PCB 제조시설 에칭공정 화학사고 조사를 통한 안전관리 방안 연구 Study on Safety Management Plan through Chemical Accident Investigation in PCB Manufacturing Facility Etching Process원문보기
2015년 화학물질관리법 시행 이후 화학 사고 발생 수는 감소 추세에 있으나, 최근 인쇄회로기판(PCB) 제조시설에서 유사한 유형의 사고가 반복적으로 발생함에 따라 실험을 통해 사고 원인을 조사 분석하였다. 해당 사고는 인쇄회로기판 제조공정 내 에칭용액으로 사용한 유해화학물질인 염산과 과산화수소가 월류하여 발생한 사고로 작업자 부주의와 시설 관리 미흡이 주된 사고 원인으로 조사되었다. 사고 원인을 규명하기 위해 실시한 $Cl^-$의 함량 분석 결과 과산화수소 시료에서 66.85 ppm로 측정되어 사고 물질인 염산과 과산화수소의 혼합경로를 확인할 수 있었으며, 반응실험을 통해 반응열이 $50.5^{\circ}C$까지 발생함에 따라 PVC 저장탱크의 변형과 유독가스인 염소가스 발생을 확인하였다. 본 연구를 통해 인쇄회로기판 제조시설의 에칭공정에서의 과충전, 역류방지, 누출감지장치와 혼합방지를 위한 저장탱크 분리 설계 등 시설 안전 관리 방안과 해당 장치의 장외영향평가 검토 필요성을 제시하고자 하였다. 또한 동일 유형의 사고 재발 방지를 위하여 주기적인 시설 안전점검과 작업자의 안전교육 강화의 필요성에 대하여 논의하였다.
2015년 화학물질관리법 시행 이후 화학 사고 발생 수는 감소 추세에 있으나, 최근 인쇄회로기판(PCB) 제조시설에서 유사한 유형의 사고가 반복적으로 발생함에 따라 실험을 통해 사고 원인을 조사 분석하였다. 해당 사고는 인쇄회로기판 제조공정 내 에칭용액으로 사용한 유해화학물질인 염산과 과산화수소가 월류하여 발생한 사고로 작업자 부주의와 시설 관리 미흡이 주된 사고 원인으로 조사되었다. 사고 원인을 규명하기 위해 실시한 $Cl^-$의 함량 분석 결과 과산화수소 시료에서 66.85 ppm로 측정되어 사고 물질인 염산과 과산화수소의 혼합경로를 확인할 수 있었으며, 반응실험을 통해 반응열이 $50.5^{\circ}C$까지 발생함에 따라 PVC 저장탱크의 변형과 유독가스인 염소가스 발생을 확인하였다. 본 연구를 통해 인쇄회로기판 제조시설의 에칭공정에서의 과충전, 역류방지, 누출감지장치와 혼합방지를 위한 저장탱크 분리 설계 등 시설 안전 관리 방안과 해당 장치의 장외영향평가 검토 필요성을 제시하고자 하였다. 또한 동일 유형의 사고 재발 방지를 위하여 주기적인 시설 안전점검과 작업자의 안전교육 강화의 필요성에 대하여 논의하였다.
Although the number of chemical accidents has been declining since the Chemical Control Act of 2015, there have been repeated occurrences of similar types of accidents at printed circuit board (PCB) manufacturing facilities. These accidents were caused by the overflow of hydrochloric acid and hydrog...
Although the number of chemical accidents has been declining since the Chemical Control Act of 2015, there have been repeated occurrences of similar types of accidents at printed circuit board (PCB) manufacturing facilities. These accidents were caused by the overflow of hydrochloric acid and hydrogen peroxide, which are toxic chemicals used in the printed circuit board manufacturing process. An analysis of the $Cl^-$ content to identify the cause of the accident showed that in the mixed route of hydrochloric acid and hydrogen peroxide, which are accidental substances, the $Cl^-$ concentration was 66.85 ppm in the hydrogen peroxide sample. Through reaction experiments, it was confirmed that the deformation of a PVC storage tank and generation of chlorine gas, which is a toxic gas, occurred due to reaction heat occurring up to $50.5^{\circ}C$. This paper proposes a facility safety management plan, including overcharge, overflow prevention, leak detection device, and separation tank design for mixing prevention in printed circuit board manufacturing facility etch process. To prevent the recurrence of accidents of the same type, the necessity of a periodic facility safety inspection and strengthening of the safety education of workers was discussed.
