맨위로가기

방전

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

방전은 전위차로 인해 전하가 이동하는 현상을 의미하며, 특히 정전기 방전(ESD) 현상을 지칭하는 경우가 많다. ESD는 정전기, 정전 유도, 또는 하전 입자 충돌에 의해 발생하며, 스파크, 케이블 방전 등의 형태로 나타난다. ESD는 전자 부품의 손상을 유발할 수 있으며, 제조 과정, 운송, 보관 등에서 보호 조치가 필요하다. ESD 민감도를 테스트하기 위해 인체 모델(HBM), 대전 장치 모델(CDM) 등의 시뮬레이션 및 테스트 방법이 사용된다. 번개, 오로라, 금속 용접 등도 방전 현상의 예시이다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 전지 - 연료전지
    연료전지는 수소, 탄화수소 등의 연료와 산화제를 사용하여 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 고효율 발전 장치로, 다양한 종류가 있으며 여러 분야에 응용되지만 상용화를 위한 과제가 남아있다.
  • 전지 - 화학 전지
    화학 전지는 자발적인 산화-환원 반응을 통해 전기를 생성하는 장치이며, 1차 전지, 2차 전지, 갈바니 전지, 전해 전지, 연료 전지 등으로 분류된다.
  • 정전기학 - 전위
    전위는 전기장 내 단위 전하의 위치 에너지로, 정전기학에서는 기준점에 따라 정의되며 전위차만이 의미를 갖고, 전기장의 음의 기울기로 표현되고, 전기 공학에서는 회로 해석에 활용된다.
  • 정전기학 - 정전기 유도
    정전기 유도는 대전체가 다른 물체에 접근했을 때 쿨롱의 법칙에 의해 물체 내부의 전하 분포가 변하는 현상으로, 전도체에서는 자유 전자의 이동으로 전하가 양분되지만 부도체에서는 분극 현상이 발생하며 금박 검전기, 정전기 유도 트랜지스터, 정전기 발생기 등 다양한 분야에 응용되고 유도 장애를 일으키기도 한다.
  • 플라스마 물리학 - 이온 빔
    이온 빔은 전하를 띤 입자들의 좁은 흐름으로, 전류 밀도와 에너지로 측정되며, 격자형 또는 격자 없는 이온 소스를 통해 생성되어 다양한 과학 및 기술 분야에서 활용된다.
  • 플라스마 물리학 - 형광등
    형광등은 저압 기체 방전을 이용해 빛을 내는 조명 기구이며, 수은 증기 방전으로 자외선을 발생시켜 형광 물질을 통해 가시광선으로 변환하는 원리를 사용하고, 백열등보다 에너지 효율이 높지만 수은 사용 등의 단점이 있으며, LED 조명으로의 전환으로 생산 및 사용이 감소하는 추세이다.
방전
기본 정보
유형방전 현상
설명대전된 물체 사이의 갑작스러운 전류 흐름
원인
원인두 물체 간의 전기장 강도 증가로 인한 절연 파괴
보호 방법
보호 방법접지
차폐
서지 보호 장치
정전기 방지 포장
정전기 방지 의류

2. 원인

정전기 방전(ESD)은 정전기, 정전 유도, 하전된 입자의 충돌로 인해 발생한다.[2]

2. 1. 정전기

정전기는 종종 두 물질이 접촉했다가 분리될 때 발생하는 전하 분리 현상인 마찰대전을 통해 생성된다. 마찰대전의 예로는 카펫 위를 걷는 것, 마른 머리카락에 플라스틱 빗을 비비는 것, 스웨터에 풍선을 문지르는 것, 천으로 된 자동차 시트에서 일어나는 것, 또는 일부 유형의 플라스틱 포장을 제거하는 것 등이 있다. 이 모든 경우, 두 물질 사이의 접촉이 끊어지면서 마찰대전이 발생하여, 정전기 방전(ESD) 현상을 유발할 수 있는 전위 차이를 생성한다.[2]

