탄탈룸 커패시터의 3가지 중요 사항

소개

탄탈륨(Ta)은 희귀하고 단단한 청회색의 광택이 나는 전이 금속으로 부식에 강하고 열과 전기가 잘 통하는 금속입니다. 150℃ 이하의 강한 수온에 대한 내성이 뛰어납니다. 우수한 물리적, 화학적 특성으로 인해 탄탈륨은 주로 전자, 합금 및 기타 분야에서 사용됩니다. 그림 1은 2016년 탄탈륨의 제품 출하량을 보여줍니다[1]. 대부분의 탄탈륨은 전자제품에 속하는 커패시터에 양극으로 사용되며, 그 외에는 주로 합금, 화학, 스퍼터링 타겟에 사용됩니다. 2021년 탄탈륨 수요의 약 70%는 커패시터용 양극, 반도체 타겟, 양극용 소결 라이너 등 전자 산업에서 발생합니다[2]. 먼저 탄탈 커패시터에 대해 이야기해 보겠습니다.

그림 1: 2016년 탄탈륨의 제품 출하량 [1]

탄탈 커패시터는 어떻게 만들어지나요?

다른 커패시터와 마찬가지로 탄탈 커패시터는 양극, 음극, 전해질의 세 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다. 양극 부분에는 순수한 탄탈륨 분말과 와이어가 사용됩니다.

탄탈륨 와이어 주위에 탄탈륨 분말을 압축하면 '펠릿' 형태의 탄탈륨을 얻을 수 있습니다. 그런 다음 약 1200~1800℃에서 펠릿을 소결하여 불순물을 제거합니다. 이 과정에서 분말은 다공성 구조를 가지게 되어 정전용량 값을 높일 수 있습니다. 즉, 탄탈 커패시터는 알루미늄 커패시터와 같은 다른 커패시터에 비해 커패시턴스 값/부피가 더 높습니다.

소결 후 외부 탄탈륨 층을 Ta2O5로 변환하여 탄탈륨 입자 표면 외부에 유전체를 형성합니다. 이 과정을 아노다이징이라고 합니다. 유전체 두께는 커패시터의 내전압과 직접적인 관련이 있습니다. 각 커패시터는 안정적인 기능을 보장하기 위해 안전 마진 산화물 층 두께가 있어야 합니다.

마지막 단계는 유전체 외부에 음극을 추가하는 것입니다. 습식 탄탈 커패시터는 액체 전해질을 사용하여 탄탈 부품을 담그고 인클로저가 습식 탄탈 커패시터를 덮습니다. 인클로저와 액체 전해질은 습식 탄탈 커패시터에서 음극으로 작동합니다. 고체 탄탈 커패시터의 경우 양극을 Mn(NO3)2 용액에 담그고 약 250℃에서 구우면 유전체 외부에 MnO2 층이 형성됩니다. '펠릿' 외부에 충분히 두꺼운 MnO2 층이 형성될 때까지 여러 번 반복합니다. 그런 다음 흑연과 은에 담가 MnO2 음극에서 외부 음극 종단까지 잘 연결되도록 합니다. 그림 2는 고체 탄탈룸 커패시터의 간략한 모습을 보여줍니다.

그림 2: 고체 탄탈룸 커패시터의 단면도

탄탈룸 커패시터의 장점과 단점

장점

탄탈룸 커패시터는 알루미늄 커패시터나 세라믹 커패시터에 비해 주파수 특성이 우수하고 수명이 더 깁니다. 등가 직렬 저항도 더 작기 때문에 더 큰 전류가 더 적은 열로 커패시터를 통과할 수 있습니다. 또한 탄탈 커패시터는 앞서 언급했듯이 부피당 커패시턴스가 가장 높습니다. 이러한 장점 덕분에 탄탈 커패시터는 노트북, 스마트폰 등과 같은 전자 분야에서 널리 사용됩니다.

