[논문]인체에 대전된 정전기 방전에 의해 발생한 급속과도전압의 측정

이복희; 이동문; 강성만; 엄주홍; 이태룡; 이승칠

doi:10.5207/jieie.2002.16.4.108

인체에 대전된 정전기 방전에 의해 발생한 급속과도전압의 측정
Measurements of Fast Transient Voltages due to Human Electrostatic Discharges 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.16 no.4, 2002년, pp.108 - 116

이복희 (인하대학교 전자전기공학부) , 이동문 (인하대학교 전자전기공학과) , 강성만 (인하대학교 전자전기공학과) , 엄주홍 (인하대학교 전자전기공학과) , 이태룡 (인하대학교 전자전기공학과) , 이승칠 (한진중공업주식회사)

초록
AI-Helper

본 논문은 인체에 대전된 정전기 방전전압 파형의 측정과 특성 분석에 관한 것으로 정전기 고속과도전압 측정기의 동작원리와 설계기법에 대하에 기술하였다. 여러 가지 실험조건에서 인체에 대전된 전하에 의해 발생한 정전기방전전압의 피크값과 상승시간을 분석하였다. 제안된 전압측정계의 주파수대역은 DC-400[MHz]이다. 각 실험조건에서 정전기 방전전압과 전류의 파형은 거의 비슷하였으며, 크기도 비례적 관계를 나타내었다. 빠른 접근일 때가 느린 접근일 때 보다 빠른 초기상승시간의 정전기방전전압이 나타났다. 인체에 의한 직접 방전전압은 비교적 초기상승시간이 10-30[ns]로 길었으나, 크기는 작았다. 반면에 손에 쥔 금속체를 통한 방전전압은 1~3[ns]의 짧은 상승시간을 가지며 피크값은 매우 크게 나타났다. 결국 정전기 방전전압과 전류 파형은 정전기 방전을 일으키는 접촉물체와 접근속도에 깊은 관계가 있음을 알았으며, 본 연구의 결과는 정전기 장해방지장치의 설계를 위한 기초자료로 활용될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the measurements and evaluation of voltage waveforms due to human electrostatic discharge(ESD). The principle of operation and design rule of a new device for measuring the ESD fast transient voltages with very fast rise time were described. Peak values and rise time of ESD voltages derived from a charged human body under a variety of experimental conditions were examined. The frequency bandwidth of the proposed voltage measuring system ranges from DC to 400[㎒]. The ESD voltage waveform is nearly equal to the ESD current waveform and the peak amplitude of ESD current waveform is roughly proportional to the ESD voltage in each experimental conditions. A rapid approach results in a discharge voltage with a faster initial rise time than for a slow approach. The voltages caused by direct finger ESDs have an initial slope with a relatively long, 10∼30[ns] rise time, but the amplitude is small. On the other hand, the voltages caused by direct hand/metal ESDs have a steep initial s1ope with 1 ∼3[ns] rise time, but an initial spike is very big. As a consequence, it was found that the ESD voltage and current waveforms strongly depend on the approach speed and material of intruder. These measurement results would be useful to design the ESD protective devices.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 인체에서 혼히 발생하는 정전기 방전 현상에 대한 특성의 분석과 효과적인 보호 대책에 필요한 기초자료를 얻기 위한 목적으로 정전기 방전에 의해서 발생하는 전압과 전류의 파형을 정확하게 측정할 수 있는 고주파 검출용 전압센서를 제안하였다. 실제의 일상 생활에서 발생빈도가 높은 인간의 행동 조건을 모의해서 바닥재질의 절연상태, 접촉물체의 종류와 접근속도 등 여러가지 실험조건에서 정전기 방전 전압과 전류 파형을 측정하고, 피크값과 상승 시간 등의 파라미터를 통계적으로 분석하였다.
본 연구에서는 정전기 방전전압 파형을 정확하게 측정할 수 있는 광대역 계측시스템을 제안하였으며, 인체에 대전된 정전기 방전전압과 전류를 측정하고, 이들 파형의 특성과 파라미터를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

