진공의 위험 요소(Vacuum Safety)

진공 기술을 사용할 때 고려해야 하거나 진공 장비 주변에 상존하고 있는 위험 요소들에 대해서 공유하고자 한다.

본 내용은 Vacuum Magazine에 주장헌 박사가 기고한 내용이다.

 

 

 

진공의 위험 요소(Vacuum Safety)

진공 장비 주변에 상존하고 있는 위험 요소들은 다음과 같은 것들이 있다.

● 진공 위험성(Vacuum hazard)

●  과압 위험성(Over-pressure hazard)

●  전기 충격 위험성(Electrical shock hazard)

●  냉각수/냉각제 위험성(Cooling water/coolant hazard)

●  화학물질 위험성(Chemical hazard)

●  공정이 진공 펌프에 미치는 영향 및 그 위험성

●  기계적 위험성(Mechanical hazard)

 

여기서는 진공 펌프와 진공 시스템의 사양 선정, 설계, 가동과 유지 보수와 관련되어 발생할 수 있는 위험성을 중심으로 기술한다.

 

 

진공 위험성(Vacuum hazard)

미국진공학회(American Vacuum Society)의 정의에 의하면 진공은 대기압보다 낮은 압력 상태의 기체들로 구성된 상태/공간을 의미하는데 이는 진공 상태가 일상적으로 사람이 생활하는 공간/조건/환경과는 다르다는 것을 의미한다. 일상적인 생활환경이 아니라는 것은 사람에 미치는 영향이 일상적인 생활 환경과는 다르다는 것을 의미하며 진공 환경/공간은 대기압과는 다른 기체 상태를 의미한다. 진공 상태에서 질식사할 수 있는 위험성이 상존하기 때문에 적절한 대책을 강구해 두어야 한다.

 

 

과압 위험성(over-pressure hazard)

진공 chamber를 포함한 전체 진공 시스템에서 물리적인 과압 상태를 유발할 수 있는 경우는 (1) 시스템 내부로 고압 가스를 주입하는 경우, (2) 휘발성 물질의 온도가 급격하게 상승하는 경우, (3) 고체 증착물(또는 공정 부산물)이 상변이(phase change)를 하는 경우, (4) 진공 펌프 내부에서의 압축 등이다.

 

이에 대한 세부적인 내용은 다음 포스팅 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1181

진공 과압 위험성

 

 

전기 충격 위험성(Electrical shock hazard)

환경에 미치는 영향과 에너지 절감 차원에서 진공 펌프에 사용되는 전원을 고압 전원(380 V, 440 V 등)으로 교체하여 사용하는 경우가 있다. 이 경우 고압 전원으로 인한 감전 사고의 위험성이 있기 때문에 반드시 전원의 연결과 분리는 전문가나 경험이 있는 인력을 통해 진행하여야 하며 해당 작업 진행 전 필요한 안전 조치를 취함과 동시에 재차 확인할 필요가 있으며 전원 인가 스위치에는 작업 중임을 알리는 알림판을 반드시 장착하여야 한다.

 

 

냉각수/냉각제 위험성(Cooling water/coolant hazard)

진공 펌프들 중에 냉각수나 냉매를 필요로 하는 것들이 있는데 그 이유는 진공 펌프는 공정 chamber 내부를 진공 상태로 만들기 위해 기체나 증기를 압축해야 하기 때문이다. 이 압축 과정에서 발생한 압축열 (compression heat)을 적절하게 제거하지 않으면 누적된 열로 인하여 금속 재질이 열팽창하고 밀봉(sealing) 기능을 하는 O-ring 등이 열손상을 받을 수 있다. 금속 재질의 열팽창은 금속과 금속 간의 접촉인 metal seizure를 유발할 수 있으며 O-ring의 손상은 공정에 사용되는 공정 물질들의 대기로의 누출(leakage)을 유발할 수 있어 매우 위험한 상황을 초래할 수 있다.

따라서 적정한 순도(purity)와 적정한 유량의 질소가스를 진공 펌프에 공급하여 발생하는 압축열을 지속적으로 제거해 주어야 한다.

