1.1 연구의 필요성

PCB, MLCC, 휴대폰 카메라 렌즈 등의 전자부품제조공정에서 약품 처리 설비는 다점롤(Multi-point roller conveyor) 타입의 라인(Line) 설비가 많은 부분을 차지한다. 다점롤 Shaft가 회전을 통해 제품이 이동하면서 접촉마찰로 인한 대전 현상이 발생된다. 즉, 액상단위공정으로 구성되어 있는 Wet 라인 설비에서는 Air 배기, Air cutting, Air drying 같은 처리과정에서 대전현상이 주로 발생되는 단위공정이다.

수평으로 제품을 이동시키며 약품처리하는 공정 설비는 일반적으로 다점롤로 구성된다. 투입단와 수취단에서 Air cutting이라는 단위공정(Unit process) 처리가 있어 공기마찰에 의한 하전(charged)이 잘 될 수 있는 환경이다. 특히 약품처리 후 건조하기 위한 Air drying은 분위기 온도 60℃ 정도의 열풍으로 단시간에 건조시키므로 대전 현상이 발생한다. 어느 순간 정전기 방전으로 전자소자 적용을 통한 설비 자동화로 진전된 제조공정설비의 오부동작(순간정지), 정전기 의한 분진 흡착에 의한 수율 저하, 정전기 방전에 의한 작업자 인체감전(불쾌감)과 방전에 의한 낙상과 같은 2차적 재해 발생이 잠재하고 있다^[1]. 특히 제조공정설비의 오부동작은 제조공정의 생산량(Capa.) 잠식의 주요 원인 중 하나이므로 현업 이슈라 할 수 있다.

1.2 연구의 목적 및 방법

일반적으로 PCB, MLCC, 휴대폰 카메라 모듈 등의 전자 부품제조 현장에서 약품처리 공정설비의 다점롤 타입의 Pilot wet라인설비에서 발생되는 대전현상을 설비의 단위공정별로 나눠어 즉, 투입부, 중간 Air cut 및 Hot air dry 후 대전 전위를 측정분석하였다. 설비의 Multi roller의 구동에 의한 마찰접촉 대전 수준을 먼저 분석하고 PCB 원자재인 CCL 제품을 설비에 투입시켜 각 단위 공정에서 발생되는 하전되는 수준을 측정분석하였다.

부도체의 정전기 방지대책으로 유효한 방식은 여러가지가 있으나 실질적으로 제품 또는 설비의 국부적 정전기 발생되는 곳의 제전방법은 Ionizer를 통한 공간 제전인 비접촉 방식을 주로 사용한다. 현업에서 주로 사용되는 비접촉식 제전기인 Ionizer의 제전 저감 효과 수준 정도를 검증하고자 한다.

2.1 정전기의 특이성

B.C. 550년경 고대 그리스 철학자 텔레스(Thales)가 호박석과 모피 마찰로 인한 정전기(Static electricity) 현상을 발견하였다.

정전기 발생은 우리 주변환경에 쉽게 발생되는 물리 전화현상이다. 건조한 날 카페트를 걸으면 인체에 30kV의 전압이 걸린다^[2]. 한국전기설비규정(Korea Electro-technical Code, KEC)의 전압범위에 따르면 특고압에 해당된다. 그러나 전하의 이동이 없는, 즉 전하의 흐름이 없는 전기현상으로 30kV의 특고압선과 큰 차이가 있다. 정전기는 하전물체의 전하량만으로 그 크기를 결정한다.

정전기의 의미는 "서로 다른 전위의 두 물체 사이에서 직접적인 접촉이나 전자기장에 의한 유도로써 정전하가 교환되는 현상"이라고 미국 국방성 규격에서 정의하고 있다^[2]. 정전기는 공간의 모든 장소에서 전하의 이동이 거의 없는 전기로, 전하의 공간적 이동이 거의 없어 자계효과가 전계효과 비해 무시할 수 있을 만큼 작은 전기라고 할 수 있다. 식 (1)과 같이 시간변화에 따른 전하량의 변화가 거의 없는 즉, 0 상태를 표현한 것이다.

정전기는 재현성이 부족하고 방전(Corona) 현상, 상호 특성에 의한 물질의 대전서열, 정전기 발생 유지 시간성(수~수십 μs)이 있다^[3]. 정전기는 단극성 전하가 존재하는 것으로 고려하여 단순구조로, 즉 평행평면 캐패시터의 전하와 전위차의 관계로 단순한 구조로 표현하면 식 (2)와 같다.

