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그림(1) 접촉에 의한 정전기의 발생

표(1) 고분자물질의 대전서열

* 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.

Q = c V

Q : 전체 대전 전하량 (Joule / 방전 에너지)
c : (모든 물체에 발생되는) 정전 용량
V : 어떤 점으로부터 단위 전기량을 옮기는데 필요한 두 점 사이의 전위차

※ 정전용량은 전류(A) 와 비슷한 의미로 해석되며 모든 물체(도체 및 부도체)는 각각 고유한 정전용량을 가지고 있다 예를 들면 인체의 정전용량은 작업장의 환경에 따라 100[pF-피코 패럿] 에서 4,000[pF]까지 변화하나 일반적으로 200[pF]로 적용한다.

※ 전하를 전기장안에서 이동시키기 위해서는 일을 필요로 한다. +1[C]의 전하를 무한원 (無限遠:전기장이 미치지 않는 점)에서 전기장 안의 한 점까지 운반하는데 필요한 일을 그 점의 전위라 할 수 있다. 전위, 전위차의 기호는 V, 단위는 볼트[V] 를 사용한다.

정전기 방전(ESD: Electrostatic Discharge)에서 전위(V)의 용량만을 주요시하는 이유는 c 즉 정전용량은 모든 물체가 갖고 있는 고유용량이며 측정시 의 조건 (마찰 면적,회수,압력 등) 에 따라 가변되는 것이므로 실제 측정 시 일괄 적용이 불가하다. 따라서 정전기 방전용량에서 c 의 값은 극히 미미하고 모든 물질에 따라 다르므로 V 즉 전위로만 표시한다.

그림 (1) 도체의 대전 및 정전유도

표(1) 상대습도에 따른 대전 전위

표(2) 인체대전과 전격의 관계

ρv 는 일반적으로 물질이 정사각형인 경우의 저항 R 을 측정하고 [a-3]식에서와 같이 이 저항을 t로 곱하므로 얻어진다. 현재 일반적으로 사용 중인 체적저항 측정 방법과 원리(ASTM D-257) 는 아래 그림과 같고 체적저항 ρv = A/t . Rm ohm-cm < A : 전극의 접촉 단면적 ( cm2) ,t : 측정물의 두께 ( cm) , Rm : 측정된 저항 ( ohms) >로 구할 수 있다.

그림 (1) Measurement Method of Surface Resistance

감소시간은 표면저항을 측정하는 또 하나의 방법이며 어떤 물질을 정전기로 대전하여 원래 전압의 10% 수준까지 내려가는데 걸리는 시간을 측정하는 것이다.

E = 1/2 QV = 1/2 CV² = Q² / 2C

V: 접촉 전위차 Q: 두 물체간의 대전한 전기량 (Coulomb)
C: 두 물체의 접촉표면간의 전기용량 (Farad)

최소 발생 Energy 를 W0 라 하면 E > W0 인 경우 인화 폭발할 가능성이 많이 있다. 이 최소 발화에너지는 가연성 Gas 또는 증기의 경우 표 2-1 와 같이 가스의 종류에 따라 그 공기와의 혼합화에 의하여 다르거나 혼합기(混合氣)를 형성하는 산소량이 증가하면 급속히 감소한다. 상온 상압보다 고온 고압이 최소 발화 Energy 가 적다. 가연성 분진의 경우 분진농도, 입자경 (粒子徑) 수분, 유량, 산소량 등이 보다 현저한 영향을 주며 분자 입자경이 적든가 분농도가 크든가 산소량이 많든가, 수소함유량이 적을 때 최소 발화에너지는 적어진다. [표 2-2 참조] 이와같이 축적 Energy 는 방전현상으로 대전물체 근방의 전계강도가 일반적으로 30 KV/cm 이상의 파괴전계(破壞電界) 가 되면 발생한다. 이것은 대전물체에 축적되어 있던 정전기의 방출현상으로 파괴음이 발생하며 어두운 곳에서 발광을 동반한다. 이때 불꽃방전이나 번개현상의 방전이 발생하여 가연물에 착화원이된 가연성 Gas , 증기, 분진 의 폭발 및 화재사고가 발생한다.

