1. 서 론

최근 태양광 발전 시스템은 발전 효율 향상, 탄소중립 정책 강화, 분산형 전원 확대 등으로 인해 전 세계적으로 보급이 빠르게 증가하고 있다 ^[1,2]. 태양광 시스템은 모듈에서 생성된 직류 (DC) 전력을 계통 연계를 위해 교류 (AC)로 변환하는 DC/AC 인버터 구조를 포함하며, 장기간 안정적으로 운전하기 위해서는 전력 변환 장치 (power conditioning system, PCS)의 높은 신뢰성과 효율 유지가 필수적이다 ^[3,4]. 이러한 PCS의 성능은 내부 전력 회로를 구성하는 핵심 수동소자의 특성에 크게 의존하며, 그 중 DC-link 회로는 전력 변환 과정에서의 전압 변동을 억제하고 에너지 흐름을 안정적으로 유지하는 소임을 수행한다. DC-link 회로는 모듈과 인버터 사이에서 에너지를 저장·완충하며 DC 버스 전압을 안정화하고, DC-link 커패시터는 전압 리플 억제, 스위칭 과도 응답 완화 및 전력 품질 확보에 직접적인 영향을 미친다 ^[5-7]. 그림 1은 태양광 및 풍력 기반 전력 변환 시스템에서 DC-link 회로를 개념적으로 나타낸 것이다.

그림 1 태양광 및 풍력 기반 전력 변환 시스템에서 DC-link 회로를 개념적으로 나타낸 모식도

Fig. 1 Schematic illustration of the DC-link circuits in renewable energy power conversion systems

현재 DC-link용 커패시터에는 알루미늄 전해 커패시터, 금속화 폴리프로필렌 (MPP) 필름 커패시터 및 MLCC (multilayer ceramic capacitor)가 주로 사용된다 ^[5,8,9]. DC-link 커패시터를 선정할 때는 정전 용량과 정격 전압뿐만 아니라 에너지 저장 능력, 리플 전류 허용량, ESR (equivalent series resistance) 및 ESL (equivalent series inductance), 동작 주파수, 온도 특성과 수명을 종합적으로 고려해야 한다. 알루미늄 전해 커패시터는 큰 정전 용량과 에너지 저장 능력 및 비용 측면의 장점을 가지므로 저주파 리플 완화와 대용량 에너지 저장에 널리 사용된다. 그러나 상대적으로 높은 ESR과 제한적인 리플 전류 허용량을 가지며, 전해액 증발에 따른 수명 제약이 존재한다 ^[5,9]. MPP 필름 커패시터는 낮은 ESR, 높은 리플 전류 허용량 및 self-healing 특성으로 고전압 DC-link에 적합하지만, 세라믹 커패시터와 비교하여 상대적으로 큰 실장 부피가 요구될 수 있다 ^[5,9]. MLCC는 작은 크기와 낮은 ESR 및 ESL로 고주파 리플 억제에 유리하지만, DC bias에 따른 정전 용량 감소와 기계적 응력에 의한 균열 가능성이 단점으로 지적된다 ^[9-14]. 다만 이러한 특성은 정격 전압, 정전 용량, 패키지 구조 및 동작 조건에 따라 달라지므로, 서로 다른 문헌이나 상용 제품의 수치를 동일한 조건의 성능 값으로 직접 비교하기에는 한계가 있다.

PLZT는 각 물질의 조성비에 따라 P–E (polarization–electric field) 특성이 넓은 범위에서 조절할 수 있으며, Haertling의 보고에 따르면 반강유전체–강유전체 상전이와 relaxor 특성이 동작 전기장에 따라 뚜렷하게 나타난다 ^[15]. 이러한 상전이 거동은 이중 히스테리시스 형태의 P-E 응답으로 나타나며, 낮은 잔류 분극 ^[16,17]과 높은 회수 에너지 효율 ^[18,19]을 확보하기에 유리한 구조적 특성을 제공한다.