또한 진공 펌프의 압축열을 제거하기 위해 사용되는 냉각수의 품질이 좋지 않은 경우, 즉 불순물이 많이 포함되어 있는 경우 칼슘(Ca)는 Ca(OH)2 또는 CaCO3 형태로 물에 녹아 있지만 온도가 높아지면 Calcium oxide, Calcium carbonate를 형성하게 된다. 즉, 냉각수에 용해되어 있는 Ca(OH)2가 진공 펌프의 냉각이 필요한 부위(cooling jacket, cooling plate, cooling line 등)에서 열에 의해 CaO(s) 형태로 고체 물질을 형성하게 되고 이로 인하여 냉각수의 흐름이 제약을 받게 되어 충분한 냉각이 이루어지지 않게 되어 과열 상태가 되게 되는 것이다. 

 

<그림 1> 냉각부위에서의 scale 형성 모식도(Source: Vacuum Magazine)

 

 

화학물질 위험성(Chemical hazard)

부식성 물질, 인화성물질, 자연발화성물질, 산화제 및 아지드화 나트륨(sodium axide) 등의 위험성에 대한 문제를 반드시 고려해야 한다.

 

이에 대한 세부적인 내용은 다음 포스팅 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1182

진공 화학물질 위험성(Chemical hazard)

 

 

공정이 진공 펌프에 미치는 영향 및 그 위험성

비정상적인 반응들은 화학물질들이 시스템 설계자가 고려하지 못 한 가스들이나 물질들과 접촉하였을 때 일어난다. 예를 들면 대기가 진공 시스템 내부로 새어 들어 오거나 반대로 독성, 화성 또는 폭발성 가스들이 대기 중으로 새어 나갔을 때 일어난다. 이러한 누설(leakage)이 발생하지 않도록 하기 위해서는 진공 시스템의 leak tightness가 1×10^-3 mbar·l/s(=1×10^-1 Pa·l/s)나 이보다 낮은 값을 유지하여야 하며 고진공(high vacuum)에서는 1×10^-5 mbar·l/s(=1 ×10^-3 Pa·l/s)나 이보다 낮은 값을 유지하여야 한다. 이 값들은 sccm으로 환산하면 0.06 sccm과 0.0006 sccm에 해당한다.

일상적인 유지 보수 작업(PM) 후에는 공정 chamber를 세정하는데 사용된 수증기나 세정 용액(cleaning solution)이 진공 chamber에 남아있을 수 있다. 또한 수증기는 배기 덕트(exhaust duct)와 배기가스 처리 장치(scrubber)에서 진공 시스템으로 유입될 수도 있다. 진공 chamber에서 공정 증착물들(process deposits)을 세정하는 데 사용되는 세정 물질들은 진공 배기 시스템에 사용되는 모든 공정 물질들과 섞여도 안전과 관련된 문제가 발생하지 않는 것이어야 한다.

 

 

기계적 위험성(Mechanical hazard)

진공 상태/조건은 개방된 공간을 진공 상태로 만드는 것은 아니다. 즉, 통상 진공 용기, 진공 chamber 라고 부르는 어떤 특정한 공간을 진공 상태(낮은 압력 상태)로 만든다. 따라서 진공 용기 내부와 진공 용기 외부 사이에는 일정한 압력차(pressure difference)가 발생하는데 대부분 최대 1기압(1 bar)의 압력차가 발생한다. 고압으로 가압된 상태나 관련 장비를 개발/사용하는 사람들에게 1 기압의 압력차는 아무 의미도 없는 값일지 모른다. 그러나, 진공 기술과 진공 기술을 이용하는 장비 측면에서는 큰 의미를 제공하게 되는데 그 이유는 진공도와 같이 병행하여 사용되는 압력의 정의에서 알 수 있다.

