오늘은 정전기 발생 위험성 방지대책 제전기에 대하여 알아보겠습니다.정전기는 마찰이나 분리 등으로 물체에 전하가 축적되어 발생하며, 방전 시 인화성 물질과 만나면 화재나 폭발을 일으킬 수 있어 산업현장에서 큰 위험 요소이다. 이를 방지하기 위해 도전성 재료 사용, 접지, 습도 유지, 작업자의 정전기 방지복 착용 등 다양한 대책이 요구된다. 제전기는 공기 중에 이온을 방출해 정전기를 중화·제거하는 장치로, 작업환경의 안전 확보와 정전기 유도 사고를 사전에 차단하는 핵심 설비로 활용된다.
1. 정전기 발생 위험성
1.1 화재·폭발 위험
정전기는 가연성 가스, 증기, 분진 등이 존재하는 환경에서 방전(Spark) 을 일으킬 경우, 화염의 점화원이 되어 화재 또는 폭발사고를 유발한다.
예를 들어, 분체 이송 중 정전기 축적에 의해 발생한 방전이 분진폭발로 이어지거나, 도장공정에서 유기용제가 기화된 상태에서 방전되면 인화성 기체에 점화되어 대형사고로 확산될 수 있다.
특히, 정전기의 점화에너지는 수 mJ(밀리줄) 수준이지만, 인화성 가스의 최소 점화에너지는 수백 μJ이므로 충분히 발화원이 된다.
W = 1/2 ⋅ C ⋅ V2
| 항목 | 설명 |
|---|---|
| W | 방전 에너지 (J, 줄) |
| C | 정전용량 (F, 패럿) |
| V | 축적 전압 (V, 볼트) |
정전기 방전 에너지 계산 예시
예시: 사람의 정전용량 C = 100 pF, 축적 전압 V = 5,000 V일 때
W = (1 / 2) × C × V2
= (1 / 2) × 100 × 10-12 × (5,000)2
= 1.25 × 10-3 J = 1.25 mJ
위 결과는 1.25 mJ로, 이는 일반적인 가연성 가스의 최소 점화에너지(0.2~1.0 mJ)를 초과하므로 화재 또는 폭발 위험이 매우 높음을 의미합니다.
1.2 전격(감전) 위험
정전기에 의해 인체에 수 kV의 고전압이 순간적으로 통전되면 피부, 손가락 등 노출 부위에 전기적 충격(전격)을 유발할 수 있다.
비록 전류량은 작으나, 자율신경계에 일시적 영향을 주거나 근육경련, 심장 리듬에 영향을 줄 가능성이 있다.
특히 고온·건조 환경에서 작업자 의복에 정전기가 축적될 경우, 금속에 접촉 시 불쾌감과 함께 심한 경우 작업 중 사고 유발 요인이 되기도 한다.
- 일반적인 인체 저항: 1~100 kΩ (피부상태·습도에 따라 변동)
정전기 전류 계산 예시
조건: 정전기 전압 V = 10,000 V, 인체 저항 R = 100 kΩ
I = V / R
= 10,000 / 100,000 = 0.1 A = 100 mA
해설: 위 전류 값인 100 mA는 순간적이라 하더라도 인체에 일시적 경련, 반사적 사고 유발 가능성이 있는 수준입니다. 특히 마른 손이나 건조한 환경에서는 피부 저항이 낮아져 더 많은 전류가 흐를 수 있습니다.
1.3 생산장해 위험
정전기 방전은 민감한 전자부품이나 센서류에 전기적 손상을 입히거나 오동작을 유발하며, 이로 인해 라인 멈춤, 불량률 증가, 생산성 저하로 이어진다.
예를 들어, 반도체·LCD·정밀전자 조립라인에서는 정전기 방전(ESD: Electrostatic Discharge)에 의해 회로 파괴, 소자 고장, 검사장비 오작동 등이 빈번하게 발생한다.