최근 에너지 저장용 유전체에 대한 고전계 연구에서는 PLZT 기반 세라믹 박막이 높은 항복 전계 ^[20,21]와 우수한 온도 안정성을 가져 고에너지 저장 소자로서의 가능성을 갖는 것으로 평가되고 있으며 ^[16,17], PLZT 박막 구조가 수십 $\text{J/cm}^3$ 수준의 에너지 밀도를 달성할 수 있다는 결과도 보고되었다 ^[22]. 에너지 밀도는 P-E 곡선을 적분하여 구할 수 있다.

또한 PLZT는 높은 유전 강도 (dielectric strength)를 확보할 수 있어 고전압 스택 구조에서 $\text{BaTiO}_3$ 기반 MLCC 대비 유리한 내전압 특성을 가진다는 연구도 제시되어 있다 ^[23,24]. 그림 2는 선형 유전체, 강유전체 및 반강유전체의 이상적 P–E 특성을 비교하여 PLZT 기반 재료의 전계 의존적 상전이 특성을 개념적으로 제시한다 ^[25].

그림 2 PLZT 기반 재료의 분극 거동 이해를 위한 (a) 선형 유전체, (b) 강유전체, (c) 낮은 전기장 하의 반강유전체, (d) 높은 전기장 하의 반강유전체 모식도 및 (e) 이들의 이상적인 P–E 특성 정성적 비교

Fig. 2 Schematic illustrations of (a) linear dielectrics, (b) ferroelectrics, (c) antiferroelectrics under low electric field, and (d) antiferroelectrics under high electric field, along with (e) a qualitative comparison of their ideal P–E characteristics to understand the polarization behavior of PLZT-based materials

그림 2(a)는 선형 유전체의 분극 거동을 나타내며, 외부 전기장에 의해 유도된 분극이 전기장에 비례하여 선형적으로 증가하고 전기장 제거 시 잔류 분극이 존재하지 않는 이상적인 응답을 보여준다 ^[26]. 그림 2(b)는 강유전체의 분극 거동을 나타내며, 자발 분극의 존재로 인해 전기장 변화에 따라 비선형적인 분극 응답과 잔류 분극이 발생하는 특성을 개략적으로 표현하였다 ^[26]. 그림 2(c)와 (d)는 반강유전체의 분극 거동을 각각 낮고 높은 전계 조건에서 나타낸 것으로, 낮은 전계에서는 인접한 쌍극자의 반대 방향 정렬로 인해 순 분극이 제한되나, 임계 전계 이상에서는 전계 유도 상전이에 의해 분극이 급격히 증가하는 특성을 보여준다 ^[26,27]. 이러한 반강유전체의 전기장 의존적 상전이 거동은 그림 2(e)에 나타낸 P–E 곡선에서 이중 히스테리시스 형태로 개념적으로 표현되며 ^[28], 이는 PLZT 기반 재료가 일반적인 선형 유전체 및 강유전체와 구별되는 전기적 특성을 갖는 배경을 설명한다.

다만 기존 연구는 대부분 수백 kV/cm 전계 인가 후 C-V와 에너지 저장 성능 평가에 집중되어 있으며, 실제 태양광 발전 시스템의 DC-link 환경은 장시간 DC 전압의 반복 운전이 일반적이므로 기존 연구 ^[29,30]로는 실사용 관점의 전기적 특성 평가가 충분하지 않다.

본 연구에서는 상용 $V_R = 500\text{ V}$ PLZT 커패시터를 대상으로 DC 전압 및 주파수에 따른 정전 용량, 임피던스, ESR, 손실률 ($\tan\delta$)과 DC 절연 파괴 특성을 평가하였다. 이를 통해 PLZT 커패시터의 전계 및 주파수 의존적 전기 특성을 확인하고, DC-link 응용에서 고려되는 PLZT 커패시터의 주파수 응답, 전압 의존적 정전 용량, 손실 및 기초적인 절연 특성에 관한 전기적 데이터를 제시하고자 한다. 본 연구는 개별 커패시터의 기초 특성 평가에 해당하며, 실제 고전압 DC-link 시스템 적용을 위해서는 직·병렬 구성, 전압 균등화, 열적 특성 및 장기 신뢰성에 대한 추가 검증이 필요하다.

