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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 반도체 사업장의 작업환경 및 사무실에서 오존 농도 수준을 평가하고 외기 오존 농도에 따른 반도체 사업장의 작업환경 및 사무실에서의 오존 농도 변화를 확인함으로써 작업환경 관리를 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
- 본 연구에서는 반도체 사업장의 작업환경 및 사무실에서 오존 농도 수준과 외기 오존 농도에 따른 실내 작업환경에 대한 오존 변화를 평가하여, 다음과 같은 결과를 확인하였다.
- 본 연구에서는 외기 오존 농도가 실내의 오존 농도에 영향을 미치는지를 확인하기 위하여 반도체 사업장의 Fab 및 사무실과 외기의 농도비를 비교하였다(Table 2). Fab의 경우 I/O ratio가 0.
제안 방법
- 또한 측정 시료는 총 60개로, 5곳의 측정 지점에서 각 측정 장소 당 2개의 펌프로 측정날짜를 달리하여 6회 측정 하였다. 그리고 실시간 측정 결과와 비교하기 위해 일별(2개 시료) 평균을 구하여 데이터를 처리하였다. 시료채취용 펌프는 시료채취 전과 후에 거품 유량 보정기를 사용하여 유량을 보정하였다.
- 측정 위치는 반도체 Fab(ETCH, DIFF, DIFF Plenum)에서는 각각의 설비 옆 1 m이내, 바닥에서부터 약 125 cm 되는 지점에서, 사무실에서는 사무 근로자가 앉아서 작업 시 호흡기 영역 높이(약 125 cm)에서, 옥외 측정은 사무동 건물 5층 높이(약 20 m)인 실내에서 창문 밖으로 시료채취 튜브를 빼내어 약 50 cm 떨어진 지점에서 측정을 실시하였다. 또한 측정 시료는 총 60개로, 5곳의 측정 지점에서 각 측정 장소 당 2개의 펌프로 측정날짜를 달리하여 6회 측정 하였다. 그리고 실시간 측정 결과와 비교하기 위해 일별(2개 시료) 평균을 구하여 데이터를 처리하였다.
- 마지막으로 옥외 측정의 경우 사무동 건물 5층 높이(약 20 m)에서 외기의 오존 농도를 측정하였다. 측정이 이루어지는 공간인 클린룸의 경우, 공기의 흐름은 Top down 방식의 층류 또는 부분적 난류이며, 이때 공기의 순환 유량은 0.
- 먼저 반도체 Fab에서는 오존 발생 장치를 사용하는 DIFF 공정의 ALD(Atomic Layer Deposition) 설비 근처 1곳과 오존 발생 장치가 위치한 DIFF Plenum 1곳, 오존 발생 장치를 사용하지 않는 식각(Etching, ETCH) 공정 1곳을 대상으로 하였으며, 사무실은 일반적으로 업무가 이루어지는 사무 공간 1곳으로 선정하였다(Figure 3). 별도로 사무실 내에서도 오존의 발생원이라 알려진 레이저 프린터(CLP-775ND, Samsung, China, 2011) 근처에서도 측정을 실시하였으며, 프린터 작동 시 발생되는 오존의 농도를 확인하기 위하여 Figure 4와 같이 프린터의 통풍구, 프린터 상단, 인쇄된 종이가 나오는 곳에서 각각 실시간으로 측정하였다. 측정 시 인쇄되는 면은 전체를 검정색으로 하여 1회 인쇄 시 20부로 인쇄 될 수 있도록 테스트 과정을 표준화하였다.
- 측정 시기를 선정하기 위해 한국환경공단의 에어 코리아(Air Korea)에서 제공하는 자료를 활용하였으며, 이를 통하여 외기 오존의 농도가 높은 시기를 선정 하였다. 본 연구가 이루어지는 경기 지역을 중심으로 2010년에서 2014년까지의 5년간 월별 최고 및 평균 농도를 이용하여 월별 추이를 Figure 1과 같이 나타내었다.
