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종문 강
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1 권승열 이동훈 * 최재욱 * 부경대학교공과대학대학원안전공학과 * 부경대학교공과대학안전공학부 ( 접수 / 채택 ) A Comparative Study on the Electrostatic Eliminator of Piezo Type Ionizer and Pulse AC Corona Type Ionizer Sung-Yul Kwon Dong-Hoon Lee * Jae-Wook Choi * Department of Safety Engineering, Graduate School, Pukyong National University * Division of Safety Engineering, Pukyong National University (Received October 1, 2009 / Accepted December 14, 2009) Abstract : Ionizer is used for improving manufacturing process and reducing inferior goods in the clean room. As a general rule, neutralization of the electrostatic charge is most important to make TFT-LCD, PDP and OLED. Pulse ACstatic eliminator with output voltage of about 10.5kV has been used these days as neutralization device. But this device has a problem with lower performance which was caused by particles-adhesion on the electrode when it has been used for a long time. So we studied to solve the problem with lower performance using high Frequency(72kHz) static eliminator which was produced by Piezo transformer device, and compared Pulse-AC type with Piezo-electronic device such as decay time and ion balance for 10 weeks periods. As a result of this study, we found that Piezo transformer device has been maintained normal condition for 10 weeks. Also, we made the rule by this study, normally Piezo transformer device has to clean the electrode during every 11th weeks. Key Words : ionizer, TFT-LCD(thin film transistor-liquid crystal display), PDP(plasma display panel) and OLED(organic electro luminescence display), pulse AC-static eliminator 1. 서론 * 정전기방전 (ESD : Electrostatic Discharge) 으로인한대책으로사용되는정전기제거장치는클린룸내의환경대책으로대부분의공정에설치되어있는것으로불량률의감소, 생산수율의향상등의목적으로주로사용되어지고있다. 정전기제거장치는대부분코로나방전 (Corona Discharge) 을이용하고있다 1,2). 코로나방전을이용한정전기제거장치의성능에가장큰영향을미치는부분은방전전극에인가되는고전압의형태즉, 전압의크기및주파수가있으나주파수가훨씬중요한사항이다 3,4). 코로나방전식정전기제거장치에서의가장큰문제점으로지적되고있는사항은장기간사용시에 To whom correspondence should be addressed. ciko0823@hanmail.net 정전기제거성능즉, 전하완화시간 (Charge Decay Time) 의지연, 잔류정전전압 (Ion Balance) 의증가등의문제이다. 따라서본연구에서는방전전극에인가되는고전압의주파수를변화시켜서장시간사용시의변화를고찰하여방전전극의세정주기에관한기초자료를제공하는데있다. 2. 실험방법및장치 2.1. 실험방법본실험에서는인가되는고전압의주파수를 2종류로한정하여설정하였다. 즉, 압전소자 (Piezo Transformer) 를이용한교류고주파 (72kHz) 고전압과펄스교류상용저주파 (30Hz) 고전압을이용하는방식이다. 압전효과는소자에힘을가해변형을주면표면에전압이발생하고, 반대로전압을걸면소자가이 50

Fig. 1. Piezo Transformer. 동하거나힘이발생되는현상을말한다. 즉, 기계적효과와전기적효과의상호변환효과를이용한것이다. 압전소자는압전재료 (PZT: PbZrTiO 3) 에 1 차및 2 차의전극을붙여 1 차측에압전소자의공진주파수전압을인가해트랜스포머를공진시키고, 이공진에의해생기는기계적진동으로발생되는 2 차측의고전압을이용하는것이다. Fig.

본실험에서는고주파수코로나방전을이용한정전기제거장치와상용주파수코로나방전을이용한정전기제거장치의성능을상호비교연구하였다. 잔류정전전압과전하완화시간을 10 주간동안 2 주마다측정하여비교하도록하였다. 또한방전전극에흡착되는먼지의상태를확인하여방전전극의세정주기를결정하도록하였다. 2.2. 실험장치 전하완화시간, 잔류정전전압의측정은 IEC61340-5-1 의규정에따른 CPM(Charged Plate Monitor, Trek 156, USA) 을사용하여측정하였다.

5µm, 1µm, 2µm, 5µm, 10µm 를기준으로, 측정전 30 분간정전기제거장치의내부공기통을충분히충전한후에 10 분간격으로총 5 회측정하였다. 모든실험은 3 Fig. 2. Particle counter. Fig. 3. Experimental chamber. 회측정하여평균값을취하였으며, Fig.