여기서,

Q : 분리된 전하(C)

C : 정전용량(F)

V : 전압(V)

d : 전극 간 거리(m)

S : 전극 단면적(m²)

ε0 : 유전율(Permittivity, 8.85×10-12 F/m)

만약 Q와 S가 일정하다고 가정하면 전위차는 거리(d)에 비례한다. 즉, 한 개의 전극을 변화시키는 기계역학적 일에 의한 전위차가 변화시킬 수 있다. 즉, 양(+), 음(-)의 전하를 띤 두 개 물체를 빠른 속도로 강제 이격시키면 그 사이의 전위차가 크게 된다.

2.2 마찰 대전 현상

마찰 대전 현상은 2500년전에 발견되었음에도 불구하고 접촉이라는 순간적 상호 작용현상을 다루기 때문에 마찰접촉에 따른 하전현상의 메커니즘 규명과 해석에 어려움이 있다. 정전기 현상은 마찰, 박리, 유동, 분출, 충돌 등의 접촉현상에서 발생되며, 특히 일반적으로 습도가 낮은 건조할 때 정전기가 잘 발생된다.

물체가 접촉, 분리 과정을 거쳐 전하의 이동이 일어나 전기적 이중층이 형성된다. 물체가 분리에 의한 각 물체에 다른 극성의 전하가 발생된다. 일반적으로 접촉, 분리 과정에서 모든 물체에 하전되어 정전기가 발생한다. 하전은 접촉, 분리 속도 및 압력, 분리하는 물체 상호간 특성, 즉 대전서열에 의한 대전량이 결정된다. 일반적으로 마찰 전기를 발생시키는 원인을 물질 간 일함수의 차이로 설명할 수 있다. 같은 물질끼리 마찰을 시키면 정전기가 발생되는데 이는 일함수 차이에 의한 것으로 설명하기 어렵다^[4].

여러 연구를 통해 마찰 대전 원인에는 일함수(Work function) 외에 여러 원인이 있다고 밝혀졌는데, 그 중 주요한 것이 물체 마찰에 의한 압력과 열이다. 물체에 열이나 압력이 가해지면 물체의 결정구조모형이 변형됨에 따라 분극 현상이 일어난다. 마찰과 동반된 압력, 열이 분극을 일으키게 되어 결국 대전이 가능하게 된다고 볼 수 있다^[5]. 물체 마찰 시 상대 운동에너지가 물체 접촉계면에 마찰열 분산소실에 의해 대전되며, 이는 물질의 제백효과(Seeback, S), 열전도(K), 비열(C), 비중(ρ)에 의해 결정된다는 최근 연구 결과보고가 있다^[5].

Lowell과 Rose Innes는 하전 메커니즘을 전자전달, 이온전달, 전하 운반하는 물질 전달의 3가지 방식으로 설명하였다^[4]. 물질 간 접촉 하전 시 전자이동이 마찰 대전의 주된 메커니즘이나 전자전달, 이온전달, 물질전달의 3가지 방식이 복합적으로 작용함으로써 물질간 마찰대전이 발생되는 것으로 보고되고 있다^{[4, 5]}. 마찰대전 현상은 물질 간 접촉 방식 따라 1)금속과 금속 접촉, 2)금속과 절연물질 간 접촉, 3)절연물질 간 접촉되는 경우로 나눠 전하전달 방식을 설명할 수 있다^[4].

연구문헌의 실험적 확인된 전하이동은 그들의 접촉전위에 비례한다^{[4, 5]}. 금속의 접촉전하는 접촉 전위차(Contact potential difference)와 유효 정전용량에 비례하는 결과값이며, 접촉분리 후 전하량은 식 (3)과 같다.

여기서,

Q : 분리된 전하량(C)

C : 정전용량(F)

V : 전압(V)

금속물질과 같이 일함수 값이 잘 알려진 경우 마찰 하전 극성과 하전량을 비교하여 대전열(Triboelectric series)을 정립할 수 있다. 그러나, 플라스틱과 같은 고분자 물질은 구성 조합 물질에 따라 일함수 값을 금속물질과 같이 정의하기 어려울 것이다. 금속 물질이 절연물질과 접촉할 경우 전자들은 일함수 값의 차에 의해 두 물질의 페르미 준위(Fermi level)가 같아지는 방향으로 이동한다. 이 때 절연물질과 금속이 다시 분리되면 전자의 과부족 현상이 발생하여 양(+) 또는 음(-)으로 대전하게 된다. 하전량의 크기는 접촉하는 동안 전자의 이동과 물질 간 분리에서의 전자 역흐름 이동의 결과로 결정된다고 이해할 수 있다. 전자부품제조공정의 Wet line설비에 많이 사용되는 금속과 고분자 물질의 일함수 값은 Michaelson과 Inculet의 금속 하전물질 연구결과로부터 알 수 있다^[6].

