홈   >   Special Report 이 기사의 입력시간 : 2012-07-31 (화) 12:36:00
생산현장의 요구사항 및 신규 재질들 소개
정전기 제어 재질들의 기술동향
2012-08  자료출처 : 3M
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재료 사양을 설정하는 프로세스 동안, 청결 문제는 주의 깊게, 심사숙고하여 타당할만한 고려사항으로 요구되고 있다. 모든 제품들에 대한 대부분의 정전기 제어 속성이 청결 확산을 제공할 것임을 이해해야만 한다. 정전기 분산 혹은 정전기 전도 범위 내에서 정전기 제어 특성을 유지하면서 일부 새로운 재료들은 낮은 오염수준을 요구한다.

정전기를 제어할 목적으로 설계된 프로그램 내에서 사용되는 재료는 지난 10년 동안 근본적인 특성이 많이 변하지 않았다. 표준지침서는 지난 10년 이상 세밀한 정전기 제어 프로그램의 발전에 도움을 주면서 발전되어 왔다. 반면, 물리적 특징과 관련된 non-ESD 용도의 특성은 산업계 요구에 따라 동일한 기간 동안 꾸준하게 변해왔다. 본고에서는 정전기 제어 프로그램 내에서 사용되는 재질의 요구사항들을 되짚어 볼 것이다. 뿐만 아니라 유용하게 적용할 수도 있는 새로운 재질에 관해 약간의 일반적인 정보도 제공할 것이다.

표준과 스펙                  

요즘, 정전기 제어 재질 사용자들은 선택 기준을 산업게 표준에 두고 있다. 정전기 제어 재질 공급업체들도 또한 테스트 방법, 성능 특성 및 재료 사양에 관해 더 적은 논쟁을 유발한다는 점에서 이러한 표준으로부터 혜택을 받고 있다. 1990년 대에는 광범위하게 수용될 수 있는 ESD 관련한 취급 활용 보고서가 없었다. 10여년의 평가를 거쳐 다양한 그룹이 현재 수용할 수 있는 취급 활용서를 준비했었다. 여러 해 동안 산업계에 영향을 끼칠 수 있기 때문에 독자들이 익숙해져야할 3가지 보고서를 꼽아 본다. 이들 보고서는 다음과 같다.

1. JESD 625A (update of EIA 625 - see www.jedec.org)
2. IEC TR 61340-5-1 (will replace EN 100015)
3. ANSI/ESD S 20.20 (commercial version of Mil STD 1686  - see www.esda.org)

이들 각각의 취급 활용서에는, 거의 모든 예상할 수 있는 정전기 제어 제품 혹은 재질들의 표들을 포함하고 있으며, 적용 애플리케이션에 대응하는 성능의 범위를 제안하고 있다. 정전기 제어 제품들과 재질들의 스펙에는 정전기 제어 특성을 알려주는 전기적 특성 혹은 물리적 성격을 내포하고 있다. 정전기 제어 재질 유형은 다음과 같다:

1. 정전기 방진
2. 정전기 전도성
3. 정전기 차폐
4. 정전기 방전 차폐
5. 저대전성(일반적으로 ‘정전기 방지’라고 알려짐).

