클린룸 내 정전기 방지 대책

1. 정전기 발생과 위험성

정전기는 물질 내부 또는 물질 간(분극 및 전도 포함)의 전자 이동으로 인해 발생한다. 두 개의 서로 다른 물질이 접촉하거나 매우 짧은 거리(예: 10–25cm)에 위치하게 되면 양자 터널링 효과에 의해 전자가 계면을 넘어 이동하면서 전자 교환이 일어난다. 평형 상태에 도달하면 물질 사이에 전위차가 형성되고, 계면의 양쪽에 동일한 양의 양전하와 음전하가 생긴다. 접촉 후 물질들이 분리되면 동일한 크기의 반대 극성 전하를 mind게 된다. 이것이 정전기 발생의 기본 원리이다.

정전기는 주로 세 가지 방식으로 발생한다.

• 마찰 충전 : 두 개의 서로 다른 물질이 서로 접촉하거나 마찰할 때, 전자들은 결합 능력이 약한 물질에서 결합 능력이 강한 물질로 이동하여 한 물질은 양전하를, 다른 물질은 음전하를 띠게 된다.

• 전도에 의한 충전 : 도체의 경우, 전자들이 표면 위에서 자유롭게 이동한다. 도체가 대전된 물체와 접촉할 때, 전하가 균형을 이룰 때까지 전자가 이동하여 정전기가 발생한다.

• 유도에 의한 충전 : 도체가 외부 정전기장 내에 놓이면, 동일한 전하 간의 척력과 반대 전하 간의 인력에 의해 전자가 재분배되면서 전하의 불균형이 발생하고 정전기가 유발된다.

정전기 발생의 기본 원리와 방법을 보면 일반 전자 제품의 생산 및 제조 과정에서 많은 단계에서 정전기가 발생할 수 있음을 알 수 있습니다. 전자제품 제조 과정에서 작업자, 작업대, 도구, 부품 및 포장재 등이 모두 충전될 수 있습니다. 정전기가 존재하는 모든 곳에서는 정전기 방전(ESD) 현상이 발생할 수 있으며, 주요 위험성으로는 순간적인 방전 전류로 인해 회로에 잡음이 유발되거나 기준 접지 전위(예: 제품 접지, 신호 접지)에 변동이 생겨 정상적인 회로 작동을 방해할 수 있습니다.

정전기의 위험성은 낙뢰나 전자기 간섭과 비교할 때 다음과 같은 고유한 특성을 가집니다:

• 은폐성 : ESD 현상은 종종 사람에게 무심각하게 느껴지지만, 부품은 인지하지 못한 채 손상될 수 있습니다.

• 지연성과 축적 효과 : 일부 구성 요소는 ESD 노출 후 즉시 고장이 발생하지 않더라도 성능 저하가 발생할 수 있으며, 이후 사용 중에 고장이 발생할 수 있습니다.

• 무작위성 : ESD 손상은 제조, 생산, 유지보수 단계에서 발생할 수 있으며, 어떤 충전된 물체와의 접촉 시에도 발생할 수 있어 매우 예측 불가능합니다.

• 복잡성 : ESD 손상은 다른 유형의 고장으로 오인되기 쉬워 잘못된 진단으로 이어질 수 있습니다.

전자 제품 조립의 경우 정전기는 제품 품질, 수율 및 신뢰성에 심각한 영향을 미칩니다. 생산 과정에서 ESD 위험을 최소화하기 위해 클린룸에서는 체계적인 방전 조치를 시행해야 합니다.

2. 정전기 보호

효과적인 정전기 보호는 일반적으로 다음 세 가지 기본 원칙을 따릅니다:

1. 정전하의 축적을 줄이거나 방지합니다.

2. 안전한 정전기 방전 경로를 설정합니다.

3. 필요하고 효과적인 정전기 모니터링 시스템을 구현합니다.

2.1 접지 시스템

강력한 접지 시스템은 전하 축적을 방지하고 안전한 방전 경로를 제공하는 데 필수적입니다. 정전기 접지는 정전기가 발생할 수 있는 물체(절연체가 아닌 물체)를 도체를 통해 대지에 연결하여 접지와 동일한 전위를 유지하도록 하는 것을 포함합니다. 이는 전하 이동 및 누설을 가속화하여 정전기를 효과적으로 방출해 축적을 방지합니다.

2.2 환경 제어

정전기의 발생과 크기는 환경의 습도와 공기 이온 농도와 밀접한 관련이 있습니다. 정전기 전위는 습도에 반비례합니다. 클린룸과 같은 초청정 환경에서는 이온 농도가 낮아 정전기가 더 쉽게 발생합니다.

동일한 동작이 서로 다른 습도 조건에서 정전압이 최대 10배까지 차이날 수 있습니다. 그러나 과도하게 습도가 높은 것도 장비에 결로가 발생할 수 있으므로 바람직하지 않습니다. 습도는 30%~75%와 같은 적절한 범위 내에서 유지되어야 합니다.

3. 정전기 모니터링

높은 습도는 정전기를 인간이 느낄 수 없는 수준까지 낮출 수 있지만, 민감한 부품에는 여전히 손해를 줄 수 있습니다. 올바른 이해는 높은 습도가 정전기 발생을 억제하고 낮은 습도가 발생을 증폭시킨다는 점입니다. 정밀한 정전기 관리가 요구되는 제품의 경우 기존의 보호 조치를 넘어서 정전기 발생을 모니터링하고 기록하는 것이 필수적입니다. 실용적인 해결책으로는 항정전기 출입 통제 시스템과 실시간 온라인 정전기 모니터링 시스템이 있습니다.

3.1 항정전기 출입 통제 시스템

정전기를 발생원에서 제어하기 위해 중요 구역에는 항정전기 출입 통제 시스템을 도입합니다. 이러한 시스템은 정전기 통제 구역에 진입하는 인원이 적절한 항정전기 조치 또는 장비를 갖추고 있는지 확인합니다. 기능 모듈에는 다음이 포함됩니다.

• 신분 및 권한 확인

• 항정전기 손목 밴드 및 신발 검사

• 레벨 제어 패널

효과를 높이기 위해 청정도가 높은 환경에서는 출입 통제 시스템을 에어샤워 시스템과 통합할 수 있습니다. 출입 신호를 에어샤워 도어 제어 시스템에 통합함으로써 인원이 작업 구역에 진입하는 순간부터 항정전기 장비의 유효성을 보장할 수 있습니다.

3.2 실시간 온라인 정전기 모니터링 시스템

일반 전자제조 공정에서 정전기 측정기는 작업자의 항정전기 스트랩을 점검하는 데 흔히 사용된다. ISO 9001 규정을 준수하기 위해 기록은 보통 양식에 수기로 표기하는 경우가 많다. 그러나 항정전기 스트랩이 작동 중 고장이 나거나 접지 시스템의 일부가 단락되거나 연결이 끊어진 경우 즉시 고장을 감지하기가 어렵다.

이러한 문제를 해결하기 위해 일부 전자제조업체는 접지 시스템에 실시간 온라인 모니터링 모듈을 통합하고 있다. 접지 회로의 무결성을 활용하여 시스템은 회로의 일부가 개방되었거나 저항이 과도하게 높은 경우(예: >10 Ω) 빨간 불을 켜서 경고 신호를 보내고, 선택적으로 부저음을 울린다. 이러한 시스템을 통해 실시간 모니터링이 가능해지며 번거롭고 형식적인 종이 기록의 필요성이 사라지게 된다.