[논문]반도체·FPD 제조설비와 클린룸의 RISK 최소화를 위한 폭발위험장소 설정 모델링에 관한 연구

노현석; 우인성; 황명환; 우정환

doi:10.7842/kigas.2017.22.1.78

반도체·FPD 제조설비와 클린룸의 RISK 최소화를 위한 폭발위험장소 설정 모델링에 관한 연구
A Study of Explosion Hazard Proof Modeling for Risk Minimization to Semiconductor & FPD Manufature Equipment and Clean Room 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.22 no.1, 2018년, pp.78 - 85

노현석 (인천대학교 안전공학과) , 우인성 (인천대학교 안전공학과) , 황명환 (인천대학교 안전공학과) , 우정환 (Texas A&M 대학교 전자공학과)

초록
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본 연구를 통하여 반도체 FPD 제조설비 및 클린룸에 관련한 설비의 위험성분석과 그에 대한 근원적인 안전대책을 연구하고, 설비 및 환경의 특수성을 고려한 방폭 설계 모델링화를 검토하여 관련 설비의 설계 및 제작에 기술적인 기준과 근거로 활용하고자 하며, 아래와 같은 성과로서 향후 반도체 FPD 산업의 기술적 기준 수립 및 관련 산업에 기여할 것으로 생각한다. 1) 관련 국제 기술규격과 법령, 설비의 특성을 반영한 FAB 장비의 최적화된 폭발위험장소의 모델링 도출 2) FAB 장비 및 클린 룸의 특성을 고려한 위험설비의 안전성 확보 (Fool-Proof와 Fail Safe)를 위한 안전시스템 구축방안과 안전기준 및 대책 도출 3) 향후 FAB 장비의 방폭 설계에 대한 가장 효율적인 기준 적용을 통한 신규 FAB 장비의 방폭 성능의 유연성 확보하고 수립된 안전기준을 통한 설비와 안전시스템의 신뢰성 검증 절차 운영을 위한 "안전인증제도"의 자율적 향상화.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we analyzed risks of the fabrication process equipment and cleanroom for semiconductor/flat panel display (FPD) manufacturing facilities and studied the fundamental safety measures for the risk factors. We examined the explosion proof design models considering the specificity of equipment and environment, and planned to utilize the findings to provide technical standards and grounds for designing and manufacturing related equipment. We believe that this study will contribute to the establishment of technical standards for semiconductor/FPD industry and businesses in many different ways by providing optimized modeling of high-risk explosion site detection, developing safety standards and hazard countermeasures and voluntary activation of safety certification system for operation of fabrication process equipment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

반도체․FPD 제조공정의 위험성을 이해하고, 제품생산 환경의 특수성을 파악하기 위하여 반도체·FPD제조공정, 클린룸 구성, 반도체·FPD 산업의 화재·누출·폭발 사고, 폭발위험장소의 선정에 대하여 연구하였다.
이번 연구에는 반도체 및 FPD 제조공정의 대표적인 진공, WET 공정을 대상으로 가장 많이 사용되면서 유해․위험성이 큰 인화성 가스와 액체를 대상으로 연구를 진행하고자 한다. 인화성가스에 대해서는 진공 장비를 대상으로 자연발화성인 실란(SiH₄)를 제외하고 수소(H₂) 가스에 대하여 평가를 수행하고, 인화성 액체는 WET 공정 장비를 대상으로 인화점이 대체적으로 높은 PGMEA를 제외하고 가장 많이 사용되는IPA(Isopropyl alcohol)를 대상으로 연구를 진행하고자 한다.
이에 대하여 FAB 장비와 관련설비의 특수성을 고려하여 국내법과 국제기술코드, 관련 업계의 기술자료 및 사고사례 등을 참조하여 폭발위험장소 선정 모델링을 연구하고, 각종 관련 규격 및 기술 Know-how, 사고사례 등을 반영하여 클린룸과 FAB 장비의 Risk분석과 안전성 확보방안, 화재폭발 방지를 위한 방폭설계에 대하여 클린룸의 환기특성, 공정의 효율성과 설비 자체의 특수성, FAB 장비 및 부대설비의 시공 및성능의 기술적 안전성[4]을 고려한 최적의 폭발위험장소 선정 방안을 검토하고자 한다.
이번 연구에는 반도체 및 FPD 제조공정의 대표적인 진공, WET 공정을 대상으로 가장 많이 사용되면서 유해․위험성이 큰 인화성 가스와 액체를 대상으로 연구를 진행하고자 한다. 인화성가스에 대해서는 진공 장비를 대상으로 자연발화성인 실란(SiH₄)를 제외하고 수소(H₂) 가스에 대하여 평가를 수행하고, 인화성 액체는 WET 공정 장비를 대상으로 인화점이 대체적으로 높은 PGMEA를 제외하고 가장 많이 사용되는IPA(Isopropyl alcohol)를 대상으로 연구를 진행하고자 한다.
전기방폭의 기본 개념과 누출원 및 환기특성, 폭발위험장소에서의 전기/계장기계․기구(이하 "전기설비"라 함) 선정과 관련된 이론에 대하여 기술한다. 폭발위험장소 설정에 관련된 이론[2], 즉 폭발방지의 기본개념과 원리, 폭발위험분위기 생성의 방지 메커니즘과 위험성 그리고 전기설비의 방폭화 방법과 폭발위험장소의 누출량의 산정과 위험범위에 영향을 미치는 환기특성 및 환기량 평가 산정하는 방법, 위험반경과 폭발위험장소를 구분하는 방법에 대하여 조사연구한다."폭발위험장소(Hazardous area)"는 "전기설비를 선정·설치·사용함에 있어 특별한 주의를 요구하는 폭발성 가스위험분위기가 조성되거나 조성될 우려가 있는 장소"를 말하며, 이러한 장소는 위험분위기의 발생 가능성, 즉 폭발성 가스분위기의 생성빈도와 지속시간에 따라 0종 장소, 1종 장소, 2종 장소 등으로 나누고 그 위험범위를 설정하는 것이다.

