클린룸(Clean Room) 폭발위험장소 설정(2)

클린룸(Clean Room)이란 공기 중의 부유 미립자가 규정된 청정도 이하로 관리되고 그 공간에 공급되는 재료에 대해서도 요구되는 청정도가 유지되며 온도·습도 등 환경에 대해서도 관리할 수 있도록 만들어진 구역이나 공간을 말한다.

 

 

 

클린룸(Clean Room) 폭발위험장소 설정(2)

반도체와 FPD(Flat Panel Display)산업의 클린룸(Clean Room) 내에 설치되는 FAB 장비는 일반 화학설비와 구조적 형태와 기술적 차이를 가지고 있어, 일반적인 화학설비와는 달리, 화학물질을 취급하는 부분과 일종의 기계적인 제조 및 조립하는 장치를 포함하여 해당 장비의 내부 전체를 폭발위험장소로 산정하기에는 현재의 기술적인 상황으로 어려움이 많다.

 

 

반도체·FPD 산업의 폭발위험방지

수소, 실란, IPA, Thinner 등의 인화성·독성 액체와 가스를 고온·고압에서 운전하므로 공급배관의 접속부, 피팅부, 배관 굴곡부 등은 오랜 시간이 경과 되었고, 장비/장치/물체 등의 충돌 등으로 인하여 누출의 위험성이 높은 곳이며, 누출시 화재·폭발과 독성가스 노출에 의한 중대산업사고를 발생할 위험성이 존재한다.

인화성물질을 취급하는 진공장비, Wet etch 등의 FAB 장비에 대하여 방폭성능을 고려하여야 하는데 이는 산업 초기에 설계되어 설치 운영된 설비들로 현재의 방폭기준을 적용하여 설비적인 변경을 하는 것은 현실적으로 불가능한 일이다. 기술적으로 가능하더라도 FAB 장비를 신규 설치하는 것이 경제성이나 효율성, 시간적인 면에서 쉬울 것이다.

이에 대하여 위험성평가를 통하여 폭발위험장소를 설정할 수 있을 것이다.

위험성평가에서는 폭발방지의 기본원칙인 "폭발위험분위기의 생성확률 × 전기설비의 점화 확률 ≒ 0"에서 Risk를 제거하거나 최소화 할 개선방안을 찾아야 하며, 그 개선방법에 대해서도 기술적인 부분과 경제적인 부분에 대하여 상호 실현 가능한 부분을 최대화 할 수 있도록 다음 그림의 "ALARP"개념을 적용하여야 한다.

 

<그림 1> ALARP 개념

 

 

폭발위험장소의 누출원 평가

클린룸 내에 설치된 가스공급설비와 사용 장비, 케미컬공급설비와 사용 장비에서 인화성 가스/액체가 누출되어 폭발위험분위기를 조성할 수 있다.

 

1. 폭발위험장소 설정 결과의 비교 분석

(1) KSC IEC 60079-10-1에 의한 폭발위험장소의 설정

① 인화성 액체(CCSS)

인화성 액체를 공급하는 설비는 CCSS(Central Chemical Supply System, 중앙약품공급장치)와 생산 공정중에서 다른 물질(DI 등)과 혼합하여 공정에서 새롭게 필요로 하는 농도의 Chemical을 만드는 장치 CDS(Chemical Dilution System, 약품농도조정장치)가 있으며, 다음 내용은 CCSS의 IPA에 대하여 평가한 결과이다.

 

<표 1> CCSS-IPA 평가 결과

 

 

② 인화성가스(Gas 공급실)

인화성 가스(진공장비)를 공급하는 설비는 가스공급실의 Gas를 안정적으로 공급해주는 BSGS(Bulk specialty gas system), Gas cabinet과 BSGS로부터 공급받은 가스를 필요로 하는 각 장비로 가스를 분기시켜주는 VMB(Valve manifold box)가 있으며, 다음은 수소 Gas Cabinet과 VMB 수소 배관누출에 대하여 평가한 결과이다.

 

<표 2>  Gas Cabinet-H2 배관 평가 결과

 

③ 인화성가스(클린룸-VMB)

클린룸의 VMB H2 배관 누출에 대한 평가결과는 다음과 같다.

 

<표 3> VMB -H2 배관 평가 결과

 

 

(2) EI-15에 의한 폭발위험장소의 설정

EI-15(Area classification code for installations handling flammable fluids)의 폭발위험장소 선정의 위험기반절차법(RBA)이며 작업자의 노출시간, 누출원의 수, 노출값과 점화확률을 고려하고 누출빈도 Level을 정의하여 누출공과 위험범위를 선정하도록 하고 있다.

다음은 FAB 장비의 수소가스 사용장비에 대하여 EI-15의 위험성평가를 기반으로 폭발위험장소 선정을 결과이다.