표(1) 가연성 가스 및 증기의 최소 발화에너지

표(2) 각종 분진 최소 착화에너지

ESD 방전에 의하여 전자부품의 열화 및 파괴의 원인이 되는 것으로는 첫째는 인체의 접촉에 의해 제품이 충전되어 지거나 방전되어질 경우로서 인체가 움직이고 있는 동안에 인체와 의복 사이에 마찰전기가 Floor 와의 대전을 발생시키므로 (표 1-2 참조) 작업자에 대전된 이러한 정전기를 방지하지 않은 상태로 정전기에 민감한 전자부품을 취급하게 되면 내압이 낮은 실리콘 산화막 등을 Short 시킴으로서 부품의 열화와 파손시키는 결과를 발생하는 것으로 주된 ESD 의 피해는 이 경우이다.

둘째로는 제품 자체가 캐퍼시터의 역할을 함으로써 충전되어 지거나 방전되는 경우로서 운반과정이나 자동이송 공정에서 마찰전기가 발생하기 쉬운 물질 (Plastic 종류) 이 대전을 하여 전자 부품의 낮은 저항 부분인 Pin 의 표면등에 너무 빨리 방전됨으로서 손상되는 경우이다. 셋째로는 전계에 의해 충전된 제품의 충전량이 변화될 경우로 대전물과 전자 부품사이의 정전유도가 된 상태에서의 갑작스런 대전물의 위치변화 및 정전유도가 이루어진 전기력선 사이로 다른 대전체가 빠르게 통과할 때 정전유도의 급격한 변화에 의한 절연 및 산화층에 영향을 주어 결과적으로 Short Circuit 가 되는 경우이다.

둘째와 셋째의 예를 들어보면 그림 2-1 과 같이 대전물에 전자 부품의 금속 (IC의 Pin)이 근접해 있게 되면 정전유도가 일어난다. 대전물에 가까운 부분에는 대전물과 반극성의 전하가 유도되고 먼 부분에는 대전물과 동극성의 전하가 유도되며 이 상태에서 한쪽 방향의 Pin이 기판에 닿으면 대전물과 동극성의 전하가 접지에 흘러 가면서 일회의 방전이 일어난다. 다음에 대전물이 멀어질 때 (들어 올리거나 할때) 대전물과의 반극성의 전하가 방전을 일으키는 현상이 일어나고 또 IC 중에는 그림 2-1 의 (A) 와 같은 정전유도 현상만으로도 파괴되는 경우도 있다.

그림 (1) ESD 로인한 IC의 파괴(방전)

표(1) ESD Susceptibility of Various Electronic Devices

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. 일반적으로 도체를 이용하여 대지와 접촉시키는 것을 접지 (어스)라고 부른다. 실제로 모든 현상을 다룰 때 지구가 기준이 되고 전기도 지구의 전위를 기준으로 하여 0 V 라고 한다. 그러나 우리가 지표위에 어느 정도의 거리를 두고 도체로 된 Pipe, 등을 매설한 다음 두 Pipe 간의 저항을 측정하면 얼마 정도의 저항값을 가지게 된다. 이것은 Pipe 와 지표간에 접촉저항이 있기 때문이다. 즉 접지를 할때에는 지표와 충분한 접촉이 되도록 막대 형식의 접지 보다는 판 형식의 접지물을 이용하는 것이 바람직 하다. 지구는 금,은,동,알루미늄 등과 같은 도체로는 보이지 않겠지만 무수한 저항이 병렬로 연결되어 있는 것과 마찬가지이므로 접지 저항이 0 Ω 이라고 가정한다면 대지간의 저항은 0 Ω 이 되게 된다.또한 접지가 정전기의 대전방지만이 아니고 전기기기의 접지와 혼용해서 쓰는 경우가 있으나 이는 바람직하지 않으므로 ESD 전용 접지를 사용하여야 한다.

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

참고로 AMC REG 385-100 ( U.S ARMY MATERIAL COMMAND REGULATION ) 에보면 "Hazardous location (operation where a static spark discharge may be dangerous). All conductive parts of equipment shall bo grounded so that resistance does not exceed 25 ohms, unless 10 ohms is required for lightning protection as specified in Chapter 8."