2 Fig. 1. Piezo Transformer. 동하거나힘이발생되는현상을말한다. 즉, 기계적효과와전기적효과의상호변환효과를이용한것이다. 압전소자는압전재료 (PZT: PbZrTiO 3) 에 1 차및 2 차의전극을붙여 1 차측에압전소자의공진주파수전압을인가해트랜스포머를공진시키고, 이공진에의해생기는기계적진동으로발생되는 2 차측의고전압을이용하는것이다. Fig. 1 은로젠이처음개발한압전트랜스의구조를나타낸것이다 5). 이와같이 2 종류의주파수로한정한이유는, 72 khz 의경우는압전소자를이용하여비교적용이하게고주파수를얻을수있고, 30Hz 의경우산업현장에서널리사용되는정전기제거장치는일반적으로상용주파수를채택하고있기때문이다. 본실험에서는고주파수코로나방전을이용한정전기제거장치와상용주파수코로나방전을이용한정전기제거장치의성능을상호비교연구하였다. 잔류정전전압과전하완화시간을 10 주간동안 2 주마다측정하여비교하도록하였다. 또한방전전극에흡착되는먼지의상태를확인하여방전전극의세정주기를결정하도록하였다 실험장치 전하완화시간, 잔류정전전압의측정은 IEC 의규정에따른 CPM(Charged Plate Monitor, Trek 156, USA) 을사용하여측정하였다. 실험용정전기제거장치에공급되는압축공기는공기정화기 (AF30-03, SMC, Japan) 를사용하여미세먼지가압축공기에포함되는것을최대한억제하였다. Fig. 2 는정전기제거장치로부터발생되는미세먼지를측정하기위한미세먼지측정기 (Particle Counter, Fluke-983, USA) 이다. 미세먼지는 0.3µm, 0.5µm, 1µm, 2µm, 5µm, 10µm 를기준으로, 측정전 30 분간정전기제거장치의내부공기통을충분히충전한후에 10 분간격으로총 5 회측정하였다. 모든실험은 3 Fig. 2. Particle counter. Fig. 3. Experimental chamber. 회측정하여평균값을취하였으며, Fig. 3 과같이항온항습실험챔버 (23±2 C, 30 40% RH±2%) 내에서진행하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1. 전하완화시간의비교 Fig. 4는 10주동안 2주간간격으로정전기제거장치로부터피대전물체, 즉 CPM까지수직방향으로이격거리 300mm에서측정한고주파수코로나방전방식과상용주파수코로나방전방식의전하완화시간을비교하여나타낸것이다. Fig. 4에서알수있듯이최초의측정값과 10주경과후의측정값을비교해보았을때큰변화가없음을알수있다. 이는이격거리가비교적짧아서, 이온의수송중에약간의이온재결합이발생하더라도충분한양의압축공기가생성된이온을대전물체까지수송할수있기때문이라생각한다. Fig. 5는수직방향으로이격거리 600mm에서측 한국안전학회지, 제 24 권제 6 호, 2009 년 51

3 권승열, 이동훈, 최재욱 정한전하완화시간을비교하여나타낸것이다. Fig. 5 에서알수있듯이 6 주간까지는큰변화의차이가없으나 8 주후부터는전하완화시간이 0.5 초에서 1 초정도의차이를나타내고있음을알수있다. Fig. 6 은수직방향으로이격거리 900mm 에서측정한전하완화시간을비교하여나타낸것이다. Fig. 6 에서알수있듯이 10 주경과후상용주파수코로나방전방식의경우에는최초와비교하여 2.80 초의시간지연이발생하였고, 고주파수코로나방전방식의경우에는최초와비교하여보았을때시간지연이약 0.5 초정도로낮았다. 이는상용주파수코로나방전방식의경우방전전극에먼지가흡착되는확률즉, 인가주파수보다먼지의흡착빈도가높아서먼지흡착으로인한방전전극선단의전계강도가저하하여이온생성율이저하시켰기때문이라고생각된다. 또한이격거리가 900mm 로먼경우에는이온재결합에의한이온소멸까지부가되어전하완화시간이증가한것으로생각된다. 반면고주파수코로나방전방식의경우방전전극에먼지가흡착되는확률은인가주파수가높기때문에갤러핑 (Galloping) 현상이발생하여방전전극에먼지흡착이현저히낮아서최초의전계강도를유지할수있기때문이라고생각된다. Fig. 6. Charge decay time at 900mm distance 잔류정전전압의비교 Fig. 7, 8 및 9 는 10 주간동안 2 주간간격으로잔류정전전압의비교를나타낸것이다. Fig. 7, 8 및 9 에서알수있듯이상용주파수코로나방전방식의경우에는이격거리 300mm, 600mm, 900mm 의모든거리에서최초의잔류정전전압과비교하여볼때점차증가하는추세를보이고있다. 즉, 이격거리 300mm 에서최초의잔류정전전압은약 1V 정도이지만 10 주경과후에는약 43.4V 까지증가하였고, 이격거리 600mm 에서는약 32.9V 까지증가하였고, 이격거리 900mm 에서는약 28.1V 까지증가하였다. Fig. 4. Charge decay time at 300mm distance. Fig. 7. Ion Balance at 300mm distance. Fig. 5. Charge decay time at 600mm distance. Fig. 8. Ion Balance at 600mm distance. 52 Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 6, 2009

Fig. 9. Ion Balance at 900mm distance. 반면고주파수코로나방전방식의경우에는모든이격거리에서최초의잔류정전전압과비교하여큰변화가없음을알수있었다. 이는상용주파수코로나방전방식은이온을생성하는방전전극에전기집진작용으로미세먼지가점진적으로흡착되어전계강도를저하시켜서이온생성이저하하였기때문이다.

