탄탈 캐패시터의 간단한 소개

이 글은 그래픽카드 캐패시터에 대한 이야기를 먼저 봐야 이해가 되는 글입니다. 출처는 http://www.pcpop.com


고 가형의 알루미늄/탄탈 캐패시터는 선진국의 일부 메이커들의 독점하다시피 하고 있습니다. 고급형 알루미늄 캐패시터의 경우 산요나 케미콘 등의 일본 대형 메이커의 이름을 들어봤을 것입니다. 하지만 전자 공업에서 미국을 빼놓을 수 없을텐데 왜 미제 알루미늄 캐패시터를 메인보드나 그래픽카드에서 보질 못한 것일까요? 그것은 미국의 2대 캐패시터 메이커인 KEMET과 AVX(현재 일본 쿄세라가 인수)에서 알루미늄 전해 캐패시터를 만들지 않으며, 전해 캐패시터 생산 라인을 탄탈 캐패시터로 채우다시피 하고 있기 때문입니다.


그래픽카드 캐패시터에 대한 이야기에 서 나온 표를 다시 우려먹자면 이렇습니다. 전해 캐패시터의 +극과 -극의 재료에 따라서 캐패시터의 종류가 달라지는데, 그중 전해 캐패시터의 +극에 따라 크게 탄탈, 니오브, 알루미늄 캐패시터로 갈립니다. 여기서는 제일 많이 사용되고 제일 많이 접하고 있는 탄탈 캐패시터와 알루미늄 캐패시터의 차이에 대해 보도록 하겠습니다.

탄탈은 파란색을 띤 중요한 금속으로 전체 이름은 탄탈륨입니다. 2900도에서 녹으며(텅스텐과 레늄 다음입니다), 그 경도(딱딱함)는 6.5이고 (다이아몬드는 10) 엄청나게 강한 내산화/내염기성(심지어 왕수를 들이부어도 안 녹습니다 -_-a) 등의 특징 때문에 그 가공이 상당히 어려운 물질입니다. 하지만 극도로 높은 전매 상수(유전율. 탄탈륨은 무려 27, 알루미늄의 4배 이상입니다)라던가 소결(고체 가루를 단단하게 눌러 녹는점에 가깝게 가엽했을 경우 가루들이 하나의 덩어리로 되는 것. 녹는점이 높은 금속을 가공할때 사용합니다)후의 스폰지 상태에서 엄청나게 안정적이라는 특징 때문에, 전자 부품 제조사들이 가공이 어렵다는 단점에도 불구하고 탄탈륨을 사용하는 것입니다.



세계 최대의 탄탈 캐패시터 제조사 KEMET

미 국은 군사 공업이 다른 나라에 비해 이상할 수준으로 발달한 나라입니다. 만약 군용 전자 설비에 관심이 있는 사람이라면 기판 포면에 크고 작은 노란색 탄탈 캐패시터들이 붙어있는 것을 볼 수 있을 것입니다. 전세계 탄탈륨 생산의 절반이 탄탈 캐패시터의 제조에 쓰이는데, 미국 국방부는 전세계 탄탈륨 생산량의 1/3을 구입하고 있습니다. KEMET은 세계에서 제일 큰 탄탈 캐패시터의 제조사이며 탄탈 캐패시터를 발명한 회사의 하나입니다. 이 회사는 1950년대부터 탄탈 캐패시터를 연구하였는데, 그 이유는 크기가 작고 용량이 크다는 것 때문이었습니다.



탄탈 캐패시터는 직사각형 모양의 검은색/노란색 부품입니다. 미국은 노란색, 일본은 검은색을 주로 사용하는데 색깔과 성능에는 그 어떤 관계도 없습니다.

KEMET 의 탄탈 캐패시터 제품 메뉴얼을 보면 일반 민간용 제품도 엄격한 미국 군수품 표준을 통과하고 있음을 알 수 있습니다. 그중 한가지 예를 들어보면 MIL-STD-202를 213번으로 진동 테스트를 한다고 했을 경우 그 조건은 이렇습니다. 중력가속도 100G의 충격에서도 캐패시터의 ESR과 열에너지 손실과 누설 전류를 처음 상태와 똑같이 유지한다 (...) 이런것은 미사일이나 폭탄에서나 가능한 조건인데도 일반 민간용 제품에 그대로 적용하고 있다니 어떤 의미에서건 참 대단한 회사일 것입니다.