2. 본 론

본 연구에서는 PLZT 반강유전체 세라믹 커패시터의 주파수 응답 특성과 DC 전압에 따른 정전 용량 변화, DC 항복 전압 특성을 시편의 디에이징 (de-aging)을 위하여 150 °C에서 1시간 열처리를 수행한 후 상온에서 48시간 안정화 과정을 거친 뒤 측정하였다. DC 전압에 따른 정전 용량 측정에 디에이징을 수행한 소자와 수행하지 않는 소자 모두 측정하였다.

본 연구에 사용된 PLZT 커패시터는 동작 전압, $V_{op} = 400\text{ V}$ (operating voltage), 유효 정전 용량, $C_{eff,typ} = 150\text{ nF}$ (typical effective capacitance at $V_{op}$, $0.5\text{ V}_{AC}$, 1 kHz, 25°C)이며, 정격 전압, $V_R = 500\text{ V}$ (rated voltage)이다 ^[31]. 일반적인 커패시터는 정격 전압과 정전 용량이 하나의 값으로 정의되지만, PLZT 커패시터는 비선형 유전 특성으로 인해 전압 조건에 따라 정전 용량이 달라진다. PLZT 커패시터에서 $V_R$은 절연 및 신뢰성 기준에 따른 최대 전압을 의미하며, 장기간 전압 인가 시 절연 파괴 및 열화가 발생하지 않도록 보장하는 전압 한계이다. 이는 기존 커패시터의 정격 전압 개념과의 호환성을 위해 정의된 값이다. 따라서 회로 설계 시 $V_R$ 조건에서 $C_{eff,typ}$ 값을 기준으로 부품을 선정하면 과대 설계가 될 수 있다. PLZT 커패시터에서는 정격 전압보다 동작 전압 $V_{op}$이 더욱 중요한 설계 기준이다. $V_{op}$는 PLZT 커패시터의 비선형 유전 특성을 고려하여 실제 동작 전계를 형성하는 DC 전압으로, 대부분의 전기적 파라미터가 이 전압에서 정의된다. 일반적으로 $V_{op}$는 $V_R$의 약 0.5 – 0.7 배 수준에서 설정되며, 설계 마진에 따라 차이가 발생할 수 있다.

PLZT 커패시터의 정전 용량은 $C_0$, $C_{eff,typ}$ 및 $C_{nom,typ}$, 세 가지로 구분된다. $C_0$는 DC 전압이 인가되지 않은, 즉, 히스테리시스 발생 전 정전 용량을 의미한다. $C_{eff,typ}$는 실제 동작 전압 ($V_{op}$) 하에서의 유효 정전 용량으로, 동작 주파수 대역에서의 미분 정전 용량 (differential capacitance)이다. 일반적으로 실제 동작 조건에서의 AC 성능을 가장 잘 반영하는 대푯값으로 활용된다.

이에 비해 $C_{nom,typ}$ (typical effective nominal capacitance)는 제조사마다 정의하는 조건이 상이할 수 있다. 예컨대 $C_{eff,typ}$는 실제 AC 측정치를 기반으로 하지만 $C_{nom,typ}$는 매우 느린 주파수인 quasi-static 상태에서의 평균값을 기준으로 한다. 따라서 $C_{nom,typ}$은 정량적 표기되는 명목상 수치이자 이론값에 가깝다. 실제 사용 환경을 반영하기보다는 규격서상의 표기나 제조사 간 비교를 위해 기존 커패시터의 정전 용량 규격에 대응시킨 값이기 때문이다. 결론적으로, 실제 AC 동작 특성을 분석할 때는 $C_{eff,typ}$를 지표로 삼는 것이 더 현실적이다. 정리하면 $C_{nom,typ}$는 수많은 다른 커패시터와 용량을 비교하기 위해서 사용하며 그리고 반강유전체가 특정 DC 전압에서 유전 분극이 폭발적으로 일어나는 구간에서 $dQ/dV$에서 얻으며, 자동차로 비유하면 $C_{nom,typ}$는 최고 속도, $C_{eff,typ}$는 평균 속도를 의미한다 (실제 운행 시 유효 능력). DC link나 snubber 회로 설계 시 커패시터가 가지는 에너지를 계산할 때 $E = 1/2 \cdot C_{eff,typ} V^2$로 계산하는 것이 타당하다.

