[논문]PCB 건조공정의 흄과 미스트에 대한 열안정성 분석

추창엽; 이정석; 백종배

doi:10.14346/jkosos.2019.34.4.32

PCB 건조공정의 흄과 미스트에 대한 열안정성 분석
The Thermal Stability Analysis of Fumes and Mists During the Drying Process of a PCB 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.34 no.4, 2019년, pp.32 - 40

추창엽 (한국교통대학교 안전공학과) , 이정석 (한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원) , 백종배 (한국교통대학교 안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

During the manufacturing process of a printed circuit board(PCB), fumes and mists are generated as the ink dries on the PCB surface. The generated fumes and mists are deposited in the dryer wall and the exhaust duct. Deposited fumes and mists may present a fire hazard if the dryer temperature control system fails. In this study, the thermal stability of the fumes and mists deposited in the dryer and ducts has been analyzed by experimental methods such as thermo gravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), auto ignition temperature (AIT), and multiple mode calorimetry(MMC). According to the experimental analyses, experimental samples are likely to generate gas at the temperature ($180{\sim}240^{\circ}C$) that deviates from the normal operating temperature ($150{\sim}156^{\circ}C$). It has been shown that the thermal stability is degraded when the temperature is deviated from the normal operating temperature. In the end, engineering and management safety measures of accidental prevention have been suggested.

주제어

표/그림 (23)

표 Table 1. Chief ingredients of ink and curing agent
그림 Fig. 1. The fume and mist deposited in the dryer and in the dryer exhaust duct.
그림 Fig. 2. Temperature control system of the accident dryer. * CF : Cooling Fan, F : Circulation Fan, H : Heater, TS : Temperature Sensor, TH : Thermostat, MC : Magnetic contactor
표 Table 2. Information on samples
그림 Fig. 3. TGA Result(Deposits of dryer exhaust duct-Air).
그림 Fig. 4. TGA Result(Deposits of dryer exhaust duct-N₂).
표 Table 3. TGA Result
그림 Fig. 5. TGA Result(The deposits in the dryer-Air).
그림 Fig. 6. TGA Result(The deposits in the dryer-N₂).
그림 Fig. 7. DSC Results : Deposits of dryer exhaust duct-Air.
그림 Fig. 8. DSC Results : Deposits of dryer exhaust duct-N₂.
그림 Fig. 9. DSC Results : The deposits in the dryer-Air.
표 Table 4. DSC results for deposits of dryer exhaust duct
표 Table 5. DSC results for deposits in the dryer
그림 Fig. 10. DSC Results : The deposits in the dryer--N₂.
그림 Fig. 11. AIT Results : Deposits of dryer exhaust duct (Density=0.214 g/㎤).
그림 Fig. 12. AIT Results : Deposits of dryer exhaust duct (Density=0.266 g/㎤).
표 Table 6. AIT results for deposits of dryer exhaust duct
표 Table 7. Summary of MMC results
그림 Fig. 13. MMC Results : Deposits of dryer exhaust duct (Isothermal 180℃).
그림 Fig. 14. MMC Results : Deposits of dryer exhaust duct (Isothermal 240℃).
그림 Fig. 15. MMC Results : The deposits in the dryer (Isothermal 240℃).
표 Table 8. VOCs and dryer operation information

AI 본문요약
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문제 정의

(3) 인쇄공정 중 단위 공정상 최종 건조기의 운전온도조건을 낮출 수 있는 작업조건을 개발하여 적용하는 것을 검토한다.
이 연구에서는 PCB생산 공정의 잉크 건조과정에서 발생한 화재사례 중 가연물의 침착물에 대한 열안정성을 평가하였다. 열안정성 평가를 위해 열중량분석 (TGA, Thermogravimetric Analysis), 시차주사열량계 (DSC, Differential Scanning Calorimetry), 최소자연발화 온도(AIT, Autoignition Temperature), 멀티모드열량계 (MMC, Multiple Mode Calorimetry)등을 활용하여 분석하였으며 안전성 향상을 위한 방안을 제시하였다.