2. 2. 정전 유도

정전 유도는 전기를 띤 물체가 접지로부터 절연된 전도성 물체 근처에 놓일 때 발생한다. 전하를 띤 물체의 존재는 다른 물체의 표면에 있는 전하를 재분배시키는 정전기장을 생성한다. 물체의 순 정전하가 변하지 않았더라도, 이제는 과도한 양전하와 음전하 영역을 갖게 된다. 물체가 전도성 경로와 접촉할 때 정전기 방전(ESD) 현상이 발생할 수 있다. 예를 들어, 스티로폼 컵이나 봉투 표면의 하전된 영역은 정전 유도를 통해 근처의 ESD 민감 부품에 전위를 유도할 수 있으며, 금속 도구로 해당 부품을 만지면 ESD 현상이 발생할 수 있다.[2]

2. 3. 하전 입자 충돌

에너지가 높은 하전된 입자가 물체에 충돌하면 방전(ESD)이 발생할 수 있다. 이는 표면 및 내부의 전하 증가를 유발한다. 이는 대부분의 우주선에서 알려진 위험 요소이다.[2]

3. 종류

정전기 방전(ESD)은 다양한 형태로 나타나며, 그중 가장 눈에 띄는 것은 전기 스파크이다. 전기 스파크는 강력한 전기장이 공기를 이온화시켜 전류가 흐를 수 있는 통로를 만들 때 발생한다. 정전기 방전은 사람에게는 약간 따끔한 정도의 불편함만 줄 수 있지만, 전자 부품에는 심각한 손상을 일으켜 오작동이나 고장을 유발할 수 있다. 또한, 가연성 가스나 먼지가 있는 환경에서는 정전기 방전으로 인해 화재나 폭발이 발생할 수도 있다.

하지만 모든 정전기 방전이 눈에 보이거나 소리가 나는 것은 아니다. 사람이 감지할 수 없을 정도로 약한 전하도 민감한 전자 장치에는 손상을 줄 수 있다. 어떤 부품은 30V 정도의 낮은 전압 방전에도 손상될 수 있으며, 이러한 손상은 장치를 한참 사용한 후에야 나타나 수명과 성능에 영향을 미치기도 한다.

전기 케이블을 장치에 연결할 때 발생하는 케이블 방전 사건도 정전기 방전의 한 종류이다.

3. 1. 스파크

스파크는 전기장 강도가 약 4~30kV/cm[3] (공기의 유전 강도)를 초과할 때 발생한다. 이는 공기 중의 자유 전자 및 이온의 수를 매우 빠르게 증가시켜 공기가 일시적으로 급격히 전기적 도체가 되게 하는데, 이를 유전 파괴라고 한다.

350px

자연적인 스파크의 가장 잘 알려진 예는 번개일 것이다. 이 경우 구름과 지면 사이 또는 두 구름 사이의 전위는 일반적으로 수억 볼트에 달한다. 스트로크 채널을 순환하는 결과적인 전류는 막대한 에너지를 전달한다. 훨씬 작은 규모로, 스파크는 380V (파센의 법칙) 정도로 전하된 물체의 정전기 방전 동안 공기 중에서 형성될 수 있다.

지구 대기는 21%의 산소 (O2)와 78%의 질소 (N2)로 구성되어 있다. 번개와 같은 정전기 방전 동안 영향을 받는 대기 분자는 전기적으로 과도하게 스트레스를 받는다. 이원자 산소 분자가 분해된 후 재결합하여 불안정한 오존 (O3)을 형성하거나 금속 및 유기 물질과 반응한다. 전기적 스트레스가 충분히 높으면 질소 산화물 (NOx)이 형성될 수 있다. 두 생성물 모두 동물에게 유독하며 질소 산화물은 질소 고정에 필수적이다. 오존은 오존 분해를 통해 모든 유기 물질을 공격하며 정수에 사용된다.

스파크는 가연성 환경에서 점화원이며, 연료가 농축된 환경에서 치명적인 폭발을 일으킬 수 있다. 대부분의 폭발은 예기치 않은 가연성 연료 누출이 알려진 개방형 스파크 장치에 침입했거나, 알려진 연료가 풍부한 환경에서 예상치 못한 스파크가 발생했는지에 관계없이 작은 정전기 방전으로 거슬러 올라갈 수 있다. 산소가 존재하고 화재 삼각의 세 가지 기준이 결합된 경우 결과는 동일하다.

