축전기(커패시터)와 정전용량

축전기의 핵심 기능은 두 도체 판 사이에 전하를 저장하는 것이다. 이 과정은 유전체를 사이에 둔 두 개의 도체 판에 전압을 인가할 때 시작된다. 양극에 연결된 판은 전압원으로부터 전자를 잃어 양전하를 띠게 되고, 음극에 연결된 판은 전자를 얻어 음전하를 띠게 된다. 이렇게 서로 다른 전하가 두 판에 각각 축적되는 현상을 전하 분리라고 한다.

축적된 전하는 판 사이의 공간, 즉 유전체를 통해 직접 이동하지 않는다. 대신, 판에 축적된 전하 사이에 인력이 작용하여 정전기장이 형성된다. 이 전기장은 유전체 내부에 존재하며, 전하를 저장하는 '보이지 않는 힘'의 매개체 역할을 한다. 전압원을 제거하더라도, 판 사이의 유전체가 절연체 역할을 하기 때문에 전하는 쉽게 중화되지 않고 판 표면에 붙들려 있게 된다. 이것이 축전기가 전하를 저장할 수 있는 기본 메커니즘이다.

전하 저장의 정도는 판의 면적, 판 사이의 거리, 그리고 사용된 유전체의 종류에 크게 의존한다. 판의 면적이 클수록 더 많은 전하를 수용할 수 있는 표면적을 제공한다. 판 사이의 거리가 가까울수록 형성되는 정전기장이 강해져 동일한 전압에서 더 많은 전하를 끌어당길 수 있다. 또한, 유전체의 유전율이 높을수록 외부 전기장에 반응하여 내부에 더 강한 분극을 일으키므로, 동일한 물리적 크기에서 더 많은 전하를 저장할 수 있게 된다.

축전기의 기본적인 물리적 구조는 두 개의 도체 판과 그 사이에 위치한 유전체로 구성된다. 이 판 구조는 전하를 저장하는 표면적을 제공하며, 유전체는 판 사이에 직접적인 전류가 흐르는 것을 차단하면서 전기장을 유지하는 역할을 한다.

판의 재료는 일반적으로 알루미늄 호일이나 구리 박막과 같은 전도성이 높은 금속을 사용한다. 판의 표면적이 클수록 더 많은 전하를 저장할 수 있어 정전용량이 증가한다. 또한 두 판 사이의 거리가 가까울수록 전기적 인력이 강해져 동일한 전압에서 더 많은 전하가 축적될 수 있다. 따라서 판의 면적을 크게 하고 간격을 좁히는 것이 대용량 축전기 설계의 기본 원리이다.

판 사이를 채우는 유전체는 절연 물질로, 공기, 세라믹, 플라스틱 필름(예: 폴리에스테르, 폴리프로필렌), 산화막, 특수 종이 등 다양한 재료가 사용된다. 유전체는 절연 파괴를 방지할 뿐만 아니라, 그 자체의 유전율이 정전용량에 직접적인 영향을 미친다. 유전율이 높은 재료(예: 세라믹 일부, 전해질)를 사용하면 동일한 물리적 크기에서 더 큰 정전용량을 얻을 수 있다. 유전체의 선택은 축전기의 용량, 동작 전압, 주파수 특성, 온도 안정성 및 용도를 결정하는 핵심 요소이다.

정전용량은 축전기가 전하를 저장할 수 있는 능력을 정량적으로 나타내는 물리량이다. 단위는 패럿(F)을 사용하며, 1패럿은 1볼트(V)의 전압을 가했을 때 1쿨롱(C)의 전하를 저장하는 축전기의 정전용량으로 정의된다[3].

정전용량(C)은 축전기에 저장된 전하량(Q)과 두 극판 사이의 전위차(V)의 비율로 정의된다. 이 관계는 기본 공식 C = Q / V 로 표현된다. 여기서 Q는 한 극판에 저장된 전하의 절대값이며, V는 두 극판 사이의 전압이다. 이 공식은 정전용량이 전압에 비례하여 더 많은 전하를 저장할 수 있음을 의미한다.

가장 기본적인 형태인 평행판 축전기의 정전용량은 기하학적 구조와 극판 사이의 유전체 물질에 의해 결정된다. 그 계산식은 **C = ε₀εᵣ * (A / d)** 이다. 여기서 ε₀는 진공 유전율이라는 물리 상수이며, εᵣ는 유전체의 비유전율(상대 유전율)이다. A는 극판의 면적, d는 극판 사이의 거리이다.

