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1. ESD의 정의와 발생 원리
정전기 방전_ESD은 아주 간단히 말하면,한쪽에 몰려 있던 정전기가 빠르게 방전되며 전류가 흐르는 현상입니다.
좀 더 풀어보면 이렇습니다.
정전기란 전기가 흐르지 않고 머물러 있는 상태입니다.
양전하나 음전하가 어느 한쪽에 쌓여 있다가, 다른 물체를 만나면서 갑자기 방전되면 순간적으로 큰 전류가 흐르게 됩니다.
이게 바로 정전기 방전_ESD이고, 문제는 이 순간의 전류가 전자부품에는 매우 치명적이라는 겁니다.
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2. 정전기 방전_ESD 발생 원리
정전기의 발생 원리는 대부분 마찰입니다.
예를 들어 책받침으로 머리를 문지르면 머리카락이 쭈뼛 서는거 해 보셨을 것입니다.
책받침엔 음(-) 전하가, 머리카락엔 양(+) 전하가 쌓이기 때문입니다.
양전하를 가진 머리카락이 책받침 쪽으로 방전을 시도하지만, 방전이 잘 안되니 서로 밀어내는 힘 때문에 머리카락이 떠오릅니다.
비슷한 예로, 고무(Rubber)와 아세테이프(Acetape)를 마찰시키면 고무에는 음의 전하가 아세테이프에는 양의 전하가 축척되게 됩니다.
이 대전된 물체를 손으로 잡을때 인체를 통해 방전이 일어나고 사람몸 속으로 전류가 흐르니까 피부가 따끔거림을 느낄 수 있는 것입니다.
즉, 겨울철 정전기를 방지하려면 되도록 면으로 된 내의를 입으면 좋다는 것은 이제 삼척동자라도 다 알 수 있을 것입니다.
그리고 중요한 포인트 하나!
정전기는 마를수록(건조) 강해집니다.
습한 날보다 건조한 날이 ESD 발생에 훨씬 취약합니다.
3. 정전기 방전_ESD 위험
사람이 느끼는 정전기는 대략 3,000V 이상이 되어야 감지됩니다.
그런데 반도체 소자는 100V 이하의 방전에도 파손될 수 있습니다.
왜냐하면, 정전기 방전 시 순간적으로 흐르는 급전류(Impulse Current)가 내부 금속 배선을 녹이거나 절연막을 뚫을 수 있기 때문입니다.
3-1) ESD는 어떻게 방전될까요?
정전기가 쌓인 상태는 마치 축전기(Capacitor)와 같습니다.
예를 들어, 사람이 대전된 상태에서 회로를 만지면, 축전기에서 저항을 통해 빠르게 전류가 흐르듯 방전이 일어납니다.
I(t) = V/R⋅e−t/RC
이 공식처럼, 전압이 높고 저항이 작을수록 방전 속도는 빠르고, 순간 전류는 강하게 흐릅니다.
이게 IC를 파괴하는 원인이 되는 것입니다.
자, 정전기 이야기를 하다 보면 제일 궁금한 게 바로 이것일 겁니다.
“도대체 얼마나 높은 전압이 걸려야 IC가 고장 나나요?”
많은 분들이 이렇게 생각하실 수 있습니다.
“나는 손으로 만져도 아무 느낌이 없었는데?”
“아무 불꽃도 안 튀었는데 왜 부품이 나갔지?”
그게 바로 정전기 방전_ESD의 무서운 점입니다.
사람이 정전기를 느끼는 최소 전압은 대략 3,000V 정도입니다.
그러니까 여러분이 “찌릿!” 하고 느꼈다면 그건 이미 3,000V 이상의 전압이 흐른 것일 겁니다.
근데 문제는…정작 반도체 소자들은 100V도 안 되는 전압에도 고장이 나기 때문입니다.
반도체는 왜 이렇게 약할까?
IC 내부는 굉장히 미세한 구조로 되어 있습니다.