또한, 포장기계나 분체 이송라인에서는 분진 흡착, 이물질 부착, 제품 sticking 현상으로 인해 생산 품질에 직접적 영향을 미친다.
| 부품 종류 | 민감 전압 범위 (V) |
|---|---|
| MOS 트랜지스터 | 100~500V |
| CMOS 회로 | 250~3,000V |
| LED, 센서, 패키지 등 | 1,000~2,000V |
※ 정전기 방전은 1,000V 이상에서 쉽게 발생하므로, 민감 소자는 정전기 보호 없이는 취급 금지.
2. 방지대책
2.1 도체(전기가 통하는 물질)의 대전 방지
- 접지(Earthing)가 가장 기본적인 대책이다. 도체는 외부와 접촉 시 전하가 쉽게 흐를 수 있기 때문에 정전기 축적을 막기 위해서는 금속 설비·탱크·배관 등을 접지선으로 대지에 연결해야 한다.
- 접지는 저항값을 10⁶Ω 이하로 유지해야 하며, 이동식 장비는 점퍼 케이블(점퍼선) 등을 이용해 임시 접지를 해야 한다.
- 접촉 저항이 높은 경우에는 접지의 효과가 떨어지므로, 산화된 표면·도장면은 연마하거나 제거한 뒤 접지할 것.
2.2 부도체(전기가 통하지 않는 물질)의 대전 방지
- 부도체는 접지를 하더라도 정전기 축적을 막을 수 없기 때문에 대전 방지제(Antistatic agent)를 표면에 도포하거나, 이온화 장치(제전기)를 이용해 전하를 중화시켜야 한다.
- 플라스틱 필름, 벨트, 절연체 컨베이어 등은 마찰 시 정전기를 잘 축적하므로 도전성 재료로 대체하거나, 표면에 습도를 높여 정전기 방전 경로를 확보해야 한다.
- 상대습도 70% 이상 유지도 유효하며, 이는 공기 절연저항을 낮춰 부도체의 전하 축적을 줄인다.
2.3 인체의 대전 방지
- 작업자 역시 정전기 축적원이므로, 인체에 축적되는 전하를 방지하기 위해 정전기 방지복, 도전성 안전화, 손목 접지 밴드 등을 착용해야 한다.
- 도전성 매트나 도전성 바닥재는 인체와 대지 간 전하 흐름을 유도하여 방전을 억제한다.
- 개인용 접지선은 금속 부분 또는 접지 매트와 연결하여 인체 정전기 발생을 제어하는 실무적 방법이다.
2.4 정치시간(Dwell time)의 조절
- 정전기는 액체나 분체가 흐를 때 마찰 또는 분리 과정에서 생성되므로, 유속이나 체류시간을 적절히 조절하면 정전기 발생을 줄일 수 있다.
- 예를 들어, 분체 투입 시 속도가 빠르면 마찰과 충돌이 커져 전하가 더 쉽게 축적되므로 저속 이송이 권장된다.
- 유체를 저장한 후 일정 시간 정치시켜 전하가 자연 소산되도록 하는 방법도 유효하다.
- 플로우 정전기 방지 설계(배관 두께, 밸브 모양 조절 등)를 통해 마찰 저감을 설계에 반영할 수 있다.