- 분석은 시료가 채취된 IGFFs를 Tube에 옮긴 후 초순수 5 mL를 넣어 필터가 모두 잠기도록 하여 뚜껑을 닫고 약 15분 동안 가끔씩 흔들어 용출 시켰다. 용출이 완료된 시료는 Syringe Prefilters(MillexGV 4 mm, Millipore, USA)를 이용하여 먼지나 불순물을 제거하여 바이알에 담아 이온크로마토그래피(ICS-5000, DIONEX, USA)로 분석하였다.
- 03)이 완료된 실시간 오존 측정 장비(Ozone Analyzer, OA-781, Kimoto, Japan)를 사용하였다. 시료채취 위치는 지역시료채취와 동일하도록 측정 장비의 시료 주입구에 Tygon Tube을 연결하고 바닥 면으로부터 약 125 cm의 높이에 위치하였으며, 유량은 약 0.7 cc/min으로 지역시료 채취 시간 및 위치를 동일하도록 하여 총 30개의 시료를 측정하였다.
- 그리고 실시간 측정 결과와 비교하기 위해 일별(2개 시료) 평균을 구하여 데이터를 처리하였다. 시료채취용 펌프는 시료채취 전과 후에 거품 유량 보정기를 사용하여 유량을 보정하였다.
- 분석은 시료가 채취된 IGFFs를 Tube에 옮긴 후 초순수 5 mL를 넣어 필터가 모두 잠기도록 하여 뚜껑을 닫고 약 15분 동안 가끔씩 흔들어 용출 시켰다. 용출이 완료된 시료는 Syringe Prefilters(MillexGV 4 mm, Millipore, USA)를 이용하여 먼지나 불순물을 제거하여 바이알에 담아 이온크로마토그래피(ICS-5000, DIONEX, USA)로 분석하였다. 분석 조건은 Table 1과 같다.
- 별도로 사무실 내에서도 오존의 발생원이라 알려진 레이저 프린터(CLP-775ND, Samsung, China, 2011) 근처에서도 측정을 실시하였으며, 프린터 작동 시 발생되는 오존의 농도를 확인하기 위하여 Figure 4와 같이 프린터의 통풍구, 프린터 상단, 인쇄된 종이가 나오는 곳에서 각각 실시간으로 측정하였다. 측정 시 인쇄되는 면은 전체를 검정색으로 하여 1회 인쇄 시 20부로 인쇄 될 수 있도록 테스트 과정을 표준화하였다.
- 최고 및 평균 오존 농도는 계절적으로 겨울철에 비해 여름철에 높게 나타났으며, 특히 여름철인 5~8월 사이에 가장 높은 것으로 확인되어, 본 연구에서는 측정시기를 6~8월로 선정하였다. 측정 시간을 선정하기 위하여 5년간 경기 지역의 시간 별 평균 오존 농도 자료를 이용하여 하루 동안의 농도 변화를 확인하였다(Figure 2). 하루 중 오존의 농도가 높게 나타나는 시간은 10~17시로 나타났으며, 그 사이에 측정을 실시하였다.
- 3 L의 유량으로 하루 6시간 이상 지역시료로 채취하였다. 측정 위치는 반도체 Fab(ETCH, DIFF, DIFF Plenum)에서는 각각의 설비 옆 1 m이내, 바닥에서부터 약 125 cm 되는 지점에서, 사무실에서는 사무 근로자가 앉아서 작업 시 호흡기 영역 높이(약 125 cm)에서, 옥외 측정은 사무동 건물 5층 높이(약 20 m)인 실내에서 창문 밖으로 시료채취 튜브를 빼내어 약 50 cm 떨어진 지점에서 측정을 실시하였다. 또한 측정 시료는 총 60개로, 5곳의 측정 지점에서 각 측정 장소 당 2개의 펌프로 측정날짜를 달리하여 6회 측정 하였다.
