1. 서 론
전자부품을 생산하는 사업장에서 발생하는 화재 및 폭발사고의 원인은 대부분 제조공정에서 사용하는 가연성 물질 또는 용접작업에 의한 것이다. 화재가 주로 발생하는 제조공정은 연속적이기 때문에 화재가 발생하면 빠르게 확산 될 우려가 크다. 또한, 제조 설비들은 대부분 고가이기 때문에 사고 피해를 복구하고 재생산을 실시하기까지 소요되는 비용과 시간이 막대하다(1). 특히 전자부품 생산공정 중에서 핵심적인 역할을 하는 공정은 클린룸이라 할 수 있다. 클린룸에서는 초정밀 가공 및 조립 등의 작업이 이루어진다. 따라서 해당 공간에 존재하는 온도, 습도, 먼지, 입자, 공기압 등은 철저하게 제어되어야 한다(2). 즉, 클린룸의 공조 환경 조건은 생산 제품의 성능 및 품질에 절대적인 영향을 미치는 중요한 공정이다.
클린룸은 급⋅배기 설비를 이용하여 항온, 항습, 양압 등의 환경을 조성한다. 클린룸에서 화재가 발생 되었을 때, 연기의 확산 속도가 느리면 피난의 관점에서는 유리 할 수 있으나, 화재 감지의 관점에서는 상대적으로 위험한 결과를 나타낼 수 있고, 반대로 연기확산 속도가 빠르면 화재 감지의 관점에서는 유리하지만, 피난의 관점에서는 위험성이 높아진다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 화재 발생 상황시 클린룸 급⋅배기 설비 운영 기준이 마련되어야 하지만, 현재 국내 관련 기준(3)에는 이에 관한 내용이 전무 하다. 이에 본 연구에서는 급⋅배기 설비 운영방식에 따른 화재 확산 속도를 분석하고자 한다.
2. MLCC 공장 클린룸의 공조 환경 및 화재 위험성
2.1 클린룸의 공조 환경 및 화재 위험성
클린룸은 오염제어가 행해지고 있는 구획된 공간으로써 공기 속에 포함되어 있는 먼지뿐만 아니라 온도, 습도, 실내 공기압, 가스 성분, 정전기, 전자파 등의 환경 조건이 제어되는 공간을 의미한다. 일반적으로 클린룸은 ISO 14644-1(4)에 의거하여 설계된다. 클린룸 관리에서 가장 중요한 청정도의 기준은 1961년 미국 공군에서 발표된 기술 교본이 기초가 되었다. 이 교본은 클린룸의 설계와 부유 입자 기준, 작업절차(인입절차, 복장규정, 제한 품목, 재료의 청소, 클린룸 청소절차) 등을 규정하고 있다. 클린룸은 실내 기류 형태에 따라 종류를 구분할 수 있다. 일반적으로 클린룸 상부에 설치된 급기 설비에서 공기가 공급되고, 하단부에 설치된 배기 설비로 공기가 빠져나간다. 이로 인해 순환 기류가 형성된다. Figure 1을 통해 클린룸에 형성되는 순환기류의 개념을 이해할 수 있다.
클린룸의 사용 목적상 청정도를 유지하기 위해 밀실 구조로 구성되어 있고, 이소프로필 알코올, 톨루엔, 벤젠과 같은 위험물을 사용하여 화재 발생의 위험이 비교적 높다. 또한, 클린룸 급⋅배기 담당하는 공조설비 1대에 여러 개의 작업구역이 연결되어 있기 때문에 한 구역에서 화재가 발생하였을 때 다른 구역으로 연기가 확산 될 위험성이 존재한다. 일반적으로 건축물 내부에서 화재가 발생하면 열, 연기 및 독성가스 등의 연소생성물이 상승하게 되며, 천정 부분에 축적하여 ceiling jet을 형성한다. ceilging jet이 형성되는 과정을 Figure 2에 나타냈다.
그러나, 클린룸 내부에 설치된 급⋅배기 설비에 의해 형성되는 하강기류 및 순환기류에 의해 연소생성물이 감지기에 도달하지 못하거나, 도달하는데 소요되는 시간이 지연될 위험이 있다. 이러한 현상으로 인해 초기소화 실패, 화재의 성장, 재실자의 반응지연시간 장기화 등의 문제를 야기할 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 클린룸에서 화재가 발생한 상황에서 연기 확산을 지연 시킬 수 있는 급⋅배기 설비 운영 방안에 대한 분석이 필요하다.
2.2 선행연구 분석
본 절에서는 클린룸에서 형성되는 하강기류를 고려하여 화재 위험성을 분석하고자 한 선행연구들에 대해 분석하였다.