앞에서 언급한 재질들에 대한 정의(전기적 혹은 물리적 특징에 의한)는 애플리케이션에 따라 다르다고 할 수 있다. 예를 들어, 정전기 방진 바닥 재질은 정전기 방진 패키징 재질과는 또 다른 저항 범위를 가지고 있다. 또한 테스트 방법은 애플리케이션별로 매우 다양하다. 정전기 제어 재질을 규정하기 위해서는 서로 다른 특성을 알아야만 하고, 원하는 애플리케이션뿐만 아니라 취급 활용 스펙을 충족시킬 수 있도록 잠재된 제품들 및 재질들의 평가 테스트 방법도 알고 있어야만 한다. ESD 제어 프로그램 플랜을 참조하면 된다. 
‘정전기 방지(Antistatic)’라는 단어를 대체하는 새로운 용어로 ‘저-대전성’을 나열할 수 있다. ‘정전기 방지(Antistatic)’ 용어가 남용되고 오용되기 때문에 이 용어의 변화는 취급 활용서의 많은 부분을 차지하고 있다. 정전기 방지(Antistatic) 항목 제거에 관한 본질적인 논의가 IEC 내에서 발생했다. IEC Technical Committee 101- 기술위원회 내의 모든 회원국들은 ‘저-대전성’ 용어에 동의했다. 새로운 용어는 상호작용하는 표면을 설계할 때 나타날 수 있는 물리적 특성을 좀 더 정확하게 반영한다. 다른 말로, 이 상호작용은 접합 및 분리가 일어나는 표면 사이에서 낮은 정전기 대전 발생이라는 결과를 초래할 수 있다. 물론 그것은 이전 패키징 재질 표준이었던 EIA 541과 같은 예전의 US 스탠더드에서 말하는 정확한 정전기 방지(Antistatic) 정의이다. 불행하게도 정전기 방지(Antistatic)는, 의미를 규정하는 사람들과 공급자 사이에 큰 혼동을 초래하는 정전기 제어 재질들/제품들의 전체 범주를 설명하기 위해 일반적인 의미로 자주 사용되어 왔다. 표 1에서는 현재 수용되고 있는 정전기 제어 재질 타입들, 정의들 및 테스트 방법을 나열하고 있다.