3.1 접지와 본딩

접지는 도체(Grounding conductor)를 이용하여 대지와 연결하여 전류가 기준 전위인 지구로 흐르게 하는 것으로 기준 전위인 지구와 전위차를 같게 하여 기기와 인체를 보호하기 위한 것이다. 임의의 전하량을 가지고 있는 상태에서 dQ만큼의 전하량이 유입하거나 유출되면 그 물체의 전위는 식 (4)과 식 (5)에서부터 식 (6)과 같이 전위 변동됨을 표현할 수 있다.

정전용량이 매우 크다는 것은 접지 전류의 유입에 따른 전위변동이 극히 작다는 것을 의미하므로 대지에 접지를 하는 이유가 위 식으로 설명된다. 즉, 전하변동이 있을 때 정전용량이 충분히 크다면 전위변동은 거의 없는 일정수준으로 고려되기 때문이다. 주변 환경에서 대지(지구)가 큰 정전용량(약 710μF)을 가지고 있어 대지에 접속을 하는 것이다.

접지의 정의는 전기설비에서 위험한 전압을 방지하기 위해 저임피던스 경로의 도체로 전기설비와 연결하는 것이다. 접지 용어는 유럽 국가의 기준인 IEC 등에서 ’Earthing’라 명명하고 ‘Grounding’용어는 북미권 표준(North American standard : NEC, IEEE, ANSI, UL)에서 사용된다.

본딩(Bonding)은 두 도체 사이의 전위차를 줄이기 위해 도체로 단순히 상호 접속하는 것이다. 본딩 자체로는 전기적 보호가 되지 않는다. 현업에서 사용되는 접지 용어로 Earthing(Grounding), Bonding이 혼용되고 있는데 전기설비와 접촉에 의한 감전보호, 설비 간 등전위 형성 및 정전기 방전의 현장 실무에서 실시하는 접지는 보호 접지와 등전위 본딩에 해당된다. 국제전기기술위원회(IEC : International electrotechnical commission) 표준을 근간으로 국외 다수 규정을 참고하여 부합화한 한국전기설비규정(KEC)에서는 접지(Earthing), 보호 접지(Protective earthing)와 등전위본딩(Protective equipotential bonding)으로 구분하고 있다.

3.2 전하의 중화(제전)

제전은 대전 물체의 정전기를 완전히 제거하는 것이나 실질적으로 정전기의 장해 또는 재해가 발생하지 않을 정도로 대전전위를 0V 가깝게 하는 것이다. 제전설비의 종류는 공기를 이온화시키는 발생장치에 따라 구분된다. 자가방전식, 전압인가식(AC, pulse AC, pulse DC, DC전압 인가 및 Ion blowing)으로 세분되고, 방사선식으로 UV, Soft X-ray가 있다^[1,7-9]. 각 제전기 방식별 특징을 비교정리 하면 Table 1과 같다.

전자부품 제조공정 설비에서 정전기 저감을 위해 비접촉식 방식인 전압인가식 Air blowing 방식을 일반적으로 적용하고 있다. 이물관리가 필요한 경우 방전침에 의한 백화현상, Fan filter 오염 등 유지관리 어려움으로 수율영향을 주는 이물관리 공정에서는 이오나이저를 적용이 어렵다. 이런 적용제한을 해결하기 위한 적극침의 오염 관리가능한 Air blowing방식도 제안되고 있다^[10].

3.3 가습

상대습도가 높아질수록 정전기 대전 전위는 감소되며 이는 Table 2에서 확인할 수 있다. 특정 재료(실리콘과 고무합성)에 대한 정전기 대전 특성을 상대습도와 온도 영향실험 결과에서 볼 수 있듯이 정전기 대전 전압은 일정온도에서 습도가 증가할수록 대전전압은 감소하고 일정 습도 하에서 온도가 높아질수록 대전 전압이 상승한다^[6].

습도가 높은 날씨에는 공기 중 수분이 많으며 극성분자인 물이 공기 중 부유하다 대전된 물질에 접촉하게 되면 대전된 전하가 음(-)이면 양(+) 전하를 띠 물분자의 수소가 끌려가 대전된 물질의 알짜 전하는 감소하게 된다^[1]. 습한 날씨에 정전기가 건조한 날씨 때보다 정전기가 잘 발생하지 않는다. 습도는 물체의 표면 도전율을 증가시키므로 습도를 일정수준, 즉 통상 40~60% 수준으로 주위환경을 제어하여 정전기의 축적을 방지한다. 가습의 방법은 클린룸 환경에서 적용되기에는 한계가 있다. 친수성 플라스틱과 같은 절연체에서는 대전방지 효과가 작은 것으로 알려져 있다.

4.1 실험 구성

PCB, MLCC, 휴대폰 카메라 렌즈 등의 전자부품제조 약품처리 공정설비의 다점롤 형태의 설비가 많이 차지한다. 화학약품 변경점 Feasibility test 위해 사용되는 Fig. 1과 같이 다점롤 Pilot 설비를 실험장치로 사용하였다.