제안 방법

(1) 건조기 내부와 덕트의 흄과 미스트 침착상태를 상시 모니터링하고 기존 청소주기(6개월 1회)를 재검토하여 청소주기를 단축하여야 한다.
2017년 8월 3일 18시경 인쇄공정 작업자 A 씨가 건조기에서 고온경보 알람이 발생하여 알람을 확인하고 히터 전원을 수동으로 off 하였고, 20분 후 적정온도를 확인하고 히터를 재가동 한 후 B 씨에게 휴식시간 교대 후 A 씨는 휴게소로 이동하였다. B 씨가 건조기에서 연기가 발생하는 것을 확인하고 선임사원 C 씨에게 보고하러 이동하였고 18시 24분 방재센터에 연기감지기가 동작하여 안전관리원이 현장 출동하였다.
4) 동종사고 재발방지를 위해 공학적 대책과 관리적 대책으로 구분하여 안전성 향상방안을 제시하였다.
열안정성분석에 사용한 실험기기는 METTLER TOLEDO사의 제품으로 활성분위기와 불활성분위기에서 해당 시료의 열적안정성을 분석하기 위해 사용하였다. ASTM E537:12¹⁵⁾ Standard test methods the stability of chemical by differential scanning calorimetry에서 규정된 방법에 의하여 알루미늄 재질의 시료컵에 시료를 투입하고 30~600℃까지 각각 10℃/min의 속도로 가열하면서 열적 변화를 관측하였다.
2017년 8월 3일 18시경 인쇄공정 작업자 A 씨가 건조기에서 고온경보 알람이 발생하여 알람을 확인하고 히터 전원을 수동으로 off 하였고, 20분 후 적정온도를 확인하고 히터를 재가동 한 후 B 씨에게 휴식시간 교대 후 A 씨는 휴게소로 이동하였다. B 씨가 건조기에서 연기가 발생하는 것을 확인하고 선임사원 C 씨에게 보고하러 이동하였고 18시 24분 방재센터에 연기감지기가 동작하여 안전관리원이 현장 출동하였다. 18시 27분경 출동한 안전관리원이 감시창을 통해 건조기 내부에서 미세한 불꽃이 보이는 것을 확인하고 화재 진화를 위해 건조기 측면을 덮개를 여는 순간 건조기내 측면에 화재가 확산되어 소화기로 소화하는 공정사고가 발생하였다.
MMC를 이용하여 공정조건 이탈조건(TGA, DSC, AIT결과에 따른 이탈조건)에서 등온안정성을 평가하였으며, 각각의 시료에 대한 평가조건 및 결과를 요약하면 Table 7과 같다.
자연발화점 분석에 사용된 실험기기는 독일 Anton paar ProveTec사의 실험기기로 자연발화점을 분석하기 위해 사용하였다. NF T20-036¹⁶⁾Chemical products for industrial use determination of the relative temperature of the spontaneous flammability of solids에 의한 고체의 자연발화점은 공기가 통과하는 시료용기(8 ㎥)에 시료를 충진하여 가열하면서 내부온도가 400℃를 초과하는 시점에서 가열로의 온도로 정의되는데 총 3번 측정의 평균값을 측정하여 자연발화점을 결정하였다.
PCB인쇄공정에서 건조기 히터의 온도 Control System Fail로 인하여 공정조건을 벗어난 이상발열 상태에서 건조기 내부에 침착되어 있던 흄과 미스트가 축적된 열에 의하여 착화된 사고사례 중 가연물이었던 흄과 미스트의 열안정성을 실험적으로 분석·평가하였다.
건조기 내부 온도가 높기 때문에 발생하는 기체의 온도 또한 높다고 판단하여 건조과정에서 발생하는 VOCs 기체의 용량은 이상기체상태방정식(2)으로 산정하였다.
멀티모드열량 분석기는 독일 NETZSCH사에서 개발한 열량계의 일종으로 밀폐된 용기를 이용하여 승온 및 등온 조건에서 시간에 따른 시료용기의 온도 및 압력을 측정함으로써 반응열, 가스발생정도, 반응속도 등 화학물질의 열적 특성을 분석하는데 사용한다. 공정 조건에 맞추어 활성분위기에서 건조기 덕트 내부 침착물에 대하여 180℃ 및 240℃에서 등온실험을 실시하고 건조기 내부 침착물은 240℃에서 등온실험을 실시하여 압력을 측정하여 열안정성을 분석하였다.
두 종류의 시료 중 건조기 내부 침착물은 장비의 시료용기에 투입이 불가능하여 측정을 실시할 수 없었으며, 건조기 배기 덕트 침착물은 시료 용기 내 충진도를 변화시켜 시험을 실시하였다.
실험에 사용된 열중량분석기(TGA/DSC1)는 스위스 기업인 METTLER TOLEDO사의 제품으로 일정한 속도로 온도를 변화시켰을 때 시료의 질량변화를 시간이나 온도의 함수로써 측정하는 실험장치이다. 분석 방법은 활성분위기(Air)와 불활성분위기(N₂)에서 해당 시료의 온도에 따른 중량변화를 관측하고, 자연발화점 및 MMC평가를 위한 기본 데이터를 획득하기 위해 사용하였다. 활성분위기 및 불활성분위기에서 시료를 알루미나 셀에 투입한 후 10℃/min의 속도로 (30~800)℃ 까지 가열하면서 중량변화(TGA) 및 열량변화(SDTA, Single Differential Thermal Analysis)를 분석하였다.
이 연구에서는 PCB생산 공정의 잉크 건조과정에서 발생한 화재사례 중 가연물의 침착물에 대한 열안정성을 평가하였다. 열안정성 평가를 위해 열중량분석 (TGA, Thermogravimetric Analysis), 시차주사열량계 (DSC, Differential Scanning Calorimetry), 최소자연발화 온도(AIT, Autoignition Temperature), 멀티모드열량계 (MMC, Multiple Mode Calorimetry)등을 활용하여 분석하였으며 안전성 향상을 위한 방안을 제시하였다.
분석 방법은 활성분위기(Air)와 불활성분위기(N₂)에서 해당 시료의 온도에 따른 중량변화를 관측하고, 자연발화점 및 MMC평가를 위한 기본 데이터를 획득하기 위해 사용하였다. 활성분위기 및 불활성분위기에서 시료를 알루미나 셀에 투입한 후 10℃/min의 속도로 (30~800)℃ 까지 가열하면서 중량변화(TGA) 및 열량변화(SDTA, Single Differential Thermal Analysis)를 분석하였다.