본 연구에 이용한 PLZT 커패시터의 $C_{nom,typ}$은 250 nF이다. 모든 실험은 상온에서 수행되었다. 주파수에 대한 LCR 측정은 두 소자를 이용하였으나, 유의미한 차이가 없어서 한 소자의 결과만 넣었고, 절연 파괴 측정은 한 소자 결과를 넣었다. 본 연구에 쓰인 PLZT 커패시터들은 그림 3과 같다. 주파수에 따른 정전 용량, 임피던스, ESR 및 $\tan\delta$은 LCR meter (E4980A, Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, U.S.A)를 이용하여 측정하였다. DC 전압에 따른 정전 용량 변화는 electrometer (B2985B, Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, U.S.A)와 LCR meter (E4980A, Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, U.S.A) 사이에 외부 bias-T를 결합하여 측정하였다.

그림 3 본 연구에 이용된 VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT 커패시터

Fig. 3 VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT capacitors used in this study

측정 환경 및 DC 전압 인가에 의해 커패시터 유전체의 결정 구조 또는 상 (phase)이 변화할 수 있으며, 이러한 요인은 반복 측정 시 측정값 변동의 원인이 될 수 있다. 본 연구에서 주파수 특성은 DC 전압을 $1\text{ V}_{DC}$로 설정하고 AC 전압은 $0.5\text{ V}_{rms}$ 조건에서 측정을 수행하였다. 측정 주파수 범위는 20 Hz에서 $2 \times 10^6\text{ Hz}$까지로 설정하였다. 소자 간 정전 용량 편차는 $C_0$를 기준으로 ±20%였다. DC 전압에 따른 정전 용량 변화는 AC 전압은 $0.5\text{ V}_{rms}$, 측정 주파수 1 kHz에서 DC 전압을 0에서 500 V까지 spot (스텝 전압 = 25 V) 및 sweep (스텝 전압 = 10 V) 하여 방식으로 각 1회씩 측정하였다. 그림 4는 $1\text{ V}_{DC}$에서 여러 주파수에서 측정된 커패시턴스, 그림 5는 $V_{DC}$에 따른 측정된 정전 용량 및 그림 6은 측정된 임피던스 및 ESR, 그림 7은 측정된 $\tan\delta$이다.

그림 5의 소자 1과 2의 차이는 PLZT 커패시터 측정 전 150 °C에서 열처리 공정의 유무이다. 세라믹 커패시터는 일반 실리콘 반도체와 달리 공장에서 제작 후 사용자에게 전달까지 걸리는 시간으로 인해 전기적 특성이 변하는 time aging이 있다. 이는 시간에 따라 세라믹 구조의 phase가 변하는 이유로 발생하며, 이를 재설정하기 위해서 측정 전 열을 인가하는 공정을 수행한다. 본 연구에서 time aging의 결과 영향을 억제하기 위해 측정 전 150 °C에서 열처리하고 상온에서 보관 뒤 측정을 수행하였다. 그러나 PLZT 커패시터의 time aging을 체계적으로 연구하려면 다수 소자에 다양한 열처리 조건으로 시험이 필요하다.