정전기 방지대책 정량 기준 및 수식
| 구분 | 정량 기준 / 수식 | 설명 |
|---|---|---|
| ① 도체의 대전 방지 | Rg ≤ 106 ΩW = ½·C·V² |
금속 설비는 접지를 통해 정전기 방전 유도 예: C=100pF, V=5,000V → W=1.25mJ |
| ② 부도체의 대전 방지 | Rs ≤ 1010 ΩRH ≥ 60% |
표면저항 낮추기, 대전방지제 사용, 상대습도 60% 이상 유지로 방전 촉진 |
| ③ 인체의 대전 방지 | Rf ≤ 108 ΩI = V / R |
정전기 방지복·신발 착용, 예: V=10,000V, R=100kΩ → I=0.1A=100mA |
| ④ 정치시간 조절 |
Qt = Q0 · e-t⁄RC(잔류전하가 시간에 따라 지수적으로 감소) |
정치시간은 τ = R·C이며, 이 시간 후 전하는 약 36.8%로 감소됨.전하의 자연 소산 시간 설계 및 분체 유속 제한에 활용됨. |
이 그래프는 정전기 축적 후 잔류전하 Qt가 시간 t에 따라 지수적으로 감소하는 모습을 보여줍니다. 정치시간 τ(RC) 이후 전하는 약 36.8% 수준으로 떨어지며, 이를 기반으로 설비 설계 시 방전 대기시간 등을 정량적으로 결정할 수 있습니다.
3. 제전기
정전기 방지를 위한 제전기(이오나이저)는 사용 목적, 환경, 정전기 발생 원인 등에 따라 다양한 방식으로 구분됩니다. 대표적인 제전기의 종류는 아래와 같습니다.
3.1 전압인가식(코로나 방전식) 제전기
전압인가식(코로나 방전식) 제전기는 금속 침(바늘) 또는 세선(가는 선) 형태의 전극에 약 7,000V 내외의 고전압을 인가하여, 전극 끝에서 코로나 방전을 일으키는 방식입니다. 이 방전 현상에서 공기 중에 플러스(+) 이온과 마이너스(-) 이온이 생성되며, 이 이온들이 정전기를 띤 물체에 부딪혀 정전기를 중화(제거)합니다.
3.1.1 특징
- 도체(금속)와 절연체(플라스틱 등) 모두에 효과적으로 적용할 수 있습니다.
- 설치만으로 자동으로 정전기를 제거할 수 있습니다.
- 제전효과가 매우 뛰어나 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 방식입니다.
- 플러스와 마이너스 이온 모두를 발생시킬 수 있어 다양한 대전 상태에 대응 가능합니다.
- 주기적인 유지보수가 필요합니다(전극 청소 등)
3.1.2 구조와 형태
- 전극(침, 세선 등)과 고전압 전원부로 구성되어 있습니다.
- 바(Bar) 타입, 블로워(송풍기) 타입, 노즐 타입 등 다양한 형태로 제작되어 현장 환경에 맞게 적용할 수 있습니다.
3.1.3 적용 예시
- 반도체, 인쇄, 필름, 플라스틱, 제지, 전자부품 제조 등에서 정전기 방지 및 먼지 부착 방지, 불량률 감소를 위해 사용됩니다.
3.2 자기방전식
자기방전식 제전기는 별도의 고전압 전원 없이, 대전된 물체(정전기가 쌓인 대상)의 전기적 에너지를 활용하여 정전기를 제거하는 방식입니다. 구조는 주로 금속 프레임이나 브러쉬 형태의 전도성 섬유를 접지(어스)에 연결한 매우 단순한 형태입니다.
대전된 물체가 자기방전식 제전기의 전도성 섬유(또는 금속 침)에 가까워지면, 정전유도 현상에 의해 섬유의 끝부분에 대전체와 반대 극성의 전하가 집중됩니다. 이 전하가 일정량 이상 모이면, 침상 도체(전도성 섬유) 끝에서 미약한 코로나 방전이 발생하고, 이때 생성된 이온이 대전체로 이동해 정전기를 중화합니다
3.2.1 특징
- 전원이 필요 없다: 고전압 전원 없이 작동하므로 구조가 매우 간단하고 저비용입니다.
- 취급이 간단: 설치와 유지보수가 쉽고, 주로 복사기, 팩스 등 사무기기나 간단한 산업현장에 많이 사용됩니다.
- 제전능력의 한계: 제전 효과는 대전된 물체의 대전량과 제전기와의 거리, 환경에 크게 의존합니다. 대전량이 적거나 거리가 멀면 효과가 떨어집니다.