대상 데이터

열안정성분석에 사용한 실험기기는 METTLER TOLEDO사의 제품으로 활성분위기와 불활성분위기에서 해당 시료의 열적안정성을 분석하기 위해 사용하였다. ASTM E537:12¹⁵⁾ Standard test methods the stability of chemical by differential scanning calorimetry에서 규정된 방법에 의하여 알루미늄 재질의 시료컵에 시료를 투입하고 30~600℃까지 각각 10℃/min의 속도로 가열하면서 열적 변화를 관측하였다.
이번 연구에서는 PCB 인쇄 후 건조과정에서 Table 2와 같이 건조기 배기 덕트 침착물 1종과 건조기 내부의 침착물 1종을 각각 실험대상으로 선정하였다.
자연발화점 분석에 사용된 실험기기는 독일 Anton paar ProveTec사의 실험기기로 자연발화점을 분석하기 위해 사용하였다. NF T20-036¹⁶⁾Chemical products for industrial use determination of the relative temperature of the spontaneous flammability of solids에 의한 고체의 자연발화점은 공기가 통과하는 시료용기(8 ㎥)에 시료를 충진하여 가열하면서 내부온도가 400℃를 초과하는 시점에서 가열로의 온도로 정의되는데 총 3번 측정의 평균값을 측정하여 자연발화점을 결정하였다.

이론/모형

Table 1에서 잉크와 경화제의 주요성분 중 VOCs 최대 함유량을 기준으로 증발률을 계산하였다. 증발률은 KOSHA Guide 최악 및 대안의 누출시나리오 선정에 관한 기술 지침에 의하여 증발속도 계산식(1)을 사용하였으며 풍속은 건조기 내부 실측 풍속을 사용하였다¹⁷⁾.

