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Apr 02, 2023

静電気の軽減

Il professore associato Niels Jonassen scrive una rubrica statica bimestrale.

Neils Jonassen 准教授は、Compliance Engineering Magazine に隔月で掲載される静的なコラムを執筆しました。 このシリーズでは、帯電、イオン化、爆発、その他の ESD 関連のトピックを取り上げました。 ESD アソシエーションは、In Compliance Magazine と協力して、静電気分野に関する時代を超越した洞察を提供する記事としてこのシリーズを再発行します。

ジョナッセン教授は、1983 年から 2006 年まで ESD 協会の会員でした。 彼は 1989 年に ESD 協会優秀貢献賞を受賞し、技術論文、書籍、技術レポートを執筆しました。 彼は静電気制御の理解への貢献で記憶されており、私たちは彼の記憶の中で「ミスター・スタティック」を再演します。

～ESD協会

許可を得て転載: Compliance Engineering Magazine、Mr. Static Column Copyright © UBM Cannon

絶縁体に対する静電荷の有害な影響は、軽減または無効化することができます。

この 2 部構成のシリーズの最初の部分 (「静電気の軽減 – パート I: 導体」、コンプライアンス マガジン、2013 年 6 月) では、導体の静電気の軽減について説明しました。 この第 2 回目では、導体の電荷とは異なる方法で中和する必要がある絶縁体の電荷について説明します。

原則として、絶縁体の電荷を中和するには 3 つの方法があります。材料全体を通るコンダクタンス、材料の表面に沿ったコンダクタンス、空気から逆に帯電したイオンを引き付ける方法です。

バルクコンダクタンス

材料に移動電荷キャリアが含まれている場合、その材料はバルク導電性であると言われます。 材料内の電界強度 E が電流密度 j を放出する場合、材料のバルク導電率 g は次のように定義されます。

j = γE (1)

または、通常書かれているように、

E = ρj (2)

ここで、r = 1/γ はバルク抵抗率です。 これらの方程式はオームの法則の一種です。 式 2 から、r の単位は (V/m)/(A/m2) = Ω ∙ m であることがわかります。

図 1 は、バルク抵抗率 ρ と比誘電率 εr をもつ材料 A を示しています。 「A」は接地されたプレート G の上にあります。A が表面電荷密度 σ で帯電している場合、場 E が A に確立され、G に向けられます。すべての力線 (総電束) が存在すると仮定します。 A を通過する電荷からの電荷によるものです (つまり、A の外側の磁場は無視できます)。 この場により、正の電荷キャリアが G に向かって移動し、負の電荷キャリアが A の表面に向かって移動し、最終的には元の電荷から場を中和します。

図 1: 材料 A はバルク抵抗率 r と比誘電率 εr を持ちます。

電荷密度 σ は、式に従って材料 A を通じて減衰するように見えます。

(3)

ここで、初期電荷密度は、

t = 月、(4)

は時定数で、εo = 8.85 × 10–12 F ∙ m–1 です。 したがって、材料パラメータ r および er の測定から、表面電荷がどれくらいの速さで中和されるかを予測することが可能です。 問題は、絶縁体をバルク導電性にする方法です。

バルク導電性絶縁体

絶縁体を通した電荷の輸送について話すことは矛盾しています。 これが可能であれば、その材料は実際には絶縁性ではなくなるでしょう。 長年にわたり、絶縁材料の他の (通常は機械的) 望ましい特性を損なうことなく、絶縁材料に適切な導電性を与えるために多くの試みが行われてきました。 通常、これは材料を本質的に導電性の添加剤と混合することによって行われます。 このような固有帯電防止剤の最もよく知られた例はカーボン ブラックです。 カーボン ブラックはさまざまなポリマー材料に添加でき、ベース材料の黒色化が許容できる場合に使用されます。

