정전기 측정기란?
정전기 측정기(영어: electrostatic instrument)는 물체 표면에 발생하는 정전기의 전압을 측정하는 기기입니다.
비접촉으로 측정할 수 있는 표면 전위 센서를 갖춘 장비로, 비측정 대상 물체에 표면 전위 센서를 대고 측정합니다. 정전기를 측정하는 기기는 표면전위계, 정전위 측정기라고도 하며, 주로 제조업의 생산 공정에서 사용되지만 설치 환경에 맞는 기기가 판매되고 있습니다.
정전기 측정기의 사용 용도
생산 공정에서 정전기로 인한 트러블에는 다음과 같은 것들이 있는데, 이를 방지하기 위한 대책을 추진하기 위해서는 먼저 발생하는 정전기의 크기를 정확하게 측정할 필요가 있습니다. 대책의 효과를 검증, 평가할 때도 정전기의 크기를 측정합니다. 공정에 따라서는 정전기 발생 상황을 상시 모니터링하기 위해 사용하기도 합니다.
1. 이물질 부착
대전된 제품에 대전된 이물질(먼지 등)이 부착되는 문제가 발생합니다. 예를 들어 도장 공정에서는 도장 불균형의 원인이 됩니다.
2. 정전기 파괴 (ESD 파괴)
집적회로 등 반도체 부품은 정전기 방전으로 인해 회로 소자가 파괴될 수 있습니다.
3. 오작동
미세한 전류, 전압으로 동작하는 기기(전자저울, 중량 검사기, 금속 탐지기 등)는 정전기가 방전될 때 발생하는 전자기 노이즈의 영향을 받을 수 있습니다.
4. 인체 등으로의 방전
대전된 물체에서 인체로의 정전기 방전은 인체에 통증과 불편함을 유발할 뿐만 아니라 장비의 고장이나 발화(가연성 물질의 인화)의 원인이 되기도 합니다.
정전기 측정기의 원리
물체 표면이 대전되어 정전기가 발생하면 그 주변에 전기장이 생깁니다. 정전기 측정기는 이 전계 강도를 측정하여 정전기의 전압을 계산합니다. 일반적인 정전기 측정기(표면전위계)의 원리는 다음과 같습니다.
표면전위 센서는 정전기 유도 현상을 이용한 것으로, 대전된 물체로부터의 정전기장 강도 Eo(대전 전압 Vo에 비례)를 검출 전극이 받으면 검출 전극의 표면에 유도 전하 q가 축적됩니다. 이때 검출전극과 물체 사이에 검출전극 전체를 덮을 수 있는 크기의 차폐판을 설치하여 일정한 속도로 회전시키면 차폐판에 덮이는 순간 검출전극에 축적된 유도전하 q를 방전시키고, 차폐판이 지나가면 다시 유도전하 q를 축적하게 됩니다. 이 주기적인 전하 q의 이동, 즉 교류 전류 Is의 크기는 전계 강도에 따라 달라지기 때문에 전류 Is를 측정하여 물체 표면의 대전 전압 Vo를 구할 수 있습니다.
단, 위의 측정법에서 측정값은 표면전위 센서와 측정 대상의 거리에 따라 크게 달라집니다. 측정 대상과의 거리가 멀어지면 전계가 약해지기 때문에 측정값이 작게 표시되는 것은 피할 수 없습니다. 따라서 측정 대상과 표면 전위 센서의 간격을 지정된 거리로 유지해야 합니다.
또한, 위의 측정 거리에 따른 문제를 해결하기 위한 방안으로 전압 피드백형 표면전위계가 있습니다. 이를 사용하면 검출 전극에 고전압 전원을 연결하여 교류 전류 Is가 0이 되도록 고전압 전원의 전압 출력을 조절할 수 있습니다. 전류 Is가 흐르지 않는 것은 측정 대상의 전압과 센서의 전압이 같을 때이므로, 이때 고전압 전원의 출력 전압은 측정 대상의 충전 전압과 같다고 할 수 있습니다.
정전기 측정기 사용법
일반적인 정전기 측정기로 대전된 물체의 정전기를 측정하는 방법은 다음과 같습니다.
1. 측정 대상 표면에 대해 표면 전위 센서의 검출 전극과 병렬로 정전기 측정기가 정한 거리에 표면 전위 센서를 설치합니다.
2. 예상 전압보다 높은 측정 범위로 설정하고 측정을 시작한다. 대략적인 측정값이 나오면 측정 범위를 조정하여 측정값을 채택합니다.
전압 피드백형 표면전위계로 측정할 때는 측정 대상 표면에 표면전위 센서의 검출 전극을 병렬로 설치하지만, 측정 대상과의 거리를 엄격하게 정할 필요는 없습니다. 고압전원의 전압을 서서히 상승시켜 검출전극에 흐르는 교류전류가 0이 되는 지점을 찾습니다. 이때 고압전원의 출력 전압이 측정 대상의 충전 전압이 되며, 측정값의 단위는 V 또는 KV입니다. 정전기의 최대 전압을 고려하여 적절한 기기를 선택하는 것이 중요합니다.
정전기 측정기의 기타 정보
정전기의 발생 원인과 예방
정전기의 발생 메커니즘은 다음과 같이 알려져 있습니다.
1. 박리 정전기
플라스틱 시트에서 보호막을 떼어내는 등 겹쳐진 것이 벗겨질 때 발생합니다.
2. 마찰 정전기
물건을 섞을 때, 옷을 벗을 때, 모터가 회전할 때 등 물체와 물체가 마찰할 때 발생합니다.
3. 기타 대전
분쇄, 분체 충전 등이 있기 때문에 이러한 상황에 노출된 물체의 정전기를 측정할 때 정전기 측정기가 사용됩니다. 특히 반도체 부품은 정전기 방전으로 인한 고장 가능성이 높기 때문에 평소에 정전기 측정기로 공정 내를 확인하는 것이 필요합니다. 생산 공정에서 측정 대상이 되는 구체적인 예는 다음과 같습니다.
- 각종 반도체 및 기타 전자부품 및 그 부품이 포장된 트레이와 그 보호 필름, 보관 선반
- 작업복, 작업화, 작업 공정의 책상, 의자, 바닥면
- 접지 밴드 및 접지 설치 부분
- 제조장치, 검사기, 치공구, 납땜 인두 등의 제조설비
- 작업표준서 및 이를 보호하는 플라스틱 케이스
- 모니터의 디스플레이 부분
- 구입한 각종 필름
또한, 정전기 발생이 불가피한 경우 이오나이저 등의 제전장치를 설치하여 적극적으로 정전기를 제전하지만, 그 효과를 확실히 하기 위해서는 정전기 측정기를 이용한 측정이 필수적입니다.