90 년대에 알루미늄 중합물 캐패시터가 발명되면서 저급 제품에 널리 사용되었고, 탄탈 캐패시터의 영역을 어느 정도 대체하였긴 하지만 군사용 같은 고급 분야에서는 여전히 탄탈 캐패시터가 절대적인 위치를 지키고 있습니다. 미국이 알루미늄 캐패시터의 생산을 중단하고 2대 회사인 KEMET과 AVX가 탄탈 캐패시터의 생산에만 집중하는 것도 그 수요가 많기 때문입니다.



사진 위쪽의 테이프처럼 생긴 것은 표면실장형 SMT 기계에 넣기 위해 감아놓은 것입니다. 일종의 탄창이라 할 수 있을듯.

탄 탈 전해 캐패시터의 크기는 매우 작기에 표면실장형 방식으로 장착하며 그 외각은 일반적으로 수지를 사용하여 패키징을 하는데 그 용량이 적지 않기 때문에 여러 모델의 용량과 전압 성능은 전통적인 원통형 알루미늄 캐패시터와 비슷한 수준입니다. 하지만 탄탈 캐패시터의 +극은 탄탈륨이고 -극은 전해질이기 때문에 역시 전해 캐패시터에 속합니다. 문제는 전해 캐패시터의 종류가 너무 다양하다는 것이겠지요.

탄탈 캐패시터의 유전체(전매질)인 +극은 산화후에 생성된 오산화이탄탈이며, 그 유전 성능(ε)은 알루미늄 캐패시터의 삼산화이알루미늄보다 높습니다. 따라서 용량이 똑같다고 가정할 경우 탄탈 캐패시터의 크기는 알루미늄 캐래시터보다 더 작으며, 여기에 추가로 탄탈의 성질이 비교적 안정적이기에 일반적으로 탄탈 캐패시터의 성능이 알루미늄 캐패시터보다 더 좋다고 말하는 것입니다.



고급형 ATI 라데온 그래픽카드에서 검은색/노란색 탄탈 캐패시터를 자주 볼 수 있습니다.

일 반적으로 캐패시터의 성능을 따질 때에는 용량이 크고 고압을 잘 견디며 ESR이 얼마나 낮은지를 봅니다. 사실 그것 외에도 몇가지 중요한 스펙이 있는데 캐패시터의 안정상에 큰 영향이 있습니다. 탄탈 중합물 캐패시터와 알루미늄 준합물 캐패시터의 전기적 성능을 비교하면 이렇습니다.

누설 전류가 적다: 똑같은 -극 취합물(PEDT, PPY 등)을 사용하는 탄탈 취합물 캐패시터의 누설 전류는 알루미늄 취합물 캐패시터의 몇분의 일밖에 되지 않습니다. 그 유명한 산요 오스콘의 SVP 시리즈를 예로 들어보면 4V 33UF인 4SVP33M의 누설전류는 66UA이지만, 동일 스펙의 탄탈 취합물 캐패시터은 대게 12UA 정도밖에 되지 않습니다. 이것은 그래픽카드에서 탄탈 취합물 캐패시터의 파장이 더욱 깨끗하고 누설 전류가 만들어내는 펄스가 더 작다는 것입니다.

열로 인한 에너지 손실이 적다: 이번에도 산요 오스콘 SVP 4SVP33M와 또 비교해 보겠습니다. 그 DF(열로 인한 에너지 손실)은 0.15인데, 똑같은 스펙의 탄탈 취합물 캐패시터의 DF는 0.08입니다. 0.15와 0.08 사이에는 0.10과 0.12의 2가지 단계가 있습니다. 이 값이 적을수록 캐패시터의 발열이 그만큼 줄어들게 되며 캐패시터의 수명과 안정성을 높이게 됩니다.

작동 중단이 적다: 번역하다보니 좀 애매모호한 말이 됐는데, 일정한 시간 내에 캐패시터가 그 작동을 '주기적으로' 멈추는 것을 가리킵니다. 이것은 수리나 교체를 해야만 다시 작동할 수 있는 직접적인 손상이 아니라 그저 특성일 뿐입니다. 탄탈 취합물 캐패시터는 수지로 패키징하여 외부에 여러 층의 은+흑연 -극 도금층과 탈탈 도선이 더해져 있기 때문에, 습기나 부식 등의 원인으로 작동이 쉽게 멈춰버리는 알루미늄 캐패시터와는 다릅니다. 미군에서 AVX와 KEMET의 탄탈 취합물 캐패시터를 가상 실험한 결과 1000000시간에 딱 한번 작동이 멈춘 결과가 나왔는데, 이것은 탄탈 취합물 캐패시터가 110년동안 아무 문제없이 작동한다는 말이 되겠습니다.