제안 방법

EI-15(Area classification code for installationshandling flammable fluids)의 폭발위험장소 선정③의 위험기반절차법(RBA)이며 작업자의 노출시간, 누출원의 수, 노출값과 점화확률을 고려하고 누출빈도Level을 정의하여 누출공과 위험범위를 선정하도록 하고 있다. FAB 장비의 수소가스 사용장비에 대하여EI-15의 위험성평가를 기반으로 폭발위험장소 선정을 진행하였다.
반도체․FPD 제조공정은 청정도 유지를 위하여 클린룸에서 모든 제조공정이 이루어지며, 이해를 돕기 위하여 클린룸의 종류, 특징, 순환방식 등에 대하여 조사 연구하였다.
이와 같은 여러 가지의 사항을 고려하여 인화성 가스및 인화성 액체의 폭발위험범위를 설정하기 위하여, 국내법에서 규정하는 KSC IEC 60079 -10-1 및 KOSHA Guide와 국외규격인 EI-15, NFPA 497, API 505를 조사․검토하여 연구에 반영하였다.
인화성 가스(진공장비)를 공급하는 설비는 가스공급실의 Gas를 안정적으로 공급해주는 BSGS(Bulkspecialty gas system), Gas cabinet과 BSGS로부터 공급받은 가스를 필요로 하는 각 장비로 가스를 분기시켜주는 VMB(Valve manifold box)가 있으며, 누출원평가에서는 수소 Gas Cabinet과 VMB 수소 배관누출에 대하여 평가를 실시하였다.
인화성 액체를 공급하는 설비는 CCSS(Central Chemical Supply System, 중앙약품공급장치)와 생산공정 중에서 다른 물질(DI 등)과 혼합하여 공정에서 새롭게 필요로 하는 농도의 Chemical을 만드는 장치CDS(Chemical Dilution System, 약품농도조정장치)가 있으며, 이번 연구의 누출원 평가에서는 CCSS 공급장치에 대하여 평가를 실시하였다.
주로 사용하는 다량의 인화성 가스 및 액체의 저장및 공급방법, 공급 계통의 구성, 공급 장치의 안전장치, 저장공급 시설에서 FAB 장비로의 인화성 액체 및 가스의 공급방법과 공급설비, FAB 장비에서 공정 과정 중(Processing) 및 공정 후(Drain, Ventilation, Circulation) 의 Gas와Chemical의 배기특성 및 설비에 대해서도 연구자료 수집을 통해 위험성을 조사하였다[5].
진공공정, WET 공정 설비의 인화성가스 및 인화성액체 공급설비에 대한 폭발위험범위를 상기 규격과Code를 통하여 설정하고 상호 규격 및 Code간의 차이 및 FAB 장비의 특성을 고려한 환경적, 설비적 조건을 검토하였다.

성능/효과

(1) 대부분의 사고들이 가연성가스와 액체 누출에 의하여 발생하였으며, 인화성가스에 의한 화재사고, 독성가스 누출 사고가 많이 발생하였으며, 자연발화의 특수성을 가진 사고가 많이 발생하였다.
(1) 진공을 사용하는 진공장비는 인화성 가스가 누출될 수 있는 확률을 거의 "0"에 가깝게 운전조건을 유지하고 있으며, 사용하는 인화성가스의 양 자체도 수g 단위이다.
(1) 진공을 사용하는 진공장비의 경우 누출가능성이 거의 없으며, 인화성 액체를 사용하는 WET 장비의경우 위험물질의 누출에 대하여 상시 배기로 장비 외부로의 누출이 거의 어렵다.
(2) FAB의 진공장비의 대부분은 진공에서 대기압(760 Torr G)의 운전 조건을 가진다. 이는 2차 누출원이 있다 하더라도, 1차적으로는 외부의 공기가 Chamber내부로 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) 반도체․FPD 산업의 초기단계에서 대부분의 큰 사고가 발생하였으며, 가연성가스와 액체에 의한 화재·폭발·사고를 예방하기 위하여 Gas/Chemical공급시스템, FAB 장비, 배출설비에 대한 설계 및 시공에 대한 안전뿐만 아니라 운전하는 영역에서의 작업에 대한 기준이 필요할 것이다.
(3) 설비와 배관 등의 구간에는 가스누액감지기가 설치되어 누출시 공급 장치와 FAB 장비의 인터록으로 공급 및 사용이 중지된다.
(4) FAB 장비는 공정조건을 위하여 위험물질의 공급을 MFC로 미량으로 정량공급하며 사용물질의 양이 극히 제한적이다.