이 공식으로부터 정전용량을 증가시키기 위해서는 극판 면적(A)을 넓히거나, 극판 간 거리(d)를 줄이거나, 비유전율(εᵣ)이 높은 유전체를 사용하면 됨을 알 수 있다. 실제 축전기 설계는 이러한 변수들의 균형과 물리적, 경제적 제약 조건을 고려하여 이루어진다.

정전용량의 크기는 축전기의 물리적 구조와 사용된 재료에 의해 결정됩니다. 주요 영향 요인은 유전체의 성질, 전극판의 면적, 그리고 전극판 사이의 거리입니다.

첫째, 전극판의 면적이 클수록 더 많은 전하를 저장할 수 있어 정전용량이 증가합니다. 이는 넓은 면적이 더 많은 전하를 수용할 공간을 제공하기 때문입니다. 둘째, 두 전극판 사이의 거리가 가까울수록 전기장이 강해지고, 이로 인해 동일한 전압에서 더 많은 전하가 축적되어 정전용량이 커집니다. 셋째, 판 사이에 삽입된 유전체의 종류가 매우 중요합니다. 유전체는 유전율이라는 물질 고유의 상수를 가지며, 이 값이 클수록 정전용량을 증가시킵니다. 진공의 유전율을 기준(1)으로 할 때, 공기는 약 1.0006, 세라믹은 수십에서 수천, 특수한 강유전체는 수만에 달하는 높은 유전율을 가질 수 있습니다[4]. 따라서 동일한 크기와 간격의 축전기라도 유전체 재료만 바꾸면 정전용량이 크게 달라질 수 있습니다.

이 세 가지 요인은 평행판 축전기를 기준으로 한 정전용량 계산식 C = ε₀εᵣ(A/d)에 명확히 반영되어 있습니다. 여기서 C는 정전용량, ε₀는 진공의 유전율, εᵣ는 유전체의 상대 유전율, A는 판의 면적, d는 판 사이의 거리를 나타냅니다. 이 식은 정전용량이 면적(A)과 유전율(εᵣ)에 비례하고, 판 사이 거리(d)에 반비례함을 보여줍니다. 실제 축전기 설계에서는 이러한 요소들을 균형 있게 조절하여 원하는 용량, 크기, 내압, 주파수 특성 등을 만족시키는 장치를 제작합니다.

고정 축전기는 제조 후 정전용량 값이 변하지 않는 축전기를 가리킨다. 가장 기본적이고 널리 사용되는 유형으로, 다양한 유전체와 구조를 바탕으로 특성을 달리한 여러 종류가 존재한다. 이들은 주로 전자 회로에서 교류 신호의 결합, 바이패스 또는 디커플링, 필터 회로, 시간 지연 회로 등에 활용된다.

주요 유형으로는 세라믹 축전기, 필름 축전기, 마이카 축전기 등이 있다. 세라믹 축전기는 세라믹을 유전체로 사용하며, 소형, 저렴, 고주파 특성이 우수하다는 장점으로 인해 가장 흔히 볼 수 있다. 필름 축전기는 폴리에스테르나 폴리프로필렌 같은 플라스틱 필름을 유전체로 사용하며, 안정성이 높고 유전 손실이 적어 정밀한 아날로그 회로에 적합하다. 마이카 축전기는 천연 또는 합성 운모를 유전체로 사용하는데, 온도 안정성이 매우 뛰어나고 고주파 특성이 좋으나 가격이 비싸 특수한 고성능 응용에 주로 쓰인다.

이들의 구조는 일반적으로 두 개의 도체 판 사이에 유전체 물질을 끼워 넣은 형태를 기본으로 한다. 판은 종종 알루미늄이나 구리 같은 금속 박막으로 만들어지며, 유전체의 종류와 두께, 판의 면적이 정전용량 값을 결정한다. 소형화를 위해 적층 구조나 권선 구조를 채택하기도 한다. 고정 축전기의 선택은 필요한 정전용량, 정격 전압, 작동 온도 범위, 유전 손실, 크기, 비용 등을 고려하여 이루어진다.