전류 파형은 전압 파형의 측정결과의 정확도를 확인하기 위하여 측정한 것이며, 전류 파형은 전압 파형과 거의 동일하므로 파라미터의 분석은 전압 파형에 대하여만 수행하였다. 각각의 실험조건에서 30회씩 정전기 방전전압과 전류 파형을 측정하고, 정전기 방전 전압의 피크값과 상승시간을 통계적으로 분석하였다.
실제의 일상 생활에서 발생빈도가 높은 인간의 행동 조건을 모의해서 바닥재질의 절연상태, 접촉물체의 종류와 접근속도 등 여러가지 실험조건에서 정전기 방전 전압과 전류 파형을 측정하고, 피크값과 상승 시간 등의 파라미터를 통계적으로 분석하였다.
일상의 활동으로 인체에 발생하는 정전기 방전 전압과 전류 파형을 측정하기 위하여 아래와 같은 여 러가지 조건에서 실험하였다.
전류 파형을 측정하였다. 전류 파형은 전압 파형의 측정결과의 정확도를 확인하기 위하여 측정한 것이며, 전류 파형은 전압 파형과 거의 동일하므로 파라미터의 분석은 전압 파형에 대하여만 수행하였다. 각각의 실험조건에서 30회씩 정전기 방전전압과 전류 파형을 측정하고, 정전기 방전 전압의 피크값과 상승시간을 통계적으로 분석하였다.
방전시켜 전압 . 전류 파형을 측정하였다. 전류 파형은 전압 파형의 측정결과의 정확도를 확인하기 위하여 측정한 것이며, 전류 파형은 전압 파형과 거의 동일하므로 파라미터의 분석은 전압 파형에 대하여만 수행하였다.
(1) 원추형으로 설계 . 제작한 전압센서와 신호 전송로를 포함하여 주파수대역이 DC~400[Mlk]인 광대역의 전압계측시스템을 제작하였다.

데이터처리

정전기 방전전압 파형의 결과를 피크값과 상승 시간의 파라미터로 나누어 통계적으로 분석하였으며, 각 실험조건에서 30회씩 측정한 평균값을 그림 7에 나타내었으며, 방전전압의 크기는 피크값이다. 바닥재가 스티로폼의 경우 방전전압의 피크값은 검출 전극으로의 접근이 빠를 때 1000-1200EV) 정도 그리고 느릴 때는 850~900[V]으로 차이를 보였지만 전압과 전류 파형의 전체 면적 즈 에너지의 양은 거의 비슷함을 알 수 있다.

성능/효과

(2) 정전기 방전전압의 피크값과 상승시간은 바닥 재질의 종류, 접근속도와 접촉방법에 크게 의존하는 특성을 나타내었다.
(3) 손에 쥔 금속 물체를 통한 정전기 방전시 검출 전극으로의 접근속도가 빠를 경우 초기부분이 급격하게 상승하는 펄스성의 방전전압을 나타내었다.
(4) 절연손잡이를 갖는 드라이버에 의한 정전기 방전 전압과 전류의 파형은 진동 양상을 나타내었다. 절연 손잡이 드라이버, 열쇠, 인체의 직접 방전 순으로 방전 전압의 피크값은 감소하였으며, 상승시간은 피크 값이 큰 조건일수록 짧게 나타났다.
인체와 바닥 사이의 절연상태가 양호할수록 축적되는 전하가 많아 피크 전압이 높으며 방전에너지도 큰 것으로 나타났다. 또한 방전전압 파형의 상승시간은 절연손잡이를 갖는 드라이버를 통하여 방전된 경우가 가장 짧았으며, 인체의 직접 방전에 의한 경우가 상승시간은 가장 완만하였다. 이에 반하여 방전전압의 피크값은 인체의 직접 방전에 의한 경우가 가장 낮았으며, 절연 손잡이를 갖는 드라이버에 의한 정전기 방전시의 전압이 가장 높았지만 전체 방전에너지는 작은 것으로 평가되었다.
인체에 의한 직접 방전시의 전압의 피크값에 비해 500[V] 정도 높지만 방전이 모두 끝나는데 걸리는 지속시간이 인체 방전의 경우 500[ns]인데 비해 금속 물체에 의한 방전인 경우는 90[ns]정도로 비교적 짧았다. 바닥 재질이 스티로폼, 카펫트, 비닐장판, 콘크리트의 순으로 방전전압의 피크값은 낮아지고 상승시간은 짧아졌다. 그러나 빠른 접근의 경우 바닥재질에 관계없이 상승시간은 거의 변동이 없었다
빠른 접근의 경우 정전기 방전전입의 피크값은 높았지만 상승 시간은 짧게 나타났다. 바닥재질이 스티로폼, 카펫 비닐장판, 콘크리트의 순으로 느린 접근의 경우 방전 전압의 피크값은 낮아지고 상승시간도 짧게 나타났다. 그러나 빠른 접근의 경우 방전전압의 상승 시간의 바닥재질에 대한 의존성은 나타나지 않았다.
또한 방전전압 파형의 상승시간은 절연손잡이를 갖는 드라이버를 통하여 방전된 경우가 가장 짧았으며, 인체의 직접 방전에 의한 경우가 상승시간은 가장 완만하였다. 이에 반하여 방전전압의 피크값은 인체의 직접 방전에 의한 경우가 가장 낮았으며, 절연 손잡이를 갖는 드라이버에 의한 정전기 방전시의 전압이 가장 높았지만 전체 방전에너지는 작은 것으로 평가되었다. 따라서 정전기 방전에 의해서 발생되는 전압 파형의 상승시간은 매우 빠르며 대체로 l[ns]이하에서 수십[ns] 범위이므로 정전기 방전에 의한 서지 보호기의 응답속도가 매우 빠른 것이 요구된다.
크게 영향을 받는다. 인체와 바닥 사이의 절연상태가 양호할수록 축적되는 전하가 많아 피크 전압이 높으며 방전에너지도 큰 것으로 나타났다. 또한 방전전압 파형의 상승시간은 절연손잡이를 갖는 드라이버를 통하여 방전된 경우가 가장 짧았으며, 인체의 직접 방전에 의한 경우가 상승시간은 가장 완만하였다.
절연 손잡이 드라이버, 열쇠, 인체의 직접 방전 순으로 방전 전압의 피크값은 감소하였으며, 상승시간은 피크 값이 큰 조건일수록 짧게 나타났다.