안전 측면에서 주목해야 할 것은 진공 용기 내부를 진공 상태로 만들게 되면 내부 진공도가 10^-3 Pa 또는 10^-7 Pa이 되더라도 그 압력차는 거의 1 기압 밖에 되지 않지만, 만일 진공 용기의 표면적이 커지면 1기압의 압력차에 의해 받는 힘의 크기는 엄청나게 커진다는 것이다. 따라서 동일한 체적을 갖는 진공 용기라고 하더라도 그 모양이 어떤 형상이냐에 따라 해당 용기가 받는 힘의 크기는 완전히 달라진다.

이러한 이유 때문에 진공 용기가 받는 힘으로 인한 진공 용기의 변형을 막기 위해 원형, 반원형, 실린더 형 등으로 용기를 만드는 것이다. 

또 다른 위험성으로 진공 chamber 내부의 열원(heat source)에 의해 터보 분자 펌프가 받은 열부하가 달라 설계가 잘 못 되면 고가의 장비가 파괴될 수 있다. 또한 진공 chamber 내부에서 발생한 플라즈마가 진공 배기 경로로 누설되어 터보 분자 펌프 회전자가 복사 에너지를 받는 것도 주의하여야 한다. 강한 자기장이나 강하게 변하는 전기장이 있는 경우 그 사용이 매우 제약을 받게 되는데 그 이유는 자기장으로 인한 자속(magnetic flux)이 운동하는 금속 도체가 유발시키는 유도 기전력(V)으로 인해 유도 전류가 발생하고 이렇게 유도된 전류가 저항을 갖는 금속 도체를 흐를 때 생기는 열(heat)로 인하여 열팽창하게 되는 위험성도 고려해야 된다. 

 

 

요약

진공 배기 시스템에 위험한 환경을 초래할 수 있는 모든 가능성을 찾아낼 수는 없지만 누적된 현장 경험과 연구 결과에 맞추어 최대한 필요한 안전 조치들을 취해야 한다. 진공 배기 시스템이나 그 구성품들에 대한 심각한 파손을 유발하는 공통적인 요인들은 인화성 물질의 점화나 진공 배기 시스템의 배기구 막힘에 의해 발생한다. 따라서, 진공 펌프와 진공 시스템의 안전한 가동과 사용을 위해서는 다음과 같은 것들을 반드시 준수하여야 한다.

●  인화성, 폭발성 공정 물질을 사용하는 진공 배기 시스템은 정규 유지 보수 작업(PM) 후 첫 번째 배기 과정은 매우 천천히 진행하여 진공 배기 시스템 내부에 급격한 난류가 형성되지 않도록 해 주어야 한다.

●  진공 배기 시스템 내에서 인화성 물질들의 농도가 발화 영역(flammable zone, potentially explosive atmosphere)에 들어가지 않도록 하여야 한다. 이를 위해서는 불활성 가스를 이용하여 진공 펌프와 진공 배기 시스템의 가동 예상 조건이나 고장 환경하에서 안전한 농도 이하로 희석시켜야 한다.

●  진공 펌프와 진공 배기 시스템에 장착되어 사용되는 밸브 등의 기계적 부품들이나 공정에 사용되는 물질과 공정 부산물들(by-products)로 인하여 배관, 필터 배기구 등이 막히지 않도록 하여야 한다.

●  공정에 사용되는 물질들, 특히 산소(O2), 오존 (O3) 등의 산화제 농도가 높을 때는 오일 회전 배인 진공 펌프(Oil rotary vane vacuum pump)에 미네랄(mineral) 오일을 사용하지 말아야 하며, PFPE(Perfluoropolyether) 오일을 사용하여야 한다. 시판되는 진공 펌프 오일 중 비인화성(non-flammable)으로 표기된 오일이라고 하더라도 산화제(oxidant)의 농도가 체적비로 30 % 넘는 공정 환경에는 사용하지 말아야 한다.

●  진공 펌프와 진공 배기 시스템에 의해 배기되는 물질들이 물(H2O)과 격렬하게 반응하는 경우는 물이 아닌 다른 냉각제를 사용하여야 한다.

●  안전하지 않다고 판단되는 상황에서는 해당 전문가의 조언이나 해당 전문가의 직접적인 현장 도움을 통해 문제를 해결하여야 한다.

 

Reference : Vacuum Magazine │2015 06 June, Vacuum Square