Fig. 1. Multi-point roller conveyor wet pilot machine

본 연구 실험에서는 제조설비 공정 이동 중 정전기 하전량을 측정하기 위한 계측기기로 비접촉식 정전압계인 표면전위계(IZH-A-10)를 이용하여 표면 전하의 전압를 측정하였다. 표면전위 계측기의 사양은 Table 3과 같다.전위 기준점을 대지와 직접적으로 짧게 연결할 수 없어실험실 분전반 주접지바를 표면전위 계측기에 접속하고 계측 유효거리 내에서 반복적 측정하였다.

정전기 제전(중화)하기 위한 Ionizer는 Table 4와 같은 사양의 IZS40(S 사)을 사용하였다. AC Pulse 코로나 방전 이온발생 방식으로 이온 밸런스(Ion balance) ±30 V이다^[7].

또한 일반적으로 반도체 Packaging PCB 양산에 사용되는 원자재(CCL : Copper Clad Laminate)를 실험에 사용하였고 제품별 사양은 Table 5와 같다. 화학약품 공정처리가 완료되는 단위공정에서의 원자재 제품에 하전를 측정확인하였다.

4.2 실험 방법

공정설비에서 마찰 접촉으로 인해 정전기가 발생되는 투입단(Loader), 중간 에어컷(Air cut unit), 열건조(Hot air drying), 수취단(Unloader)에 마찰 대전 수준을 측정하였다. 실제품 생산에 사용되는 원자재(Copper clad laminate, CCL)를 실험 Pilot설비에서 공정처리할 때 각 설비 세부단(Unit)에서 하전량을 측정하고 Non blowing type ionizer 적용할 경우 제전효과 수준을 확인 분석 하였다. 공정처리 시 설비 내 마찰정전기 발생예상 측정 위치는 Fig. 2와 같다. 또한 제품 투입구에서 Roller shaft가 구동되면서 마찰되는 수준을 측정하기 위해서 Shaft 축의 Roller에 대한 하전 전위를 측정하였다. 제품 원자재의 하전전위를 측정 정확도를 측정 방법에 대한 자료의 측정방법을 참고하였다^{[11, 12]}.

Fig. 2. Electrostatic measurement positions of the wet pilot machine

4.3 실험 결과

제품 투입단 Roller의 마찰 대전으로 인한 정전기 전위를 측정한 결과 Fig. 3와 같이 첫번째 Roller 평균 -0.09kV 대전 측정되었고, 두번째 이후로는 평균 0.09kV로 측정되어 전하 극성이 (-)에서 (+)로 바뀌는 현상을 관찰하였다. 이는 투입구 가까이 강제 흡기에 의한 공기 유동이 더 크게 작용한 것으로 판단된다.

Fig. 3. Electrostatic measurment data of rollers on a loading position

Pilot wet 설비를 약품처리 적정온도 및 Hot air unit 분위기 온도가 공정조건에 만족될 때까지 가동시킨 후 제품 투입단과 수취단의 마찰 대전 전위를 측정한 결과 Fig. 4에서 측정된 결과를 확인할 수 있듯이 투입부에서는 평균 0.04kV로 측정되었고 Hot air drying 후 전위는 평균 0.47kV까지 상승되었다.

Fig. 4. Electrostaic potential data at the loadinn and unloading

실제품의 원자재 CCL를 투입하여 공정처리 구간별 마찰과 열에 의한 마찰 대전 전위를 측정하여 Fig. 5와 같이 분석하였다. 다른 두 제조사의 절연체 차이와 상관없이 비슷하게 마찰 대전 전위가 상승됨을 확인하였다. D 제품은 투입부에서 평균 0.14kV에서 Air cutting 후 0.37kV, Hot air drying 후 0.55kV까지 상승하였다. M 제품은 투입부에서 평균 0.20kV에서 Air cutting 후 0.41kV, Hot air drying 후 0.41kV까지 상승하였다.

Fig. 5. Electrostatic potential data of the products on uint process

이오나이저를 마찰대전 전위가 가장 크게 관찰되는 수취부 Hot air drying 후 설치하여 제전효과를 측정분석하였다. D 사 제품의 정전기 저감 수준은 Fig. 6과 같다.이오나이저에 의한 정전기 전위 저감은 투입단과 비슷한 0.1kV까지 저감되었다.

Fig. 6. Electrostatic control of the Ionizer on the D maker product

또한, 양산 제품 원자재로 많이 사용되는 M 사 CCL의 마찰대전 전위는 0.2kV에서 0.07kV로 저감되는 결과를 확인하였다.

Fig. 7. Electrostatic control of the Ionizer on the M maker product