측정 시스템의 기생 성분이 AC 측정에서 측정한 전기적 특성에 큰 영향을 미치므로 기생 성분을 줄인 test fixture (16043E, Keysight Technologies, CA, U.S.A) ^[32]를 이용하여 수행되었다. 또한 class II MLCC의 유전흡수 (dielectric absorption) 현상 ^[33]은 특정 주파수에서 커패시터 특성이 불연속적으로 측정되는 형태로 관찰되기도 한다. 그러나 본 연구에서 측정한 PLZT 커패시터에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았다. 이는 PLZT 커패시터의 유전체 구조가 class II MLCC와 다르기 때문이다. 즉, 유전체 내부의 RC 경로가 다르거나 유전흡수가 발생하는 주파수가 본 연구에서 측정한 최대 주파수인 2 MHz보다 높은 영역에 존재할 가능성이 있다. 이를 확인하기 위해서는 2 MHz 이상의 주파수 영역에서 추가적인 정전 용량 측정이 필요하다. 유전흡수가 전력 전자 시스템에서 일반적으로 사용되는 주파수보다 높은 영역에서 발생할 가능성이 있다는 점은 응용 측면에서 긍정적으로 해석될 수 있다.

LCR 미터를 이용한 커패시터 측정에서는 auto level control (ALC) 기능의 사용이 중요하다 ^[32]. ALC는 측정 장비가 설정된 전압이 실제 커패시터 양단에 정확히 인가되도록 자동으로 제어하는 기능이다. 측정 장비는 내부 출력 임피던스를 가지므로 커패시터 임피던스가 낮은 경우 전압 분배 효과로 인해 실제 인가전압이 감소할 수 있다. 특히 세라믹 커패시터는 전압에 따라 정전 용량이 변화하므로 이러한 전압 감소는 측정 결과에 영향을 줄 수 있다. ALC 기능을 활성화하면 장비가 커패시터 양단 전압을 모니터링하고 출력 신호를 보정하여 설정된 전압이 유지되도록 제어한다. 본 연구에서는 ALC 옵션의 활성화 여부에 따른 특성 변화를 비교하였다. $V_R = 500\text{ V}$, $C_{nom,typ} = 250\text{ nF}$ PLZT 커패시터의 정전 용량, 임피던스 및 $\tan\delta$ 측정 결과에서 ALC 적용 여부에 따른 큰 차이는 나타나지 않았다. 그러나 일반적으로 세라믹 커패시터 측정에서는 측정 정확도를 확보하기 위해 ALC 기능을 활성화하는 것이 권장된다.

PLZT 커패시터의 저주파 영역에서 정전 용량은 일정하게 유지되었다. 특히 수십 kHz 이상 영역에서도 정전 용량 변화가 급격하지 않다는 점은 안정적인 에너지 저장 및 방전 특성을 시사한다. 따라서 PLZT 커패시터는 고속 스위칭 환경에서도 일관된 정전 용량 유지가 필요한 전력 변환 응용 분야에 적합할 것으로 판단된다.

그림 4 측정된 VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT 커패시터의 다양한 주파수에서 정전 용량 (VDC = 1 V, VAC = 0.5 V, 20 Hz – 2 MHz)

Fig. 4 Measured capacitance of VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT capacitor at various frequencies (VDC = 1 V, VAC = 0.5 V, 20 Hz – 2 MHz)

$\text{BaTiO}_3$ 기반 class II MLCC의 정전 용량은 인가되는 DC 전압에 따라 변화하는 현저한 전압 의존성 (DC-bias dependency)을 가진다. 이는 강유전체 특유의 도메인 벽 고정 (domain wall pinning) 및 분극 포화 현상에 기인하며, 동작 전압이 높아짐에 따라 유효 정전 용량이 감소하는 경향을 보인다. 반면, 반강유전체 특성을 갖는 PLZT 커패시터의 정전 용량은 DC 전압이 증가하면 점진적으로 증가하다 $V_{op}$ 구간에 도달하여 정전 용량이 급격히 증가하여 최댓값을 나타낸다. 즉, 인가전압에 따라 비선형적인 전압 의존성을 나타낸다. 이러한 비선형 C–V 거동은 문헌에 보고된 반강유전체 PLZT의 전계 의존적 유전 응답과 일치한다 ^[26,27].

