박막고분자적층콘덴서 PMLCAP 의특징과활용 PMLCAP 이란 Polymer Multi-Layer Capacitor 의이름과같이고분자 ( 폴리머 ) 위에금속증착을실시하면서연속적으로적층을하여형성시킨구조의표면실장형필름콘덴서입니다. 루비콘독자적인진공증착기술로기존의필름콘덴서보다대폭소형화를실현하였습니다. 특징 구조와등가회로박막고분자적층콘덴서 PMLCAP ( 사진 1) 의내부구조를도면 1 에, 등가회로를도면 2 에표시하였습니다. 등가회로에있어서유전흡수를등가로한 R d 와 C d 는일반적인용도로는무시할수있습니다. 5.0 3.2 2.5 5.7 4.5 3.2 (a) 5750 사이즈 (b) 4532 사이즈 (c) 3225 사이즈 사진 1 박막고분자적층콘덴서 PMLCAP ( 단위 : mm) 외부전극 적층체 유전체 : 방사선경화형수지내부전극 : 증착알루미늄 외부전극
L ESL L ESL : 등가직렬임피던스 R ESR R ESR R p R d : 등가직렬저항 : 절연저항 : 유전흡수 기생소자는 무시할만큼 작음 R p C R d C d C : 유전흡수 : 용량 일반적용도에서무시 C d 도면 2 등가회로 PMLCAP 은진공증착으로제조하기때문에유전체의두께가상당히얇아서, 수지필름을 사용하는기존의필름콘덴서와비교하여외형이약 1/10 정도로상당히소형화가되어 있습니다. 전기특성 PMLCAP 의사양을표 1, 다른표면실장콘덴서와의비교를표 2 에표시하였습니다. 전기특성은폴리에스테르필름콘덴서 ( 마일러콘덴서 ) 와거의동등합니다. 적층세라믹콘덴서 (MLCC:Multi-Layer Ceramic Capacitor) 와비교하면압전효과가없기때문에잡음발생이적고, 유전흡수도작아, 직류전압인가에의한용량감소가없는특성을가지고있습니다. 표 1 PMLCAP 의사양 항목 사양 정전용량허용차손실각의정접 (tanδ) 내전압절연저항 ±20%(M) 1.5% 이하정격전압의 150% 를 1 분간, 또는 175% 를 1~5 초간인가후, 이상이없을것. 300MΩ μf
표 2 표면실장형콘덴서비교표 ( 전해콘덴서는제외 ) 종류 PMLCAP 적층필름콘덴서 MLCC 유전체 방사선경화형수지 ( 아크릴 ) 수지필름 (PEN,PPS) 고유전율계세라믹 (BaTiO 3 ) 유전체두께 < 1μm/ 층 3μm/ 층 < 1μm/ 층 비유전율약 3 約 3 2,000~5,000 내부전극증착알루미늄증착알루미늄니켈페이스트 정격전압 16~63V DC 10~250V DC 2.5~3,150V DC 정전용량 0.1μ~22μF 0.001μ~1μF 68p~100μF 온도범위 -55~+125-55~+125-55~+150 (X8R) 형상중대소 특징 내열성 압전효과가없기때문에, 이상잡음발생이작고, DC 바이어스특성이우수함. 압전효과가없기때문에 이상 잡음 발생이 작고, DC 바이어스 특성이우수함. 압전효과가 있어서 DC 바이어스 특성이 떨어짐. 온도보상용은 형상이 커서 특성은 우수함. PMLCAP 은유전재료에열경화성수지를사용합니다. 열중량감소개시점은 300 이상이기때문에내열성은높다고볼수있습니다. 전기특성 PMLCAP 의특성을고유전율계적층세라믹콘덴서와비교하였습니다. 임피던스주파수특성 바이패스로서사용할때에중요한임피던스와등가직렬저항 (ESR:Equivalent Resistance) 의주파수특성을도면 3 에표시하였습니다. Series 1000 インピーダンスまたは ESR [Ω] 100 10 1 0.1 0.01 0.001 임피던스 ESR 10μF MLCC (B, 50V, 4.7μF) 6.8μF 4.7μF 1 10 100 1000 10000 周波数 [khz] 도면 3 MLCC 와 PMLCAP 의임피던스 /ESR- 주파수특성
