정전기 방전 (ESD: ElectroStatic Discharge)

1. 발생에 관한 이론

§ 용어정의

1. 대전 : 중성의 상태의 물질이 접촉,박리,마찰,충돌 등에 의하여 물질의 전기적 특성이 "+"나 "-"로 변하는 것
2. 정전기 : 정지해 있는 전기 전하에 의 일어나는 물리적 현상.  
3. ESD  : ElectroStatic Discharge 정전기 방전

 

§ 물질의 전기적 구성

• 모든 물체는(+)에 대전된 양자를 포함한 원자핵과 그 주위를 도는 (-)에  대전된 전자로 구성되어 있다.
• 중성의 상태를 유지하는 데는 돌고 있는 전자의 수와 핵(+)안의 전하수가  같아야 한다.
• 두개의 소재가 서로 접촉하면 (-)에 대전된 전자 (특히 핵으로부터 가장 먼  궤도상의 전자)는 양방 소재의 분자로부터 분자에 자유로이 이동 되어진다.
• 접촉한 한 개의 소재가 박리 되어지면 한쪽의 소재는 전자를 얻어 (-)에  대전되고 한쪽의 소재는 전자를 잃어 (+)에 대전된다.

 

 

 

§ 대전에 의한 정전기  

• 대전의 원인 : 접촉, 박리, 마찰, 충돌, 변형, 변태, 이온흡착 등
• 대전의 크기를 결정하는 요인 : 접촉면적, 압력, 마찰빈도, 속도, 온도 차 등
• 대전의 극성을 결정하는 요인 : 물질의 Type, 표면상태, 이력 등

§ 대전전위에 따른 인체의 전격 정도

 

대전현상

§ 대전의 종류

정전 유도 대전 

①접촉대전 : 정전기는 2개의 서로 다른 물체가 접촉, 분리 하였을때
②마찰 대전 : 물체가 마찰에 의하여 접촉의 위치가 이동하여 전하 분리가 일어나 정전기가 발생.
③박리 대전 : 서로 밀착되고 있는 물체가 떨어질 때 전하분리가 일어나 정전기가 발생
④유동 대전 : 액체류를 파이프 등으로 수송할 때 이것에 정전기가 발생.
⑤분출 대전 : 분체,액체,기체류가 단면적이 작은 개구부로부터 분출할 때 마찰로 정전기가 발생.
⑥충돌 대전 : 분체류와 같은 입자 상호 간 혹은 입자와 고체와의 충돌에 의해 빠른 접촉
⑦파괴 대전 : 파괴 대전은 주로 고체, 분체류와 같은 물체가 파괴 됐을 때 전하분리 또는 정(正)과 부(負)의 전하의 균형이 깨지면서 정전기가 발생.
⑧기타 대전 : 액체중 비중이 다른 액상물, 고체, 기포등의 분산, 혼입하여 이것이 침강 또는 부   상할 때 액체류와의 계면(界面)에서 전기이중층이 형성되어 정전기가 발생한다.

§ 정전기 취약부품 관리 

미 국방규격에는 정전기 취약부품에 대한 관리기준으로 15,500V이하의 정전기에 대해 취약성을 보이는 부품을 민감 품목이라 규정하고 미국방규격(MIL-STD-1686)에 전압 범위에 따라 아래와 같이 3Class(등급)으로 부품을 분류하여 관리 및 보관, 취급에 참고하고도록 하고 있다. 

§ 대전열

대전열이란 소재가 접촉이나 마찰이 되었을 때, 전자를 잃고 + 로 전기적대전이 되기 쉬운 물질을 순서대로 나열 한 것다. 따라서 대전열이 높은 물질이 +fh wosjwdl 되면 낮은 물질이 - 로 대전이 된다.

 (예) 유리와 철을 마찰시키면 유리는 (+), 철은(-)로 대전 된다.

고분자물질의 대전서열

 

§ 소재의 전기적 분류  - “절연체”와 “도체”

1. 절연체 : 

내부에서는 전자의 이동이 한정되어  접지를 하여도 전자의 이동이 없기  때문에 접지를 하여도 의미가 없음.  한 개의 절연체에 있어서 부위에 따라  (+)또는 (-)로 다르게 대전 되는 경우가 있음.

2. 도체:

전자의 이동이 자유로워 한 개의 도체에서의 대전량은 모든 부분이 같으며 접지하는 것으로 대전은 “0”으로 된다. 접지되는 대지는 전자를 무한히 공급하고 동시에 무한히 흡수하는 저장소 역할을 하기 때문이다. 

따라서 도체는 적절히 접지하는 것으로 정전기 대책이 가능하지만 절연체에 있어서 정전기는 정전기 대책에서 기술되는 여러 가지 방법이 이용되어야 한다.

* 일반 전기와 정전기의 차이 (단지 전기의 상태가 다름)  :       
     - 일반전기 : 흐르고 있음
     - 정전기 : 정지해 있음

* 정전기가 모이는 물질 (모든 물질에 축적) 
    -도체 : 대전을 하여도 소멸되기 쉬움 : 큰 대전이 되기 어려움 ( 도전율이 10-6 S/m 이상)
    -절연체 : 대전된 후 소멸되기 어려움 : 큰 대전이 되기 용이함.