ESR이 매우 낮고 폭발하지 않는다: 이것 때문에 그래픽카드에서 쓰이는 최고의 전해 캐패시터라고 말하는 것입니다.

뛰 어난 전기적 성능과 안정성 외에도 탄탈 캐패시터의 우수한 물리적 성능(크기가 작다. 용량이 상대적으로 크다)은 그 사용 범위를 알루미늄 캐패시터보다 더 넓혀주는 특징입니다. 고급형 그래픽카드/CPU 전원부의 회로는 밀집도가 매우 높기에 원통형 캐패시터를 장착하기 어려운 부분이 있고, 메인보드/그래픽카드의 기판 뒷면에는 원통형 캐패시터를 아예 장착조차 할 수 없습니다. 또한 그래픽카드/CPU에 대형 쿨러를 장착하기 위해 원통형 캐패시터의 사용을 피해야 하는 부분도 있습니다.



최근 NVIDIA의 중고급형 그래픽카드에서도 탄탈 캐패시터를 사용하기 시작했습니다. 레퍼런스 8800GTS와 9600GT의 전원부.

이 와 같이 최근 여러 고급형 그래픽카드와 고급형 메인보드에서 탄탈 캐패시터를 전원부의 필터 캐패시터로 사용하기 시작하였는데(대다수는 탄탈 캐패시터와 알루미늄 캐패시터의 조합), 비 레퍼런스 기판에서는 여러가지 원인 때문에(설계, 제조원가, 구입 등) 그리 많이 쓰이진 않습니다.

그럼 이 좋은걸 조금만 쓰지 말고, '그래픽카드 전체를 이런 탄탈 캐패시터로 채우면 좋지 않겠느냐'라고 말하는 사람들이 있습니다. 문제는 너무 비싸다는 것이지요. 이 탄탈 캐패시터의 가격은 1$-천원-정도 합니다. 저가형 그래픽카드에 6~8개의 캐패시터가 들어가고 지포스 9600이나 라데온 3850은 15개 이상까지 올라가니 캐패시터에만 만원을 넘게 써야 한다는 결론이 나옵니다. ATI나 NVIDIA의 레퍼런스 기판에도 알루미늄 캐패시터가 그대로 쓰이고 있으며 보통 제조사들의 비 레퍼런스 기판에는 거의 모든 캐패시터를 알루미늄 전해 캐패시터로 대체하고 있습니다. 이 경우 보드에 들어가는 캐패시터의 전체 가격이 천원도 안되지요 -_-a



P545 레퍼런스 기판을 사용한 지포스 9600GT는 탄탈 캐패시터와 알루미늄 캐패시터를 혼합하여 사용하고 있습니다. 탄탈 캐패시터는 기판 앞뒤면을 합쳐서 12개, 알루미늄 캐패시터는 4개입니다.

그 래픽카드의 가격이 계속 하락하면서 보통 라데온 HD 2600 정도만 해도 최종 판매에서 발생하는 이윤이 6천원 정도밖에 안됩니다. 이런데 비싼 캐패시터를 장착하느라 만원을 들일 수는 없는 것이며, 오히려 캐패시터 같은 부품에 들어가는 돈을 줄여서 이익을 극대화하거나, 캐패시터보다는 쿨러에 돈을 들여서 소비자들을 끌어들이는게 더 효과적일 것입니다.



일단 이런 쿨러가 들어가면 뭔가 있어보입니다.

그 래픽카드에 전부 탄탈 캐패시터를 사용하지 못하는 또다른 이유는 물량 문제입니다. 업계 사정을 모르는 사람이라면 이 문제를 이해하기 힘들 것입니다. 일반적인 알루미늄 캐패시터(솔리드 캐패시터 포함)와 보통 탄탈 캐패시터(탄탈이산화망간 전해 캐패시터)의 생산 공장은 세계 각지에 분포하여 있지만 탄탈 취합물 캐패시터는 전세계에 10곳 정도의 회사에서 제조하며 그나마 미국과 일본에 집중되어 있고, 생산량도 적어(일반 탄탈이산화망간 캐패시터의 100분의 1) 가격도 비쌉니다(일반 탄탈이산화망간 캐패시터의 10배). 따라서 생산 공장들은 먼저 주문을 받은 후에 생산을 하며 물품을 인도하는데 몇달 정도 걸립니다. 하지만 일반 그래픽카드는 몇달만 지나도 바로 구형 모델이 되버리는 것이 현실입니다.



