2-3 전계 검출 및 정전기에 대한 정보변환
본 기술은 대상물의 진동에서 물리적으로 수십 μm 이상의 진폭을 필요로 하기 때문에 여진은 1kHz 이하의 저주파를 이용할 필요가 있다. 그래서 유도된 시변전계를 고효율로 검출하는 것이 이 정전기 측정 기술의 열쇠가 된다. 본 기술은 전하 진동에 의해 유기되는 전계의 주파수가 대상물의 진동수와 같기 때문에, 음향 여진에 의한 제어가 가능하다. 따라서 음향 여진과 같은 주파수의 검출 신호 변화만을 적산함으로써 작은 레벨의 전계를 검출한다. 본 시스템은 저주파의 시변 전계를 검출하는 수단으로써 시변 전계에 평판 전극을 설치하고 검출기의 임피던스를 통해 전압의 변화를 검출하고 있다. 여기서는 전계, 전류유기 및 검출 전압 변화의 관계에서 검출기 출력 전압을 전계 강도로 대체하고 있다⁽⁷⁾.
본 수법으로 검출된 전계강도와 위상을 이용하여 정전기의 크기와 전기적 극성을 조사할 수 있다. 예를 들어, 그림 5(a)는 폴리이미드필름을 91Hz로 진동시켜 샘플 정전기 전압을 0~500V로 변화시켰을 때 측정한 전계 강도와 샘플의 표면 전위의 관계를 나타내고 있다. 또한 그림 5(b)는 대전전압이 0~±500V의 범위에서 전계의 위상과 샘플 표면 전위의 절대값 관계를 나타내고 있다. 여기에서 전계의 위상은 초음파 장치 변조 신호의 레퍼런스 신호와 측정된 전계 신호를 비교한 값을 이용하고 있다. 표면 전위는 전계 강도에 직선 비례하고, 전계의 위상은 표면 전위의 크기에 관계없이 대전의 전기적 극성(정과 부)에서 거의 일정한 값(-135도와 45도)이 되어 있으며, 이러한 관계성을 이용하여 정전기를 정량적으로 평가할 수 있다.

3. 정전기 가시화 시스템을 이용한 계측 사례
상술한 집속 초음파에 의해 여진과 그것에 의해서 유기된 전계를 이용한 정전기 가시화 시스템(W : 230㎜, H : 350㎜, D : 230㎜)의 개요를 그림 6에 표시했다. 본 시스템은 샘플을 스펀지 쿠션 위에 샘플로부터 170㎜ 떨어진 곳에 초음파 장치를 설치하고 집속 초음파를 아래쪽으로 조사한다. 스펀지 쿠션 밑에 평판전극을 설치하고, 그것을 전계 검출기에 접속시킨 구조로 되어있다.
샘플로 대전시킨 폴리이미드필름을 대상으로, 정전기 가시화 시스템을 사용하여 집속 초음파를 조사한 위치에서 전계를 측정하고, 그것을 평면으로 주사시킴으로써 얻어진 정전기 분포를 그림 7로 표시했다. 여기서 집속 초음파 주사 범위 100㎜×100㎜, 초음파의 변조 주파수 100Hz, 주사 피치폭 5㎜, 여진 시간 및 전계 검출 적산시간 200ms로 설정하고 계측하고 있다. 그림 7에서는 정전기의 크기를 색의 짙음과 옅음으로, 위상에 의한 정부의 전기적 극성을 판별하고 있으며, 이와 같이 본 시스템을 이용함으로써 정전기를 영상으로 가시화 할 수 있다. 다만 실제로 정량성을 평가하는 경우에는 초기 교정이 필요하다.

4. 생산 라인에 적용성과 기대되는 효과
본 기술은 대상물을 공간적으로 변위시키기 위해 정전기 분포를 계측하는 경우는 필름과 고무 등의 가볍고 탄성률이 낮은 물체가 적합하다. 여기서 소개한 정전기 가시화 시스템은 어디까지나 실험실 수준의 평가를 실시하고 있으며 생산현장에서는 샘플의 임의 평가 등으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 본 기술을 생산 라인에 응용하는 경우에는 그 생산 공정이나 허용 계측 시간, 공간적 제약 등을 고려한 후에 각각의 공정에 적합한 시스템 구조를 갖추어야 할 필요가 있다.
예를 들면, 텐션이 걸려있는 필름 제조 공정에서는 국소적으로 음파를 조사하여도, 필름 전면에 정재파가 발생하는 국소적인 진동은 기대할 수 없기 때문에 부분적으로 진동하지 않도록 조건을 최적화함으로써 정전기 분포를 계측할 수 있는 가능성이 있다. 또한 단단한 재료로도 컨베이어벨트 등으로 반송되는 소형성형품 등의 물체를 한가지로 인식하고 평가할 경우에는 본 기술을 이용하여 정전기 계측이 가능하다. 이러한 점에서 본 기술은 정전기 문제를 안고 있는 플라스틱의 제조에 있어 정전기를 관리하기 위한 계측 기술로써 유망하다. 이 정전기 가시화 시스템을 사용하여 정전기를 관리할 수 있다면 엄청난 정전기 문제의 대책에 큰 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어 지금까지 생산 현장에서의 정전기 대책으로써 다양한 제전이 되어왔지만, 그 대책 효과는 제품의 생산성만으로밖에 확인할 수 없어, 대책에 막대한 시간과 비용을 필요로 하고 있다. 그곳에서 정전기 가시화 시스템을 잘 활용할 수 있다면, 바로 정전기 제거 효과를 확인할 수 있기에, 정전기 문제의 조기 개선, 더욱이 양산화 기술의 확립에도 이어질 가능성이 있다.

5. 결론 : 향후의 전개
지금까지 정전기 계측 기술은 물체를 정확히 측정하기 위한 센서 개발이 일반적이었지만 그것으로는 현장에서 대응할 수 없다는 것이 현실이었다. 거기서 필자는 다소 정확성을 떨어뜨리더라도 현장에서 정전기를 측정할 수 있는 기술이 필요하다고 생각하고, 음파를 이용한 정전기 계측 기술을 개발해왔다. 이 기술은 집속 초음파를 이용하여, 비근접으로 위치 정밀도가 높은 정전기를 모니터링 하는 것이 가능해지는 등 지금까지 실현되지 못했던 것이 가능해지고 있다. 그러나 본 원고에서 소개한 정전기 가시화 시스템은 전계의 검출 감도가 낮기 때문에 단 하나를 측정하는데 시간이 200ms 정도 걸리고, 면적 100㎟를 측정하는데 약 80초를 필요로 한다는 과제도 남아 있다. 향후 이 계측 시간을 단축시키기 위해서 전계검출을 고감도화하여 정전기분포 계측시간의 고속화기술을 확립할 예정이다. 또 이러한 음파를 이용한 정전기 계측 기술은 지금까지 계측할 수 없었던 대상물에 대해 정전기 현상을 검증할 수 있는 가능성을 보여주고 있다. 예를 들면 액면 분진·분체, 공중 전하 등에 적용할 수 있다면 정전기의 원인으로 발생하는 폭발 사고의 검증을 시행할 수 있을지도 모른다. 더욱이 분말 약품이나 석유 등의 폭발성이 높은 액체와 고온의 용기 등의 정전기가 가시화 될 수 있다면 보안 기술의 향상으로 안전관리까지 가능하리라 생각된다.