진공 화학물질 위험성(Chemical hazard)

진공 위험 요소는 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 그리고 기계적 위험성(Mechanical hazard)이 있다.

진공 시스템에서의 화학물질 위험성(Chemical hazard)에 대해 세부적으로 공유하고자 한다.

본 내용은 Vacuum Magazine에 주장헌 박사가 기고한 내용이다.

 

 

 

진공 화학물질 위험성(Chemical hazard)

 

부식성물질 위험성

공정을 위해 부식성 물질(예를 들면 F, Cl, Br을 포함한 가스들)을 사용하거나 공정 반응으로 인하여 생기는 공정 부산물에 부식성 물질이 있는 경우 이로 인한 진공 배기 시스템의 부식 문제를 반드시 고려해야 한다.

또한 안전을 위해서 정상적으로 사용하는 경우, 잘못 사용하는 경우 그리고 고장 난 상태 등 모든 경우에 일어날 수 있는 모든 화학반응을 반드시 검토하여야 한다.

특히 가스(gas)나 증기(vapor)가 사용되거나 발생하는 경우 폭발(explosion)과 폭연(deflagration)이 일어날 수 있기 때문에 모든 예상되는 반응들을 사전에 검토하여야 한다.

경험에 의하면 폭발은 대부분 시스템 설계자가 처음에 고려하지 못하였거나 진공 배기 시스템의 고장 발생 가능성을 고려하지 못한 경우에 주로 발생한다.

 

 

인화성물질 위험성

인화성 물질들은 공기, 산소 또는 산화제등과 합쳐져 폭발 하한값(LFL, Lower Flammability Limit)과 폭발 상한값(UFL, Upper Flammability Limit) 사이의 농도인 경우 폭발 가능성이 있는 분위기를 만들게 된다. 폭발 가능한 상태가 되기 위해서는 산소의 농도가 최소 산소 농도(MOC, Minimum Oxygen Concentration) 또는 LOC(Lowest Oxygen Concentration) 이상이 되어야 하며 대부분의 인화성 가스들의 MOC는 5% 또는 그 이상이다.

 

혼합 가스가 발화 가능한 조건이 되지 않도록 다음과 같은 대책을 강구하여야 한다.

● 질소(N2) 가스 등의 불활성 가스를 이용하여 최저 발화 한계(LFL) 또는 최저 폭발 한계(LEL) 미만으로 인화성 가스 농도를 유지하는 방법.

- 인화성 가스의 온도는 LEL의 25% 이하로 유지하여야 한다.

●  최대 산소 농도(MOC) 미만으로 산소 농도를 유지하는 방법.

- 진공 배기 시스템 전체에 걸쳐 산소의 농도를 계속적으로 관찰하여 혼합 가스의 MOC 아래로 유지하여야 한다. 진공 배기 시스템으로 공기나 산소가 유입되지 않게 하거나 질소(N2) 등의 불활성 가스를 이용하여 희석하여야 한다.

●  폭발 상한값 이상으로 인화성 가스 농도를 유지하는 방법.

- 예상하지 못 한 상황으로 인하여 폭발 상한값 아래로 인화성 가스 농도가 떨어지지 않도록 대처 방안이 강구되어 있어야 한다.

 

 

폭발성물질 위험성

폭발의 위험을 유발하는 원인들은 다음과 같이 구분된다.

●  산화제(oxidants)

●  인화성 물질들(flammable)

●  자연 발화성 물질들(pyrophoric)

●  아지드화 나트륨(sodium axide), NaN3

  - 자동차 air bag에 사용되는 무색 염(salt)

해당 물질을 제조/판매/공급하는 회사들이 발행하는 MSDS(Material Safety Data Sheets)을 반드시 검토하여 적절한 안전 조치들을 취하여야 한다.

 

산소(O2), 오존(O3), 불소(F2), 삼불화질소(NF3) 그리고 육불화텅스텐(WF6) 등의 산화제들(oxidants)은 많은 물질들과 빠르게 반응하고 이 반응에서 많은 열(heat)을 발생시키며 기체 체적을 팽창시킨다. 이로 인하여 진공 펌프나 진공 배기 시스템에서 화재와 과압(overpressure)을 유발한다. 만일 산소(O2)의 농도가 불활성 가스 속에서 25% 이상이 될 것으로 예상되면 PFPE 오 일을 반드시 사용하여야 하며, 오일 회전 베인 진공 펌프에 미네랄 오일을 사용하는 경우 반드시 불활성 가스를 이용하여 그 농도를 희석하여 폭발 가능성을 줄여야 한 다.