長年にわたり、カーボン ブラックの最も重要な用途は導電性ゴムでした。 通常の加硫ゴムの体積抵抗率は 1013 Ω・m ですが、カーボンブラックを添加すると抵抗率を最大 1015 分の 1 まで下げることができます。ただし、通常、105 ～ 106 Ω・m 程度の抵抗率は、危険を防ぐのに十分な低抵抗です。または迷惑な電荷の蓄積。

導電性ゴムは、病院の手術室、麻酔器のチューブ、カートの車輪、静電気防止靴の靴底、車のタイヤなどで広く使用されています。 車から降りるときにドライバーや同乗者が受ける衝撃は、車が地面に放電することによって引き起こされるものではないことに注意してください。 その代わり、人が断熱シートの椅子から立ち上がるときに帯電するのと同じように、運転者はシートカバーの上を滑るときに帯電する可能性があります。 その結果、人間と事実上接地電位にある車の金属部分との間で火花が飛散する可能性があります。

カーボン ブラックの別の用途は、固体および繊維製の帯電防止床材の製造です。 織物繊維は、カーボン ブラックの中心コアとポリアミドのシース、または逆にポリアミドの中心コアとカーボン ブラックのシースで作成できます。

少なくとも経済的な観点から見て、カーボン ブラックの最も重要な用途は間違いなくエレクトロニクス産業です。 キャリアトレイ、ホルダー、チューブ、トートボックス、バッグなどの基材にカーボンブラックを充填することにより、これらのアイテムは十分な導電性を持ち、材料自体の静電気を確実に迅速に中和します。 通常、充填はバルク導電率を高めるために材料のマトリックス全体に均一に行われますが、薄い導電性表面層の形をとることもあります。

表面コンダクタンス

多くの静電気プロセスでは、電荷の分離だけでなく、それに続く電荷の中和も、関係する材料の表面内または表面に沿って行われるようです。 したがって、表面の抵抗特性を特徴付けるために、式 1 および 2 のバルク パラメータと同様の量を定義することが現実的であるように思われるかもしれません。

表面に沿った強度 Es の場が線密度 js の電流を放出する場合、表面導電率 gs は次のように定義できます。

js = γsEs (5)

または、通常書かれているように、

Es = ρsjs (6)

ここで、ρs = 1/γs は表面抵抗率です。 js は単位 A/m の線形電流密度であるため、式 6 から ρs の単位は (V/m)/(A/m) = V/A = Ω であることがわかります。 式 5 と 6 は両方とも、表面コンダクタンスに関するオームの法則を表しています。

バルク抵抗率 (および誘電率) の知識を使用すると、電荷からの場が主に材料自体に流れる限り、材料全体のコンダクタンスによって電荷がどのくらい早く中和されるかを予測できます (式 3 を参照)。 この条件は、バルクコンダクタンスでは十分な精度で満たされることがよくありますが、表面コンダクタンスではめったに満たされません。

図 2 は、絶縁材料 A の上に薄い導電層 B があることを示しています。接地電極 C は B の一端に直接接触して配置され、正電荷 q が他端に配置されています。 B. C がシステムの近くにある唯一の導電性の接地されたアイテムである場合、q からのすべての力線は最終的に C で終わります。B を通る力線の部分により、負の電荷キャリアが q に向かって移動し、最終的には中和されます。 ただし、絶縁体 A を通過する、または空気を通過する磁場は、中和プロセスにまったく寄与しません。

図 2: 導電層 B を備えた絶縁材料 A

表面導電性絶縁体

相対湿度が高い環境、たとえば 50 ～ 60% を超える環境では、静電気の問題がほとんど発生しないことはよく知られています。 この事実は、湿った空気の方が乾燥した空気よりも導電率が高いことを意味すると誤って解釈されることがあります。 ただし、湿度が高くなると小さな空気イオンの移動度がわずかに低下するため、湿った空気はむしろ導電性が低くなります。 空気湿度が上昇すると、すべての表面上または内部の湿気層の厚さが増加します。この層には、中和電荷を提供する電解質イオンが含まれています。

