플라스틱과 탄성중합체는 훌륭한 전기절연체입니다. 근본적으로, 이들은 변하지 않은 대량 자재 상태로는 전기를 전도하지 않습니다. 코팅, 의류 및 전문 ESD 조작 제품들과 같은 대부분의 ESD 안전 (또는 정전분산성) 제품은 중합체 기반입니다.
하지만, 선천적으로 제품은 절연체와 ESD 안전의 특성을 동시에 지닐 수 없습니다. 이에 대한 이유들은 명확합니다. 그러면 다른 부분들은 ESD 안전 또는 전기적인 전도성이 있는것으로도 분류되는 반면 몇몇의 중합체를 절연체로 만드는 것은 무엇일까요?
이 글에서 저희는 무엇이 ESD 제품을 안전하게 만드는지를 시험할 것이며 그리고 산업적인 관점과 동일한 중요성과 동등하게, ESD 안전 제품의 정의와 자격 기준을 살펴볼 것입니다.
ESD (정전기 방전)의 영향
상기시켜드릴 목적으로 설명드리자면, ESD 또는 정전기 방전은 정전기가 축적된 물체와 다른 전위를 가진 물체 사이에서 이루어지는 전기적 방전입니다.
한가지 익숙할 수도 있는 예를 들자면 운동화를 신은 채로 카페트가 깔려 있는 바닥을 가로질러 걸으며 문에 닿는 것입니다. 만약 바닥을 걸으면서 마찰전기의 전하를 겪으셨다면 문의 금속 손잡이를 잡으면서 손가락에 전기충격을 느껴셨을 수 있습니다.
그 전기 충격이 ESD입니다. 여기에서 문의 손잡이로 전기 충격을 느낄 때에는 단순히 성가신 상황이지만 항공 유지관리 또는 전기적 조립 작업같은 산업 환경에서 ESD로부터 초래되는 결과는 상당히 비싼 금전적 손실 (최선의 경우) 에서 잠재적인 참사까지 발생할 수 있습니다.
문의 손잡이에 접촉할 때에 피부로 느껴지는 충격은 꽤 상당한 수준의 전압입니다 (하지만 고맙게도 그 강도는 작으며 위험하지 않은 전류입니다). 만약 피부로 전기 충격이 느껴진다면, 이는 ESD 방전이 최소 2000에서 3000볼트였다는 것을 의미합니다.
하지만 트랜지스터 및 통합 회로들같은 전기적인 부품들은 전압에 상당히 취약하며 심지어는 저전류에도 상당히 약합니다. 10볼트 정전기의 작은 전압도 칩에 있는 트랜지스터를 지울 수 있습니다. 이는 비교적으로 말할 때에 아주 작은 수준입니다. 그리고 이것이 ESD 통제가 존재하는 이유입니다. 바로 아주 작은 방전으로부터도 영구적인 보호를 제공하기 위해서입니다.
ESD 손상은 일반적으로 주로 세가지 상황들로부터 초래됩니다:
- 장치로의 방전(몸으로부터)
- 장치로부터의 방전(포장과 표면으로부터의 접촉을 통해 해당 장치가 충전될 때)
- From field-induced charge범위 유도 대전으로부터 (국부적인 정전기장으로부터).
이러한 방전들은 스파크 자체로도 또다른 위험을 초래할 수 있습니다. ESD 손상으로부터 야기된 전기적 아크로부터 하드웨어가 위험에 처해질 뿐만 아니라, 이 아크들은 점화의 잠재적인 원인이며 이는 폭발적인 증기, 액체 및 분탄같은 고체 미립물질이 있는 환경에서 재앙적일 수 있습니다.
그 누구도 정전 방전 상황을 좋아하지 않습니다. 그렇기 때문에 산업 전체는 각 산업의 통제 기준과 함께 ESD 손상을 통제하기 위해 나섰습니다.
ESD 기준 및 정의
ESD 안전 재료들의 관리 및 이행을 통제하는 기준에는 범위가 있습니다. 하지만 그이전에, 우리는 먼저 표면 저항률의 관점에서ESD-안전이 무엇인지를 정의해야 할 필요가 있습니다.