후속연구

(4) 반도체·FPD 산업의 현재 통계자료에서는 가연성 액체 및 가스가 폭발위험분위기를 조성하여 외부 점화원에 의해 직접적인 폭발사고가 발생한 사례는 정확하게 찾을 수 없으며, 더 정확한 구체적인 사례들이 있는지에 대해서는 추가적인 연구조사가 필요할 것이다.
FAB 장비는 클린룸의 환경특성과 장비 자체의 특수성을 고려하여 다음의 여러 조건을 반영하여 폭발위험장소를 선정하면 설비에 대한 안전성 확보뿐만 아니라 폭발위험범위의 최소화, 최적화를 통하여 방폭기기의 적용 최소화를 가져올 수가 있을 것이다.
그리고 "설비에 대한 안전기준"에는 폭발위험장소의 설정과 방폭에 대한 관리부분도 반영되어 FAB장비를 통합적으로 안전성능을 확보할 수 있도록 유연성을 가진 대책이 수립되어야 할 것이다.
이는 해당 산업의 특수성과 제조공정의 환경조건, 설비적인 특수성을 고려하여 경험이 풍부한 전문가를 통하여 충분히 합당한 공학적 판단을 내릴 수 있다. 또한 위험물질의 양적 조건을 수용하여 상대적으로 적은 양에 대해서는 그 위험성자체가 작은 수준으로 평가하여 다른 안전조치를 통하여 충분히 폭발위험장소에 대한 제외 검토도 가능할 것이다.
위험에 대해서는 보수적인 방법과 개념으로만 평가를 할 것이 아니라 가장 합리적이고 개방적인 방법으로 평가가 되어야 할 것이다. 환경적인 특수성을 고려하여 설정 방법에 대하여 가장 최적화된 방법을 선택하여 충분한공학적 판단이 내려지도록 해야 할 것이다. 설비적 환경이 기술 개발이 이루어지고 있어 특히, 배관의 연결방법(VCR 피팅, 이중배관 등)에 대한 누출원 검토가 제고되어야 하며, Chemical의 경우 장비의 취급용기(Tank, Bath, Drum, Canister 등)에 대한 양적인 검토가 적극적으로 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 제조공정은 어떻게 되는가?	반도체 제조공정은 실리콘(Si)으로부터 웨이퍼 제조, 회로 설계 및 마스크 제작, 웨이퍼 가공, 칩 조립의 제조공정을 통하여 반도체 제품이 생산된다.
	Color filter는 무엇으로 구성되는가?	TFT의 전기적 신호에 따라 LC는 배열이 변화되고Back light 빛의 배열이 변화된 LC를 거쳐서 Color filter를 통해 우리 눈에 보이게 된다. Color filter는 빛의삼원색인 Red, Green, Blue로 구성되며 아주 조밀하게 붙어있어 사람 눈으로 보기에는 RGB가 합쳐져서 어떤 색이 나오는 것처럼 보이게 된다. 공정들은 크게① TFT array panel 제조공정, ② Color filter 제조공정, ③ Cell 제조공정, ④ Module 제조공정의 네 단계로 진행된다.
	MFC(Mass flow controller)는 무엇인가?	각각의 가스는 종류별 Gascabinet에서 공급되고, 클린룸에 설치된 VMB를 통해 각각의 진공장비들은 해당MFC(Mass flow controller) 장치를 통해 일정한 질량(극소량)의 가스를 반응 Chamber내로 주입하여 증착공정을 진행한다.MFC는 온도 등에 따라 순간적으로 변화될 수 있는 부피유량을 제어하지 않고 외부조건에 영향을 받지 않는 질량으로 제어하는 설비이다. 문제는 세계적으로FAB 장비를 위해 필요한 MFC가 방폭형으로 생산되지 않고 있으며 방폭형에 대한 수요도 공급도 없으며 방폭형 MFC는 존재하지 않는다.

참고문헌 (6)

한국화재보험협회. " 반도체공업 위험관리 ", 2012, pp.18-21
한국산업표준, "KSC IEC 60079-10-1 : 2012 폭발 분위기-제10-1부:폭발위험 장소의 구분", 2012
Energy Institute, "EI-15 Area Classification Code for Installations Handling Flammable Fluids" 2005 3rd edition
NFPA 497 Recommended Practice for the Classification of Flammable Liquids, Gases or Vapors and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas
API 505 Classification of locations for electrical installations at petroleum facilities classified as Class 1, Zone 0, zone 1, and zone 2
김광일, 반도체 산업에서의 사고사례분석 및 안전대책 방안, 한국화재소방학회지 10권 1호. 1996, pp49-50.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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