PMLCAP 은 ESR 과등가직렬임피던스 (ESL:Equivalent Series Inductance) 가 작아,MLCC 와거의등등한주파수특성을가지고있습니다. 직류바이어스특성바이패스나커플링콘덴서로서사용할때에중요한직류바이어스특성을도면 4 에표시하였습니다. PMLCAP 은압전효과가없기때문에직류전압이가해졌을때의용량변화가없습니다. 이것은 MLCC 에비해특성상우위점이됩이다. 예를들어정격전압이 50V 인 MLCC 를 DC25V 이상에서사용할경우에는실효용량이같은 PMLCAP 과같은정도의크기가되는경우가많습니다. 20 35V(10μ,6.8μ,4.7μ) 容量変化率 @1kHz [%] 0-20 -40-60 MLCC (X7R, 50V, 10μF) MLCC (B, 50V, 4.7μF) -80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 バイアス電圧 [V] 도면 4 직류바이어스전압에따른용량변화율 온도특성입력커플링콘덴서나필터용콘덴서로서사용할때에중요한온도특성을도면 5 에표시하였습니다. -55 에서 +125 의온도특성은약 +520ppm/ 이됩니다. 5 容量変化率 @1kHz [%] 0-5 -10 35V(10μ,6.8μ,4.7μ) MLCC (X7R, 50V, 10μF) 온도계수 520ppm/ MLCC (B, 50V, 4.7μF) -15-100 -50 0 50 100 150 温度 [ ] 도면 5 온도에따른용량변화율
잡음특성정음 ( ) 을구현하는기기에사용되는경우에중요한잡음특성을도면 6 에표시하였습니다. 도면 6(a) 는 1.4kHz 에서 3V peak 의펄스를인가한경우의음압레벨입니다. MLCC 와비교하여 -20dB, 즉 1/10 이됩니다. 図 6(b) 는액정백라이트회로에실장하여가동시킨경우에발생하는잡음의주파수분석결과의한예입니다. MLCC 의음향잡음은압전효과에의해 1kHz 이상의중음역대에서커집니다. PMLCAP 은쿨롱의힘에의해 1kHz 이하의저음역대의일부에서커지는것을알수있습니다. 사람이느끼는잡음은수 khz 대이며, 이대역에서발생하는잡음이적은콘덴서가요구되기때문에 PMLCAP 의사용이효과적입니다. 60 50 うなり音音圧 [db] 40 30 20 10 잡음의음압이 -20dB 0 35V, 10μF MLCC 1 2 (X7R, 50V, 10μF) 도면 6(a) 1.4kHz, 3Vpeak 펄스인가시의잡음 音圧 [db] 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 PMLCAP 은귀에느끼는수 khz 대의 음압이낮다. PMLCAP MLCC 0.01 0.1 1 10 100 周波数 [khz] 도면 6(b) 액정백라이트회로에서발생하는잡음의주파수성분
유전흡수특성유전체의분극이순간적으로일어나지않고늦어지는것이원인으로유전흡수 ( 유전체흡수라고도함.) 가악화됩니다. 도면 7 에유전흡수의측정데이터를표시하였습니다. JIS 에서는방전후의재기전압은 15 분후의값으로되어있습니다만, 여기에서는시간이걸리지않는최대치를요구하고있습니다. 誘電吸収 [%] 14 12 10 8 6 4 2 0 PMLCAP MLCC 보다도작기때문에루프필터에적용 0.21 0.24 0.24 0.56 0.21 4.15 고유전율 (X7R) 계 MLCC 1µF 1.5µF 1µF 10µF 2.2µF 3.3µF 4.7µF 10µF 0.22µF 0.47µF 2.06 8.96 2.04 2.86 16V 25V 50V 25V 50V 도면 7 유전흡수특성 PMLCAP 의유전흡수특성은폴리에스테르필름콘덴서와거의동등하며, MLCC 와비교하였을때는상당히우수하다고볼수있습니다. 형상에관계가없다면, 큰리드선이부착된폴리프로필렌필름콘덴서가더욱우수한특성을나타냅니다만, 이러한용량에서의이러한형상은다른대체가능한콘덴서는없습니다. 자기회복성과전압펄스가인가되어단락고장이발생하여도단락부분에전류가집중, 발열하여증착금속이산화되고증착금속이소실하여유전체및증착금속이비산하므로절연이회복됩니다. 이러한자기회복은증착저항이높고증착막이얇을수록발생하기쉽기때문에그러한구조를갖는 PMLCAP 은안전성이높다고할수있습니다. 과전압펄스를인가하여강제적인단락고장을발생시켰을경우의자기회복성을관측한결과를사진 2 에표시하였습니다. 사진 2(a) 가 186V peak,1msec 의펄스형상입니다. 이것을 2 Ω 의직렬저항을두고 PMLCAP 에가해졌을때의단자간파형이사진 2(b) 입니다. 자기회복현상이관측됩니다. 또한, 단락되면회복을하여도절연저항등의전기적특성이단락전의상태로회복하는것은아니기대문에신뢰성의관점에서는조기교환이필요합니다..