Although the number of chemical accidents has been declining since the Chemical Control Act of 2015, there have been repeated occurrences of similar types of accidents at printed circuit board (PCB) manufacturing facilities. These accidents were caused by the overflow of hydrochloric acid and hydrogen peroxide, which are toxic chemicals used in the printed circuit board manufacturing process. An analysis of the $Cl^-$ content to identify the cause of the accident showed that in the mixed route of hydrochloric acid and hydrogen peroxide, which are accidental substances, the $Cl^-$ concentration was 66.85 ppm in the hydrogen peroxide sample. Through reaction experiments, it was confirmed that the deformation of a PVC storage tank and generation of chlorine gas, which is a toxic gas, occurred due to reaction heat occurring up to $50.5^{\circ}C$. This paper proposes a facility safety management plan, including overcharge, overflow prevention, leak detection device, and separation tank design for mixing prevention in printed circuit board manufacturing facility etch process. To prevent the recurrence of accidents of the same type, the necessity of a periodic facility safety inspection and strengthening of the safety education of workers was discussed.
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문제 정의
본 연구에서는 2017년 인천·안산지역의 PCB 제조시설에서 발생한 화학사고 중 다수의 인명피해가 발생했던 안산 소재 B공장 사고의 현장조사, 시료분석, 반응실험 방법을 통하여 사고 원인 및 문제점을 조사하고 유사 시설에서의 화학사고 재발 방지를 위한 안전관리 개선방안을 제시하고자 하였다.
사고물질인 염산과 과산화수소의 혼합에 의한 반응위험성 및 발생되는 유독가스를 실험적으로 규명하기 위해 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원에 반응실험을 의뢰하였다.
실제 사고 분석을 통해 유사 시설을 운영하고 있는 PCB 제조시설에 대한 안전관리 방안을 제시하고자 한다.
제안 방법
분석장비는 IC(DIONEX ICS-2100,Thermo Scientific) 및 ICP-MS(NexION 350D,PerkinElmer)를 사용하였으며, IC 장비로 Cl- 함량, ICP-MS 장비로 Fe 함량을 분석하였다. IC 장비 분석은 표준물질 1～100 ppm 범위로 검정곡선 작성 후 시료 측정하였으며, ICP-MS 장비 분석은 표준물질 20～1000ppb 범위로 검정곡선 작성 후 시료를 측정하였다.
사고가 발생한 과산화수소 저장탱크는 최근까지 염화제이철 저장탱크로 사용함에 불순물에 의한 혼합 가능성을 고려하여 Fe 과 Cl분석을 실시하였다. 분석장비는 IC(DIONEX ICS-2100,Thermo Scientific) 및 ICP-MS(NexION 350D,PerkinElmer)를 사용하였으며, IC 장비로 Cl- 함량, ICP-MS 장비로 Fe 함량을 분석하였다. IC 장비 분석은 표준물질 1～100 ppm 범위로 검정곡선 작성 후 시료 측정하였으며, ICP-MS 장비 분석은 표준물질 20～1000ppb 범위로 검정곡선 작성 후 시료를 측정하였다.
화학사고 원인조사를 위해 잔류 염산 용액 및 과산화수소 용액 시료를 채취하여 환경부 소속 연구기관인 화학물질안전원에 분석의뢰 하였다. 사고가 발생한 과산화수소 저장탱크는 최근까지 염화제이철 저장탱크로 사용함에 불순물에 의한 혼합 가능성을 고려하여 Fe 과 Cl분석을 실시하였다. 분석장비는 IC(DIONEX ICS-2100,Thermo Scientific) 및 ICP-MS(NexION 350D,PerkinElmer)를 사용하였으며, IC 장비로 Cl- 함량, ICP-MS 장비로 Fe 함량을 분석하였다.
실험장비는 소규모 반응열량을 측정하기 위해 자동실험반응기(Multimax Reactor)를 사용하였다. 사고발생 조건과 최대한 근접하게 모의하기 위해 동일한 물질농도 및 유추되는 혼합 반응(질량 혼합비 염산:과산화수소 =10:1)을 실시하였다. 염산(35 %) 30 g 을 반응기에 투입하고 반응온도는 실온인 25 ℃ 로 승온 및 유지하였다.