단점

그러나 탄탈 커패시터는 알루미늄 커패시터, 다층 세라믹 커패시터(MLCC), 심지어 니오븀 커패시터만큼 널리 사용되지는 않습니다. 그 이유 중 하나는 탄탈 금속의 공급과 가격이 불안정하기 때문입니다. 경우에 따라 사람들은 소형 탄탈룸 커패시터를 대체하기 위해 MLCC를 사용하고 대형 탄탈룸 커패시터를 대체하기 위해 알루미늄 커패시터를 사용하기 시작합니다.

탄탈 커패시터는 극성이 있기 때문에 교류 전류가 아닌 직류 전류에만 사용할 수 있습니다. 또한 탄탈 커패시터는 전압 스파이크 시 양극이 MnO2 음극과 접촉하면 화학 반응으로 연기와 화염이 발생하는 등 위험한 고장 모드가 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 탄탈 커패시터는 전류 제한기 또는 열 퓨즈와 함께 사용해야 합니다.

탄탈 커패시터의 응용 분야

탄탈 커패시터는 주로 가장 높은 커패시턴스/부피, 우수한 안정성 및 우수한 주파수 특성으로 인해 사용됩니다. 탄탈 커패시터는 시간이 지나도 커패시턴스가 안정적이기 때문에 군용 애플리케이션에서 알루미늄 전해질을 대체하는 데 사용할 수 있습니다. 의료용 전자 제품에서도 이러한 장점 때문에 탄탈 커패시터를 사용합니다. 전자 제품 중 데스크톱 PC와 노트북에 가장 많은 양의 탄탈룸 커패시터가 사용됩니다. 놀랍게도 스마트폰과 휴대전화의 탄탈룸 커패시터 사용량은 이에 비해 매우 적습니다.

탄탈륨 재활용

탄탈륨 제품의 소비가 증가함에 따라 탄탈륨이 함유된 폐기물이 대량으로 발생하고 있습니다. 슈퍼 합금 및 스퍼터링 타겟 제조 과정에서 발생하는 생산 폐기물과 전자 산업에서 수명이 다해 폐기되는 폐기물이 크게 증가했습니다. 이에 따라 탄탈륨의 수요와 공급 사이의 격차는 점점 더 커지고 있습니다. 이 격차를 줄이기 위해 탄탈륨 폐기물 재활용이 다시 발전하기 시작했습니다.

재활용은 소비 전 재활용과 소비 후 재활용의 두 부분으로 나눌 수 있습니다 [3]. 대부분의 탄탈륨은 오염이 적고 난이도가 낮기 때문에 생산 전 스크랩에서 재활용됩니다. 사전 소비 재활용은 광물 폐기물 발생을 통해 전체 생산 공정을 효율적으로 개선할 수 있습니다. 탄탈륨 농도, 세척 비용, 크기 및 경제성은 재활용 전략에 영향을 미치는 주요 요인입니다.

탄탈륨의 소비 후 재활용은 다른 금속인 구리, 금에 비해 탄탈륨의 농도가 낮기 때문에 잘 발달하지 못했습니다. 열야금 탄탈륨 제품의 경우, 탄탈륨의 소비 후 재활용 과정은 매우 복잡합니다. 크기가 작은 탄탈륨 커패시터는 이러한 상황을 더욱 악화시킵니다. 소비 후 탄탈륨 제품을 재활용할 수 있는 경제적이고 환경 친화적인 방법을 만들기 위해서는 더 많은 연구가 진행되어야 합니다.

인용

1. Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). 탄탈륨의 글로벌 시장 동향 및 폐 탄탈륨 커패시터의 재활용 방법: 검토. 지속 가능한 재료 및 기술, 29, e00323.
2. Zogbi, D. M. (2021, May 10). 탄탈 공급망: 2021년 글로벌 시장 업데이트. TTI, Inc. 에서 검색된 2023년 1월 4일, https://www.tti.com/content/ttiinc/en/resources/marketeye/categories/passives/me-zogbi-20211005.html
3. Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). 탄탈륨의 글로벌 시장 동향 및 폐 탄탈륨 커패시터의 재활용 방법: 검토. 지속 가능한 재료 및 기술, 29, e00323.