자기회복 50V/div 0.4ms/div 50V/div 0.4ms/div 절연저항 (a) 인가펄스 ( 오픈시의파형 ) (b) 자기회복 사진 2 순간적인과전압에대한자기회복특성 허용리플전류 PMLCAP 의허용리플의한예를도면 8 에표시하였습니다. 2.5 2.0 35V,10µF 許容リプル電流 [Arms] 1.5 1.0 0.5 35V,4.7µF 35V,1µF 35V,0.47µF 0.0 10 100 1000 周波数 [khz] 도면 8 PMLCAP 의허용리플전류특성
누설전류 특성필름콘덴서의특징으로서다른콘덴서와비교하여누설전류특성이우수한점이있습니다. 도면 9 에 16V22μF 의경우의각종콘덴서 ( 전해, 탄탈, 적층세라믹 ) 와의누설전류특성을비교한데이터를표시하였습니다. 도면 9 누설전류특성비교 대표적인용도와사용법 대표적인용도로서, 고음질의특징을활용한음향기기, 잡음이거의없는특징을활용한전원바이패스콘덴서, 유전흡수가작은특징을활용한 PLL(Phase Lock Loop) 의루프필터, 저누설전류의특징을활용한에너지하베스트 ( 환경발전 ) 의축전용콘덴서등이있습니다. 음향기기도면 10 에 D 급앰프 ( 디지털앰프 ) 에사용한경우의예를표시하였습니다. PMLCAP 은입력부분의직류커트용커플링콘덴서나출력필터에사용됩니다. 음질로서는중고역대의투명감이증가합니다. 또한출력필터에사용하면, 용량변화가없기때문에필터특성의변동이작아집니다.
입력신호 D 급앰프 입력에사용시음질이개선 출력필터사용시필터특성과음질이개선 도면 10 D 급앰프의입출력콘덴서로의사용예 도면 11 에는실제의 D 급앰프의출력을변화시킨경우의각주파수에있어서의 THD+N (Total Harmonic Distortion: 전고주파왜곡,Noise: 노이즈 ) 를측정한결과를표시하였습니다. 원래에는출력필터에폴리프로필렌필름콘덴서 (630V,0.47 μ F,17.5 18.0 9.0mm) 가사용되고있었습니다. 이콘덴서를 PMLCAP 35V,1μF (3.2 2.5 1.4mm), MLCC 50V, 1μ F (X7R,3.2 2.5 1.8mm) 로변경하여측정을실시하였습니다.. 도면 11(a) 필름콘덴서의 THD+N
도면 1(b) PMLCAP 의 THD+N 도면 11(c) MLCC 의 THD+N 이결과에따라 PMLCAP 은기존의필름콘덴서와등등, MLCC 보다는우수하다는점을알 수가있습니다.
. 백라이트용 LED 드라이버사용예유전체로있는박막필름에는압전효과가없기때문에잡음발생이적은특징을활용하여큰리플전류가흐르는전원의바이패스콘덴서로사용되고있습니다. 도면 12 에 LED 백라이트용 DC-DC 컨버터의입력과출력의바이패스에사용하는경우에삽입부분을표시하였습니다. LED 백라이트에서는조광에가청주파수의 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를사용하기때문에 MLCC 를사용하면큰잡음이발생하는경우가많이있습니다. 도면 12 에서는승압형컨버터를위한입출력바이패스콘덴서에사용되고있습니다만, 강압형에서는입력의바이패스로사용됩니다. LED 입출력에사용하면잡음이거의들리지않음 SBD LED 드라이버 ( 승압형 ) 도면 12 백라이트용 LED 드라이버의입출력콘덴서로의사용예 PLL 의루프필터용도면 13 에 PLL 의루프필터에사용되는예를표시하였습니다. 고유전율계의 MLCC 와비교하여유전흡수가작기때문에 LockupTime 이라고부르는주파수변환시간의단축이가능합니다.
입력기준주파수 위상 전압제어 출력 비교기 발진기 (VCO) 온도보상용세라믹콘덴서 주파수전환시간이짧아짐 분주기 도면 13 PLL 신디사이저루프필터용콘덴서로의사용예 에너지하베스트 ( 환경발전 ) PMLCAP 은유전체에박막필름을채용하기때문에누설전류가상당히작고, 게다가기존의필름콘덴서보다소형, 대용량을갖는특징이있습니다. 그렇기때문에미약한전력을다루는에너지하베스트 환경발전 ( 도면 14) 의축전용콘덴서에적용됩니다. 도면 14 에너지하베스팅 Block 도 본문은 CQ 출판주식회사刊 트랜지스터기술 2010 년 8 월호게재된기사를기준으로가필, 수정한 것입니다.