静电问题、ESD对策及静电的意外用途——利用静电发电

2023/05/29

与静电引起的问题/利用静电发电相关的研究

在一些国家和地区，“静电”是冬季干燥的祸根。静电就像字面一样是静态的，也就是电荷^*1不移动，保持带电状态^*2的电。

因衣服摩擦等而使带电的人与不带电的物体之间可能会产生几千伏的高电压。此时，当人接触或接近该个物体时，带电的电荷会立即流向物体从而产生放电。这种静电现象被称为ESD：Electro-Static Discharge（静电放电）^*3。

此外，如果带电物体之间的电荷极性（正/负）相同，则它们相互排斥，如果它们的电荷极性不同，则相互吸引。在后一种情况下，会导致不必要的灰尘和污垢等可能会粘附在产品上。

下面分别列出了静电引起的典型问题和有效利用静电的示例。

*1 电荷：电是物质的固有属性之一，这种电的来源称为电荷。有正电（正）和负电（负）两种极性，这种电荷的行为和举动能引起各种电现象。

*2 带电：例如，如果让电荷不易移动、电流不易流动的物质——绝缘体贴在一起相互摩擦，则可能会进入其中一方带有较多的正电荷或负电荷的状态。这种电荷累积后的状态称为带电。

*3 包括ESD（静电放电）在内，放电时电荷移动，也就是有电流流动，因此ESD好像不应该被认为是静电现象。但是，鉴于ESD是瞬时放电且电流很小，我们在此将ESD视为一种静电现象。

静电问题1：ESD（静电放电）与ESD破坏

IC等电子设备中发生ESD可能会导致电子设备发生故障和误动作。电子设备因发生高电压下的瞬时放电而无法正常工作被称为“ESD破坏”，它不仅在电子产品的制造工序中，而且在产品购买者使用时都会导致故障和问题。

此外，衣服等特别容易因摩擦而带电和发生ESD，例如，如果带电作业人员在制造现场接触产品，则皮肤会感受到刺激和疼痛，给人带来痛苦。而且，带电作业人员可能会导致ESD破坏，从而产生缺陷产品（照片1）。

照片1：特别是在使用电子设备的制造现场，需要注意影响成品率的ESD破坏图片 — 照片1：特别是在使用电子设备的制造现场，需要注意影响成品率的ESD破坏

静电问题2：带电引起的灰尘、污垢等异物的粘附

空气中的灰尘、污垢、金属粉末等异物与工件^*4和产品分别带正电/负电或负电/正电后，就会像前面所述的那样在双方之间产生吸引力，异物会粘附到后者上面。

例如，如果异物粘附在金属（导体）设备的外壳或车体上，则可能会导致喷涂质量下降。此外，如果异物粘附在树脂（绝缘体）薄膜、片材、食品容器等产品上，则可能会出现次品，还有，在保管过程中也会由于粘附了细小的异物而使产品受到玷污，可能会导致质量下降和投诉。而且，在薄膜类产品的制造和加工工序中，基材扭曲和边角起翘可能会导致在形成涂膜的药剂和液体材料的涂抹工序以及卷绕过程中出现问题（照片2）。

*4 工件：制造过程中的加工对象物体。例如，在金属外壳的压制成型工序中，压制材料被称为工件，而在外壳涂装工序中，外壳本身就被称为工件。

静电引起的异物粘附、扭曲、折叠等可能会在卷膜工序中导致产生缺陷图片 — 照片2：静电引起的异物粘附、扭曲、折叠等可能会在卷膜工序中导致产生缺陷

静电的意外用途：与降雪时利用静电发电相关的研究

在空气干燥的冬季，静电在各种工业产品和人们的生活中造成上述问题。除此之外，在寒冷地区，太阳能电池板上的积雪会导致太阳能发电的效率显著降低，再加上供暖使电力需求增加，有可能成为大问题。