Particle adhesion status on discharge electrode during the period from 1st to 4th weeks. 3.3. 미세먼지흡착의비교 Fig. 10, 11 은상용주파수코로나방전방식과고주파수코로나방전방식에서의방전전극에흡착되는미세먼지를 10 주동안촬영한사진이다.

4 Fig. 9. Ion Balance at 900mm distance. 반면고주파수코로나방전방식의경우에는모든이격거리에서최초의잔류정전전압과비교하여큰변화가없음을알수있었다. 이는상용주파수코로나방전방식은이온을생성하는방전전극에전기집진작용으로미세먼지가점진적으로흡착되어전계강도를저하시켜서이온생성이저하하였기때문이다. 반면고주파수코로나방전방식은이온을생성하는방전전극에상대적으로미세먼지의흡착이적었기때문이라고생각한다. 방전전극에인가되는주파수는방전전극에흡착되는먼지와밀접한관계를갖고있음을알수있다. 즉, 인가되는고전압의주파수가높을경우에는먼지가흡착될수있는빈도즉, 흡착빈도보다빠른교번작용으로인하여먼지의흡착이저하하기때문이라고생각된다. Fig. 10. Particle adhesion status on discharge electrode during the period from 1st to 4th weeks 미세먼지흡착의비교 Fig. 10, 11 은상용주파수코로나방전방식과고주파수코로나방전방식에서의방전전극에흡착되는미세먼지를 10 주동안촬영한사진이다. 상용주파수코로나방전방식의경우는 2 주후부터방전전극에미세먼지의흡착이증가하기시작함을알수있다. 또한방전전극의끝부분외의경사면및주변에도미세먼지의흡착이많음을알수있다. 반면고주파수코로나방전방식의경우는 10 주까지도방전전극에미세먼지의흡착이거의없음을알수있다. 또한방전전극의주변에도미세먼지가발견되지않음을알수있다. 고주파수코로나방전방식의경우 Fig. 10, 11 에서방전전극의선단이하얗게보이는것은선단에서생성된오존 (O 3) 에의한부식현상으로먼지의부착은아닌것으로나타났다. 또한방전전극의주변에도미세먼지가발견되지않음을알수있다. Fig. 7, 8 및 9 에서제시한바와같이, 방전전극에미세먼지의흡착은잔류 Fig. 11. Particle adhesion status on discharge electrode during the period from 6th to 10th weeks. Fig. 12. Particle adhesion status on discharge electrode during the period from 11th to 13th weeks. 정전전압을증가시키는중요한요인임을증명하였다. 그러나 Fig. 12 에서알수있듯이고주파수코로나방전방식의경우도 11 주부터는방전전극에미세먼지의흡착이시작됨을확인할수있었다. 따라서본실험에서의결과로부터알수있듯이상용주파수코로나방전방식의경우는 2 주마다방 한국안전학회지, 제 24 권제 6 호, 2009 년 53

5 권승열, 이동훈, 최재욱 전전극을세정하여야하고, 고주파수코로나방전방식의경우에는 11 주마다방전전극을세정하여야하는기본원칙을제시할수있다. 4. 결론 본실험을통하여다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 고주파수코로나방전방식의경우최초의전하완화시간과 10 주후의전하완화시간이거의변화가없었다. 2) 상용주파수코로나방식의경우잔류정전전압은 10 주동안점차적으로증가하는추세를보였지만, 고주파수코로나방식에는잔류정전전압은 10 주동안거의일정한상태를유지하였다. 이는방전전극에미세먼지흡착의정도는잔류정전전압의안정적인유지와밀접한관계가있음을알수있었다. 3) 방전전극의세정주기는상용주파수코로나방전방식의경우에는 2 주마다, 고주파수코로나방전방식의경우에는 11 주마다세정하여야하는원칙을제공할수있었다. 향후에는방전전극의세정주기와고전압의주파수와의관계를보다넓은범위에서실험을할예정이다. 참고문헌 1) T. Adachi, M Kawasaki, H. Nakabayashi, The Behavior of Dust Particle in Electrostatic Precipitators, 日本靜電氣學會誌, Vol. 4, No. 3, pp. 152~159, ) Soichiro Sakada, Hitoshi Inaba, Takanori Yoshida, Contamination-Free Ionizer for Super Clean Rooms, Proc. 3rd Int. Aerosol Conference Japan, pp. 817~ 820, ) Toshio Murakami, Haruyuki Togari, Arnold Steinman, Electrostatic Problems in TFT-LCD Production and Solutions using Ionization, EOS/ESD Symposium, pp. 365~370, ) Sakada, 次世代 Clean Room 靜電氣對策, RCJ 第 2 回 EOS/ESD Symposium, ) 함중걸, 김일남, 백수현, 압전트랜스포머의특성및기술동향, 전기전자재료학회, Vol. 10, No. 7, pp. 732~736, Journal of the KOSOS, Vol. 24, No. 6, 2009

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<303720C0CCB5BFC8C62E687770> Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 29, No. 6, pp. 40-45, December 2014 Copyright@2014 by The Korean Society of Safety (pissn 1738-3803) All right reserved. http://dx.doi.org/10.14346/jkosos.2014.29.6.040