정전기의 측정
정전기 대책을 강구하기 위해서는 우선 정전기의 유무를 파악해야 합니다. 정전기를 「발견하는」 것이 시작입니다. 그러나 난감하게도 정전기 자체는 눈에 보이지 않습니다.
시트가 달라붙거나 먼지가 붙어 있는 등 눈에 보이는 트러블이 발생한 장소라면 그곳에 정전기가 있다고 짐작할 수 있습니다. 또한 전용 측정기를 이용하면 눈에 보이는 트러블이 일어나지 않은 장소의 정전기도 발견할 수 있습니다. 측정기를 사용하면 조사하려는 장소의 정전기 양을 알 수 있습니다.
우선 측정기에 대해 소개하겠습니다.
정전기 측정기란
정전기를 조사할 때는 정전기 측정기라는 전용 측정기를 사용합니다. 정전기 측정기를 측정을 원하는 물체로 향하기만 하면 정전기의 양을 간단하게 측정할 수 있습니다.
- A: 센서부를 대상 물체로 향하기만 하면 측정합니다.
측정기의 종류
정전기를 측정하는 기기는 정식으로 「표면 전위 센서」 또는 「정전 전위 측정기」라고 합니다.
아래의 그림은 그 예시 중 하나입니다. 왼쪽은 기판의 정전기를 측정하는 예시입니다. 측정기를 기판으로 향하기만 하면 정전기의 양을 측정할 수 있습니다.
제조 현장에서 정전기를 측정할 때는 제조 라인의 여러 장소를 측정하려는 경우나, 특정 장소를 계속해서 측정·기록하려는 경우 등 다양한 니즈가 있습니다. 정전기 측정기에도 각각의 용도에 맞는 다양한 타입이 있으므로 목적 및 조건에 따른 측정기 선정이 중요합니다.
- 휴대형 정전기 측정기
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손에 들고 어디서나 측정 가능
- 라인 설치형 정전기 측정기
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라인에 고정하고 측정
정전기의 크기·단위
정전기의 크기를 평가하는 “척도”는 무엇일까요. 그것은 「전압」입니다. 정전기의 크기는 전압의 크기로 나타냅니다.
정전기 측정기를 사용해 어떤 물체를 측정한다고 가정합시다. 제품 A는 100 V였습니다. 제품 B는 500 V였습니다. 이 경우 전압이 높은 제품 B가 정전기의 양이 더 많으므로 대전량이 많은 것입니다. 전압이 크면 대전이 크고, 전압이 작으면 대전이 작다고 판단할 수 있습니다.
- A: 측정기에는 이처럼 전압이 표시되어 정전기의 크기를 알려줍니다.
표면 전위계를 사용하는 경우의 주의점
사용상의 노하우와 측정 환경에 관한 주의점의 두 가지가 있습니다.
- 측정상의 주의점
- 초기 조정 시와 측정 시 사이에 측정 거리나 피측정 대상의 크기가 달라질 경우, 올바른 측정값을 얻을 수 없습니다.
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- 거리 의존성
피측정 대상까지의 거리에 따라 측정기에 도달하는 전기력선의 개수가 달라집니다. 그러므로 거리가 조정 시의 기준 거리보다 멀면 측정값이 작아지고, 가까우면 커집니다. - 피측정 대상의 크기 의존성
피측정 대상이 무한정 큰 것으로 환산하는 측정기가 많습니다. 측정 센서의 검출 범위 대비 피측정 대상 물체에 충분한 크기가 있으면 올바른 측정값이 나타나지만, 작으면 측정값이 작은 값으로 표시됩니다. (그림 5)
그림 5 피측정 대상 물체의 크기 의존성 - 거리 의존성
- 측정 환경에 관한 주의점
- 표면 전위를 측정할 때 주의해야 할 점은 금속판에 부착된 필름이나, 필름을 사이에 둔 금속판을 측정하는 경우입니다. 이러한 경우 대전되어도 전위가 0 V에 가까운 값을 나타냅니다. 그림 6은 수지 필름이 사이에 있는 금속판의 예시입니다. 금속판은 대전되어 있지만 접지한 금속 측으로 유도 전하가 나타나, 바깥에서는 이로 인해 상쇄되어 대전되지 않은 것처럼 보입니다. 따라서 피측정 대상이 접지된 금속에 달라붙어 있는 경우는 주의가 필요합니다.