- 약제 Coating 작업이 이후 공정에 추가된 경우
- 대전 방지재의 사용으로 인한 제품에의 영향

1) 인체를 접지시켜 주거나 대전을 방지시켜 주는 제품
- Wrist Strap , Heel Grounder , 대전 방지복 , 제전화 , 제전 장갑

2) Conveyor 또는 통로의 바닥이나 Table 등에 설치하여 대전을 안전하게 접지시키는 제품
- Conductive Floor & Mat ( 전도성 바닥재, 매트) , Conductive Table Mat ( 전도성 테이블 매트)

3) 전자부품 및 조립된 기판을 운반할 때나 포장시 사용되는 도전성 제품
- Conductive (or Static Dissipative ) Part Box , Shielding Bag , Foam , Feild Service Kit , Film

접지대책이 되어 있지 않은 인체는 표1-2 와 같이 간단히 수천 Volt 의 정전기가 축적되기 쉽고 이렇게 축적된 정전기를 접지시켜 안전하게 방전시키는 제품이 Wrist Strap 이다. 즉 인체는 정전기적으로 도체이므로 도전사를 이용한 손목 Band 와 너무 빨리 방전됨으로써 발생되는 Spark 나 Noise로 인한 여러 장해의 방지 및 역 전류로 인한 인체의 보호를 위하여 1 MΩ의 저항이 부착된 Cord를 이용하여 인체를 접지시키는 제품이다. 그러나 Wrist Strap 은 동작 및 접지 상태를 일상 점검하여야 하며 이런 목적으로 사용되는 제품이 Wrist Strap Checker 이다. Wrist Strap Checker 의 저항범위는 보통 3가지로 구분되는데 저항 범위가 800KΩ~10MΩ 일 경우는 Wrist Strap 이 정상적으로 동작됨을 나타내고 10MΩ 이상인 경우는 Band 가 느슨하여 접촉불량이든지, Cord 의 단선, Band 가 오염되었을 때 나타내며 800KΩ 미만인 경우는 Wrist Strap 에 내장된 1 MΩ 저항이 파열되어 너무 빨리 방전되어 Spark 나 Noise 의 염려가 있음을 나타내므로 저항범위에서 이외의 경우 불량상황에 대응한 수리를 하거나 교환하여 사용하여야만 한다.

그림 (1) Shielding Bag

그림 (2) 이동대차 및 전도성(크린룸용) 의자

특히 사용연수가 길어 정전기에 대응하기에 가장 효과적인 방법으로 제전방식 중 많이 사용되는 Blower 방식의 사양을 소개하면 다음과 같다.

그림 (3) Ionizer (AC타입) 작동 및 제전 원리

그림 (4) 방전침 Cleaning 에따른 Ion current 변화

그림 (5) Ion Current & Balance 측정 개요

AC혹은 DC의고전압을 뾰족한 침 끝에 인가하여 접지와 설계된 거리를 유지하면 AC의 경우는 접지측과 코로나 방전을 일으키게 되는데 이때 이온과 오존을 생성하게 된다. 여기서 생성된 이온은 AC의 50~60Hz 주파수에 의해 +,- 극성을 가지며 매우 빠른속도로 변환하여 상대물에 대전된 정전기와 중화 소멸된다. 극성의 변환이 빨라 상대물까지 도달하기 전에 자체 중화량이 많아 먼거리까지 제전할 수 없는 단점이 있으며 전극의 오손으로 인한 과부하방지를 위해 안전회로와 병행 사용하여야 한다. 그러나 상대적으로 이온 발생이 안정적이며 이온 발란스가 일정량 이상 차이가 나면 회로 자체에서 조절할수 있는 기능 (Self control)이 가능하다.
반면 DC는 접지와의 방전이 아니고 대기중의 산소분자를 전이시켜 이온화하며 따라서 오존의 발생이 AC에 비해 1/100 정도 줄어든다. 또 이온발생의 주기를 임의로 조절 사용할 수 있으며 AC에 비해 이온 발생주기가 길어 최대 제전거리가 1m 이상 가능하다. 그러나 +,- 이온발생이 각각의 전극에서 발생되므로 전극의 마모,오손 및 트랜스의 이상등에 따른 이온발란스의 불균형 가능성이 있으므로 주기적인 관리가 필요하다.