3. 2. 케이블 방전

케이블 방전 사건(CDE, Cable Discharge Event)은 전선이 EMI에 의해 유도되어 대전하고 방전하는 정전기 방전(ESD) 현상이다.[16] 긴 케이블의 기생 용량에 대전하는 ESD 문제는 LAN 케이블[17], USB 케이블[18] 등 신호 회선 외에도 인버터나 PWM 제어로 EMI가 방출되는 전력, 동력 회선에서도 큰 문제 요인이 되고 있다.[19]

4. 전자 제품 손상 방지

항공기의 정전기 방전기 일부. 날카로운 3/8인치 금속 마이크로 포인트 2개와 보호용 노란색 플라스틱에 유의.


특히 집적 회로와 마이크로칩과 같은 많은 전자 부품은 정전기 방전(ESD)에 의해 손상될 수 있다.[1] 민감한 부품은 제조, 배송, 장치 조립 및 완성된 장치 내에서 보호되어야 한다. 효과적인 ESD 제어를 위해서는 접지가 특히 중요하며, 명확하게 정의하고 정기적으로 평가해야 한다.[4]

4. 1. 제조 과정에서의 보호

제조 과정에서 정전기 방전(ESD)을 방지하기 위해 정전기 방전 보호 구역(EPA)을 설정한다. EPA는 작은 작업 공간이나 넓은 제조 구역일 수 있으며, 다음과 같은 주요 원칙을 따른다.[1]

  • ESD에 민감한 전자 제품 주변에 전하를 띠는 물질을 두지 않는다.
  • 모든 전도성 및 소산성 물질을 접지한다.
  • 작업자를 접지한다.
  • ESD에 민감한 전자 제품에 전하가 축적되는 것을 방지한다.


국제 전기 기술 위원회(IEC)나 미국 국립 표준 협회(ANSI)와 같은 국제 표준에 따라 EPA를 설정하고 관리한다.[1]

EPA 내에서는 ESD 안전 포장재, 전도성 의류, 전도성 손목 띠 및 발목 띠, 정전기 방지 매트, 전도성 바닥재 등을 사용하고 습도를 관리한다. 습한 환경에서는 얇은 수분층이 전하를 소산시켜 정전기 발생을 막는다.[1]

절연체는 접지가 어렵기 때문에 이온화 장치(Ionizer)를 사용하여 표면의 전하를 중화한다. 절연성 물질은 2,000V 이상으로 대전될 수 있으므로, 민감한 장치로부터 최소 12인치 이상 떨어뜨려 놓아야 한다.[1]

자동화 제조 과정에서는 소산성 재료를 사용하여 ESD를 방지한다. 소산성 재료는 1012 옴 미터 미만의 저항 값을 가지며, 전기를 천천히 전도하여 축적된 정전기를 안전하게 소산시킨다.[1]

4. 2. 운송 중 보호

민감한 장치는 운송, 취급 및 보관 중에도 보호해야 한다. 정전기의 축적 및 방전은 포장재의 표면 저항 및 체적 저항을 제어하여 최소화할 수 있다. 포장은 또한 운송 중 서로 마찰로 인한 팩의 마찰 또는 마찰대전을 최소화하도록 설계되었으며, 포장재에 정전기 또는 전자기 차폐를 통합해야 할 수도 있다.[5] 일반적인 예로 반도체 장치와 컴퓨터 부품은 일반적으로 부분적으로 전도성 플라스틱으로 만들어진 정전기 방지 봉투에 담겨 배송된다. 이 봉투는 내용물을 ESD로부터 보호하는 패러데이 케이지 역할을 한다.

5. 시뮬레이션 및 테스트

전자 장치의 정전기 방전(ESD) 민감도를 테스트하기 위해 다양한 ESD 시뮬레이터가 사용된다. 인체 모델(HBM)은 인체 접촉으로 인한 ESD를 테스트하기 위한 모델이며, JEDEC 표준을 비롯한 여러 표준이 존재한다.[6] 유럽 연합의 정보 기술 장비 표준 준수를 위해, IEC/EN 61000-4-2 테스트 사양이 사용된다.[6]

대전 장치 모델(CDM)은 장치 자체가 정전하를 가지고 금속과 접촉하여 방전될 때의 ESD를 테스트하는 데 사용되며, 제조 과정에서 발생하는 ESD 손상의 주요 원인이다.