그림 5 측정된 VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT 커패시터의 DC 전압에 따른 정전 용량 (VDC = 0 – 500 V, VAC = 0.5 V, 1 kHz)

Fig. 5 Measured capacitance of VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT capacitor (VDC = 0 – 500 V, VAC = 0.5 V, 1 kHz)

임피던스의 경우, 저주파 대역에서는 $1/2\pi fC$의 관계를 따르는 이상적인 커패시터 거동을 보이며 주파수에 반비례하여 감소한다. ESR은 저주파 대역에서 유전 손실의 영향으로 감소하다가 (유전 손실은 주파수에 반비례함), 특정 주파수 이상부터는 내부 전극의 표피 효과 (skin effect) 및 유전체 분산 특성에 의해 점진적으로 상승하는 거동을 보인다. 특히 전력 전자 시스템의 주요 동작 대역에서의 ESR 최솟값이 낮게 형성되고 상승 폭이 완만하다는 점은 고주파 스위칭 환경에서 열 발생을 억제하고 전력 변환 효율을 높일 수 있는 핵심적인 장점이 된다.

그림 6 측정된 VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT 커패시터의 임피던스 및 ESR (VDC = 1 V, VAC = 0.5 V, 20 Hz – 2 MHz)

Fig. 6 Measured impedance and ESR of VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT capacitor (VDC = 1 V, VAC = 0.5 V, 20 Hz – 2 MHz)

PLZT 커패시터의 $\tan\delta$은 저주파 영역에서 낮은 수준을 유지하며, 주파수 증가에 따라 점진적으로 증가하는 경향을 보인다. 이러한 증가는 고주파 대역에서 발생하는 유전체 분극의 완화 (dielectric relaxation)와 내부 전극의 기생 저항 성분 (parasitic resistance)의 영향이 복합적으로 작용한 결과일 가능성이 있다. 다만 본 측정 범위에서는 자기 공진 (self-resonance) 주파수가 명확하게 확인하지 않았으므로, 자기공진 주파수 전까지 안정적인 특성을 유지한다고 단정하기는 어렵다. 따라서 본 결과는 측정 주파수 범위 내에서 정전 용량과 유전 손실의 변화가 완만하였음을 의미한다.

그림 7 측정된 VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT 커패시터의 tanδ(VDC = 1 V, VAC = 0.5 V, 20 Hz – 2 MHz)

Fig. 7 Measured tanδ of VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT capacitor (VDC = 1 V, VAC = 0.5 V, 20 Hz – 2 MHz)

그림 8은 본 연구에서 사용한 high power system source meter (2657A, Keithley Instruments, Solon, OH, USA)이다. 이 시스템은 커패시터에 DC 전압을 인가 하면 정밀한 전류를 측정할 수 있으며, DC 3 kV까지 인가 가능하다 ^[34].

그림 8 본 연구에 이용된 high power system source meter

Fig. 8 High power system source meter used in this study

그림 9는 측정된 $V_R = 500\text{ V}$, $C_{nom,typ} = 250\text{ nF}$ PLZT 커패시터의 상온에서의 DC 항복 전압의 한 결과이다. 인가된 DC 전압이 증가함에 따라 누설 전류는 낮은 수준을 유지하다가 약 1.16 kV에서 급격히 증가하며 항복이 발생하였다. 이는 높은 전계에 의해 유전체 내부에 전도 경로가 형성되면서 절연 특성이 급격히 저하된 결과로 해석된다. 단일 소자에서 측정된 절연 파괴 전압은 $V_R$ 대비 약 2배 이상의 전압 마진을 가지는 것으로 확인되었다.

그림 9 측정된 VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT 커패시터의 상온 DC 항복 전압

Fig. 9 Measured room-temperature breakdown voltage of VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT capacitor

그림 10 DC 항복이 발생하여 ceramic body가 손상된 VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT 커패시터의 이미지

Fig. 10 Measured image of VR = 500 V, Cnom.typ = 250 nF PLZT capacitor with ceramic body damage caused by DC breakdown

태양광 전력 변환 시스템과 같이 주로 1200 V급 전압이 요구되는 응용에서는 해당 전압 조건을 만족하기 위해 더 높은 $V_R$을 갖는 PLZT 커패시터가 요구될 수 있다. 그림 10은 $V_R = 500\text{ V}$, $C_{nom,typ} = 250\text{ nF}$ PLZT 커패시터의 DC 항복이 발생하여 물리적으로 ceramic body가 손상된 이미지이다.