테스트 방법들              

10여년이 지나는 동안 표준발전 그룹, 특히 ESD 협회 내에서는 정전기 제어 재질들 및 제품들의 테스트 방법들을 새롭게 정립하거나 혹은 재정의하기 위해 중대한 작업을 진행하여 왔다. 1990년대, 정전기 방진 재질들의 표면저항률(surface resistivity) 측정을 위한 ASTM D 257 적용과 관련해 논란이 존재했었다. 요즘, ANSI/ESD S 11.11은 이 목적으로 널리 사용되고 있다. 비록 ohms/sq.에 비해 ohms이 간편하게 표현되는 결과를 초래함에도 불구하고 이용되고 있다. IEC 61340-4-1와 같은 국제 표준 또한 S 11.11.의 방법론을 참조하고 있다. 이러한 최신 표준들은 재질들의 방진 범위 측정을 위해 ASTM 방법을 적용함으로써 혼돈을 유발할 수 있는 가변성을 없앤다. 
전통적으로, 많은 보고서들이 거의 모든 또 다른 정전기 제어 주제보다 재질의 방진 범위를 측정하기 위해 ASTM D 257을 적용함으로써 대두되는 문제점들을 제기해 왔다. 그래서 본고에서는 절연 물질을 위해 ASTM D 257이 여전히 권장되고 사용되고 있음을 보여주고, 의도된 범위에서의 사용을 나타낸다.
ANSI/ESD S 11.31은 방전 발생 동안 bag 내부에서 나타난 에너지를 기반으로 bag의 정전기 방전 차폐를 측정한다. 이 테스트 방법 또는 이와 유사한 업데이트된 변경된 방법은 EIA 541의 향후 개정에 사용될 것이다. 이는 참조 E(V-ZAP - 1988년부터 정전용량 프로브 차등 전압 테스트)에서 인용한 것과 같이, 정전기 보호 테스트를 대체하기 위한 목적이다.
새로운 ESD 협회의 방법은 EIA 문서 내에서 설명한대로 차동 전압 측정법과 관련된 몇 가지의 중요한 변수를 제거한다. 패키징 재질 공급업자들은 각 방법으로부터 얻은 정보가 품질 보증 및 재질 설계 목적에 유용하기 때문에 양쪽의 검사 방법을 계속 사용할 수도 있다. 양쪽의 검사 방법은 테스트(bag 혹은 파우치) 하에서 패키지 내로 정전기 프로브를 삽입하여 사용한다.
EIA 버전에서는 정전기 센서의 상부와 하부 플레이트에 전압을 모니터하는 두 개의 전압 프로브가 사용된다. 측정된 전압 수치는 함께 더해지고, 합계는 패키지 내부에서 입증된 피크 전압으로써 보고된다. ESD 협회의 새로운 시험방법은 정전기 센서의 플레이트를 관통하여 500Ω 저항을 설정했다. 전류 프로브는 저항을 통해서 전류 흐름을 유도하여 측정했다. 일반적으로 컴퓨터 프로그램은 입증된 전류 파형 하의 통합한 부분에 의한 에너지 결과를 축적하기 위해 사용된다.
대전 발생 테스트는 항상 논쟁의 여지가 존재해 왔으며, 오늘날까지 아무 것도 달라진 것이 없다. 어떠한 것이 저-대전 생성 성향을 가지고 있는지를 결정하는 산업계 전반에서 수용된 방법은 없다. 권장하는 최상의 방법은 테스트를 직접 실행하는 것이다. 테스트는 접합에 사용되는 물품들 또는 재질들과 함께 제안된 정전기 제어 재질의 최종 용도를 모의 실험한다. 수년 동안 EOS/ESD 심포지엄에서 이 주제로 많은 보고서가 발표되었다. 좀 더 많은 정보를 원하는 관심 있는 독자는 1990년대부터 현재까지의 EOS/ESD 심포지엄 논문집을 참조하는 것을 권장한다. ‘저-대전’ 항목과 관련된 대전 발생 레벨에 있어서 어떠한 값도 표 1에 표시하지 않았다. 각 애플리케이션 자체의 정의가 있어야만 하기 때문이다.
엔드-유저 위원회에서는 전형적인 정전기 제어 작업 환경에서 사용되는 대부분의 아이템에 대한 적절한 측정법으로써 저항-접지를 인식하기 시작했다. 설치된 바닥, worksurface, 의자, 선반 유닛, 카트, 작업자 및 어떠한 다른 전도성 혹은 방진 아이템은 저항 접지 측정에 의해 정전기 제어 성능을 평가할 수도 있다. 두 지점 간의 저항은 선택 프로세스 동안의 재질을 비교 측정하고, 의류, 의자, 손목 띠, 신발 등과 같은 항목을 평가하기 위해 이용된다. 주의해야 할 일부 사항은 적당한 테스트 방법을 선택해야 한다는 점이다. 물론, 의견 차이를 피하기 위해 산업계에서 보편적으로 인식된 테스트 방법을 적용하는 게 최상이다.
‘정전 감쇠(static decay)’라고 불리는 오래된 테스트 방법이 여전히 폭 넓게 참조되고 있지만 여전히 논쟁의 여지는 남아 있다. 정전 감쇠는 재질의 충진 소진성의 징후로 이용될 수 있으나 제조현장에서의 일부 전문가들은 저항 측정이 동일한 정보를 제공한다고 주장할 것이다. 전기적으로 대전된 후 접지와 접촉시켰을 때 어떤 경우에는 저항 측정만으로는 어떻게 아이템이 반응하는지를 예상할 수 없을 수도 있다. 정전 감쇠 테스트는 저항 테스트가 제공할 수 없는 아이템에서 전자 이동성의 역동성에 관한 정보를 제공할 수도 있다. 산업계 내의 주요 논쟁은 평가 하에서의 아이템이 어떻게 대전을 받아들이는지와 밀접한 관계가 있다. 테스트 방법은 DC(파워서플라이 접촉 대전), 접속성 대전(일반 다른 재질과의 접촉 및 분리) 및 코로나 방진(비-접촉 대진)을 포함하여 일반적으로 논의된다. 아이템 혹은 샘플 재질 정전 감쇠의 측정법은 비-접촉 전압계, 전기계 미터 혹은 일종의 타이머와 같은 다른 디바이스들을 이용하여 비교적 간단하다. 그러나 정전 감쇠 테스트는 균질한 재료에서만 실제적으로 중요하다는 점을 주지해야 한다. 재질 내에서 대부분의 전도성 경로 혹은 레이어가 결과적으로 제어될 수 있기 때문에 테스트용 복합 재질 혹은 박리된 구조는 설명하기 까다로운 정보가 나타날 수도 있다. 