空気から吸収または吸着される水分の量は、対象となる素材に大きく依存します。 綿などの素材は、湿度が 30 ～ 35% の低い場合には電荷保持がほとんど見られない可能性がありますが、ポリアミドのような素材では、帯電防止とみなされるには 50% 以上の湿度が必要な場合があります。 一般に、湿度が 60% 以上では電荷は発生しません。 一方、このような高レベルの湿度が長期間維持されると、実用上、技術上、または衛生上の問題が生じることがよくあります。

局所的な静電気防止剤

多くの場合、表面を帯電防止剤 (局所帯電防止剤) で処理することにより、比較的低い湿度でも、絶縁性の高い材料の表面を十分に導電性にすることが可能です。 これらの薬剤は、未処理の表面よりもはるかに容易に空気から湿気を引き付ける、数分子の厚さの表面層を形成することによって機能します。

帯電防止剤は明らかに吸湿性でなければなりませんが、処理された表面から急速に蒸発しないように蒸気圧も低くなければなりません。 さらに、色、毒性、引火性などに関する要件も課されます。

化学的に言えば、帯電防止剤は両親媒性化合物であり、その分子には親水性末端基が結合した疎水性基が含まれています。 末端基の性質に応じて、薬剤はカチオン性、アニオン性、および非イオノゲン性薬剤に分類されます。 カチオン性物質は通常、高分子のハロゲン化第四級アンモニウム、またはエトキシル化脂肪アミンまたはアミドです。 アニオン性材料はスルホン化炭化水素であり、非イオノゲン性材料はポリアルキレンオキシドエステルである。

局所帯電防止剤は、繊維、プラスチック、印刷業界で広く使用されています。 一般的な用途は、床を横切る人の体内電圧を下げるための床材の処理です。 繊維製床材の場合、適切な帯電防止処理を行うと 2 ～ 3 か月間効果が持続する場合があります。 硬質床材の場合、通常、洗濯のたびに帯電防止処理を繰り返す必要があります。

永久帯電防止材料

場合によっては、帯電防止剤を、重合前または少なくとも押出前のいずれかにポリマーと配​​合してもよい。 この技術の最もよく知られた例は、おそらく、一般にピンクのポリとして知られる帯電防止ポリエチレンの製造でしょう。 エトキシル化脂肪アミンまたはアミドは、粘着性を防ぐために、低密度ポリエチレンなどの樹脂および炭酸カルシウムなどのブロック防止剤と混合されます。 必要な最終製品 (フィルム、シート、トレイ、箱など) に押出または成形した後、添加剤は表面に拡散 (ブルーム) して空気中の水分を引きつけ、材料を帯電防止にする必要があります。

ピンクのポリは、ピンク以外にもさまざまな色合いで表示されますが、間違いなくエレクトロニクス業界で敏感なコンポーネントや回路のパッケージ化、保管、輸送に最も広く使用されている材料です。 添加剤が組み込まれた材料は、その添加剤が表面に存在する限り、帯電防止特性を維持します。

ほとんどの添加剤の蒸気圧はかなり低いですが、常に表面から一定レベルの蒸発が発生します。 新鮮な材料の場合、この蒸発は材料の内部からの拡散によって相殺されます。 固体中の添加剤の供給が枯渇すると、表面濃度を維持できなくなります。 表面は「乾燥」し、その結果、表面抵抗率が増加し、最終的には帯電防止特性が失われると言われています。

永久帯電防止材料の有効寿命は多くの要因に依存しますが、その中で最も重要なのは環境の温度と材料の厚さであり、これらによって (所定の体積濃度の場合) 表面への拡散に利用できる添加剤の量が決まります。 。 表面に拡散する添加剤は、空気中の水分を引き寄せるだけでなく、材料と接触するコンポーネントやデバイスと望ましくない形で反応する可能性があることにも言及する必要があります。 このような望ましくない反応には、脂肪族アミンを含む帯電防止材料で梱包した場合の、プリント基板やポリカーボネート製のその他の品目のひび割れやひび割れが含まれます。

