유기금속 박막 커패시터의 가장 큰 장점은 자가 복구 기능이며, 이 때문에 오늘날 가장 빠르게 성장하는 커패시터 중 하나입니다.

금속막 커패시터의 자가 복구 메커니즘에는 두 가지가 있습니다. 하나는 방전 자가 복구이고, 다른 하나는 전기화학적 자가 복구입니다. 전자는 고전압에서 발생하므로 고전압 자가 복구라고도 하며, 후자는 매우 낮은 전압에서도 발생하기 때문에 저전압 자가 복구라고도 합니다.

배출 자가 치유

방전 자가 복구 메커니즘을 설명하기 위해, 저항이 R인 두 금속 전극 사이의 유기막에 결함이 있다고 가정해 보겠습니다. 결함의 종류에 따라 금속 결함, 반도체 결함 또는 절연 불량 결함일 수 있습니다. 결함이 금속 결함인 경우, 커패시터는 저전압에서 자가 방전됩니다. 소위 고전압 방전이 자가 복구되는 경우는 절연 불량 결함이 있는 경우에만 해당됩니다.

방전 자가 복구 과정은 금속막 커패시터에 전압 V를 가하면 즉시 저항 전류 I=V/R이 결함을 통해 흐르는 것으로 시작됩니다. 따라서 전류 밀도 J=V/Rπr²가 금속 전극을 통해 흐르는데, 결함에 가까울수록(저항 r이 작을수록) 금속 전극 내부의 전류 밀도가 높아집니다. 결함의 전력 소모로 인한 줄열 W=(V²/R)r 때문에 반도체 또는 절연 결함의 저항 R은 지수적으로 감소합니다. 따라서 전류 I와 전력 소모 W가 급격히 증가하고, 결과적으로 금속 전극이 결함에 매우 가까운 영역에서 전류 밀도 J₁=J=V/πr₁²가 급격히 상승합니다. 이 줄열로 인해 해당 영역의 금속층이 녹아 전극 사이에 아크가 발생합니다. 아크는 빠르게 증발하면서 용융된 금속을 방출하고, 금속층이 없는 절연 영역을 형성합니다. 아크가 소멸되고 자가 치유가 이루어집니다.

방전 자가 복구 과정에서 발생하는 줄열과 아크로 인해 결함 주변의 유전체와 유전체 표면의 절연 격리 영역이 열적, 전기적 손상을 입게 되며, 이로 인해 화학적 분해, 가스화 및 탄화는 물론 기계적 손상까지 발생할 수 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이, 완벽한 방전 자가 복구를 위해서는 결함 주변의 적절한 국부 환경을 확보하는 것이 필수적입니다. 따라서 금속화 유기막 커패시터의 설계는 결함 주변의 적절한 매질, 적절한 금속층 두께, 밀폐 환경, 그리고 적절한 코어 전압 및 용량을 갖도록 최적화되어야 합니다. 여기서 말하는 완벽한 방전 자가 복구란 자가 복구 시간이 매우 짧고, 자가 복구 에너지가 작으며, 결함의 절연성이 우수하고, 주변 유전체에 손상을 주지 않는 것을 의미합니다. 우수한 자가 복구를 위해서는 유기막 분자가 낮은 탄소 대 수소 비율과 적절한 양의 산소를 포함해야 합니다. 그래야 자가 복구 방전 과정에서 막 분자가 분해될 때 탄소가 생성되지 않고 탄소 침착이 발생하여 새로운 전도 경로가 형성되는 것을 방지할 수 있습니다. 대신 CO2, CO, CH4, C2H2 등의 가스가 생성되어 급격한 가스 증가와 함께 아크를 소멸시킬 수 있습니다.
자가 복구 과정에서 결함 주변 매체가 손상되지 않도록 하려면, 자가 복구 에너지가 너무 크지도, 너무 작지도 않아야 합니다. 결함 주변의 금속화층을 제거하고 절연(고저항) 영역을 형성하여 결함을 격리함으로써 자가 복구가 이루어지기 때문입니다. 필요한 자가 복구 에너지는 금속화층의 금속 종류, 두께, 주변 환경과 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 자가 복구 에너지를 줄이고 우수한 자가 복구 성능을 얻기 위해 저융점 금속을 사용한 유기막 금속화 공정을 시행합니다. 또한, 금속화층의 두께가 고르지 않게 되거나 긁힘이 발생하지 않도록 주의해야 합니다. 긁힘이 발생하면 절연 영역이 갈라져 자가 복구 성능이 저하될 수 있습니다. CRE 커패시터는 모두 규격 필름을 사용하며, 엄격한 원자재 입고 검사를 통해 불량 필름을 사전에 차단하여 커패시터 필름의 품질을 완벽하게 보장합니다.

방전 자가 치유 외에도 전기화학적 자가 치유라는 또 다른 방식이 있습니다. 이 메커니즘에 대해서는 다음 글에서 자세히 살펴보겠습니다.