편리하게도, 또한 이를 정의하는 기준인ESD ADV1.0-2017가 있으며 이는 Electrostatic Discharge Association (ESD) 에 의해 공개되었습니다. [1]해당 문서의 전체 제목은 “ESD Association Advisory For Electrostatic Discharge Terminology – Glossary (정전기 방전 전문 용어에 대한 ESD 협회의 조언 – 용어사전” 이며, 이 문서는 각 표면 (그리고 체적) 저항력에 관해서 전도체, 절연체 및 ESD 안전 재료를 정의합니다.
이 협회는 해당 용어사전에서 표면 저항률을 이렇게 정의합니다:
“표면을 가로질러 흐르는 전류에 대하여 단위 길이에 대한 DC 전압강하와 단위 너비당 표면 전류의 비. 실제적으로, 표면 저항률은 정사각형의 각 면 사이에 있는 저항이며 해당 정사각형 크기 또는 이의 입체적인 단위에 대하여 독립적입니다. 표면 저항률은 Ω/square로 표현됩니다.”
다른 방식으로 설명하자면, 표면 저항률은 절연 재료의 표면을 가로지르는 누전에 대한 저항입니다. 표면 저항률의 값이 클수록, 누전이 작으며 해당 재료는 덜 전도적입니다.
다시 말하여 저항률은 해당 샘플의 크기만큼 독립적이라고 묘사됩니다. 이의 이유는 재료의 종류에 따르는 것 뿐만 아니라 물체의 기하학의 특성인 저항과는 달리 저항률은 해당 재료의 특성이기 때문입니다. 스트레인게이지가 기하학과 저항률의 관계를 다소 잘 묘사합니다.
ESD ADV1.0-2017은 재료들의 표면 저항률에 따라 재료들을 세가지로 분류합니다:
- 전도성 재료 – A conductive전도성 재료는 1 x 10E5 Ω/square보다 작은 표면 저항률을 가지거나 또는 1 x 10E4 Ωcm 보다 작은 체적 저항률을 가지는 재료입니다. Conductors전도체는 전자가 표면 또는 해당 재료의 체적을 통해 빠르게 흐를 수 있도록 합니다. 자동차로 비유하자면 전도성 재료는 속도제한 또는 교통에 의해 제한받지 않는 빠른 차들이 고속으로 달리는 경주 트랙과 유사합니다.
- 정전분산 (ESD-안전) - 정전분산 재료는 적어도 1 x 10E5 Ω/square, 하지만 1 x 10E12 Ω/square 보다는 작은 표면 저항률을 가집니다. 체적 저항률에 관하여, 정전분산 재료는 1 x 10E4 Ωcm 와 1 x 10E11 Ωcm의 범위에 들어갑니다. 전하는 정전분산 재료들에서 더 천천히 흐릅니다. 아크가 발생되면 전하는 땅으로 도달하려 하면서 더 낮은 에너지를 가집니다. 이는 ESD 손상으로부터 장치를 보호할 때에 원하는 것입니다. 다시 자동차 비유로 돌아가서 정전분산 재료는 제한들이 모두 적용되는 일반적인 교통 흐름으로 생각될 수 있습니다.
- 절연재료 - 1 x 10E11 Ω과 동등하거나 이보다 더 큰 표면 저항 또는 체적 저항을 가지는 재료. 플라스틱은 절연체입니다. 이 재료는 높은 전기적 저항을 가지고 있으며 전하가 재룔 통해 흐르지 않습니다. 이는 베이스 플라스틱에 전도성 입자를 추가함으로써 변할 수 있습니다. 만약 절연재료를 운전 시나리오로 본다면, 혼잡 시간대에 고속도로를 빠져나가기 위한 출구 없이 복잡한 교통 혼잡속에 가두어지게 되는 것입니다.
요약하자면, ESD 안전 재료로 분류되기 위해서 해당 재료의 표면 저항은 ESD ADV1.0-2017에 따라 반드시1x 10E5 Ω/square 및 1x 10E11 Ω/square의 범위에 들어가야 합니다.