空気イオンによる電荷中和

絶縁体上の電荷を中和するための上記のすべての方法では、表面抵抗率やバルク抵抗率などの材料パラメーターの何らかの変更が含まれます。 ただし、多くの場合、そのような変更は不可能であり、受け入れられません。 このような場合、残る方法は 1 つだけです。逆に帯電した空気イオンで電荷を中和することです。 以前の記事 (コンプライアンス マガジンの「イオン」、2011 年 11 月) では、空気イオンの物理的特性とその形成について説明しました。 この記事では、電荷の中和プロセスに焦点を当てます。

バルクおよび表面伝導に関与する電子または電解質イオンのいずれかの電荷キャリアは、常に存在し、電荷による場にさらされるとすぐに移動できる、かなり安定した量です。 中和プロセスでは濃度は変化せず、マイナスイオンとプラスイオン（電解質）イオンは互いに消滅しようとすることなく隣り合って存在します。 場合によっては（バルク伝導）、電荷がどれくらいの速さで中和されるかを予測することも可能です。

しかし、空気イオンの場合はそうではありません。 まず、空気イオンは、ラドンおよびラドン娘濃度が高い環境を除いて、使用される場所には自然には存在しません。 それらはどこか別の場所で（高電場または放射性崩壊によって）生成され、場によって、時には空気の流れによって充電される必要があります。 さらに、空気イオンは不安定な構造であり、寿命が限られています。 安定した高いバルクまたは表面の導電率は、適切な材料内または材料上に作成できますが、空気イオン化の場合は当てはまりません。

部屋の中で同程度の濃度の正イオンと負イオンが存在し、高密度のイオンが生成されたとします。新しく生成されたイオンが供給されなければ、イオンは消滅します。 イオンは浮遊粒子と結合して消滅します。 正イオンと負イオンが再結合して酸素、窒素、およびいくつかの水の分子に変化することによって。 または部屋の表面にメッキを施すこともできます。

空気イオンは一見マイナスの性質を持っていますが、空気イオンの使用は絶縁体の電荷を中和する唯一の方法です。

空気伝導率と抵抗率

イオンを含む空気は、移動電荷キャリアを含む固体材料と同様に導電性です (式 1 および 2 を参照)。 ただし、空気イオンを扱う場合には、マイナスイオンによる導電性とプラスイオンによる導電性を区別する必要があります。

正イオンと負イオンが存在する雰囲気では、電場 E により、E の方向に密度 j+ の電流が発生します。

j+ = γ+E (7)

ここで、g+ は正イオンによって引き起こされる導電率 (正の導電率) です。

式 7 は次のように書き換えることができます。

E = ρ+j+ (8)

ここで、ρ+ = 1/γ+ は空気の正の抵抗率です。

同じ磁場 E は、磁場の方向と反対の方向に密度 j– の電流 (負イオンによって運ばれる) も引き起こし、E = p− j− (9) となります。

ここで、p−は空気の負の抵抗率です。

図 3 は、正イオンと負イオンが存在する雰囲気中の正に帯電した絶縁体 A を示しています。 正イオンは (A 自体が正に帯電している限り) 反発するため、A の電荷には影響を与えません。

図 3: 接地された物体から遠く離れたイオン化大気中の正に帯電した絶縁体

一方、マイナスイオンは A に引き寄せられ、表面に現れます。 陰イオンの電荷が実際に A の正電荷を中和するのか、それともメッキアウトイオンからの電場が A の電荷からの電場を単に重ね合わせているだけなのかは、学術的に興味深い問題です。 その結果、A は徐々に電荷を失っていくように見えます。 A からの場 (磁束) が主に負の抵抗率 p- を持つ大気中に広がる場合、A の電荷 q+ は次の方程式に従って減衰するように見えます。

(10)

ここで、qo+ は初期電荷、τ+ は次の式で与えられる正電荷減衰の時定数です。

τ+ = eor− (11)