개중에는 이렇게 캐패시터가 없는 것처럼 생긴 그래픽카드도 있습니다. 실제로는 전부 탄탈 캐패시터를 사용하였지만. 이런 제품의 경우 보조 전원이 없기에 원통형 캐패시터를 사용하지 않고 끝날 수 있었습니다.

반 대로 무조건 제조 원가를 낮추기 위해서라면 팔릿 같은 회사들이 캐패시터를 전부 저렴한 것으로 바꾸면 되겠지만, 좋은 부품을 사용하면 그만큼 그래픽카드의 불량이 줄어들고 수명이 길어집니다. 그래픽카드의 전체 가격을 본다면 좋은 부품을 써서 수명을 늘리는 것이 더 효율적이라는 이야기가 되겠습니다.

현재 탄탈 캐패시터를 제조하는 주요 회사들은 KEMET, AVX, 산요가 있습니다. 이들 회사는 다들 유명한 대형 제조사이고 그 기술도 뛰어난 곳들입니다. 먼저 KEMET는 최근 독일의 대형 탄탈 캐패시터 회사인 APEX를 인수하면서 유럽-미국 시장의 거의 대부분을 차지해 버렸습니다. 여기에 탄탈 캐패시터를 발명한 원조라는 것도 있고 장기간 이 분야를 지켜오면서 제품 라인업이 다양하고 스펙이 매우 높다는 특징이 있습니다. 최고급형 제품의 경우 최저 ESR이 4밀리옴인 제품도 있는데 이것은 전해 캐패시터의 극한에 가까운 수치입니다. 때문에 KEMET의 가격은 상당히 비싼 편입니다. 2.5V 330UF(ESR 9밀리옴)의 가격은 1$ 이상입니다.



산요 POSCAP 탄탈 캐패시터. 사진은 지포스 9600GT 레퍼런스 기판인 P545.

산 요의 POSCAP 시리즈도 장점이 있습니다. NVIDIA의 최고급형 그래픽카드에도 소량의 POSCAP(지포스 8800 시리즈에서 알루미늄 캐패시터와 같이 사용합니다)을 사용하기 시작하였며, 1개월 정도만 기다리면 중국에 공급이 공급이 가능(NVIDIA 지포스 9800 레퍼런스의 제조사인 폭스콘은 중국 공장에서 생산)하다는 장점이 있습니다. 또한 산요의 가격은 KEMET보다 많이 저렴하여 비슷한 스펙의 캐패시터가 1$도 안됩니다. 물론 ESR을 비롯한 스펙들이 KEMET보다 좀 떨어지긴 하지만 그정도만 해도 그래픽카드에서 사용하긴 충분합니다.



모 MP3에 장착된 AVX 탄탈 캐패시터.

다 른 경쟁상대로 AVX가 있습니다. 스펙은 산요 SVP와 비슷한 수준이지만 탄탈이산화망간 캐패시가 간헐적으로 큰 전류가 흐를때 견디는 특성이 그리 좋지 못하여 가격이 저렴하고 그리 많이 쓰이는 편은 아닙니다. 탈탈 캐패시터는 TCJ 시리즈가 있으며 제일 낮은 ESR 값도 40미리옴을 넘으며 연쇄 파형 전류의 최대값은 1암페어밖에 안됩니다. KEMET이 각각 4미리옴에 7암페어인것과 비교하면 스펙 차이가 많이 나는 편입니다.

원점으로 돌아와서, 이 글의 결론은 KEMET 만세로 끝난다고 할 수 있겠습니다. 만약 산요가 빠른 시간내에 공급을 할 수 있는 위치가 아니었다면 이정도로 사용되진 않았을 것이라는 주장입니다.



지 포스 8800GTS 레퍼런스 기판인 P393의 전원부. +12V 필터의 전압이 비교적 높기에 원통형 알루미늄 캐패시터를 사용하였으며, 코어(1.1V)와 메모리(2.0V) 필터는 전압이 낮지만 누설 전류를 줄여야 하기에 탄탈 캐패시터를 사용하였습니다.

산요 POSCAP 탄탈 캐패시터의 고전압 제품군인 TQJ의 최고 용량은 68UF입니다. KEMET에서는 16V 150UF가 나오는 T520 시리즈가 있다는 것과 대조적입니다.



KEMET만이 16V 150UF짜리 탄탈 캐패시터를 만들 수 있습니다. 가격은 비싸지만.

출처 : 기글하드웨어 - http://gigglehd.com/zbxe/special/297000