5. 1. 인체 모델 (HBM)

인체 모델 (HBM, Human Body Model)은 인체가 대전하고 방전하는 경우를 모의한 모델이다.[6] JEDEC 22-A114-B 표준에 따르면, HBM은 커패시터와 저항이 직렬로 연결된 형태로 구성된다.[6] 커패시터는 외부 전원을 통해 특정 고전압으로 충전된 후, 저항을 통해 테스트 대상 장치의 전기 단자로 갑자기 방전된다. JEDEC 22-A114-B 표준에서는 100 피코파라드 커패시터와 1,500 옴 저항을 사용하도록 명시하고 있다.[6] 이와 유사한 표준으로는 MIL-STD-883 방법 3015와 ESD 협회의 ESD STM5.1이 있다.[6]

5. 2. 대전 장치 모델 (CDM)

대전 장치 모델 (CDM) 테스트는 장치 자체가 정전하를 가지고 금속 접촉으로 인해 방전될 때 장치가 견딜 수 있는 정전기 방전(ESD)을 정의하는 데 사용된다. 이 방전 유형은 전자 장치에서 가장 흔한 ESD 유형이며, 제조 과정에서 발생하는 대부분의 ESD 손상을 유발한다. CDM 방전은 주로 방전의 기생 파라미터에 따라 달라지며, 구성 요소 패키지의 크기와 유형에 크게 의존한다. 가장 널리 사용되는 CDM 시뮬레이션 테스트 모델 중 하나는 JEDEC에 의해 정의된다.

다른 표준화된 ESD 테스트 회로에는 기계 모델 (MM) 및 전송선 펄스 (TLP)가 포함된다.

5. 3. 기타 모델

기계 모델(MM, Machine Model)은 기계나 장치가 대전하고 방전하는 경우를 상정한 정전기 방전(ESD) 모델이다.[6]

전송선 펄스(TLP, Transmission Line Pulse)도 ESD 테스트 회로의 표준 중 하나이다.

이 외에도 다양한 ESD 테스트 모델이 존재한다. ESD 모델은 ESD 내성을 시험하기 위해 콘덴서와 저항으로 등가 회로를 만들어 특정 전압을 인가하여 대전시키고, 그것을 일정 조건하에서 방전시키는 모의 실험에 사용되는 모델이다.

6. 좁은 의미의 방전 현상의 예

정전기가 많이 발생하는 겨울철에 문 등의 손잡이와 손 사이에서 불꽃(스파크)이 튈 수 있다. 이것은 공기 중에서의 기체 방전의 한 종류이다. 아크 방전이 일어나면 흰색 불꽃이 생기는데 이것을 이용해 금속 용접을 하기도 한다. 번개와 오로라 같은 자연 현상들도 일종의 방전 현상이다. 번개는 서로 다른 전기를 띤 구름 사이에서 생기는 방전 현상이고, 오로라는 태양에서 방출된 전자 등이 대기 중의 입자와 부딪혀 빛을 내는 방전 현상이다.

참조

[1] 웹사이트 Electrostatic Discharge: The hidden enemy of integrated circuits https://www.quarktwi[...] Quarktwin 2017-03-22
[2] 논문 Spacecraft charging, an update 2000
[3] PDF CRC Handbook of Chemistry and Physics http://library.aceon[...]
[4] 웹사이트 Fundamentals of Electrostatic Discharge http://incompliancem[...] In Compliance Magazine 2015-05-01
[5] 간행물 Generic Requirements for ESD-Protective Circuit Packed Containers https://telecom-info[...] Telcordia
[6] 웹사이트 Baytems ESDzap - Lightweight ESD Simulator Product Overview http://www.baytems.c[...] Baytems 2012-08-25
[7] 웹사이트 https://ishizuka-net[...]
[8] 웹사이트 https://www.keyence.[...]
[9] 웹사이트 https://www.ekasuga.[...]
[10] 웹사이트 https://cend.jp/user[...]
[11] 웹사이트 https://ocw.nagoya-u[...]
[12] 웹사이트 https://www.renesas.[...]
[13] 웹사이트 https://incompliance[...]
[14] 웹사이트 https://www.sumitomo[...]
[15] 웹사이트 https://www.ikeuchi.[...]
[16] 웹사이트 https://www.tij.co.j[...]
[17] 웹사이트 https://www.panduit.[...]
[18] 웹사이트 https://imataka-home[...]
[19] 웹사이트 https://www.motionco[...]


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com