반응열을 산출하기 위해 Calibration Heater를 작동 후 과산화수소(35 %) 3 g 을 약 3분 동안 반응기에 투입하였다. 이때부터 반응열을 산출하였으며, 반응기 주변의 염소(Cl2) 농도를 측정하였다. 측정기기는 사고당시 현장에서 활용하였던 가스측정기(MultiRAE Lite, RAESYSTEM)를 사용하였다.
화학물질 사고조사는 저장시설 내 염산(35 %) 및 과산화수소(35 %)를 모두 이송시켜 추가적인 위험성을 제거 후 현장조사를 실시하였다.
화학사고 원인조사를 위해 잔류 염산 용액 및 과산화수소 용액 시료를 채취하여 환경부 소속 연구기관인 화학물질안전원에 분석의뢰 하였다. 사고가 발생한 과산화수소 저장탱크는 최근까지 염화제이철 저장탱크로 사용함에 불순물에 의한 혼합 가능성을 고려하여 Fe 과 Cl분석을 실시하였다.
대상 데이터
2017년 9월 27일 안산 소재의 B공장에서는 작업자의 부주의로 과산화수소가 월류하여 연결된 탱크의 염산과 반응하여 염화수소 가스가 발생하였으며 이로 인해 34명이 증기를 흡입하여 병원으로 후송되었다. 2017년 10월 18일 인천 소재의 C공장에서는 작업자가 PCB공정 내 염소산나트륨과 염산저장탱크의 밸브를 개방한 후 자리를 이탈하여 월류로 인한 두 물질간 반응으로 유독가스가 발생하였으며 이로 인하여 2명이 병원으로 후송되었다.
해당 사고는 모두 에칭용액 주입 중 발생한 사고로 유해화학물질 혼합으로 유독가스가 발생하여 다수의 작업자가 대피하거나 병원으로 후송되는 인명피해가 발생하였다. 2017년 3월 3일 안산 소재의 A공장에서는 에칭 탱크에 염산을 주입하던 중 연결된 보조탱크로 염산이 역류하였고 작업자가 밸브를 닫지 못함에 따라 유독가스가 발생하였으며 근로자 12명이 대피하였다. 2017년 9월 27일 안산 소재의 B공장에서는 작업자의 부주의로 과산화수소가 월류하여 연결된 탱크의 염산과 반응하여 염화수소 가스가 발생하였으며 이로 인해 34명이 증기를 흡입하여 병원으로 후송되었다.
2. HCl(35%) and H2O2(35%) accident tank.
1과 같은 전체공정 중 인쇄회로기판 제조를 위한 에칭공정에서 염산(35 %) 저장탱크로 과산화수소(35 %)가 역류하여 유독가스가 발생되었다. 이로 인하여 근처에서 작업 중인 근로자 34 명이 병원으로 후송되었다. 사고가 발생한 염산(35 %) 및 과산화수소(35 %) 저장탱크는 PVC(PolyvinylChloride) 재질로 변형이 일어나 배부름현상이 발생하여 드레인 작업을 통해 저장탱크 내 잔류 염산 및 과산화수소를 배출 후 깨끗한 물로 탱크를 채워 반응을 억제하였다.
이론/모형
실험장비는 소규모 반응열량을 측정하기 위해 자동실험반응기(Multimax Reactor)를 사용하였다. 사고발생 조건과 최대한 근접하게 모의하기 위해 동일한 물질농도 및 유추되는 혼합 반응(질량 혼합비 염산:과산화수소 =10:1)을 실시하였다.
이때부터 반응열을 산출하였으며, 반응기 주변의 염소(Cl2) 농도를 측정하였다. 측정기기는 사고당시 현장에서 활용하였던 가스측정기(MultiRAE Lite, RAESYSTEM)를 사용하였다.
성능/효과
85 ppm과 염산 시료에서 838 ppm으로 나타났다. IC 분석으로 과산화수소(35 %) 시료에서 Cl- 함량이 66.85 ppm 로 측정됨에 따라 염산(35%)과 과산화수소(35%) 용액이 혼합되었음을 입증할 수 있었다. ICP-MS 분석으로 인한 Fe 함량은 ppb 수준으로 미약함에 따라 염화제이철에 의한 잔류물질 반응은 미비한 것으로 판단하였다.