성능/효과

(2) 건조기 온도제어시스템은 장비 설치 전에 공학적 안전대책을 충분히 반영하여 설치하고 정상작동 여부를 년 1회 이상 자체점검 한다.
(4) 건조기 흄과 미스트 배출 덕트는 열 손실을 줄이기 위해 일부 풍량을 건조로 쪽으로 Return 하는데 이 부분에 소형 Wet Scrubber를 적용하여 1차적으로 흄과 미스트를 제거하고 건조 중 건조로 분위기가 Wet 상태가 되도록 한다.
1) 흄과 미스트 공통으로 TGA, DCS 및 MMC를 이용한 열량계 분석결과, 해당 시료는 공정조건(150~156)℃을 이탈한 온도범위(180~240)℃에서 시료의 분해로 추정되는 반응이 시작되어 비압축성 가스를 생성할 가능성이 있는 것으로 판단된다.
2) 흄에 대한 자연발화점 시험결과에서 175℃에서 발열이 시작되어 250℃를 초과하는 경향을 보였으며, 이는 침착물을 구성하는 물질 및 압밀도 등의 형성상태와 건조기 내부 온도에 따라서 자연발화 발생의 가능성이 있는 것으로 판단된다.
2.3에서 사고 원인을 분석한 바와 같이 건조기 흄과 미스트 화재의 가장 큰 문제점은 건조기 온도제어시스템 Fail이 1차적 원인이었으며, 건조 과정에서 열에 의하여 발생한 흄과 미스트가 건조기 내부에 침착되는 것이 2차적 원인으로 볼 수 있다. 따라서 흄과 미스트 침착 때문에 발생할 수 있는 화재사고를 예방하기 위한 대책을 다음과 같이 제시한다.
3) 잉크와 경화제에 포함된 VOCs는 1차 건조과정에서 89% 증발하게 되고, 2차 건조과정에서 11% 정도 건조되어 배기장치를 통해 배기된다. 그러나, 건조기 배기 덕트에 흄이 침착되어 배기량이 현저하게 줄어든 상태에서 온도조절장치에 이상이 발생할 경우 2종류의 침착물은 현저하게 열안정성을 상실하여 화재발생의 위험성이 있는 것으로 판단된다.
Table 4. 5의 열안정성분석 결과 활성분위기에서 건조기 배기 덕트 침착물 보다 건조기 내부 침착물의 외삽발열 개시온도가 14.6℃ 낮게 분석되었다.
Fig. 11과 같이 건조기 배기 덕트 침착물은 시료의 충진 정도에 따라서 조금 상이한 결과를 보였는데, 충진도 0.214 g/㎤의 경우는 시료온도가 190℃를 초과하면서 점진적으로 온도 상승률이 증가하기 시작하였으나, 가열로 온도를 초과하는 자연발화 현상은 관측되지 않았다.
3의 사고 발생원인과 같이 공정의 운전 조건을 벗어난 상태에서는 침착물의 형태에 따라서 자연발화가 발생할 개연성이 있다고 추론할 수 있다. MMC 등온안전성 평가 결과 두 종류의 시료 모두 급격한 압력 및 온도변화를 나타내지는 않았으나, 초기 압력과 최종압력의 차이가 나타나는 현상으로부터 가스가 발생하였고 해당조건에서 시료의 분해가 지속적으로 발생했음을 추정할 수 있다. 또한, Table 1과 같이 인쇄 공정에서 사용하는 잉크와 경화제에는 Crystalline silica와 Tale이 잉크 종류에 따라 15~25% 포함되어 있기 때문에 건조 과정에서 흄이 발생하는 것을 추정할 수 있다.
6℃ 낮게 분석되었다. TGA, DSC결과 건조기 내부 침착물의 열안정성이 상대적으로 낮은 것으로 분석되었다. 건조기 내부 침착물은 시료용기에 투입이 불가능하여 AIT를 측정할 수 없었다.
TGA결과 분위기에 관계없이 건조기 배기 덕트 침착물(150~180℃)보다 건조기 내부 침착물의(150~170℃) 중량감소 상한온도가 10℃ 낮은 것으로 분석되었다. DSC 결과 활성분위기에서 건조기 배기 덕트 침착물(248℃)보다 건조기 내부 침착물(234℃)의 외삽발열 개시온도가 14.
1에 의한 분석방법에 따라 중량변화를 분석한 결과 Table 3과 같이 분석되었다. TGA특성상 시료의 불균질성에 따른 대표성에 문제가 있기는 하지만 두 시료가 분위기와 관계없이 건조기 운전조건인 180℃ 이하에서 중량감소가 시작되는 것으로 나타났다. Fig.
9% 수준이었다. 고체 부산물은 XRF(X-ray Fluorescence)결과 SiO2가 45.9%로 가장 높은 비율을 차지하며, CaO 23.9%, Al2O 12.3%, Br 7.2% 순으로 나타났다. 액체 부산물은 GC-MS(Agilent 7890A/ 5975C)결과 Phenol과 Isopropyl phenol이었다.
6은 건조기 내부 침착물에 대하여 동일한 조건에서 온도에 따른 중량 및 열량변화를 나타낸 것으로, 분위기와 관계없이 (150~170)℃영역에서 중량 감소가 시작되는 것으로 분석되었다. 열중량 분석결과 분위기에 관계없이 건조기 배기 덕트 침착물 보다 건조기 내부 침착물의 중량감소 상한온도가 10℃낮은 것으로 분석되었다.