오늘날 재질 및 제품 성능 요구                    

아마도 전자산업계는 다음과 같이 분류될 수 있다.
1. 일반적인 전자업계 어셈블리.
2. 반도체 메뉴팩처링
3. 디스크 드라이브 메뉴펙처링
4. 평판 패널 디스플레이

앞의 리스트가 복잡한 전자산업계를 지나치게 간소화한 부분이라고 많이 논의하기도 하지만, 보드 산업계 내에서 중요한 정전 제어 재질 특징에 관한 합리적인 토론을 가능하게 하는 하나의 예로 볼 수 있어야 한다. 게다가, 다른 물리적 특징은 이러한 보드 산업계 내의 특정 항목 혹은 재질의 수용에 자주 영향을 미친다.
흥미롭게도, 정전 제어 특성과 성능 사양은 지난 10년 동안 크게 변하지 않았으나 실제 제품들과 재질들은 극적으로 변해왔다. 이는 엔드-유저가 서로 다른 물리적 및 화학적 특성을 요구하기 때문이다. 모든 산업계에서는 10년 전에 거의 논의된 적 없었던 청결, 이온 함량, 탈기체(outgassing) 및 수증기 투과(water vapor transmission)를 요구하고 있다. ‘또 다른’ 요구사항들로는 정전 제어 특성을 고려한 조건보다 재질 및 제품의 변화에 훨씬 더 초점이 맞춰져 있다. 정전기 제어 재질 디자인 관점에서의 어려움은 “획득하거나 혹은 정전기 제어 특성을 유지하는 방법과 동시에 세척하는 방법”이다. 세척 요구 이유 중 하나가 오늘날 표면 위에 어떠한 극소량도 검출하기 쉽기 때문이라는 점을 이해하는 게 중요하다.
20ng/㎠의 나트륨 혹은 질산 이온이 패키징 재질에 실제로 문제를 유발할 수 있을까? 대부분의 마법적인 검출 성능을 위해서는 검사과학이 중요하다. 그러나 손목 스트랩 밴드 재질에 일정 수준 이상의 이온 마이크로그램을 불포함해야 하는 요구가 진짜로 필요할까? 그렇다면 어떻게 손목밴드를 착용해야 하는 사람을 작업장 내에서 투입할 수 있을까? 일반적으로 손목밴드 보다 사람이 더 많은 오염물질을 내포하고 있다. 일부 엄격한 방음을 관찰하는데 산업계 전체에 도움을 줄 것이다. 적합한 peer-reviewed forum 내에서의 지침서가 등장하는 것을 보면, 오늘날 많은 제조업체에서 청결 요구가 실제로 필요해짐을 보여준다.


 
산업계의 “재질 디자인 트라이앵글”을 그림 1에서 보여주고 있다. 특정 두 개의 속성을 선택하면서, 세 번째는 쉽게 사용할 수 없을 것이다. 이는 분명하게 다소 냉소적이지만, 재질 특성에 관한 부분을 보여주고 있다; 규격에 관해 주고, 받는 것 없이 모든 사람에게 모든 부분이 실행되기 어려울 수도 있다.