- CONDUCTIVE: 전도성
Fast movement, out of control: 빠른 이동, 통제 불가 - STATIC DISSIPATIVE: 정전분산
Slow, controlled movement: 느리고 통제된 이동 - INSULATIVE: 절연
Little to no movement: 적거나 거의 없는 이동
이러 명확한 정의는 상기 그래픽에서 묘사되고 있으며 이는 규제적인 관점에서 볼 때에 재료는 전도체, 절연체 또는 정전분산 (ESD 안전) 중에 한가지로만 존재할 수 있따는 것을 보여줍니다. 저항률은 스펙트럼으로 존재하며 이에 관해서, 재료는 이 스펙트럼의 한가지의 부분으로만 존재할 수 있습니다.
ANSI/ESD S20.20
재료들의표면저항률값에관하여재료들을정의를내렸으니이제코팅같은제품이정말로ESD-안전인지를결정하는주요기준장치를살펴봅시다. The이에관하여ESD 보호와관련한가장최근의상업적기준의명칭은다음과같습니다: “ANSI/ESD S20.20-2021: Protection Of Electrical And Electronic Parts, Assemblies And Equipment (Excluding Electrically Initiated Explosive Devices), ANSI/ESD S20.20-2021:전기및전자부품, 어셈블리및장비의보호(전기적으로개시되는폭발장치는제외)”
…또는짧게 “S20.20” 라는이름이있습니다.
이문서는교육, 제품인증, 준수인증, 그라운딩/ 등전위본딩시스템, 인적그라운딩, ESD 보호구역(EPA) 요구사항, 패키징및마킹을포함하여넓은범위의ESD 관리및통제주제들을다룹니다.
이기준장치는항공우주, 자동차, 전자기기제조및의학산업에걸쳐광범위적으로이용됩니다. 이는100볼트인간신체모델(HBM)와200볼트대전장치모델(CDM)과동등하거나이보다더큰방전에의해손상될수있는전기또는전자부품, 어셈블리및장치를다룹니다. [2]
MIL-STD-1686
군사적 적용에 대하여ESD 컨트롤을 통제하는 기준 장치는MIL-STD-1686입니다. 해당 군사 기준의 명칭은 다음과 같습니다 “MIL‑STD‑1686-Electrostatic Discharge Control Program for Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (excluding electrically initiated explosive devices), MIL‑STD‑1686-전기 및 전자 부품, 어셈블리 및 장비의 보호에 대한 정전방전 통제 프로그램 (전기적으로 개시되는 폭발 장치는 제외)”.
이는 1980년에 처음 공개되었으며 ESD 관리와 통제와 관련한 첫번째 기준들 중 하나였습니다. 현재는 미 해군 통제 하에 있습니다. 상업 및 군사 기준들의 전체 명칭들 사이에 비슷한 점을 발견할 수 있습니다. 이러한 유사점들은 여기에서 그치지 않습니다.
이 글에서는 다루지 않지만 ANSI/ESD S20.20 과 MIL-STD-1686의 벤 다이어그램에는 커다란 교집합이 있습니다. 하지만 상업 및 군사적 기준들 사이에 존재하는 유사점과 차이점에 대하여 궁금하시다면, ESD 협회로부터 나온 이 문서가 각각 자세히 비교합니다.[3]
ANSI 기준에 인증된 제품은 대부분 군사적 기준 검사 또한 통과할 것인 만큼 해당 두 기준들 사이에는 충분한 공통점이 있다고 말할 수 있습니다. 그렇다고 한 가지 기준에 만족했을 때 다른 기준에 자동적으로 만족되는 것은 아닙니다. 해당 특정 기준들에 만족시키기 위해 여전히 검사가 진행되어져야 합니다!
중합체 기반 ESD 안전 제품들을 안전하게 하는 것은 무엇인가요?
저항률-변화 첨가제
중합체의 표면 (및 체적) 저항률은 제조 공정에서 전도성 첨가제의 이용으로 변화시킬 수 있습니다.