 * 도전율 : 전류가 흐르기 쉬운 정도를 나타내는 값으로서, 도체가 가진 전기 저항의 역수를 말한다

§ 정전유도와 대전전위

    도전체에 있어서 표면에서 전자의 이동이 자유롭기 때문에 대전되는 데에는 두 가지 경우

   1. 정전유도에 의한 대전

       정전유도에 의해 도체 표면에 전하가 드러나고 대전물 측의 전하는 대전물의 전기력선에 포착되어 이동할 수 없고

   2. 대전된 도체로부터 변환된 대전

      B는 처음에는 중성상태이고 (+)로 대전된 A의 도체와 B의 도체가 접촉하게 되면 대전된 A도체로부터 B도체로 대전이 평형상태로 이루어 질 때까지 전하가 흐르게 되어 결과적으로 B 도체가 대전되는 현상이다.

§ 습도와 대전전위

    정전기에 의한 장애:  습도의 정도에 의해 일반적으로 여름은 겨울보다도 적게 발생하고 있다.

    절연체 (Plastic,Film,Glass etc)의 경우는  흡습성이 없기 때문에 흡습성이 있는 소재와 같은 효과를 얻기 위해서는 습기가 소재에 충분할 때까지 습도를 높여야 한다. (작업자에의 불쾌감, 금속부품 및 기계의 부식 등의 문제를 일으키는 사례가 있음)

    상대습도의 정도에 따라 대전물이 대전되는 대전전위는 표1-2 와 같이 큰 차이가 있는 것을 고려한다면  습도가 대전에 미치는 영향을 알 수 있다. 

 

2. 정전기 발생 피해

§인체의 대전전위

    인체로부터 방전 전하량이 2~3×10-7(C) 이상이 되어 전기적 충격을 발생하는 방전은 아래 표와  같이 일반적으로 대전 전위가 3KV 이상이 되면 발생하므로 인체의 대전에 기인하여 발생하는 전기적 충격의 발생 한계는 인체의 대전 전위로 표현하면 약 3KV 이다

 

 

3. 정전기 방지 및 제어

§ 접 지

    접지는 물체에 대전된 정전기를 대지로 흘려 보내기 위한 대단히 중요한 수단으로   정전기에서는 고유저항이 108[Ω·m]이하의 도체(Conductive & Dissipative) 인 경우에 접지를 해주어야 한다

    << ESD Ground 규정 >>

1.  Main Ground --- 접 지 --- 10Ω이하
2.  ESD Point Ground --- 전 극 --- 25Ω이하
3.  Personal Ground --- 인 체 --- 1MΩ이하

§ 가 습

정전기의 발생 (1-5 습도와 대전전위) 에서도 언급하였지만 가습에 의해 공기의 상대습도를 높이면 물체표면의 흡습량을 증가시켜 표면 저항율을 저하시키므로 물체는 잘 대전이 되지 않는다.  상대습도는 현장 상황에 따라 다르지만 보통  60-70% 가 적당.

§ 대전방지제의 사용

대전 방지재를 절연물의 표면에 도포하거나 혼입하여 표면 저항을 저하시켜 대전을 방지하는 방법 (제품의 오엽등을 고려해야 함)

§ 대전방지 용품을 사용

정전기 대책이 된 작업장에서 정전기 대책이 된 작업자만이 취급하여야 하며 또 운반이나 보관 시에도 도전성 제품을

 

☞ 대전방지 용품

1) 인체 대전 방지 제품 : Wrist Strap, Heel Grounder , 대전 방지복, 제전화 , 제전 장갑

2) Conveyor, 통로, 바닥, Table  대전방지 제품 : Conductive Floor & Mat ( 전도성 바닥재, 매트)  Conductive Table Mat ( 전도성 테이블 매트)

3) 운반또는 포장 도전성 제품 :  Conductive (or Static Dissipative ) Part Box , Shielding Bag , Foam , Feild Service Kit 

 

 

§ 제전 제어 장치

1. Shielding Bag : 정전기에 민감한 전자 부품이나 기판의 운반과 보관시 사용되는 Shielding  Bag은 보통 3층구조
2. 이오나이져 (Ionizer) : 고전압을 방전시켜 얻어지는 양,음이온을 상대물에 보내어 대전된  정전기와 반대극성으로 중화 소멸시키는 장치
3. Clean room & Clean Bench 제전장치 : 정전기를 중화하고 정전기가 없는 환경을 유지하기 위하여 Hepa Filter 의 송풍구에 부착할 수 있는 Ionizer가 있고 상기 제전 제품을

 

제전 제어장치

 

§ ESDCP

 ESDP 란? : ESD피해를 예방하기 위한 총체적인 대책을 ESD Control Program (ESDCP) 이라 함,

 ESDCP 수행 :  부품이나 조립품, 기기, 대형 시스템 모두에 걸쳐 구조적인 협력, 예컨대 디자인, 제조 공정, 조립, 측정, 시험, 수리, 유지, 포장, 선적, 설치, 그리고 동작 및 운용의 모든 과정의 협력이 필요

 ESDCP 분류

1. 작업자에 대한 ESD 주의 교육 ( ESD Awareness Training )
2. ESD 방지 재료 ( ESD Protective Material )
3. ESD 방지 기기의 사용 ( ESD Protective Equipment )