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문제 정의
- 가스 증착 공정(CVD)에서 발생하고 있는 티탄은 최소 점화에너지가 낮은 것으로 알려진 금속분진으로 단순히 혼합되면 위험하다고 판단되어 전용 청소기를 통해 집진하고 있어 설비 유지보수 과정에서 위험성이 존재하고 있고 준비과정에서 발생하는 소모시간도 많아 CV 공정에 혼합배출 하려고 하다보니 다른 혼합 금속분진과의 화재폭발 위험성을 평가하고자 하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 반도체 공정에서 발생되는 분진의 종류와 함유정도를 조사하고, 분진의 착화위험성에 대한 정량화를 통하여 반도체 공정의 금속분진에 대한 폭발 위험성을 평가하고, 실험을 통하여 가연성 금속 분진의 추가 혼합에 따른 폭발 위험 성의 증가여부를 확인하기 위하여 실시하였다.
제안 방법
- 그러나 가연성이 있는 금속재료의 사용을 추가할 경우 CV 공정의 안전성을 재검토하여야 할 필요가 있다. 따라서 다량의 가연성 금속 분진을 비폭 발성 분진과 함께 집진할 경우에 폭발 위험성이 없는지를 알아보기 위하여 “티탄 및 A라인 혼합분진”의 화재폭발 위험성을 실험적으로 측정하였으며, 시험결과 분진폭발은 최소농도 “Ti 20 % + A라인분진 80 %”에서 발생하였다. Ti를 인위적으로 혼합하여 실험한 이유는 Ti가 알루미늄과 유사수준으로 최소점화 에너지가 높아 최악의 폭발 시나리오로 선정하게 되었다.
- 또한, 티탄은 최소착화에너지(Minimum Ignition Energy)가타 금속분진 보다 민감도가 높은 물질로 “티탄 및 비폭발성 혼합 분진”의 화재폭발 위험성을 시험적으로 측정하였다[18].
- 입도분포의 시험방법은 시료의 굴절률을 알고 있는 분산용 액체(에탄올)에 분산시키고 필요에 따라 초음파 파쇄기를 사용하였으며, 시험 제어 프로그램을 사용하여 실행 순서를 선택하여 세척, Bubble 제거, Blank 측정 등의 과정을 거친 후, 시료를 투입하여 입도를 측정하였다. 이 때 투입되는 시료의 농도는 분무형태로 8~12 %로 총 3회 측정하여 재현성이 최대허용편차에 들어오는 결과값에 대하여 통계적 처리 절차를 거쳐 최종 입도값으로 결정하였다.
- 집진기 공정 8개소에서 채취한 시료 [Fig. 3]의 폭발성 유무를 조사하기 위하여 20 L 구형 분진폭발시험장치를 사용하여 250~1500 [g/㎥]의 분진농도 범위에서 폭발특성시험을 실시하였다.
- 착화 지연시간(60 ms) 경과 후에 10 kJ의 착화에너지를 갖는 화학점화기로 두 전극 사이로 전압을 인가하여 착화시켜 분진-공기 혼합물의 폭발에 따른 압력 파형을 관찰하고 폭발하한농도, 폭발압력, 최대압력상승속도를 측정하였다. 이러한 폭발특성 평가는 상온, 상압의 동일 농도조건에서 시험을 3회 실시하여 평균값을 사용하였다.
- 특히, 화재위험이 확인된 티탄 분진을 비폭발성 분진과 함께 집진할 경우 폭발 위험성이 없는지를 확인하기 위하여 표면 반응 즉, 표면에서 열분해 및 증발을 일으키지 않고 고온을 유지하면서 산소와 반응하여 연소하는 현상을 지닌 티탄을 선정하여 폭발성 유무 시험을 진행하였다.
- 현재 사용하고 있는 CV공정 8개소에서 채취된 분진은 폭발성이 없는 것으로 나타났다. 하지만, 다량의 가연성 분진을 CV공정을 이용하여 취급할 경우의 위험성을 분석하기 위하여 이중 하나의 라인의 분진을 선정하였고, 보수적인 값을 얻기 위하여 폭발성이 높은 티탄(Ti) 분진(320 Mesh)을 혼합하여 폭발성을 나타내는 최소 Ti 분진의 농도를 산정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 반도체 제조사업장인 국내 특정사업장을 대상으로 실시하였으며, 현재 사용하고 있는 가연성 분진의 고위험 설비인 Clean Vacuum 공정의 8개소를 선정하여 집진된 시료성분을 대상으로 위험성을 확인하였다.
- 현재 사용하고 있는 CV공정 8개소에서 채취된 분진은 폭발성이 없는 것으로 나타났다. 하지만, 다량의 가연성 분진을 CV공정을 이용하여 취급할 경우의 위험성을 분석하기 위하여 이중 하나의 라인의 분진을 선정하였고, 보수적인 값을 얻기 위하여 폭발성이 높은 티탄(Ti) 분진(320 Mesh)을 혼합하여 폭발성을 나타내는 최소 Ti 분진의 농도를 산정하였다.
데이터처리
- 착화 지연시간(60 ms) 경과 후에 10 kJ의 착화에너지를 갖는 화학점화기로 두 전극 사이로 전압을 인가하여 착화시켜 분진-공기 혼합물의 폭발에 따른 압력 파형을 관찰하고 폭발하한농도, 폭발압력, 최대압력상승속도를 측정하였다. 이러한 폭발특성 평가는 상온, 상압의 동일 농도조건에서 시험을 3회 실시하여 평균값을 사용하였다.