したがって、正電荷の中和率は、周囲の負の抵抗率、より正確には、負イオンによって引き起こされる抵抗率によって決定されるように見えます。

式 10 と 11 は、固体材料によるバルク減衰に関する式 3 と 4 に類似していますが、式 11 から計算される時定数は、通常、実験的に求められるものよりも低いことを強調しておく必要があります。 その理由は、図 3 で想定されているように、帯電した物体が他の物体 (特に導体) から遠く離れていることはほとんどないためです。

図 4 の状況は現実に近いかもしれません。 ここでは、帯電した絶縁体 A が接地された導体 B の近くに配置され、接触している可能性もあります。 A からの力線の一部は B で終わり、イオンがまったく存在しないか、イオンがほとんどない空間を通過します。 場のこの部分は中和に完全には寄与しないため、そのプロセスは、A がイオン化雰囲気中で自由に浮遊している場合よりも遅くなります。

図 4: 接地導体の近くのイオン化雰囲気中で正に帯電した絶縁体

この状況は、図 2 に示した表面伝導の状況に非常によく似ています。 ただし、大きな違いがあります。 表面減衰時間は計算または予測できず、測定することもほとんどできませんが、空気イオンによる中和時間は、多くの場合、荷電プレート モニターまたは同様の機器を使用して正確に推定できます。

イオナイザーの種類

空気中のイオン化プロセスは、電子が酸素または窒素の分子からはぎ取られることから始まります。 このプロセスは、放射性イオナイザーと電界イオナイザーではさまざまな方法で行われます。

放射性イオナイザー:放射性物質（通常、半減期が半年程度のアルファ線放出核種）は基材上に配置され、多くの場合金でできた非常に薄い保護層で覆われます。

アルファ粒子は、たとえば 5 MeV (>> 8 x 10–13 J) のエネルギーで核種から放出されます。 このエネルギーのごく一部は保護層で消散しますが、アルファ粒子は依然として、数センチメートルの範囲に沿っておそらく 150,000 個の正イオンと負イオンのペアを生成することができます。

したがって、イオナイザーは、アルファ粒子の範囲よりも少し離れた距離で帯電物質の前に配置されます。 材料が正に帯電している場合、負イオンが引き寄せられて材料上に析出し、電界が徐々に減少します。

放射性イオナイザーの中和効率はそれほど高くありませんが、静電気のレベルが比較的低いため、特に密閉された空間では、放射性イオナイザーは非常に便利です。 電気設備を必要とせず、潜在的に有害な放電を引き起こすことはありません。

かなり短寿命の核種が使用されるため、イオナイザーは定期的に交換され、長期間放置されません。 α線活性核種が使用されるため、外部からの放射線量はわずかです。 しかし、放射性物質が誤って環境中に拡散し、空気中に浮遊した場合には、それを吸入する可能性があります。 この場合、高エネルギーのアルファ線が内部線量を放出し、最終的に気道に放射線障害を引き起こす可能性があります。 しかし、最新のイオナイザーを使用すると、そのリスクは非常に低くなります。

フィールドイオン化:放射性イオナイザーでは、多数の空気分子のイオン化を引き起こすのに十分なエネルギーでアルファ粒子が放出されます。 より一般的に使用される電気または電界ベースのイオナイザーでは、非常に不均一な電界で電子を加速することによって必要なエネルギーが供給されます。

図 5 は、点電極、いわゆるエミッタを示しています。 電極が接地された周囲に対して十分に高い電位に保たれている場合、電極のすぐ近くの電界強度 E は破壊電界強度 Eb を超えます。

図 5: 電界イオン化

この範囲では、正イオンと負イオンが生成されます。 エミッタがプラスの場合 (図 5 を参照)、マイナス イオンはエミッタに向かって移動し、そこで中和され、マイナスの電荷がエミッタに送られます。 したがって、正イオンはエミッタから遠ざかり、あたかもエミッタが実際に正イオンを放出しているかのように見えます。 しかし、そうではありません。 エミッターは何も放射しません。 イオン化プロセスは、エミッタの前の空気中でのみ行われます。 さらに、イオン化はエミッタの電圧によってではなく電場によって引き起こされます。