게다가 요즘 나오는 칩들은 몇 나노미터(nm) 단위로 트랜지스터가 만들어지기 때문에, 안쪽 배선이 굉장히 얇고, 절연막도 종잇장보다 훨씬 얇습니다.
예를 들어, MOSFET 게이트에 있는 산화막(SiO₂) 두께는 수십 나노미터에 불과합니다.
여기에 정전기가 100V만 걸려도 그 얇은 절연막이 뚫려버립니다.
즉, 눈에 안 보이고, 손에도 안 느껴지는 전압으로도 IC는 조용히, 아무 말 없이… 고장 날 수 있다는 겁니다.
위 표의 파괴전압을 보면, 사람이 전혀 감지하지 못하는 수준의 전압도 IC에게는 치명적인 전기 충격이 될 수 있다는 것을 알 수 습니다.
그래서 실제로 이런 일이 일어나나요?
네, 정말 자주 일어납니다.
현장에서 가장 흔한 정전기 방전_ESD 사고는 “부품 조립은 잘 했는데, 처음부터 동작이 이상하거나 갑자기 죽는 경우”입니다.
사실 이건 대부분 사람 손에서 나온 정전기 때문입니다.
납땜 중 무심코 IC를 손으로 만졌다든가
대전된 플라스틱 트레이에서 부품을 꺼냈다든가
접지되지 않은 책상에서 조립을 했다든가
이런 사소한 상황에서 정전기 방전_ESD가 일어나고,그게 IC에 조용히 치명타를 날려버리는 겁니다.
이처럼, IC는 사람 기준으로는 “느껴지지도 않을 만큼 낮은 전압”에서도 망가질 수 있다는 사실! 꼭 기억하시기 바랍니다.
3-2) 접촉 방전과 공중 방전
정전기 방전_ESD는 크게 두 가지로 나뉩니다.
이 구분은 ESD 시험에서도 중요한 기준이 됩니다 (IEC 61000-4-2 기준).
4. 재료에 따른 정전기 특성
ESD 방지에서 가장 중요한 요소 중 하나는 재료의 저항 특성입니다. 재료는 다음 3가지로 나눌 수 있습니다.
이 중 정전 분산성 재료는 Soft-discharge 특성을 가지고 있어서, 급격한 방전 대신 전기를 서서히 흘려보냅니다.
그래서 작업복, 손목스트랩, ESD 매트 등에 주로 사용됩니다.
실제 작업 환경에서는 어떻게 보호할까요?
아래와 같은 작업 환경이 정전기 방전_ESD를 막는 데 아주 효과적입니다.
- 정전기 방지 매트 위에서 작업
- 손목 스트랩 착용 (접지 필수)
- 제전복(ESD복)과 ESD 신발
- 대전 방지 납땜기 사용
- 제전기(Ionizer) 설치
Ionizer(제전기)는 고전압을 공기 중에 노출시켜 양이온과 음이온을 동시에 만들어냅니다.
이온이 대전체에 닿으면, 정전기가 중성화되어 더 이상 방전이 일어나지 않게 되는 원리입니다.
Ionizer는 DC 방식과 AC 방식이 있으며,DC는 +팁에서 양전하, -팁에서 음전하를 만들어냅니다.
AC는 한 팁에서 +와 -를 교대로 발생시켜 더욱 균형 잡힌 제전이 가능합니다.
5. ESD와 EMC의 관계
① 정전기 방전_ESD은 단순한 충격이 아니다
많은 사람들이 ESD를 “그냥 정전기가 튄 거”라고 생각합니다.
실제로 손으로 금속을 만질 때 찌릿한 느낌이 들면 “아, 정전기네” 하고 넘어갑니다.
그런데 그 순간, 보이지 않는 곳에서 수천 볼트의 전압이 튀었고, 수 암페어의 전류가 수 ns 이내로 흐르며, 기판 위의 민감한 회로나 IC를 훼손했을 수 있습니다.
