ไฟฟ้าสถิตย์ หรือ ESD คือความเสียหายรูปแบบหนึ่งที่แฝงตัวอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ไม่ได้เกิดขึ้นแล้วเห็นผลในทันที แต่เป็นความเสียหายที่ซ่อนอยู่และส่งผลให้อุปกรณ์ยังคงทำงานได้ตามปกติในเบื้องต้น ทว่ามักจะเกิดความบกพร่องขึ้นในภายหลังเมื่อส่งถึงมือผู้ใช้งานปลายทาง (End-users) และผ่านการใช้งานไปได้สักระยะหนึ่ง ซึ่งรวมถึงกระบวนการผลิตด้วยเทคโนโลยี 3D Printing ที่ใช้วัสดุหลักเป็นพลาสติก สิ่งเหล่านี้ทำให้เราตระหนักถึงผลเสียที่ตามมาของ ESD และป้องกันปัญหานี้ด้วยการผลิต ESD Safe Filament เพื่อลดสาเหตุที่ต้นตอ ทำให้หลายบริษัทสามารถลดการลงทุนในพื้นที่ที่สำคัญเพื่อป้องกันชิ้นส่วนที่ไวต่อไฟฟ้าสถิตย์ได้อย่างมาก
มารู้จักกับ ESD กันก่อน
Electrostatic Discharge หรือ ESD คือประจุไฟฟ้าสถิตย์ที่เกิดขึ้นจากความไม่สมดุลของอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของวัสดุ มีการถ่ายประจุระหว่างวัสดุหรือชิ้นส่วนของวัสดุที่มีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน ความไม่สมดุลของอิเล็กตรอนทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่สามารถวัดได้บนตัววัสดุ ซึ่งมีหน่วยเป็น โวลต์ (volt) สนามไฟฟ้าดังกล่าวจะส่งผลหรือมีอิทธิพลต่อวัสดุที่อยู่โดยรอบจนเกิดการสะสมประจุบนพื้นผิวของชิ้นงาน ประจุที่เกิดขึ้นนี้อาจมีสาเหตุมาจากกระบวนการเสียดสีระหว่างวัสดุ (Triboelectric effect) เมื่อเกิดกระบวนการที่วัสดุสัมผัสและแยกออกจากกัน อิเล็กตรอนจะมีการเคลื่อนย้ายถ่ายเทประจุ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับขนาดของพื้นที่สัมผัส ความเร็วในการแยกออกจากกัน ความชื้นสัมพัทธ์ (Relative humidity) และองค์ประกอบร่วมอื่น ๆ อีกหลายประการ
ที่มา : https://www.protectiveindustrialpolymers.com
ความร้อนจาก ESD เป็นภัยคุกคามที่ไม่ควรมองข้ามสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า หากเกิดเหตุการณ์ ESD อาจสร้างความเสียหายที่มักเรียกว่า “ข้อบกพร่องแฝง” ซึ่งอาจทำให้อุปกรณ์ทำงานผิดปกติได้ทุกช่วงอายุการใช้งาน การชาร์จเพียง 30 โวลต์ก็เพียงพอที่จะสร้างความเสียหายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าที่บอบบางที่สุดได้ อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบส่วนใหญ่มีความเสี่ยงจากประจุที่ระดับ 100–200 โวลต์
ที่มา : https://www.stabilus-safety.de
การป้องกันการเกิด ESD
การกำจัดหรือการป้องกันการสะสมของประจุไฟฟ้าสถิตย์สามารถทำได้ง่าย ๆ ด้วยการทำให้เป็นกลาง (Neutralisation) เช่น การเปิดหน้าต่างหรือใช้เครื่องทำความชื้น (humidifier) เพื่อเพิ่มความชื้นในอากาศ ทำให้อากาศเป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามากขึ้น หรือแม้แต่การใช้เครื่องสร้างไอออนในอากาศ (air ionizer) การต่อสายดิน (Grounding) และการปกป้อง (Protection) โดยการแยกชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ออกจากวัตถุที่อาจเกิดประจุไฟฟ้า การควบคุมขอบเขต และการจัดการกับฉนวน เพื่อไม่ให้ไฟฟ้าสถิตย์สามารถเจาะเข้าถึงวัสดุประเภทตัวนำไฟฟ้าได้ อย่างไรก็ตาม เพื่อป้องกันเหตุการณ์ดังกล่าว ผู้รับผิดชอบควรตระหนักถึงความเสี่ยงของ ESD และเข้าใจวิธีการประยุกต์ใช้แนวทางป้องกัน ESD อย่างถูกต้องในพื้นที่ที่ไวต่อผลกระทบ รวมถึงการเลือกใช้วัสดุที่สามารถป้องกันการเกิด ESD ได้
ที่มา : https://www.antistatic-esd-solutions.com
ที่มา : http://www.esdconsultantdevelopment.com