가변 축전기는 회로에 연결된 상태에서 정전용량 값을 연속적으로 또는 단계적으로 조절할 수 있는 축전기이다. 이는 일반적으로 두 금속판 사이의 겹치는 면적을 변화시키거나, 판 사이의 거리를 조정하거나, 유전체의 유전율을 변경함으로써 달성된다. 가장 흔한 형태는 한 세트의 고정판(고정자)과 한 세트의 이동 가능한 판(회전자)으로 구성되어 있으며, 회전자를 움직여 겹치는 면적을 조절한다.

주요 유형으로는 공기 유전체를 사용하는 공기 축전기와 고체 유전체(예: 세라믹, 플라스틱 필름)를 사용하는 트리머 축전기가 있다. 공기 축전기는 고주파 특성이 우수하여 라디오 수신기의 튜닝 회로나 아마추어 무선 장비에서 주파수 선택에 널리 사용되었다. 트리머 축전기는 소형이며, 일단 설정된 용량값을 유지하는 데 적합하여 회로 보정이나 미세 조정에 사용된다.

가변 축전기의 성능은 조정 범위(최소 정전용량에서 최대 정전용량까지의 비율), 안정성, 내구성, 그리고 품질 계수로 평가된다. 용량값은 직접 눈금을 읽거나, 디지털 방식으로 제어될 수 있다. 최근에는 전압에 따라 용량이 변하는 바랙터 다이오드와 같은 반도체 소자도 전자적 가변 축전기 역할을 한다.

전해 축전기는 알루미늄이나 탄탈과 같은 금속을 양극으로 사용하고, 그 표면에 형성된 극히 얇은 산화막을 유전체로, 전해액을 음극으로 활용하는 축전기이다. 이 산화막 층이 매우 얇기 때문에 단위 면적당 큰 정전용량을 얻을 수 있어, 다른 유형에 비해 소형이면서도 큰 용량 값을 구현할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 전원 회로의 리플 전압 제거나 바이패스 커패시터 등 대용량이 요구되는 곳에 널리 사용된다.

전해 축전기는 극성이 있어, 정확한 극성(+, -)에 맞게 회로에 연결해야 한다. 반대로 연결하면 산화막이 파괴되어 단락되거나 폭발할 위험이 있다. 비극성 전해 축전기도 존재하지만, 일반적인 용도보다는 특수한 교류 신호 회로 등에 제한적으로 사용된다. 주요 종류로는 액체 전해질을 사용하는 알루미늄 전해 콘덴서와 고체 또는 젤 상태의 전해질을 사용하는 탄탈 콘덴서가 있다. 탄탈 콘덴서는 알루미늄 제품에 비해 소형화와 고주파 특성, 안정성 면에서 우수하지만, 가격이 비싸고 과전압에 취약한 단점이 있다.

이러한 축전기들은 시간이 지남에 따라 전해액이 건조되거나 산화막의 특성이 변화하여 성능이 저하될 수 있다. 특히, 등가 직렬 저항과 등가 직렬 인덕턴스 값이 비교적 크기 때문에, 고주파 응용에는 적합하지 않을 수 있다. 사용 시에는 데이터시트에 명시된 정격 전압, 용량, 사용 온도 범위, 수명 등을 준수하는 것이 중요하다.

축전기는 전자 회로에서 필수적인 수동 소자로, 다양한 핵심 기능을 수행한다. 가장 기본적인 역할은 전하를 일시적으로 저장하고 방출하는 것이다. 이 특성을 이용해 교류 신호는 통과시키면서 직류 성분은 차단하는 결합 커패시터나 차단 커패시터로 사용된다. 또한, 전원 회로에서는 리플 전압을 평활화하여 안정적인 직류 전원을 공급하는 데 활용된다.

신호 처리 및 필터 회로에서 축전기는 주파수에 따른 반응 특성을 결정하는 핵심 요소이다. 저역 통과 필터에서는 고주파 신호를 차단하고, 고역 통과 필터에서는 저주파 신호를 차단하는 역할을 한다. 공진 회로에서는 인덕터와 함께 특정 주파수만을 선택하거나 증폭하는 데 사용된다. 발진 회로의 타이밍 요소나 메모리 장치의 데이터 보존을 위한 일시적 저장소로도 쓰인다.