ESD 적용에서 전통적으로는 중합체에 카본 블랙을 첨가함으로써 저항률을 변화시킬 수 있었고 이는 어두운 색의 코팅의 결과를 가져왔습니다. 알루미늄, 금, 은과 구리 및 스테인리스 스틸같은 금속 가루들 또한 중합체의 전도성 증가를 위해 첨가될 수 있습니다.[4]
그러면 이러한 첨가제들이 어떻게 중합체의 전기적 특성을 변화시키나요? 카본 첨가제의 경우, 제조사들은 산업 용광로 프로세스에서 제조되는 전도성 카본 블랙이라고 알려져 있는 것을 이용합니다. 카본 블랙은 본질적으로 반도체이며 이는 전기적인 관점에서 볼때, 이러한 첨가제의 추가는 두가지가 서로 침투되는 네트워크의 형성을 야기합니다. 이는 전도성 첨가제 네트워크와 저항력 있는 중합체 네트워크입니다. 이 원칙은 다른 전도성 필러로 채워져 있는 중합체에도 적용됩니다.
ESD 안전 코팅같은 채워진 폴리머 복합체의 전기적 전도성은 첨가제의 입자 구조, 크기에 따라 다르며 또한 혼합 시간과 같은 처리 프로세스 파라미터에도 따라 다릅니다.[5] 높은 혼합시간의 결과로는 첨가제가 중합체로 더 잘 분산되는 것이며 따라서 더 균일하고 일관적인 전도 매트릭스를 의미합니다.
ESD 안전 특성을 이룰 수 있는 다른 방법들은 정전방전 중합체 및 계면 활성제 기반 ESD 에이전트같은 정전기 방지 첨가제를 이용하는 것입니다. 정전기 방전 중합체는 부분적으로 친수성 구조를 가짐으로써 물의 표면 막을 끌어당기고 해당 부분의 저항력을 감소시키며 넘치는 전자들이 잘 분산될 수 있도록 하는 Techspray Licron 계면 활성제 기반 ESD 첨가제처럼 표면에 투명한 코팅을 형성함으로써 ESD 레벨을 장기적으로 제공합니다. 이러한 정전기 방지 재료들은 모두 스프레이 또는 담그기 방식으로 물 및/또는 알콜 용액을 통해 완료된 물체의 표면에 직접적으로 도포될 수 있습니다.
요약
우리는 저항률이 무엇인지를 알고 저항률이 ESD 보호와 어떻게 연관되는지를 압니다. 그리고 중합체 내의 분산된 첨가제들로부터 형성된 전도성 네트워크의 형성으로 첨가제들이 중합체들의 전기적 특성을 변화시킨다는 것을 알고 있습니다.
또한, 규제적인 관점에서 볼때, 산업 및 군사적 적용 모두에 대하여 ESD 통제에 적용되는 주요 기준들을 명확히 알고 있습니다.
이러한 부분들이 ESD-안전 재료들의 제조 및 요구사항들을 정의하는 한 누구, 무엇, 어디 그리고 왜에 대한 부분을 설명하는 것입니다.
만약 귀하의 상황에서 적용을 위해 특정 ESD-안전, 투명 코팅에 대하여 더 알고 싶으시다면, ESD 제품 페이지로 가셔서 더 많은 정보를 확인하세요.
참조
[1] ESD ADV1.0-2017 - ESD Association Advisory for Electrostatic Discharge Terminology – Glossary
[2] ANSI/ESD S20.20-2021: Protection Of Electrical And Electronic Parts, Assemblies And Equipment (Excluding Electrically Initiated Explosive Devices)
[3] ESD Standards Direct Comparison
[4] Resistivity and thermal reproducibility of carbon black and metallic powder filled silicone rubber heaters, Eun-Soo Park,Lee Wook Jang,Jin-San Yoon, Journal of Applied Polymer Science
[5] A comprehensive picture of the electrical phenomena in carbon black–polymer composites, I. Balberg, Carbon Journal