후속연구

따라서 정전기 방전에 의해서 발생되는 전압 파형의 상승시간은 매우 빠르며 대체로 l[ns]이하에서 수십[ns] 범위이므로 정전기 방전에 의한 서지 보호기의 응답속도가 매우 빠른 것이 요구된다. 그러나 지속시간은 수십~수백[ns]정도로 정전기 방전에너지는 비교적 적으므로 보호기의 에너지내량은 크게 요구되지 않으나 고속응답과 정확한 차단특성을 가지는 소자가 필요하며, 방사에 의한 잡음에 대한 대책의 검토도 앞으로 연구하여야 할 과제이다.

참고문헌 (11)

Vinson, J.E., Liou, J.J. “Electrostatic discharge in semiconductor devices: protection techniques”, IEEE Proceedings, Vol. 88, pp.1878 -1902, 2000.

상세보기
S. U. Kim, "ESD Induced Gate Oxide Damage During Wafer Fabrication Process ", EOS/ESD Symposium Proceeding, Vol. EOS-14, pp.99-105, 1992.
E. W. Chase, "Electrostatic Discharge Mechanism and on Chip Protection Techniques to Ensure Device Reliability", J. Electrostatics, Vol. 24, pp.111-130, 1990.

상세보기
James E. Vinson and Juin J. Liou, “Electrostatic Discharge in Semiconductor Devices”, Proceeding of the IEEE, Vol. 86, pp.399-420, 1998.

상세보기
Wilson, P.F., Ma, M.T. "Fields radiated by electrostatic discharges", IEEE Trans., Vol. EMC-33, No.1, pp.10-18, 1999.

상세보기
W. P. O'Neill, B. R. Varlow, “Electrostatic Discharge from the Human Body”, IEE Proceeding, Vol. 133, No. 9, pp.606-610, 1986.
J. Lalot, “Generation and Measurement of Fast Transient Overvoltage with Special Reference to Disconnector Operation in GIS”, CIGRE Int. Conf. on Larger High Voltage Electric Systems, No.36-88, WG-03, 1986.
Edmund K. Miller, Time-Domain Measurement in Electromagnetics, Van Norstand Reinhold Co., pp.175-290, 1986.
백용현, 이복희, 안창환, “전계측정용 센서의 개발”, 전기학회 논문지, Vol. 40, No. 6, pp. 630-637, 1991.
Jonassen, N., “Human body capacitance: static or dynamic concept”, Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium Proceedings, pp.111-117, 1998.
“IEEE Guide on Electrostatic Discharge : ESD Withstand Capability Evaluation Methods for Electronic Equipment Subassemblies", IEEE Std., C62.38, pp.5-11, 1995.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증