- Electrostatic Locator : 대전량의 전하를 측정할 수 있는 장비
- Wrist Strap & Shoes Checker : Wrist Strap 의 상태를 점검할 수 있는 장비
- Ionometer : Ion Current 와 Ion Balance 를 측정할 수 있는 장비
- Decay Time Analyzer : 대전물의 전하량이 소멸되는 상태를 측정
- Work Surface Tester (Megohmmeter) : 표면저항을 측정할 수 있는 장비로 도전성 제품의 성능 Test
- 정전기 감시 Monitor : 입력된 수치의 정전기 이상이 되면 감지하여 경보를 울리는 장비

① 대전 방지복 ( Rv = 105-108 Ω )
② Wrist Strap ( Rg = 1MΩ ± 10%)
③ Dissipative Mat ( Rs = 105-108 Ω/Square )
④ Ionizer / 제전 Blower ( Decay time = 3 sec 이내 , Ion Balance = 10 ㎁ )
⑤ 도전화 ( Rg = 105-108 Ω )
⑦ 바닥재 ( Rs, Rg = 2.5×104~106 Ω )

전기기기,기계 등이 Mat 위에 놓일 때 또는 금속 작업대등이 전도성 바닥에 직접 놓이지 않도록 하여야 한다.(고무받침대등 절연 후 별도접지)

그림 (1) ESD CONRTOL WORKSTATION

● 모든 작업장의 분류
● 정전기가 일어나지 않는 작업장을 만든다
● 정전기 대책이 효과적으로 행하여 지고 있는지 확인
● 반도체의 보관방법 및 운반방법의 확인
● 정전기에 약한 반도체 소자의 확인
● 작업자 교육
● 정전기 대책의 정기적인 점검 등이 유효한 정전기 대책을 실시하기 위한 기본적인 과제이며
● 원료 및 원자재의 공급측이 올바른 정전기 대책을 하는지
● 공장내에 정전기 대책이 올바르게 행하여지고 있는지
● 소비자에게 올바를 취급 설명을 하는지 등이 유효한 정전기 대책을 위한 전제조건이다.

ESDCP 는 크게 다음 세가지로 나눌 수 있습니다.
(1) 작업자에 대한 ESD 주의 교육 ( ESD Awareness Training )
(2) ESD 방지 재료 ( ESD Protective Material )
(3) ESD 방지 기기의 사용 ( ESD Protective Equipment )

작업장 내의 모든 작업자는 다음 사항의 주의 교육을 받아야 한다.

① 정전기의 발생 원인
② ESD 에 민감한 부품의 인식
③ ESD Control 방법
④ 각 각의 분야에서 ESD 방지에 관한 책임

①,② 항의 교육으로 ESD Item 을 주지 시킨 후 작업장은 물론 Item의 취급, Item 을 포함한 시스템에 아래의 그림(1)과같은 주의 표시를 해야 한다.

그림 (1) ESD 주의 심벌

① 필요이상 불필요하게 부품에 손대지 말고 작업대나 조립품 내부 이외의 어느 곳에도 위치하지 말 것.
② Static-Safety Work Area를 벗어나는 경우 항상 Faraday Cage Box를 사용할 것.
③ 작업장에서 불필요한 물체는 제거할 것 (작업자의 도시락, 용구 등의 플라스틱 재 등)
④ ESD Item를 접촉하는 납땜 인두의 Tip 등의 공구는 반드시 접지시킬 것.
⑤ Wrist Strap, 도전화 등의 장비를 항상 착용할 것.
⑥ 전기장을 유도하는 물체의 근처에 부품을 위치시키지 말 것
⑦ Taping 작업 등을 할 때의 정전기 피해를 유의하고 천천히 unroll 시키고 Ionizer를 사용할 것

방지 물질은 다음의 세가지 기본 조건을 만족해야 합니다.

① 접촉성 대전 (Triboelectric Charging) 을 예방한 것 : C D Model
② 전자기파의 차단 ( Shielding 효과) : F I Model
③ 대전된 작업자나 물체와 접촉했을 때의 직접적인 방전의 예방 : H B Model

실제 이상의 조건을 모두 만족시킬 수 없으며 적당한 조합에 의하여 원하는 제어를 할 수 있습니다. 방지 물질은 미국 Military Standard 에 의거 그 표면 저항치(ρs) 에 따라 다음 세가지로 나눕니다.