이론/모형
- 반도체 공정에서는 금속분진이 필연적으로 발생되고 금속분진은 화재폭발을 일으킬 수 있는 요소로 작용할 수 있으므로 폐기 금속분진의 취급 시에 발생할 수 있는 폭발사고 위험성을 예측하기 위하여 분진이 가지고 있는 물리적 폭발위험성을 국제시험규격을 적용하여 평가하였다.
- 본 연구에서는 분진의 폭발압력 특성 값을 측정하기 위하여 ASTM 표준시험규격에 적합한 Siwek 20 L Chamber (Kuhner AG社, 스위스)를 사용하여 국제시험규격(EN 14034-1:2006 및 EN 14034-2:2006)에 따라 실시하였다.
- 입도시험은 국제시험규격에 따라 이루어지며 본 연구에서는 레이저 입도분석 시험장치(Laser Diffraction Particle Size Analyzer, Beckman Coulter LS 13320)를 사용하여 분진의 평균 입경과 입도분포를 측정하였다.
- 최대폭발압력(Pmax)은 EN 14034-1(2011), 최대폭발압력상승 속도[(dt/dp)m]는 EN 14034-2(2011) 및 ASTM E1226(2005), 폭발압력지수(Kst)는 EN 14034-2(2011), 폭발하한농도(MEC ;Minimum Explosion Concentration)는 EN 14034-3(2011)에 의거하여 실험하였다.
성능/효과
- 시험결과 모든 시료는 폭발성이 없는 것으로 나타났으며, 폭발성이 나타나지 않는 원인으로는 성분분석 결과에서 알 수 있듯이 가장 많은 성분비율을 차지하고 있는 Si, Fe가 연마 과정에서 발생된 연마제 성분과 금속 및 무기물 등이 혼합되어 있는 것으로 볼 때, 연소성이 있는 Si, Fe 입자의 표면에 산화피막이 형성되어 폭발성이 없어진 것으로 추정된다.
- 이에 실제 반도체 공정에서 발생되는 Clean Vacuum 공정의 8개소에서 포집되는 분체에 대한 성분을 분석한 결과는 [Table 1]과 같으며, 구성 성분 중 Si(61 %)와 Fe(26~42 %)이 가장 많이 함유되어 있었으며, Cr, Zn, Ni, Mn 등의 순으로 함유되어져 있는 것을 알 수 있었다.
- 1차 집진은 집진기(Cyclone)에서 이루어지며 미세한 분진은 Bag filter가 내장된 2차 집진기에서 미세분진을 포집하고 있다. 폐기분진은 각 공정에서 배관을 통하여 이송되며 원활한 이송을 위해 밀폐 조건으로 운전되고 있는데 대부분의 폐기분진은 비폭 발성인 것으로 시험결과 나타났다. 그러나 반도체 생산공정에서 사용되는 금속분진과 그 중 기능성재료로 사용되는 티탄 분진과 같은 가연성 금속 분진이 포함되는 경우에는 혼합분진의 비율에 따라 분진폭발 위험성이 나타날 수 있다[9].
- 현재 반도체 공정의 고위험 설비인 CV 공정의 8개소에서 채취한 가연성 금속분진에 대한 화재폭발 위험성을 분석한 결과, 분진폭발 위험성이 없는 것으로 확인되었다. 그러나 가연성이 있는 금속재료의 사용을 추가할 경우 CV 공정의 안전성을 재검토하여야 할 필요가 있다.
- 혼합 분진에서 폭발성이 나타나는 최소 Ti분진의 농도를 조사한 결과, [Table 2]와 같이 Ti(20 %) 및 샘플 분진(80 %)의 값이 얻어졌다.
후속연구
- 현재 반도체 공정의 고위험 설비인 CV 공정의 8개소에서 채취한 가연성 금속분진에 대한 화재폭발 위험성을 분석한 결과, 분진폭발 위험성이 없는 것으로 확인되었다. 그러나 가연성이 있는 금속재료의 사용을 추가할 경우 CV 공정의 안전성을 재검토하여야 할 필요가 있다. 따라서 다량의 가연성 금속 분진을 비폭 발성 분진과 함께 집진할 경우에 폭발 위험성이 없는지를 알아보기 위하여 “티탄 및 A라인 혼합분진”의 화재폭발 위험성을 실험적으로 측정하였으며, 시험결과 분진폭발은 최소농도 “Ti 20 % + A라인분진 80 %”에서 발생하였다.
- 따라서 혼합분진에서 20% 이상의 가연성 금속분진이 포함될 경우 화재폭발의 위험성이 있는 것으로 확인되었으므로 본 연구 대상인 CV공정 8개소의 비폭발성 금속분진을 가연성 금속분진과 함께 집진 처리할 경우에 화재폭발 위험성이 있으므로 예방대책 수립이 요구된다.
- 본 연구를 통하여 반도체 공정에서 발생되는 분진의 성분 및 이로 인한 가연성 금속과의 영향에 따른 위험성을 분석할 수 있었으며, 향후 동종업종을 포함한 전자산업 분야에서의 화재폭발 위험성평가 및 개선방안을 합리적으로 제시하고, 안전수준의 향상을 위한 기초데이터로 활용되는데 기여할 수 있을 것으로 본다.
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