정전기 방전(ESD)은 정전기적 전기 에너지가 물체에서 접지로, 두 물체 사이에서, 또는 물체와 사람 사이에서 갑자기 방출되는 현상입니다. 두 도전체 사이에 서로 다른 정전 전위가 존재하는 한 방전이 발생할 수 있습니다. 다만 본격적으로 살펴보기에 앞서, 정전기의 기본 개념을 간단히 짚고 넘어가겠습니다.

정전기란 무엇인가

기본적인 교과서적 설명에 따르면, 정전기는 물체나 재료 내의 양전하와 음전하 사이의 불균형으로 인해 발생합니다. 이는 일반적으로 한 재료가 다른 재료와 접촉했다가 분리(또는 이동)되면서 발생하며, 그 결과 재료 간에 음전하, 즉 전자가 이동하게 됩니다. 전자를 잃은 재료는 양전하를 띠게 되고, 전자를 얻은 재료는 음전하를 띠게 됩니다. 이러한 불균형은 다른 물체에 영향을 미칠 수 있는 측정 가능한 전기장을 만들어냅니다. 

이동한 전자는 이를 받아들인 물체의 표면에 축적될 수 있지만, 방출 또는 방전되기 전까지는 대체로 그 자리에 정지해 있는 경향이 있습니다. 따라서 우리는 정지 상태에 있는 전하, 다시 말해 “정전기”를 갖게 되는 것입니다.

이러한 정전기 전하의 생성을 마찰전기 대전이라고 합니다. 정전기 전하는 쿨롬 단위로 측정됩니다. 쿨롬(C)은 국제단위계(SI)에서 전하를 나타내는 단위로, 1암페어의 전류가 1초 동안 전달하는 전기량과 같습니다. 그러나 더 일반적으로는 정전기 전하를 측정 대상 재료의 전기장 세기, 즉 표면 전압으로 표현합니다.

마찰전기 대전은 대기 중의 수분 및 그을음 입자는 물론 인체를 포함하여 거의 모든 재료에 어느 정도 영향을 미칠 수 있습니다. 건조한 겨울날 카펫 위를 걸은 후 반려견이나 고양이와 서로 만지기만 해도 당신과 반려동물 모두 이를 함께 경험할 수 있습니다.

ESD의 문제점

앞서 언급했듯이, 정전기 전하는 방출되거나 갑자기 방전될 조건이 갖추어질 때까지 물체 표면에 축적될 수 있습니다. ESD는 정전기 전하가 한 물체에서 다른 물체로 급격히 이동하는 현상입니다. 기본적으로 ESD는 대전된 물체가 갑자기 전기적으로 중성 상태가 될 때 발생합니다. 이렇게 이동하는 전하의 양은 물체를 구성하는 재료의 특성, 물체 간 접촉 면적, 공기의 상대 습도, 물체 분리 속도 등 여러 요인의 영향을 받습니다.

이동하는 전하는 일반적으로 두 도전성 물체가 서로 가까워질 때 그 사이에서 스파크의 형태로 흐릅니다. 이 현상은 수백 년 전부터 알려져 있으며, 제어하지 않으면 심각한 문제로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, 군대에서는 수 세기 동안 놋쇠 화약통과 같은 장치와 재료를 사용하여 현장에서 ESD로 인해 화약이 우발적으로 점화되는 것을 방지해 왔습니다. 

탄약 및 폭발물 제조 외에도, 정전기 전하와 ESD는 제약, 석유화학, 섬유, 도장, 플라스틱, 인쇄 등 다양한 분야의 작업에도 영향을 미칠 수 있습니다. 현대 전자기기의 발전과 지속적인 소형화는 전자 공급망의 모든 단계에서 ESD의 부정적인 영향을 더욱 키웠습니다. 이는 제품 수율, 비용, 품질, 신뢰성, 그리고 궁극적으로는 수익성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 

전자기기에 대한 ESD의 영향

ESD는 다양한 전자 부품에 손상을 입혀 공표된 사양을 충족하지 못하게 하거나 심지어 기기를 완전히 고장 나게 할 수 있습니다. 영향을 받기 쉬운 부품은 단순한 다이오드에서부터 고가의 집적회로(IC)에 이르기까지 다양합니다. ESD 전압은 몇 볼트에서 수 킬로볼트에 이르기까지 다양할 수 있지만, 100V 이하의 방전도 문제를 일으킬 수 있습니다. 작업대에서 비닐봉지를 집어 드는 것만으로도 1,200~20,000볼트가 발생할 수 있다는 점을 생각하면 문제의 심각성을 알 수 있습니다.