在寒冷地区，太阳能电池板积雪，太阳能发电效率大幅下降图片 — 照片3：在寒冷地区，太阳能电池板积雪，太阳能发电效率大幅下降

静电一直被认为只会造成这些影响和问题，但是，与利用降雪产生静电的能量收集^*5相关的研究也在进行。

*5 能量收集：指从热量、阳光、照明、人体运动和机器工作产生的振动等日常环境中收集能量，再将其其转化为电能的发电技术。

例如，美国的一个研究团队正在研究和开发一种装置，该装置可以从与雪接触或摩擦而产生的静电中获取电能。人们发现雪在一定的温度范围内会带正电。当带正电的雪和带负电的物体因接触或摩擦而紧密接触或滑动时，就会产生电压。基于这一原理，研究团队实现了利用雪的能量收集，并成功地从该装置中获取了电能。由于该装置在薄、轻和柔软性方面非常出色，因此有望获得广泛的应用。

功能性防寒用具就是其中的一个使用示例。通过在衣服表面或鞋底安装该设备进行发电，再通过加热器进行取暖，在降雪期间进行冬季体育活动等户外活动中感知运动和身体状态，这些都可以不使用事先充好电的二次电池等即可实现（照片4）。

此外，人们认为，通过采用这种设备本身就能进行感知的机制，可以更加容易地在电力供应困难的地方的设置和运行气象观测设备。

通过将与雪接触时会发电的设备使用在衣服上，可以获得可穿戴加热器和传感器等所需要的电力图片 — 照片4：通过将与雪接触时会发电的设备使用在衣服上，可以获得可穿戴加热器和传感器等所需要的电力（照片为示意图）

基于这样的新想法，与能量收集相关的研究和开发不断多样化并取得进步，对未来能量获取的新选项将会增加的期望不断上升。

在制造现场和设计阶段都必不可少——静电对策和ESD对策

除了用于上面提到的能量收集等，静电还被用于打印机、复印机、除尘器以及各种制造和加工设备等。然而，比起这些有益的方面，可以说开头提到的ESD破坏和异物粘附等问题更引人关注。为了避免这些问题，只能全力实施各种对策。以下介绍具体对策的一些示例。

防止制造工序中产生次品的静电对策

带电即静电的一个众所周知的原因是由物体或人在运动时的摩擦而产生的带电（摩擦带电）。这种带电在产品的制造工序中也经常发生。针对由这些原因引起的静电问题的典型对策是使用“静电消除器”，它通过用空气将离子吹到对象物体上来中和带电电荷。

除静电器有对在搬运线等上面带电的工件上的静电进行中和并将其去除的杆型、对在手工装配工序等当中产生的静电进行中和并将其去除的带风扇鼓风机型、一边将空气集中吹到目标点一边去除静电，从而将因静电而粘附的异物去除的枪型等各种各样的形式。

此外，佩戴腕带将静电释放到地面（GND）以防止作业人员的手导致ESD也可以说是防止因人而产生的ESD破坏导致产生缺陷产品的基本对策（照片5）。

作业人员佩戴腕带，通过向外界释放静电而防止ESD破坏图片 — 照片5：作业人员佩戴腕带，通过向外界释放静电而防止ESD破坏。

使用电子设备时，ESD对策也很重要。“ESD保护装置”中的静电对策

电子设备中的ESD等静电危害不仅会发生在制造工序中，还会发生在购买者的使用过程中。例如，如果电子设备中的IC等电子器件因开关操作等而产生ESD，就会导致误动作或因SED破坏而发生故障。因此，在设计阶段就需要针对静电危害和ESD采取对策。

电子设备在使用过程中特别容易产生ESD的地方是人用手操作的地方，例如按钮、插拔USB等插头的连接器等各种外部接口等。换句话说，操作导致向IC瞬间施加高电压，从而产生ESD后，电子设备发生故障或出问题的风险会增加（图 1）。因此，可以毫不夸张地说，电子设备中需要ESD对策的地方，就是用户接触或接近的各个地方。