PLZT 커패시터는 높은 유전 안정성과 고전압 환경에서의 우수한 성능을 제공할 수 있다는 장점이 있으나, 유전체 조성에 납 (Pb)을 포함하고 있다는 점에서 환경 규제와 관련된 한계를 가질 수 있다. 특히 전기·전자 제품에서 유해 물질 사용을 제한하는 RoHS (restriction of hazardous substances) 규제와의 관계가 중요한 고려 요소가 될 수 있다. 납을 포함하는 일부 세라믹 전자 부품의 경우 기능적 특성으로 인해 RoHS 예외 조항이 적용될 가능성이 있으나, 이러한 예외 적용 여부는 환경 규제 요구사항과 실제 응용 환경을 종합적으로 고려하여 판단될 필요가 있다. 따라서 RoHS 규제와 완전히 호환되는 $\text{BaTiO}_3$ 기반 MLCC와 비교할 때, PLZT 기반 커패시터는 우수한 유전 특성을 제공하지만, 규제 수용성 및 환경적 측면에서 상대적인 제약이 있을 수 있다. 한편, 본 연구는 상온에서 수행한 주파수 응답, DC 바이어스에 따른 정전 용량 및 DC 절연파괴 특성 평가에 한정되어 있으며, 동작 온도 변화와 장시간의 전압 및 리플 전류 스트레스에 따른 전기적 특성 변화는 평가하지 못하였다. 커패시터의 정전 용량, ESR 및 손실 특성과 수명은 온도, 전압 스트레스, 리플 전류 및 동작 시간의 영향을 받을 수 있으므로 ^[5], 본 연구 결과만으로 PLZT 커패시터의 장기 동작 안정성이나 수명을 판단하기에는 한계가 있다. 향후에는 다수 시료를 대상으로 온도별 전기적 특성 측정과 고온 DC 스트레스 및 리플 전류 시험, 가속 수명 시험을 수행하여 정전 용량, ESR, $\tan\delta$ 및 절연 저항의 사용 시간에 따른 변화와 장기 신뢰성을 평가할 필요가 있다.

3. 결 론

본 연구에서는 $V_R = 500\text{ V}$, $C_{nom,typ} = 250\text{ nF}$ PLZT 커패시터의 전압, 주파수 의존 정전 용량, 임피던스, ESR, $\tan\delta$과 DC 절연 파괴 특성을 측정하였다. 측정 주파수 범위에서 정전 용량과 $\tan\delta$는 완만한 변화를 나타냈으나, 자기 공진 주파수가 명확하게 확인되지 않았으므로 안정적인 동작 주파수 범위를 단정하기에는 한계가 있다. 두 시료의 spot 및 sweep 측정 결과에서는 DC 바이어스 증가에 따라 정전 용량이 비선형적으로 증가하는 경향이 나타났으며, 이러한 거동은 문헌에 보고된 반강유전체 PLZT의 전계 의존적 유전 응답과 일치하였다. 단일 소자에 대한 DC 절연 파괴 시험에서는 1.16 kV에서 절연 파괴가 발생하였으며, 이는 $V_R$ 대비 2배 이상에 해당하는 측정값이다. 제한된 시료 수와 측정 횟수로 인해 이를 해당 제품군의 대표 특성으로 일반화하기에는 한계가 있다. 본 결과는 PLZT 커패시터의 DC-link 응용 가능성을 검토하기 위한 기초 전기적 자료에 해당하며, 실제 시스템 적용을 위해서는 다수 시료에 대한 반복 시험, 리플 전류 시험, 열적 특성 및 장기 신뢰성에 관한 추가 검증이 필요하다.