IC 소자에서는 ESD 전류로 인해 칩에 구멍이 뚫리거나 접점 및 인터페이스 손상, 소손이 발생할 수 있습니다. ESD로 인한 손상은 IC 내 발열을 증가시키고 보드 상의 인접 부품에 열 손상을 일으킬 수도 있습니다.

소자에 정전기 전하가 축적된다는 것은 그 주위에 정전기장과 역선이 형성된다는 의미이기도 합니다. 이 전기장에 가까이 다가가는 다른 도전성 소자는 유도에 의해 분극될 수 있습니다. 접지된 상태에서 ESD에 민감한 다른 소자가 이 전기장 안으로 들어오면 전하 이동이 발생할 수 있습니다.

민감한 부품에 대한 ESD 손상은 일반적으로 재료나 사람에서 민감한 소자로의 방전, 민감한 소자 자체의 방전, 또는 전기장에 의해 유도된 전하로 인해 발생합니다. 손상 발생 여부는 민감한 소자가 해당 전압을 견딜 수 있는 능력이나 방전 에너지를 소산시킬 수 있는 능력에 따라 결정됩니다. 현재의 ESD 예방 및 완화 솔루션 중 일부는 별도의 글에서 다루고 있습니다.

ESD로 인한 부품 손상 유형

ESD 이벤트로 인해 발생할 수 있는 부품 손상 유형은 다음과 같습니다.

• 파라미터 고장 – ESD 이벤트로 인해 영향을 받은 부품의 명시된 성능 파라미터 중 하나 이상이 변경되지만, 해당 부품이 작동 불능 상태가 되지는 않는 경우입니다.
• 치명적 고장 – ESD 이벤트로 인해 민감한 부품이 완전히 손상되어 작동 불능 상태가 되는 경우 발생합니다.
• 잠재적 손상 – 측정이나 육안 검사로는 감지되지 않는 ESD 부품 손상이지만, 부품에 가해지는 작동 스트레스와 사용 수명 단축으로 인해 결국 소자의 성능 저하와 고장을 일으킬 수 있습니다.

추가 정보

저희와 협력 관계에 있는 CircuitBread는 접지 및 회로 보호를 포함하여 전자 부품 취급에 관한 유용한 정보를 다수 보유하고 있습니다. 해당 콘텐츠는 다음 주소에서 확인하실 수 있습니다: www.circuitbread.com. 또한 이 주제에 대해 CircuitBread가 설명하는 내용도 함께 확인해 보시길 권장합니다: What is Electrostatic Discharge?

또한 본 웹사이트에 게재된 “How to Prevent Electrostatic Discharge” 글을 통해 ESD에 대한 지식을 한 단계 더 넓힐 수 있습니다. 

요약

인간을 포함하여 사실상 모든 재료는 정전기 전하를 축적할 수 있으며, 이 전하가 갑자기 방출되면 물체에 손상을 입힐 수 있습니다. 이러한 전하의 양은 재료의 구성, 접촉 및 분리 속도, 공기 중 습도 및 기타 요인에 의해 결정됩니다. 

ESD는 전자 부품을 포함한 소자에 손상을 입힐 수 있습니다. 이러한 손상은 제조, 테스트, 취급, 운송에서부터 현장의 다른 시스템이나 서비스에 삽입되는 시점에 이르기까지 공급망의 어느 단계에서든 발생할 수 있습니다. 이러한 손상은 손상된 부품 자체의 비용뿐만 아니라, 해당 부품이 속한 보드의 수리 및 재작업 비용까지 발생시킬 수 있어 큰 비용 부담으로 이어질 수 있습니다. ESD에 대한 취약성은 부품 유형에 따라 크게 달라질 수 있습니다. ESD 예방 및 완화 절차와 시스템은 유용하며, 본 웹사이트의 다른 글에서 다루고 있습니다.