집적 회로 내부에서는 매우 작은 MOS 커패시터가 널리 사용되며, 칩 외부에서는 시스템의 성능과 안정성을 보장하기 위해 다양한 종류의 축전기가 배치된다. 특히 고속 디지털 회로에서는 급격한 전류 변화에 따른 전원 노이즈를 억제하기 위해 디커플링 커패시터가 반드시 필요하다.

축전기는 전력 시스템에서 역률 보상, 고조파 필터링, 과도 현상 억제, 전압 안정화 등 다양한 핵심 기능을 수행한다. 특히 교류 전력 시스템에서 유도성 부하로 인해 발생하는 무효 전력을 보상하여 시스템 효율을 높이는 역할을 한다. 이를 통해 전력 손실을 줄이고 송전 선로의 용량을 효과적으로 활용할 수 있다.

전력 계통에서 축전기는 주로 역률 개선용 콘덴서 또는 진상 콘덴서[7] 형태로 설치된다. 이들은 변전소나 공장, 대형 건물 등에 커패시터 뱅크로 구성되어 부하 근처에서 무효 전력을 공급한다. 또한 전력 품질을 개선하기 위해 고조파를 차단하는 필터 회로의 구성 요소로도 널리 사용된다.

송배전 시스템에서는 병렬 컴펜세이션과 직렬 컴펜세이션에 축전기가 적용된다. 병렬 컴펜세이션은 부하와 병렬로 연결되어 역률을 개선하는 반면, 직렬 컴펜세이션은 송전 선로에 직렬로 연결되어 선로의 리액턴스를 보상하여 전압 강하를 줄이고 안정도를 높인다. 이는 장거리 송전 시 시스템 안정성을 확보하는 데 중요하다.

또한, 초고압 송전(HVDC) 시스템의 변환소에서는 교류를 직류로, 또는 그 반대로 변환하는 과정에서 발생하는 리플 전압을 평활화하기 위해 대용량 축전기가 필수적으로 사용된다. 최근에는 스마트 그리드와 분산 전원 시스템에서 전력 흐름을 제어하고 신재생 에너지의 간헐적인 출력을 완화하는 에너지 버퍼 역할에 대한 연구도 진행되고 있다.

축전기는 전기 에너지를 전기장의 형태로 저장하는 에너지 저장 장치이다. 이는 화학 반응을 통해 에너지를 저장하는 이차 전지와 구별되는 메커니즘을 가진다. 축전기의 에너지 저장 밀도는 일반적으로 배터리에 비해 낮지만, 매우 빠른 충전과 방전이 가능하며 수명이 길고 효율이 높다는 장점이 있다. 이러한 특성은 짧은 시간에 대량의 에너지를 주고받아야 하는 응용 분야에 적합하게 만든다.

주요 에너지 저장 응용 분야로는 전력 품질 개선과 재생 에너지 시스템의 출력 안정화가 있다. 예를 들어, 공장의 대용량 모터가 순간적으로 시동할 때 발생하는 전력 수요의 급격한 변동은 전력망에 불안정성을 초래할 수 있다. 이때 대용량 축전기 뱅크를 설치하면 순간적으로 필요한 전력을 신속히 공급하여 전압 강하를 방지하고 전력 품질을 유지할 수 있다. 또한, 태양광 발전이나 풍력 발전은 기상 조건에 따라 출력이 변동하는데, 축전기 시스템은 잉여 전력을 저장했다가 출력이 부족할 때 방전하여 안정적인 전력 공급을 보조한다.

최근에는 슈퍼커패시터 또는 이중층 커패시터라고 불리는 고용량 축전기의 개발이 활발히 진행되고 있다. 이 장치는 이중층과 의사용량 효과를 결합하여 기존 전해 콘덴서보다 훨씬 큰 정전용량을 구현한다. 슈퍼커패시터는 하이브리드 자동차의 회생 제동 시스템, 무정전 전원 장치(UPS), 그리고 전력망의 피크 부하 조정 등에 사용된다. 특히, 회생 제동 시 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 매우 빠르게 저장했다가 가속 시 다시 공급함으로써 에너지 효율을 높인다.

에너지 저장 장치로서의 축전기는 빠른 응답 속도와 높은 순환 수명(수십만에서 수백만 회 충방전 가능)을 바탕으로, 기존 배터리 기술을 보완하는 중요한 역할을 담당한다. 연구 개발은 더 높은 에너지 밀도와 더 낮은 비용을 달성하는 방향으로 지속되고 있다.