그림 6 수지 필름이 사이에 있는 금속판의 예
거리 의존성이 낮은 계측 방법
전압 피드백형 표면 전위계
표면 전위계는 전위가 아닌 전계 강도를 검출하므로 거리 의존성이 있습니다. 전압 피드백형 표면 전위계는 표면 전위계와 같은 표면 전위 센서에 전위를 부여하고 센서의 출력이 0, 즉 표면 전위 센서가 검출하는 전계 강도가 0이 되도록 고전압 전원의 출력 전압을 조절합니다. 표면 전위 센서가 검출하는 전계 강도가 0이 되는 것은 피측정 대상의 전압과 센서의 전압이 일치할 때입니다. 즉, 고전압 전원의 출력 전압이 피측정 대상의 전압에 해당합니다. 그림 8은 전압 피드백형 표면 전위계의 구성 예입니다.
전압 피드백형 표면 전위계는 거리 의존성이 낮다는 장점이 있지만 측정할 수 있는 전압 범위가 고전압 전원을 출력할 수 있는 전압 범위로 제한됩니다.
그러나 고전압 전원의 출력 전압을 제어하여 그 출력 전압과 표면 전위계의 출력값으로 피측정 대상의 표면 전위를 측정하는 타입도 있습니다. 이 타입으로 측정할 수 있는 전압 범위는 고전압 전원의 출력 전압 범위로 제한되지 않아, 더욱 넓은 전압 범위를 측정할 수 있습니다.
기타 측정 방법
정전기 측정 방법은 앞서 소개한 표면 전위 측정기를 사용하는 방법 외에도 다음 세 가지 방법이 있습니다.
- 금속박 검전기
- 쿨롱미터(전류 적분법)
- 패러데이 상자법
1. 금속박 검전기
대전물에 접근시켜 대전 여부를 조사할 수 있습니다.
그림 1은 금속박 검전기의 개요를 나타냅니다. 상부에 금속 전극이 있고, 그것과 연결된 금속봉이 유리병 내부에 들어 있습니다. 그리고 금속봉 선단에는 금속박이 입혀져 있습니다.
금속 전극에 대전물을 접근시키면 정전 유도에 따라 전극에 대전물과 반대 극성의 전하가 유도됩니다. 금속박 측에는 대전물과 같은 극성의 전하가 나타납니다. 금속박 사이의 전하는 같은 극성이므로 전하끼리 작용하는 힘(쿨롱의 힘)에 따라 반발하여 금속박이 벌어집니다. 대전물의 대전이 강할수록 금속박이 크게 벌어집니다. 대전물이 멀어지면 전하 유도가 없어지므로 금속박이 닫힙니다. 전원이 필요 없어 쉽게 사용할 수 있습니다. 그러나 중력 방향의 영향을 받고, 대전 극성을 검전기 단품으로는 알 수 없으며, 대전의 강도를 수치화할 수 없다는 등의 이유로 생산 현장에서는 많이 사용되지 않습니다.
2. 쿨롱미터(전류 적분법)
쿨롱미터는 프로브를 대전물에 접촉시켜 전하량을 측정합니다. 테스터와 비슷합니다. 단, 평범한 테스터로는 측정하지 못하는 매우 미세한 전류(전하)를 측정할 수 있습니다. 그림 2는 쿨롱미터의 개요를 나타냅니다. 쿨롱미터로 전하량을 측정하는 경우, 대전물이 도체처럼 전하가 이동할 수 있는 물질이어야 합니다. 또한 대전물은 측정하면 전하가 소실되므로 샘플 하나에 한 번만 측정할 수 있습니다. 이러한 이유 때문에 많이 사용되지 않습니다. 표면 전위계로는 측정하기 어려운 작은 디바이스의 대전량을 측정할 때 사용합니다.
대전물의 전하를 측정용 콘덴서 Cm으로
이동시켜 Vm을 측정한다.
3. 패러데이 상자법
쿨롱미터처럼 대전된 전하량을 측정합니다. 측정 시 전하가 소실되지 않게 전하량을 측정할 수 있습니다.
패러데이 상자법은 이름 그대로 패러데이 상자라는 용기를 사용해 전하량을 측정하는 방법입니다.
그림 3은 패러데이 상자법의 원리도를 나타냅니다. 완전하게 절연된 내부 전극과 접지된 외부 전극이 있습니다. 내부 전극 안에 대전물을 넣으면 대전물의 대전 크기에 따라 내부 전극으로 전하가 유도됩니다. 외부 전극은 접지되어 있습니다. 내부 전극과 외부 전극의 전위차 Vm을 측정하여 대전물의 전하량을 구합니다.
패러데이 상자법은 대전된 전하를 정확하게 측정할 수 있지만 상자 안에 들어가는 물체가 아니면 측정하지 못합니다. 그래서 제조 현장에서는 간편하게 측정할 수 있는 표면 전위계를 이용하는 경우가 많습니다.