- 측정 시간을 선정하기 위하여 5년간 경기 지역의 시간 별 평균 오존 농도 자료를 이용하여 하루 동안의 농도 변화를 확인하였다(Figure 2). 하루 중 오존의 농도가 높게 나타나는 시간은 10~17시로 나타났으며, 그 사이에 측정을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 경기도 기흥에 위치하고 있는 시스템 LSI(Large Scale Integrated Circuit) 제품을 생산하는 200 mm 반도체 웨이퍼 제조 사업장(Fabrication, Fab)과 사무동 건물 내 사무실 및 옥외를 대상으로 총 5곳에서 측정을 실시하였다. 먼저 반도체 Fab에서는 오존 발생 장치를 사용하는 DIFF 공정의 ALD(Atomic Layer Deposition) 설비 근처 1곳과 오존 발생 장치가 위치한 DIFF Plenum 1곳, 오존 발생 장치를 사용하지 않는 식각(Etching, ETCH) 공정 1곳을 대상으로 하였으며, 사무실은 일반적으로 업무가 이루어지는 사무 공간 1곳으로 선정하였다(Figure 3). 별도로 사무실 내에서도 오존의 발생원이라 알려진 레이저 프린터(CLP-775ND, Samsung, China, 2011) 근처에서도 측정을 실시하였으며, 프린터 작동 시 발생되는 오존의 농도를 확인하기 위하여 Figure 4와 같이 프린터의 통풍구, 프린터 상단, 인쇄된 종이가 나오는 곳에서 각각 실시간으로 측정하였다.
- 본 연구는 경기도 기흥에 위치하고 있는 시스템 LSI(Large Scale Integrated Circuit) 제품을 생산하는 200 mm 반도체 웨이퍼 제조 사업장(Fabrication, Fab)과 사무동 건물 내 사무실 및 옥외를 대상으로 총 5곳에서 측정을 실시하였다. 먼저 반도체 Fab에서는 오존 발생 장치를 사용하는 DIFF 공정의 ALD(Atomic Layer Deposition) 설비 근처 1곳과 오존 발생 장치가 위치한 DIFF Plenum 1곳, 오존 발생 장치를 사용하지 않는 식각(Etching, ETCH) 공정 1곳을 대상으로 하였으며, 사무실은 일반적으로 업무가 이루어지는 사무 공간 1곳으로 선정하였다(Figure 3).
- 오존의 농도를 평가하기 위하여 미국산업안전보건청(Occupational Safety & Health Administration, OSHA)에서 제시하고 있는 방법인 Method ID-214 및 사무실 공기관리 지침(2015-43호)에 준하여 시료 채취 및 분석을 실시하였다. 시료채취는 Nitrite(NO2-)가 코팅된 37 mm, pore size 1.0 ㎛ 의 유리섬유여과지(Impregnated Glass Fiber Filters, IGFFs, SKC, USA)를 폴리스티렌 재질의 3단 카세트에 장착하여 사용하였으며(OSHA, 2003), 분당 0.2~0.3 L의 유량으로 하루 6시간 이상 지역시료로 채취하였다. 측정 위치는 반도체 Fab(ETCH, DIFF, DIFF Plenum)에서는 각각의 설비 옆 1 m이내, 바닥에서부터 약 125 cm 되는 지점에서, 사무실에서는 사무 근로자가 앉아서 작업 시 호흡기 영역 높이(약 125 cm)에서, 옥외 측정은 사무동 건물 5층 높이(약 20 m)인 실내에서 창문 밖으로 시료채취 튜브를 빼내어 약 50 cm 떨어진 지점에서 측정을 실시하였다.
- 측정 시기를 선정하기 위해 한국환경공단의 에어 코리아(Air Korea)에서 제공하는 자료를 활용하였으며, 이를 통하여 외기 오존의 농도가 높은 시기를 선정 하였다. 본 연구가 이루어지는 경기 지역을 중심으로 2010년에서 2014년까지의 5년간 월별 최고 및 평균 농도를 이용하여 월별 추이를 Figure 1과 같이 나타내었다.