정전 제어를 위해 진보하는 재질 기술들                         

본고에서는 정전 제어 재료들 내의 가장 최신의 진보기술을 정의할 수 없다. 그래서 독자들은 재질 공급업자들의 홍보물을 재검토하기를 권장한다. 게다가 EOS/ESD 심포지움과 같은 산업계 포럼 내에 존재한 보고서들을 살펴보기를 권한다.
오늘날 가장 중요한 점은 고유 전도성 폴리머 혹은 ICP의 정의를 충족시키는 재료들의 상업화이다. 폴리머-기반 재료들은 고분자 구조(절연)를 통해 전도성을 가능케 하는 ‘도판트’ 첨가제가 추가된 견고한 구조이다. 이 구조는 반도체와 비슷하다. 벌크 전도성 재료를 생성하는 녹는 상태 동안 물론 이것은 전도성 파우더의 벌크 로딩, 폴리머에 들어가는 광 혹은 크리스털 재료와 매우 다르다. ICP의 지속적인 발전은 가격 경쟁력을 확보하는 계기가 되었으며, 안정적이고 이전 시대의 재료들 보다 더 유용한 새로운 재료라는 결과를 이끌어 낼 것이다. 당신의 애플리케이션에서 유용하게 사용될 수도 있는 재료가 등장하는지를 산업계에서는 관심을 지속적으로 보였다. 깨끗한 표면을 유지하는 성능은 이 클래스 재료의 이점이다.
재질 표면의 전기적 혹은 마찰전기(전하 발생) 특성을 보완하기 위한 코팅 및 표면처리 기술이 30여년 이상동안 꾸준히 사용되어 왔다. 표면 전기저항, 매끄러움을 제공하기 위한 요구와 전하 발생 감소를 위한 다른 보완책은 지속될 것이다. 낮은 이온 함량, 낮은 탈기체(outgassing) 및 NVR(Non-Volatile-Residue)를 제공하기 위한 일부 전자산업계 부문 내에서 제조 공정 중의 새로운 요구 등장은 재료 공급업체들에게 있어서 도전으로 남아 있다. 전자산업계에서는 표면 사이에서 대량의 이온 종(ionic species) 분배를 요구하는 두 개의 접촉표면사이에서의 정전기 전하 발생의 감소를 잘 이해할 수 없을 것이다. 이러한 개념은 모든 정전기 제어 제품들과 다음과 같은 재질들의 종류에 적용할 수 있다; 작업대 표면, 바닥, 의상, 접지 장치, 패키징 및 컨테이너, 의자, 이오나이저 시스템과 작업 환경에 속하는 다른 모든 것들.
정전기 차폐 혹은 정전기 방진 차폐 목적의 금속성 표면이 폭 넓게 수용되고, 시스템에 적용되는 동안, 이와 더불어 낮은 투습도(low water vapor transmission, WVTR)의 요구가 패키징 재질내의 투명 개념에 영향을 주어 왔다. 가장 전통적이고 합리적으로 가격이 책정된 습기방벽 필름(moisture barrier films)은 불투명 패키지를 초래하는 대량의 알루미늄 레이어로 되어 있다. 특수한 재질을 사용하여 투명 필름에 낮은 WVTR를 제공하는 것이 가능하지만 가장 정교한 애플리케이션을 제외한 모든 부분에서 비용이 엄청나다. 정전기 방진 차폐는 또한 투명 필름 내에서도 요구되지만 비용이 올라간다.
낮은 탈기체는 클린룸에 들어가는 모든 재료의 고려조건이다. 클린룸에 들어가는 모든 아이템들의 휘발성 성분 감소의 논리적인 이유는 청결이지만, 비용감소 및 정전기 제어 성능 영향도 하나의 이유이다. 낮은 전하 발생 특성 혹은 정전기 분산 성능을 제공하는 대부분의 첨가물은 피할 수 없는 수준의 많은 탈기체를 가지고 있다. 물론, 일부 새로운 테크놀러지들은 감소되었거나 혹은 일부의 경우, 많은 애플리케이션에서 수용할 수 있는 수준의 탈기체를 보여줄 수도 있다. 그러나 앞서 진술한 바와 같이, 정전기 제어 재료 사용자들에 의해 강요되고 있는 사양과 관련된 모든 청결제품들이 실제로 필요하다는 것을 일부 검증할 시간이다.

결론               

취급 전자부품은 EPA(electrostatic protected area)가 필요하다. 이 개념은 EIA/JEDEC, IEC 및 ESDA에서 발표한 최근 취급 특성문서 사이에서 보편적으로 언급되고 있다. 취급 특성문서 내에서 정의된 정전기 제어 재질 특성과 자체 사양은 매우 공정하게 일치했다. 단지 작은 변화는 정전기 제어계획 목적에서 작업하기가 상대적으로 쉬워야만 하는 것이 존재한다.
재료 사양을 설정하는 프로세스 동안, 청결 문제는 주의 깊게, 심사숙고하여 타당할만한 고려사항으로 요구되고 있다. 모든 제품들에 대한 대부분의 정전기 제어 속성이 청결 확산을 제공할 것임을 이해해야만 한다. 정전기 분산 혹은 정전기 전도 범위 내에서 정전기 제어 특성을 유지하면서 일부 새로운 재료들은 낮은 오염수준을 요구한다. 독자들은 현실에 기반하고 애플리케이션 요구에 필요한 재료 특성을 연구해야만 한다.
 

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