 

<표 4> H2 사용 장비 평가 결과

 

 

FAB 장비의 폭발위험장소 설정에 대한 검토

1. 가연성 가스 사용 설비 : CVD, PVD, ALD 등의 진공장비

(1) 진공장비를 위한 대부분의 가스공급은 Gas cabinet을 통해 이루어 진다.

각각의 가스는 종류별 Gas cabinet에서 공급되고, 클린룸에 설치된 VMB를 통해 각각의 진공장비들은 해당 MFC(Mass flow controller) 장치를 통해 일정한 질량(극소량)의 가스를 반응 Chamber 내로 주입하여 증착공정을 진행한다. MFC는 온도 등에 따라 순간적으로 변화될 수 있는 부피유량을 제어하지 않고 외부조건에 영향을 MFC가 받지 않는 질량으로 제어하는 설비이다.

문제는 세계적으로 FAB 장비를 위해 필요한 방폭형으로 생산되지 않고 있으며 방폭형에 대한 수요도 공급도 없으며 방폭형 MFC는 존재하지 않는다. 이럴 경우, Gas cabinet 및 VMB가 폭발위험장소로 선정한다 하더라도 인화성가스가 누출되어 폭발성분위기가 조성되면 다른 전기기계 기구가 방폭형으로 설치한다고 하더라도 MFC에 의해 점화될 수 있기 때문에 해당 폭발위험장소에 점화원이 존재한다면 나머지 전기기계 기구를 방폭형으로 하는 것이 확률적으로 의미가 없을 수도 있다. 또한 진공장비를 구동하는 수많은 제어장치, 동력장치도 마찬가지이다.

(2) FAB의 진공장비의 대부분은 진공에서 대기압(760 Torr G)의 운전 조건을 가진다.

이는 2차 누출원이 있다 하더라도, 1차적으로는 외부의 공기가 Chamber 내부로 유입되고 대기압에 도달하면 통상적인 확산만 있을 뿐이며, 2차 누출원의 미세한 면적을 통해서는 이른바 대기상의 확산도 즉, 폭발위험장소의 계산자체가 누출량이 거의 “0"에 무한히 가까우므로 의미가 없다고 볼 수도 있다.

 

 

2. 인화성 액체 사용설비 : PHOTO, STRIP, 세정(Cleaning)장비

한국산업표준 KSC IEC 60079-10-1 폭발위험장소의 구분에서는 일시적인 누출량은 일정 수준이지만 누출될 수 있는 총량, 즉 취급량 자체가 많고 적음을 고려하지 않고 있다.

그러나 EI-15 Area Classification code for installations handling flammable fluids를 통해 이를 기술적으로 제시하고 있다.

EI-15의 "1.2.1 Small scale operations"에서는 누출원으로 해당되는, 폭발위험 장소 선정시 고려대상이 되는 최소량을 제시하고 있다.

 

<표 5> Capacity thresholds above which area classification is required

 

FAB의 WET 장비에서는 25ℓ를 초과하여 저장 또는 사용하는 설비는 그리 많지 않으며, 그 농도 역시 DI(De-Ionized) Water 등으로 희석되어 실제 공급 당시의 농도보다 낮아져서 운전되는 경우도 많다.

인화성 액체의 증기가 비교적 적은 양으로 취급·사용되는 공정에서 밀폐 구조나 플랜지부 개스킷 등의 불량으로 인한 액체 누출을 방지하는 조치를 취하고 액체 누출 시에 폭발하한값 25% 이하에서 검출(감지기)하여 적절한 조치를 취하는 경우에는 비위험장소로 구분할 수 있다.

 

 

3. 폭발분위기의 양(Volume) 조건

일반적으로 폭발위험분위기의 생성 여부는 폭발에 영향을 미치는 물질의 양에 비례하며, 경험상 그 양이 10ℓ 이상일 경우에는 위험 분위기가 조성될 수 있다.

인화성액체를 취급·사용하는 경우, 해당 액체가 분당 40~400ℓ정도로 누출되어 폭발이 일어났을 때의 사망확률을 수용 가능한 위험(ALARP)으로 보고 있다. 따라서 여기에 안전율을 고려하면 분당 12~20ℓ 이상의 누출을 "누출원"으로 판단할 수 있다.

누출원의 대부분은 패킹 글랜드로 이때 누출되는 양은 통상 분당 0.95ℓ 넘지 않으며, 옥외에서 분당 1.0ℓ 정도의 인화성물질이 누출된다 하더라도 가연성 가스검지기(LEL의 25% 이하 설정)가 이를 검출하기 어려운 점을 고려한다.

 

Reference : 우인성 등, 반도체·FPD 제조설비와 클린룸의 RISK 최소화를 위한 폭발위험장소 설정 모델링에 관한 연구