- 측정기간 동안의 일반대기의 오존 농도 자료는 Air Korea(www.airkorea.or.kr)를 통하여 측정이 이루어지는 장소와 근접한 수원시 영통구 측정소(도시대기 측정망)를 기준으로 제공되는 시간 별 오존 농도를 수집하여 측정 결과와 비교하였다(일시적으로 측정 자료가 없는 경우 측정 장소와 인접한 동탄구 측정소 자료를 활용하였다).
이론/모형
- 공기 중에 존재하는 오존의 농도를 실시간으로 측정하기 위하여 검·교정(2015.03)이 완료된 실시간 오존 측정 장비(Ozone Analyzer, OA-781, Kimoto, Japan)를 사용하였다.
- 본 측정 및 분석 방법은 오존을 분석한 것이 아니라, NO2-가 도포된 유리섬유여과지가 공기 중 오존과 만나게 되면 생성되는 Nitrate(NO3-)을 분석하는 방법이기 때문에 분석이 완료된 NO3-의 농도를 전환계수 (O3/NO3-= 0.7742)를 이용하여 오존의 농도를 구하였다(OSHA, 2003).
- 오존의 농도를 평가하기 위하여 미국산업안전보건청(Occupational Safety & Health Administration, OSHA)에서 제시하고 있는 방법인 Method ID-214 및 사무실 공기관리 지침(2015-43호)에 준하여 시료 채취 및 분석을 실시하였다.
성능/효과
- 1) 반도체 Fab 및 사무실에서 측정된 오존의 농도는 지역시료의 경우 0.7~7.1 ppb이었으며, 실시간 측정의 경우 0.72~4.07 ppb으로, 모든 시료는 노출 기준(OEL-TWA), 사무실 오염물질 관리 기준 및 일반 대기의 오존 농도에 비하여 낮은 수준으로 평가되었다.
- 2) 사무실 내 레이저 프린터로부터 발생되는 오존 발생량은 2 ppb 이내로 사용 할 때와 사용하지 않을 때의 오존의 농도 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
- 반면 Figure 4(a)와 같이 인쇄된 종이가 나오는 지점에서 측정한 경우 오존의 농도는 인쇄 시작 시점부터 인쇄가 완료된 이후까지 (인쇄가 시작되는 시점에서부터 1분~2분 이내) 서서히 농도가 증가되었으며, 일정 시간이 경과된 후 농도가 감소하는 추세를 보였다(Figure 6). 2회 반복 실험 결과 오존의 농도 변화는 유사한 형태를 나타냈으며, 이때 오존의 발생량은 배경 농도를 차감하였을때 2 ppb이내로 프린터를 사용 할 때와 사용하지 않을 때의 오존의 농도 차이는 거의 없는 것으로 확인되었다. Kagi et al.
- 3) 반도체 공정의 Fab 및 사무실과 외기의 농도비(I/O ratio)를 비교한 결과 Fab의 경우 0.05로, 사무실의 경우 0.06으로 나타나 외기에 의한 영향은 거의 없는 것으로 확인하였다.
- 또한 반도체 Fab 중에서도 DIFF 및 DIFF plenum의 오존 농도는 ETCH 공정에 비해 상대적으로 낮은 것으로 확인되었다. 이러한 이유는 DIFF 공정에서 Fab내 공기 중 존재하는 오존의 농도가 높을 경우 오존의 강한 산화력으로 인하여 제품의 불량이 발생할 수 있기 때문이다.
- 또한 측정 방법에 관계없이 각각의 장소에서 6회씩 측정된 모든 시료는 일반대기의 오존 농도에 비하여 실내의 농도가 1.33%~22.61%로 현저히 낮은 수준으로 조사되었다.