① 전도성 ( Conductive ) - ρs ≤ 10⁵ Ω/Sq
② 정전 분산 ( Static Dissipative ) - 10⁶ ≤ ρs ≤ 10⁹ Ω/Sq
③ 제 정전기 ( Anti Static ) - 10¹⁰ ≤ ρs ≤ 10¹³ Ω/Sq

이 물질의 구분은 각 규격마다 다소 차이가 있으며 다음에 한하여 예외규정을 둔다.
<예외> 바닥재 에서의 전도성은 25,000~1,000,000Ω 으로 한다 - UL,NFPA,AMCR

이 세가지 물질을 선택할 때는 위의 기본 조건을 마추고 원하는 성능을 고려한다.<표3-2> 는 그 기본 가이드 이다.여기서는 일반적인 사항과 바닥재에 관한 사항만 열거했다. (그외 작업대 표면, Packaing 재료, Tote Box /부품함, Shunt Bar/클립/Foam, 작업의복)

표(1) ESD 방지물질의 적용

① 작업대 표면 - 정전 분산 ( Static Dissipative )
② 작업장 바닥 - Conductive
③ 의자 - 정전분산 표면, 전도성 바퀴 or gliders, 접지 구조
④ Tote Box (운반상자) - 전도성 (Non-particle), 정전분산
⑤ 의복 - 정전분산 (인체 등전위 : 106 Ω), 격자형 도전사
⑥ 신발 - 전도성 밑창 (접지구조)
⑦ Bag - Aluminum Laminate 구조

앞에서 설명한 물질 외에 정전기의 감지, Control , Monitering 이나 부품의 피해 여부 Testing 을 위하여 아래와 같은 장비가 사용되고 있다.

① Ionizer : 실내 공기를 이온화 시켜 발생된 정전압을 낮추는 정비로서 적당한 접지나 방지책이 없는 경우에 사용된다.
② 리스트 스트랩, Heel Grounder : 손목이나 발에 착용하여 인체에서 발생되는 정전기를 방전 시키며 인체를 작업대 표면과 같은 정전위에 있게해 준다(안전저항 1MΩ)

③ ESD Detector /Alarm System : 주위의 정전위나 전기장이 규정치 이상이면 위험신호를 발하는 장치
④ 그외의 작업도구 : 그 외에도 흔히 사용되는 도구로써 ESD 방지가 필요한 것 들로서 납땜 흡입기, 일반적인 드라이버나 플라이어 등의 도구가 있는데 Tip을 접지 시키거나 손잡이에 Antistatic 처리를 해야한다. 또한 측정 장비는 사용전에 Probe를 Short시켜 잠재적인 정전기를 소거 시키고 전원의 접지라인에 연결시켜야 한다.
그 외에도 반도체 공정에서 사용되는 Integrated-Circuit Inserter나 Extractor가 있다.

① 기본원리
작업장의 모든 물체 및 재료의 대전을 억제하며 격리되어 있는 두 물체 사이의 방전을 방지하기 위하여 전기적인 본딩을 하여 안전을 도모한다.

② 접지
직물 공장이나 제품 조립공정에 있는 기계 설비 등에서 수백∼수천 볼트의 정전기가 대전되는 경우가 있으므로 접지를 실시하고 접지 저항 측정기로 월1회 측정 관리한다.작업자의 경우는 보통 리스트 스트랩(Wrist strap)과 힐 그라운더(Heel ground)를 통해서 하게된다. 또한 바닥 재료를 도전성으로 하지 않는다면 아무런 효과를 기대할수 없다.

③ 작업대
작업대의 대전 상태를 전기적으로 측정하여 대전시는 정전기 누설대책(접지등) 을 점검하여 대전상태가 되지 않도록 한다. 작업대는 105[Ω/SQ]의 표면저항을 갖는것이 바람직하며 금속 작업대는 바람직하지 않음

④ 전도성 바닥의 저항 측정 관리
도전성 타일이나 매트의 일부에서 정전기가 대전되는 경우가 있으므로 정기적으로 접지저항 및 대전상태를 측정,관리한다

⑤ 정전기 중점 발생 장소
회전 건조기등 일부 설비나 조립 공정과 같이 국부적으로 대단히 높은 정전기가 대전 되는데 대전체가 부도체인 경우나 반도에 유도된 정전기를 제거 하기 위하여 부분적으로 제전기를 사용한다.

⑥ 무진복 및 제전복
세탁 후에도 대전 전위가 일정치 이하가 유지되는 것을 확인하며 가급적 낮은 전압의 정전기가 대전되는 것을 선택한다. 그리고 내의류는 가급적 면 제품 내의를 입는다.

⑦ 기타
위에서 언급한 일반적인 경우 외에도 습도 조절이나 Ion Blower 같은 특수장비를 사용하는 경우도 있다.

그림 (2) 그림으로 본 ESD 방지 장비