โดยทั่วไปแล้ว วัสดุประเภทพลาสติกมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้า ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าสถิตย์ได้ง่าย ดังนั้นเมื่อนำมาผลิตเป็นชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่าง ๆ จึงมีความไวสูงต่อการคายประจุไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว ซึ่งสามารถป้องกันได้ด้วยการใช้วัสดุต้านไฟฟ้าสถิตย์ (Antistatic) ที่จะช่วยเพิ่มชั้นพื้นผิวการนำไฟฟ้าเพื่อให้ประจุส่วนเกินกระจายออกไปทั่วผิวหน้า เป็นการป้องกันและกำจัดการยึดติดของประจุ นอกจากนี้ อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำจำนวนมากที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ก็มีความไวต่อการคายประจุไฟฟ้าเช่นกัน จึงมักใช้บรรจุภัณฑ์ป้องกันไฟฟ้าสถิตย์เพื่อห่อหุ้มอุปกรณ์ดังกล่าว รวมถึงอุปกรณ์ต่อสายดินสำหรับผู้ปฏิบัติงาน เช่น สายรัดข้อมือ เก้าอี้ ESD และรองเท้า เป็นต้น
ที่มา : https://www.padtinc.com
ความปลอดภัยด้านการต้านไฟฟ้าสถิตย์ได้รับการให้ความสำคัญมากขึ้น เพื่อป้องกันการสะสมของประจุไฟฟ้าที่มาจากการสัมผัสกับพื้น วิธีป้องกันวิธีหนึ่งคือการสวมใส่รองเท้าที่มีพื้นรองเท้าสามารถนำไฟฟ้าได้ดี ทั้งนี้รองเท้าต้านไฟฟ้าสถิตย์ไม่ใช่รองเท้าฉนวน เพราะรองเท้าฉนวนมีไว้เพื่อป้องกันไฟฟ้าช็อตอย่างรุนแรงจากไฟฟ้าสายเมนเท่านั้น ซึ่งในทางตรงกันข้าม รองเท้าฉนวนอาจทำให้เกิดไฟฟ้าสถิตย์สะสมในปริมาณมากได้ง่าย
ที่มา : https://www.antistatic-esd-solutions.com
ที่มา : http://www.mectools.in
การประยุกต์ใช้งานจากวัสดุ ESD
ESD มักถูกนำมาประยุกต์ใช้งานในรูปแบบของสารตัวเติม (Filler) เพื่อให้มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและมีค่าความต้านทานพื้นผิว (Surface Resistance) อยู่ในเกณฑ์มาตรฐานสากล เช่น ASTM D257 โดยนิยมนำไปใช้ในกระบวนการผลิตหรือผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ได้แก่
- ชิ้นส่วนและเครื่องมือในงานอุตสาหกรรม
- เสื้อผ้า รองเท้า ถุงมือ
- ปลอกหุ้มสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
- ท่อส่งน้ำมัน
- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ
- ชิ้นส่วนที่ต้องทนต่อสารเคมีและการคายประจุไฟฟ้าสถิตย์
ที่มา : https://product.tdk.com
ESD เป็นวัสดุที่ตอบโจทย์ความต้องการของภาคอุตสาหกรรม โดยเฉพาะในกลุ่มเครื่องใช้ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ด้วยความทนทานและการป้องกันการคายประจุไฟฟ้าสถิตย์ ซึ่งช่วยลดปัญหาความเสียหายให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมหาศาล
วัสดุพอลิเมอร์ชนิด Electrostatic dissipative (ESD) ทำหน้าที่ป้องกันไฟฟ้าสถิตย์โดยธรรมชาติ โดยจะกระจายการสะสมประจุที่อาจเกิดขึ้นในระหว่างการทำงานหรือการผลิต ช่วยปกป้องแผงวงจรในระหว่างการขนส่งและการทดสอบ ทำให้มั่นใจได้ว่าผลิตภัณฑ์ที่ออกแบบมาจะสามารถใช้งานได้ตลอดอายุการใช้งานของวัสดุ ESD นั้น ๆ อีกทั้งยังมีค่าความต้านทานไฟฟ้าต่ำ ในขณะที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่จำเป็นและมักจะทนต่อความร้อนได้ดีอีกด้วย
ที่มา : https://m.littelfuse.com
ESD Filament มีอะไรบ้าง
ปัจจุบัน 3D Printing Filament มีพลาสติกหลากหลายชนิดให้เลือกใช้ตามความเหมาะสมของงาน และหนึ่งในนั้นคือ ESD safe filament ซึ่งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าในการช่วยป้องกันการคายประจุไฟฟ้าสถิตย์ ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้ปัจจุบันมีแบรนด์ชั้นนำมากมายผลิตเส้น Filament จากพลาสติกหลายชนิด เช่น PLA, ABS, PEKK, ULTEM เป็นต้น โดยมีความจำเพาะเจาะจงสำหรับการใช้งานในพื้นที่ที่มีไฟฟ้าสถิตย์ เช่น:
- Fiberlogy (Fiberlab S.A. จากประเทศโปแลนด์)
- Z-ESD (Zortrax S.A. จากประเทศโปแลนด์)
- 3DXSTAT™ (3DXTech จากประเทศสหรัฐอเมริกา)
ค่าความต้านทานพื้นผิว (Surface Resistance) มีตั้งแต่ 10^6 ถึง 10^9 Ω ซึ่งถือเป็นจุดเด่นในการช่วยลดความเสี่ยงต่อความเสียหายหรืออันตรายที่จะเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และผ่านมาตรฐานการทดสอบตาม ASTM D257 โดยค่าความต้านทานไฟฟ้าสถิตย์เชิงปริมาตรที่วัดได้นั้น แม้จะเหมาะสำหรับวัสดุ ESD แล้ว แต่ก็ยังขึ้นอยู่กับพื้นที่ของขั้วไฟฟ้าและความหนาของชิ้นงานทดสอบนั้น ๆ ด้วย โดยมีหน่วยเป็น ohm-cm หรือ ohm-m
