306, 2004. 3) 권기영외 6 역, 전기전자공학개론, 한빛미디어, pp. 216~228, 2010. 4) 日本工業調査會, 電子部品大事典, pp. 188~120, 2002. 5) R&D CENTER, 最新電子部品デバイス實裝技術便覽, pp. 93~111, 2004. 6) 關西電子工業振興セソタ信賴性分科會, 故障を 18 Journal of the KOSOS, Vol. 26, No. 6, 2011
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