パッシブイオナイザー:フィールドイオナイザーの最も単純な形式はパッシブイオナイザーです。 それは本質的に単一の接地されたエミッタ、または（多くの場合）帯電した物質と平行に、またはその近くに配置された接地されたエミッタの列です。 電荷により電場が生じます。 電荷密度が十分に高い場合、エミッタ付近で破壊電界強度を超え、その領域に正イオンと負イオンが形成されます。 マイナスイオンはエミッターに移動して中和され、プラスイオンは帯電した物質に移動して、そこにある電荷を徐々に中和します。

電荷密度が低くなりすぎると、イオン化が停止します。 したがって、中和は停止します。 したがって、パッシブイオナイザーは材料を完全に中性にすることはできませんが、高レベルの電荷を低減することはでき、多くの業界ではこれで十分です。

エミッターが帯電した物質に触れるべきではないことを強調しておく必要があります。 中和は接触によってではなく、イオン化プロセスによって引き起こされます。

ACイオナイザー:パッシブイオナイザーでは十分な中和ができない場合、多くの場合、AC イオナイザーがその役割を果たします。 エミッタは、通常はキロボルト範囲の交流電圧源に接続されます。 エミッタの前では、正イオンと負イオンの形成が交互に行われ、帯電した物質の極性によって、引き付けられるイオンの極性が決まります。

ACイオナイザの欠点は、エミッタの電圧が降伏電圧を超えたときに、各半サイクルのその部分でのみイオン化が起こることです。 したがって、帯電した物質がイオナイザーを急速に通過すると、中和が不完全になる可能性があります。 さらに、AC 信号は対称であってはなりません。破壊電圧は、正イオン化よりも負イオン化の方が低くなります。

DCイオナイザー:最も効果的な中和は、通常、それぞれ正と負の電位に保持された 2 つのエミッターで構成される DC イオナイザーを使用することによって得られます (図 6 を参照)。

図 6: DC イオナイザー

イオナイザーのバランスが適切に保たれている場合、正イオンと負イオンが帯電した物質の前に同じ濃度で提供され、AC イオナイザーで説明したように、電荷の極性によって中和に使用されるイオンの種類が決まります。

中和される電荷​​が常に同じ極性である場合 (たとえば、図 6 の負に帯電した物質)、正の DC イオナイザーのみを使用するのが自然に思えるかもしれません。 ただし、これによって中和が確実に行われるわけではなく、イオナイザーによって正の電荷が発生する可能性があります。 したがって、イオナイザーが中和が行われるイオン濃度のバランスをとれることが重要です。

イオン化とイオナイザーに関する一般的な注意事項

実際の市販のイオナイザーは、図 5 および 6 に示すものとはあまり似ていません。多くの場合、イオンを必要な場所に推進するためにファンの前に取り付けられます。 このようなイオンブロワーは、局所的な除電に便利です。

より大きな領域またはより大きな体積で確実に中和する必要がある場合は、部屋全体のイオン化を使用できます。 このようなシステムでは、天井の下に多数のイオナイザーが取り付けられます。 エミッタは正と負を交互に切り替えることも、すべてを正弦波 (50 または 60 Hz) または方形パルス (1 ～ 2 Hz) の AC 電圧に接続することもできます。 方形パルス技術では、交互の極性のイオンが常に生成され、パルスがかなり長いため、反対極性のイオンが生成されて再結合が始まる前に、特定の極性のイオンがエミッタから遠ざかる可能性があります。ステップパルス手法で、短い正のパルスと負のパルスを 0.5 秒 (程度) 分離すると、プロセスを強化できます。 イオンは、場、拡散、そしてほとんどの場合層流によって中和が必要な職場や物品に運ばれます。

結論

この一連の記事は、静電気のリスクや迷惑行為と戦うためのハンドブックを目的としたものではありません。 むしろ、これらの問題に対処するさまざまな方法の概要を示し、さまざまな方法を実装することの長所と短所をある程度説明することを目的としています。

導体静電気放電絶縁体mr. スタティックニールズ・ジョナセン静電気

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