[기고] 차량 전장기기 고성능화…'하이브리드 커패시터'로 고신뢰·고효율 전원회로 구현

차재기기의 성능이 높아짐에 따라 차량용 전원회로를 구성하는 커패시터 등 전자부품에도 고신뢰성, 장수명, 고효율이라는 조건이 요구되고 있으며 그 기준도 까다로워지고 있다.

일반적으로 차재 전원 회로에는 적층 세라믹 커패시터(MLCC)와 고내압화·대용량화를 위한 알루미늄 전해 커패시터가 사용된다. 알루미늄 전해 커패시터는 기술적으로는 성숙한 부품이지만, 구조적인 한계로 인해 성능 개선이 어렵다는 단점이 있다. 이로 인해 고성능 차재기기의 특성을 충분히 실현하는 데에도 제약이 따른다.

최근 차량 전원 회로에서도 스위칭 전원 방식이 적극 도입되고 있어 스위칭 주파수를 높여 회로의 고효율화와 소형화를 추진하는 움직임이 활발하다. 100kHz 이상의 고주파에서 동작하는 전원 회로가 상용화되고 있으며, 차세대 재료인 질화갈륨(GaN) 소재의 파워 반도체를 채택한 회로에서는 1MHz 수준의 고주파 구동도 적용되고 있다.

이러한 고주파 환경에서 기존 알루미늄 전해 커패시터의 활용이 어렵다. 반면 하이브리드 커패시터는 전해질로 기존 전해액에 저저항 특성을 가진 도전성 고분자를 병용한 방식을 사용하기 때문에 보다 넓은 주파수 및 온도 범위에서 동작이 가능하고, 등가 직렬 저항(ESR)을 대폭 낮출 수 있다.

ESR은 커패시터의 전기적 특성과 신뢰성을 판단하는 핵심 지표 중 하나다. ESR이 낮은 커패시터는 전원 회로에서 평활 성능과 과도 응답 특성이 우수해, 보다 안정적인 출력 전력을 제공할 수 있다. 또한 고주파 대역에서도 노이즈 흡수가 가능해 차재 전원 회로의 고성능화 요구에 효과적으로 대응할 수 있다.

한편, 도전성 고분자만을 사용하는 커패시터도 존재한다. 다만 고전압 환경에서 수명을 확보하기 어렵고, 유전체인 알루미늄 산화피막에 산소 결함이 생겼을 경우 전해액이 없어 자가 복원이 불가능하다는 점에서 자동차용 전원 회로에는 적합하지 않다.

이에 비해 하이브리드 커패시터는 전해액의 존재로 인해 알루미늄 산화피막 내 산소 결함이 발생했을 때 자가 수복이 가능하다. 이로써 장수명을 확보할 수 있을 뿐 아니라, 누설 전류도 억제할 수 있다.

하이브리드 커패시터는 2010년대에 등장한 비교적 새로운 기술이지만, 초기에는 적용 가능한 용도가 제한적이었다. 그러나 최근 차량 전장기기의 고성능화가 가속화되면서, 기존 알루미늄 전해 커패시터보다 높은 주파수에서, 도전성 고분자 커패시터보다 높은 전압에서도 안정적으로 동작할 수 있는 부품에 대한 수요가 급증하고 있다.

이러한 시대적 요구 속에서 하이브리드 커패시터는 차세대 차량 전원 회로를 위한 핵심 부품으로 주목받고 있다.

에카와 히로토 한국태양유전 사장