靜電問題、ESD對策及靜電的意外用途——利用靜電發電

來源：JLE電路保護與器件更新時間：2024-07-13 閱讀：

在一些國家和地區，“靜電”是冬季干燥的禍根。靜電就像字面一樣是靜態的，也就是電荷*1不移動，保持帶電狀態*2的電。

因衣服摩擦等而使帶電的人與不帶電的物體之間可能會產生幾千伏的高電壓。此時，當人接觸或接近該個物體時，帶電的電荷會立即流向物體從而產生放電。這種靜電現象被稱為ESD：Electro-Static Discharge（靜電放電）*3。

此外，如果帶電物體之間的電荷極性（正/負）相同，則它們相互排斥，如果它們的電荷極性不同，則相互吸引。在后一種情況下，會導致不必要的灰塵和污垢等可能會粘附在產品上。

下面分別列出了靜電引起的典型問題和有效利用靜電的示例。

*1 電荷：電是物質的固有屬性之一，這種電的來源稱為電荷。有正電（正）和負電（負）兩種極性，這種電荷的行為和舉動能引起各種電現象。

*2 帶電：例如，如果讓電荷不易移動、電流不易流動的物質——絕緣體貼在一起相互摩擦，則可能會進入其中一方帶有較多的正電荷或負電荷的狀態。這種電荷累積后的狀態稱為帶電。

*3 包括ESD（靜電放電）在內，放電時電荷移動，也就是有電流流動，因此ESD好像不應該被認為是靜電現象。但是，鑒于ESD是瞬時放電且電流很小，我們在此將ESD視為一種靜電現象。

靜電問題1：ESD（靜電放電）與ESD破壞

IC等電子設備中發生ESD可能會導致電子設備發生故障和誤動作。電子設備因發生高電壓下的瞬時放電而無法正常工作被稱為“ESD破壞”，它不僅在電子產品的制造工序中，而且在產品購買者使用時都會導致故障和問題。

此外，衣服等特別容易因摩擦而帶電和發生ESD，例如，如果帶電作業人員在制造現場接觸產品，則皮膚會感受到刺激和疼痛，給人帶來痛苦。而且，帶電作業人員可能會導致ESD破壞，從而產生缺陷產品（照片1）。

照片1：特別是在使用電子設備的制造現場，需要注意影響成品率的ESD破壞

靜電問題2：帶電引起的灰塵、污垢等異物的粘附

空氣中的灰塵、污垢、金屬粉末等異物與工件*4和產品分別帶正電/負電或負電/正電后，就會像前面所述的那樣在雙方之間產生吸引力，異物會粘附到后者上面。

例如，如果異物粘附在金屬（導體）設備的外殼或車體上，則可能會導致噴涂質量下降。此外，如果異物粘附在樹脂（絕緣體）薄膜、片材、食品容器等產品上，則可能會出現次品，還有，在保管過程中也會由于粘附了細小的異物而使產品受到玷污，可能會導致質量下降和投訴。而且，在薄膜類產品的制造和加工工序中，基材扭曲和邊角起翹可能會導致在形成涂膜的藥劑和液體材料的涂抹工序以及卷繞過程中出現問題（照片2）。

*4 工件：制造過程中的加工對象物體。例如，在金屬外殼的壓制成型工序中，壓制材料被稱為工件，而在外殼涂裝工序中，外殼本身就被稱為工件。

靜電的意外用途：與降雪時利用靜電發電相關的研究

在空氣干燥的冬季，靜電在各種工業產品和人們的生活中造成上述問題。除此之外，在寒冷地區，太陽能電池板上的積雪會導致太陽能發電的效率顯著降低，再加上供暖使電力需求增加，有可能成為大問題。

靜電一直被認為只會造成這些影響和問題，但是，與利用降雪產生靜電的能量收集*5相關的研究也在進行。

*5 能量收集：指從熱量、陽光、照明、人體運動和機器工作產生的振動等日常環境中收集能量，再將其其轉化為電能的發電技術。

例如，美國的一個研究團隊正在研究和開發一種裝置，該裝置可以從與雪接觸或摩擦而產生的靜電中獲取電能。人們發現雪在一定的溫度范圍內會帶正電。當帶正電的雪和帶負電的物體因接觸或摩擦而緊密接觸或滑動時，就會產生電壓。基于這一原理，研究團隊實現了利用雪的能量收集，并成功地從該裝置中獲取了電能。由于該裝置在薄、輕和柔軟性方面非常出色，因此有望獲得廣泛的應用。

功能性防寒用具就是其中的一個使用示例。通過在衣服表面或鞋底安裝該設備進行發電，再通過加熱器進行取暖，在降雪期間進行冬季體育活動等戶外活動中感知運動和身體狀態，這些都可以不使用事先充好電的二次電池等即可實現（照片4）。

此外，人們認為，通過采用這種設備本身就能進行感知的機制，可以更加容易地在電力供應困難的地方的設置和運行氣象觀測設備。

照片4：通過將與雪接觸時會發電的設備使用在衣服上，可以獲得可穿戴加熱器和傳感器等所需要的電力（照片為示意圖）

基于這樣的新想法，與能量收集相關的研究和開發不斷多樣化并取得進步，對未來能量獲取的新選項將會增加的期望不斷上升。

在制造現場和設計階段都必不可少——靜電對策和ESD對策

除了用于上面提到的能量收集等，靜電還被用于打印機、復印機、除塵器以及各種制造和加工設備等。然而，比起這些有益的方面，可以說開頭提到的ESD破壞和異物粘附等問題更引人關注。為了避免這些問題，只能全力實施各種對策。以下介紹具體對策的一些示例。

防止制造工序中產生次品的靜電對策

帶電即靜電的一個眾所周知的原因是由物體或人在運動時的摩擦而產生的帶電（摩擦帶電）。這種帶電在產品的制造工序中也經常發生。針對由這些原因引起的靜電問題的典型對策是使用“靜電消除器”，它通過用空氣將離子吹到對象物體上來中和帶電電荷。

除靜電器有對在搬運線等上面帶電的工件上的靜電進行中和并將其去除的桿型、對在手工裝配工序等當中產生的靜電進行中和并將其去除的帶風扇鼓風機型、一邊將空氣集中吹到目標點一邊去除靜電，從而將因靜電而粘附的異物去除的槍型等各種各樣的形式。

此外，佩戴腕帶將靜電釋放到地面（GND）以防止作業人員的手導致ESD也可以說是防止因人而產生的ESD破壞導致產生缺陷產品的基本對策（照片5）。

使用電子設備時，ESD對策也很重要。“ESD保護裝置”中的靜電對策

電子設備中的ESD等靜電危害不僅會發生在制造工序中，還會發生在購買者的使用過程中。例如，如果電子設備中的IC等電子器件因開關操作等而產生ESD，就會導致誤動作或因SED破壞而發生故障。因此，在設計階段就需要針對靜電危害和ESD采取對策。

電子設備在使用過程中特別容易產生ESD的地方是人用手操作的地方，例如按鈕、插拔USB等插頭的連接器等各種外部接口等。換句話說，操作導致向IC瞬間施加高電壓，從而產生ESD后，電子設備發生故障或出問題的風險會增加（圖 1）。因此，可以毫不夸張地說，電子設備中需要ESD對策的地方，就是用戶接觸或接近的各個地方。