게다가, 이 짧고 강한 방전은 전류가 흘렀던 경로를 안테나처럼 만들어 고주파 전자파를 발생시킵니다.
바로 여기서 EMC 문제로 연결되는 겁니다.
② EMC란 무엇인가?
EMC는 말 그대로 전자기기들이 서로 간섭하지 않고 잘 공존할 수 있도록 만드는 특성입니다.
예를 들어 어떤 제품이 동작 중에 다른 기기의 무선통신을 끊거나,TV 화면에 줄이 가게 하거나, 라디오에 잡음을 낸다면 EMC 문제가 있는 겁니다.
EMC는 두 가지로 나뉘어 생각할 수 있습니다.
- 내가 남에게 얼마나 방해를 주는가 (방사 노이즈)
- 내가 남의 방해를 얼마나 잘 견디는가 (내성, Immunity)
그리고 바로 이 두 번째, 내성(Immunity)에서 ESD가 큰 시험 항목 중 하나입니다.
③ 정전기 방전_ESD이 EMC 문제를 만드는 방식
우리가 정전기 방전을 단순한 IC 파괴 문제로만 생각하면 큰 오산입니다.
ESD는 고주파 노이즈의 발생원이기 때문에, 순간적으로 발생하는 방사는 주변의 통신 모듈이나 고속 인터페이스에 EMI(전자파 간섭)을 일으킵니다.
예를 들어, 어떤 제품의 BLE 통신 모듈이 종종 끊어진다는 리포트가 올라왔고, 원인을 분석하니, 사용자가 버튼을 누르는 순간 발생한 정전기 방전이 모듈 근처의 회로에 노이즈를 유입시켜 통신이 끊긴 거였습니다.
이처럼, 정전기 방전은 단순한 충격을 넘어서, 전자파 간섭(EMI)의 원인이 되고, 결국 EMC 테스트에서도 영향을 줄 수 있는 겁니다.
④ 정전기 방전_ESD는 EMC 내성 시험의 핵심 항목
많은 인증 시험 중 EMC 시험은 필수 항목입니다.
그중 ESD 시험은 장비가 정전기 충격을 얼마나 잘 버티는지 확인하는 절차입니다.
시험 방식은 보통 두 가지입니다.
- 접촉 방전 (Contact Discharge) – ESD 건을 금속에 직접 접촉해서 방전
- 공기 방전 (Air Discharge) – 약간 떨어진 거리에서 공기를 통해 방전
국제 표준(IEC 61000-4-2 등)에 따라, 2kV, 4kV, 심지어 8kV까지도 시험합니다.
즉, 우리 기기는 사람이 손으로 만졌을 때의 정전기 정도는 충분히 견딜 수 있어야 한다는 겁니다.
⑤ 왜 ESD와 EMC를 함께 고려해야 할까?
설계를 하다 보면, 간혹 ESD 방어는 했는데 EMC는 통과 못 하거나, EMC는 무사히 통과했는데 실제 사용 중에 ESD로 오동작하는 일이 생깁니다.
이유는 간단합니다.
두 개념은 완전히 다른 게 아니라 서로 영향을 주는 특성이기 때문입니다.
- 정전기 방전이 전자파 노이즈로 확산되면 EMC 방사 특성이 악화됩니다.
- 정전기 방전이 회로에 직접 노이즈를 주입하면 내성 특성이 저하됩니다.
따라서 제품을 설계할 때는 ESD와 EMC를 별개로 다루는 게 아니라, 한 덩어리로 설계해야 합니다.
⑥ ESD와 EMC는 친구다
많은 엔지니어들이 ESD와 EMC를 각각 따로 배우고 따로 대책을 세우지만,사실 둘은 같은 현상의 다른 모습입니다.
정전기 방전_ESD은 순간적이지만 강한 에너지와 노이즈를 발생시키며,그로 인해 발생하는 간섭은 곧 EMC 실패로 이어질 수 있습니다.
결국, ESD를 잘 다루는 설계가 EMC를 잘 통과하는 지름길입니다.