후속연구

이 연구결과는 흄과 미스트가 발생하는 건조설비에 대한 검사 기준과 온도제어시스템의 구성에 대한 기준을 마련하는데 근거가 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건조설비를 두 가지 방식으로 어떻게 분류되는가?	이러한 다양하고 대형화된 산업의 변화로, 건조 대상물의 종류 및 형태도 매우 다양화 되었다. 건조설비는 1회 건조 후 건조 대상물을 재투입하는 회분식과 연속적으로 건조 대상물을 투입하는 연속식으로 구분한다. 이 2가지 방식 모두 건조 대상물의 투입-가열-건조-추출-배출 등의 작업 순서를 기본으로 하고 있다 1).
	본 연구에서 가연물의 침착물에 대한 열안정성을 평가하는데 활용한 분석에는 무엇이 있는가?	이 연구에서는 PCB생산 공정의 잉크 건조과정에서 발생한 화재사례 중 가연물의 침착물에 대한 열안정성을 평가하였다. 열안정성 평가를 위해 열중량분석 (TGA, Thermogravimetric Analysis), 시차주사열량계 (DSC, Differential Scanning Calorimetry), 최소자연발화 온도(AIT, Autoignition Temperature), 멀티모드열량계 (MMC, Multiple Mode Calorimetry)등을 활용하여 분석 하였으며 안전성 향상을 위한 방안을 제시하였다.
	건조설비의 구성은 어떻게 되는가?	이 2가지 방식 모두 건조 대상물의 투입-가열-건조-추출-배출 등의 작업 순서를 기본으로 하고 있다 1). 이러한 건조설비는 온도제어장치와 부속설비인 제품회수 장치(덕트, 팬, 집진장치), 배기가스 처리장치 등으로 구성된다. 그리고 공정에서 취급하는 물질 자체의 물리 화학적 특성, 온도제어 장치 및 부속설비의 결함, 점화원과 같은 유해위험요인 때문에 화재․폭발의 위험성 이 높은 편이다.

참고문헌 (18)

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상세보기
ASTM E537:12, "Standard Test Method for The Thermal Stability of Chemicals by Differential Scanning Calorimetry", 2012.
NF T20-036, "Chemical Products for Industrial use Determination of the Relative Temperature of the Spontaneous Flammability of Solids", 1985.
KOSHA Guide P-107-2016, "Technical guidance on Selecting the Worst and Alternative Leaking Scenarios", Korea Occupational Safety & Health Agency, 2016.
ISO 13849-1, "Safety of Machinery-safety Related Parts of Control Systems-Part1:General Principles for Design", pp. 64-82, 2015.

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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