85 ppm 로 측정됨에 따라 염산(35%)과 과산화수소(35%) 용액이 혼합되었음을 입증할 수 있었다. ICP-MS 분석으로 인한 Fe 함량은 ppb 수준으로 미약함에 따라 염화제이철에 의한 잔류물질 반응은 미비한 것으로 판단하였다.
셋째, 작업자의 교육 및 도급관리 강화가 필요하다. 해당 사고는 배출배관 밸브가 잠긴 상태에서 유입펌프작동 후 작업자의 이탈로 인하여 화학물질이 월류되었다.
따라서 저장탱크의 배부름현상은 탱크 내 과산화수소와 염산의 반응열이 PVC의 유리전이온도까지 상승함으로써 PVC소재의 변형이 일어난 것으로 판단된다[7-9]. 염산(35 %)과 과산화수소(35 %)의 혼합에 의한 반응이 진행된 후 반응기 주변을 가스측정기로 측정한 결과 염소(Cl2)의 농도는 최대 검출농도인 50 ppm을 초과하였다. 반응 시에 생성된 다량의 염소가스로 인하여다수의 작업자가 호흡기 자극, 매스꺼움 등의 증상을 나타내며 병원으로 후송된 것으로 보인다[10,11].
3 J/g H2O2 로 계산되었다. 이상의 결과로부터 염산(35 %)과 과산화수소(35 %)의 혼합에 의한 반응은 혼합과 동시에 급격한 발열반응이 발생함을 알 수 있었다.
제정된 화학물질관리법은 화학물질에 대한통계조사 및 정보체계 구축, 유해화학물질 취급 및 설치·운영기준 구체화 등의 안전관리를 강화하였다.
후속연구
첫째, 에칭용액을 저장하기 위한 저장탱크를 자동주입방식으로 변경하고, 과충전 및 역류방지 장치가 필요하다. 또한, 에칭용액 간 혼합방지를 위해서는 저장탱크의 분리 설계와 반응열로 인해 변형을 일으키지 않는 재질의 저장탱크가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PCB 업체가 도급방식을 채택하여 운영하고 있는 이유는?
해당 사고는 배출배관 밸브가 잠긴 상태에서 유입펌프작동 후 작업자의 이탈로 인하여 화학물질이 월류되었다. PCB 업체는 특성상 다양한 공정라인을 운영하기 때문에 도급방식을 채택하여 운영하고 있다. 화학물질관리법에서는 유해화학물질 영업을 하는 자가 해당 유해화학물질의 취급을 도급하는 경우 도급계획 및 화학사고 안전관리계획 등이 포함된 도급신고를 하도록 규정하고 있으나 도급과정에서 교육미흡으로 인한 공정에 대한 작업자의 이해부족 또는 잦은 도급인원 및 방식의 교체 등이 발생할 수 있다.
구미 불산 누출사고 이후 제정된 관련 법은?
2012년 구미 불산 누출사고 이후 화학물질의 잠재 위험성에 대한 국민의식이 증가됨에 따라 2013년 5월「화학물질관리법」을 제정하고 2015년에 이르러 시행하게 되었다. 제정된 화학물질관리법은 화학물질에 대한통계조사 및 정보체계 구축, 유해화학물질 취급 및 설치·운영기준 구체화 등의 안전관리를 강화하였다.
화학물질관리법에 따라 신설된 제도는?
또한,화학사고 장외영향평가제도, 위해관리계획 및 영업허가제 신설 등을 통해 유해화학물질 예방관리 체계가 강화되었고, 화학사고의 발생 시 즉시 15분 이내 신고의무,사고수습을 위한 현장수습조정관 파견 등 화학사고 대비 대응이 대폭 강화되었다[1]. 특히, 유해화학물질 취급공정의 위탁이나 시설의 유지보수 등 유해화학물질 취급도급과정 중에서 화학사고가 빈번히 발생하여 도급신고제도가 신설되었다.
참고문헌 (12)
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Y. B. Lee, J. H. Choi, S. Y. Won, "Plasticizer Effect on Glass Transition Temperatures of PVC", Soonchunhyang Journal of Institute for Industrial Technology, vol. 3, no. 1, pp. 85-88, 1997.
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