- 정밀 제전에는 부적합: 높은 정밀도나 강한 제전 효과가 필요한 경우에는 전압인가식(코로나 방전식) 제전기 등 다른 방식이 더 적합합니다.
3.2.2 구조와 형태
- 금속 프레임, 침상 도체, 전도성 섬유(브러쉬) 등으로 구성
- 접지(어스) 연결이 필수
3.2.3 적용 예시
- 복사기, 팩스, 프린터의 용지 급지구 등 소규모, 저전력 환경
- 간단한 대전 방지가 필요한 산업현장
3.3 방사선식
방사선식 제전기는 방사성 동위원소(예: 폴로늄-210, 아메리슘-241 등)에서 방출되는 방사선의 전리작용을 이용하여 공기 중에 이온을 생성하고, 이 이온을 통해 대전된 물체의 정전기를 중화하는 방식입니다. 방사선이 공기 분자를 전리시켜 플러스(+) 이온과 마이너스(-) 이온을 만들어내며, 이 이온들이 대전체와 결합해 정전기를 제거합니다.
3.3.1 특징
- 전원이 필요 없음: 방사선 자체의 에너지로 이온을 발생시키므로 별도의 전원이 필요하지 않습니다.
- 구조가 간단: 기계적 구조가 단순하고, 유지보수가 거의 필요 없습니다.
- 제전능력은 낮음: 생성되는 이온의 양이 적어 제전 능력이 다른 방식(전압인가식 등)에 비해 떨어집니다.
- 점화원 위험이 적음: 전기적 스파크가 없으므로, 인화성·폭발성 물질이 있는 환경(예: 가연성 탱크 내부)에서 안전하게 사용할 수 있습니다.
- 방사선 안전 관리 필요: 방사성 동위원소를 사용하므로, 인체 및 환경에 대한 안전 관리가 필수적입니다.
3.3.2 적용 예시
- 인화성, 폭발성 물질이 저장된 탱크 내부 등 전기적 점화원이 위험한 환경.
- 제전 능력보다 안전성이 우선되는 특수 산업 현장
3.4 이온 스프레이식(블로워, 노즐, 건 타입 등)
이온 스프레이식 제전기는 고전압을 인가한 방전침(침상 전극)에서 코로나 방전을 통해 플러스(+) 이온과 마이너스(-) 이온을 생성한 뒤, 송풍기(블로워), 노즐, 건 등으로 바람의 힘을 이용해 이온을 대전된 물체 표면에 직접 전달하여 정전기를 중화시키는 방식입니다.
이 방식은 이온이 자연스럽게 퍼지는 것이 아니라, 강제로 바람을 이용해 먼 거리나 넓은 면적, 복잡한 구조물에도 이온을 효과적으로 전달할 수 있습니다.
3.4.1 주요 타입
- 블로워(Blower) 타입: 팬을 이용해 넓은 공간이나 표면에 이온을 분사.
- 노즐(Nozzle) 타입: 압축공기와 함께 이온을 좁은 영역이나 특정 지점에 집중적으로 분사.
- 건(Gun) 타입: 작업자가 직접 손에 들고 원하는 위치에 이온을 쏘는 방식으로, 이동성이 높음.
3.4.2 특징
- 넓은 면적, 원거리, 복잡한 구조의 대전체에 효과적.
- 도장, 필름, 플라스틱, 전자부품 등 다양한 산업 현장에서 사용.
- 바람의 세기, 방향, 이온 발생량을 조절할 수 있어 현장 맞춤형 제전이 가능.
- 설치 및 운용이 비교적 간편하며, 빠른 제전 효과를 얻을 수 있음.
3.4.3 적용 예시
- 도장 공정에서 정전기로 인한 도료의 부착률 향상 및 폭발 위험 저감.
- 반도체, 전자부품, 필름, 인쇄, 포장 등 다양한 제조 현장.
- 먼지 부착 방지, 불량률 감소 등 정전기 방지가 필요한 모든 산업 분야.