- 10 ppb이었다. 반도체 Fab의 농도는 사무실에 비해 상대적으로 낮은 농도를 유지하는 것으로 나타났으며, 이는 반도체 공정 특성상 일정 규격에 맞도록 유지, 관리되어야하는 공간으로 외기 조화기에서 1차적으로 오존을 제거하는 O3 chemical filter를 거쳐 들어오기 때문에 낮게 유지되는 것으로 판단된다.
- 1 ppm)을 훨씬 초과한 것으로 나타났으나 그 이후 오존 발생이 거의 없는 레이저 프린터와 디지털 복사기 사용으로 실내 오존의 영향이 거의 없기 때문이라고 보고하고 있다. 본 연구에서 사용된 레이저 프린터 또한 오존 방출량이 0.1 ppm이하로 규정된 제품이었으며, 현재 제조되는 레이저 프린트 중 환경마크의 오존 발생 기준은 0.01 ppm로 제한하는 등 오존에 대한 규정에 의해 과거보다 노출될 우려는 적어진 것으로 판단된다.
- 실외의 농도에 비해 실내 농도가 현저히 낮은 이유는 반도체 Fab으로 공급되는 외기는 외기조화기, 내부 순환장치 내 오존을 제거하는 필터를 통과하기 때문이며, 실제로 공정에서는 오존 제거 효율이 약 85%이상 유지 할 수 있도록 관리되고 있다. 본 연구에서도 실제적으로 94.8%이상 효율을 나타내고 있는 것으로 조사되었으며, 사무실의 경우도 냉방 공조가 이루어지고 창문이 닫혀 있는 밀폐된 공간으로 인하여 외기 오존 농도에 따른 뚜렷한 변화를 나타내고 있지 않은 것으로 보인다. 사무실의 공기질 실태조사 결과 연구 보고서(KOSHA, 2005)에 따르면, 8~9월사이에 총 30개의 사무실에서 조사된 오존의 평균 농도는 3.
- , 2012). 본 연구에서의 반도제 사업장의 Fab의 오존 수준은 0.38~5.89 ppb로 다른 산업에 비해 낮은 수준인 것으로 나타났다.
- 실시간 측정과 지역 시료 결과를 비교하면, 실시간 측정의 경우 오존의 농도는 1.89±1.01 ppb, 지역 시료의 경우 2.88±1.95 ppb로 조사되었고, 실시간 측정에 비해 지역시료가 높게 평가 되었으며, 5곳의 장소 모두 동일한 경향이 나타났다.
- 실시간 측정의 경우에는 사무실, ETCH, DIFF Plenum, DIFF 순으로 각각 3.01±0.66 ppb, 2.14±1.11 ppb, 1.35±0.39 ppb, 1.07±0.31 ppb로 나타났으며, 측정 방법에 관계없이 대부분의 장소에서는 유사한 수준으로 확인되었다.
- 오존의 작업환경 노출기준(Occupational Exposure Limits-Time Weighted Average, OEL-TWA)과 사무실 오염물질 관리 기준(Indoor Air Quality Guideline)에서 규정하고 있는 노출기준은 각각 80 ppb, 60 ppb(MoEL, 2013; MoEL, 2015)로, 측정 장소에서 측정된 모든 시료 중 노출 기준 및 사무실 오염물질 관리 기준을 초과한 시료는 없는 것으로 확인되었다. 또한 측정된 시료는 노출기준(OEL-TWA)의 각각 0.
- 측정 장소 별 평균 농도는 지역시료의 경우 ETCH 와 사무실에서 각각 3.53±1.74 ppb, 3.52±2.83 ppb이었으며, DIFF, DIFF Plenum순으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구는 표본 수가 부족하여 실외와 실내의 오존 농도에 관한 상관성을 확인하는데 있어 제한점을 가지고 있으며, 사무실 및 반도체 사업장의 작업환경 관리를 위한 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.
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