 

 

수소(H2), 아세틸렌(C2H2) 그리고 프로판(C3H8)같이 많은 가스들이 공기 중에서 특정한 농도 범위에서 점화원(ignition source)이 있으면 발화성과 폭발성을 갖게 된다. 점화원은 다양한 형태로 생길 수 있는 예를 들면 부분적으로 열이 축적된 곳(localized heat build-up) 등이 점화원이 될 수 있다. 불활성 가스를 이용하여 인화성 기체들과 증기들의 농도를 폭발과/또는 발화 한계 이하로 낮출 수 있다. 또 폭발과/또는 발화 위험성을 줄일 수 있는 또 다른 방법은 점화원을 제거하는 것이다. 그러나 진공 공정 시스템 내에 존재하거나 생길 수 있는 모든 점화원을 제거하는 것은 매우 어렵다. 예를 들면 회전 기계류를 사용하는 경우 정전기 방전(static discharge)이나 마찰 과열부(friction hot spot)등이 생길 수 있다.

비정상적인 사용 조건에서는 발화 영역에서 벗어나는 것이 불가능할 수도 있기 때문에 파손 없이 폭발이 일어나거나 불꽃이 외부로 방출되지 않도록 시스템을 설계하여야 한다.

Flame arrestor가 그 대표적인 예이다. 이런 경우를 대비하여 ATEX100 Directive(94/9 EC : The Use of Mechanical Equipment in a Hazardous Environment)를 준수하여야 한다.

 

SiH4와 PH3는 대기압 상태에서 공기에 노출되는 즉시 발화되기 때문에 진공 배기 시스템 속에서 이 가스들이 공기와 접촉할 수 있는 곳에서는 연소(combustion)가 일어난다. 공기가 진공 배기 시스템으로 새어 들어올 수도 있고, 진공 배기 시스템의 마지막 부위는 항상 대기와 접촉하게 된다. 특히 제한된 공간인 배기 덕트, 먼지 필터(dust filter) 그리고 기계식 진공 펌프의 오일 box나 gear box등에서 연소로 인한 폭발이 일어날 수 있다.

 

 

자연 발화성 물질뿐만 아니라 산화제가 공정 중에 같이 사용되면 대기압과 공정 압력 양쪽 모두에서 폭발이 일어날 가능성이 엄청나게 높아진다. 여러 진공 배기 시스템이 한 배기 덕트에 연결되어 있는 경우 한 진공 배기 시스템에 산화제가 이 배기 덕트로 배출되는 경우 연소 또는 폭발이 일어날 수 있기 때문에 자연 발화성 가스들을 사용하는 경우 개별 배기 덕트를 설치하여야 한다. PFPE 오일이 자연 발화성 물질의 점화와 폭발을 막을 수는 없지만 미네랄 오일을 사용하는 경우와 비교하여 오일로 인한 화재를 일으키지는 않는다. PFPE 오일은 자연 발화성 가스들을 흡수할 수 있음으로 자연 발화성 가스들을 흡수한 상태에서 PFPE 오일이 공기 중에 노출되면 부분적으로 점화될 수 있다. 따라서 자연 발화성 가스들이 흡수된 PFPE 오일을 공기 중에 노출시키고자 하는 경우 사전에 불활성 가스를 이용하여 흡수된 자연 발화성 가스들을 제거하는 것이 바람직하다.

 

 

아지드화 나트륨(Sodium azide, NaN3)은 자동차 에어백에도 사용되지만 동결 건조 공정에서 사용되기도 한다. NaH3는 상온/상압에서 hydrogen azide(HN3) 또는 azoimide로 알려진 무색, 휘발성 그리고 폭발성 액체를 만들게 된다. HN3 증기는 중금속과 반응하여 불안정한 금속 아지드(metal azide)들을 만들어 내는데 이것들은 즉시 폭발할 수 있다. 이러한 중금속들에는 Ba, Cd, Cs, Ca, Cu, Pb, Li, Mg, K, Rb, Ag, Na, Sr, Sn, Zn, Brass 같은 Cu/Zn 합금 등이 포함된다. 진공 펌프 내의 많은 부품들, 보조장치 그리고 배관 등에 Brass, Cu, Cd, Sn 그리고 Zn 등이 통상 사용된다. 만일 공정 중에 NaH3를 사용하는 경우 진공 배기 시스템 전체에 걸쳐 이런 중금속들이 사용되지 않도록 해야 한다. 인(P)이 사용되는 공정에서는 진공 배기 시스템과 배기 덕트 등에 고체 인(solid phosphorus)이 응축(condensation)될 수 있다. 공기가 있거나 약간의 기계적 휘저음(agitation), 예를 들면 밸브 구조, 압력차로 인한 급격한 기체 흐름 등으로 인하여 인(P)이 연소하면서 독성 가스를 방출하거나 폭발을 초래할 수도 있다.

 

 

Reference : Vacuum Magazine │2015 06 June, Vacuum Square