Song 등(5)은 클린룸 화재 상황에서 공조설비의 작동으로 인해 발생하는 연기산란 현상이 미치는 영향을 분석하기 위해 화재 시뮬레이션을 실시 하였다. 이를 통해, 화재감지기와 공조설비는 연동 정지가 필요하다고 주장하였다.
Son과 Jang(6)은 LCD 제조공정 클린룸의 화재 발생 상황에서의 연기확산을 분석한 결과, 공조설비를 정지한 후에 연기의 부력을 고려하여 클린룸 천정에 배기설비를 설치하는 것이 효과적이라 주장하였다.
Park 등(7)은 클린룸 화재시 제연설비와 스프링클러설비의 ‘정상작동’과 ‘작동실패’에 따른 연기누출 여부를 조사하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행 하였다. 그 결과에 의하면 제연설비가 정상적으로 작동하는 경우, 스프링클러 설비의 작동과 관계없이 연기가 안전하게 배출되며, 연기확산을 방지하기 위해서는 제연설비가 필요하다고 주장하였다.
선행연구들을 분석한 결과에 의하면 클린룸 내부의 공조 환경이 화재 확산에 미치는 영향을 분석하기 위한 연구가 다수 시도되었으나, 화재 확산을 방지하기 위한 실질적인 방안을 제시하는 연구는 비교적 미미하였다. 이에 본 연구에서는 실제 MLCC 공장 클린룸에서 실시한 공조 T.A.B 데이터를 기반으로 클린룸 화재 발생 상황을 구현하여 급⋅배기 설비 운전시나리오별 연기 확산 속도를 분석하고자 한다.
3. 실측 데이터 기반으로 한 공조환경 모델링
3.1 클린룸 내부 공조 환경 분석을 위한 T.A.B 테스트
본 연구에서는 연면적 500 m2, 층고 4 m, 체적 2,000 m3 규모의 클린룸을 분석 대상지로 선정하였다. 해당 공장에서는 제품 생산이 이루어지는 공간의 청정도를 유지하기 위해 천장 부분에 급기구가 설치되어 있으며, 벽면의 하부에 배기구가 설치되어 있다. 클린룸의 평면도는 Figure 3에 정리하였다. 급기는 blow filter unit (BFU) 방식으로 이루어지며, 급기구에는 확산판이 설치되어 천장면에 일정한 간격으로 설치된 BFU에 의해 클린룸 전체에 하강기류가 형성된다(Figure 1 참고). 클린룸의 관리기준은 온도 20 °C ± 2 °C, 습도 50% ± 5% 이며, 급기 온도는 제조 생산장비 발열량을 감안하여 13~19 °C, 습도는 70~90%로 유지되고 있다. 공조 testing, adjusting, balancing (T.A.B.)를 실시한 결과, 급기량은 53,338 cubic meters per hour (CMH), 환기횟수는 시간당 36회로 측정되었고, 급기풍속은 1.0 m/s, 환기풍속은 0.8 m/s로 측정되었다. 급기구(35개) 와 배기구(33개)의 위치는 Figure 3에서 확인할 수 있다. 연기감지기는 6개가 설치되어 있으면 설치 위치는 Figure 3에 표시하였다.
3.2 급⋅배기 설비의 풍량 분석
본 연구의 목적은 클린룸에 형성된 하강 기류를 고려하여 화재 발생 상황에서 열, 연기 및 독성가스 등의 확산 속도를 최대한 저감할 수 있는 급⋅배기 설비 운영방식을 분석하는 것이다. 분석 방법은 화재 시뮬레이션 프로그램을 사용하였으며, 분석 결과의 신뢰도를 높이기 위해서는 클린룸 내부의 공조 환경을 최대한 현실적으로 구현하였고 이에 분석 대상지에서 실시한 T.A.B. 결과를 기반으로 화재 모델링을 실시하였다. 클린룸 내부에 설치된 급⋅배기 설비의 풍량을 Table 1에 정리하였다. 클린룸 내부에 설치된 모든 급기 설비와 배기 설비의 위치와 풍량에 관한 정보를 기반으로 화재 모델링을 실시하였고 이를 통해 화재 시뮬레이션 결과의 신뢰도를 확보하였다. 이러한 방식으로 신뢰도를 확보하는 것은 급⋅배기 설비의 성능을 구현할 때 임의의 값을 사용하는 대부분의 선행 연구들과의 차별성이라 할 수 있다.
Table 1
Air Volume of Air Supply & Exhaust Facilities
4. 클린룸의 화재시 연기확산 지연 방안 분석
4.1 시뮬레이션 프로그램을 이용한 화재 모델링
급⋅배기 설비의 운영방식에 따라 화재 시나리오를 분류하였으며 이를 Table 2에 정리하였다. 본 분석에서는 국내에서 가장 널리 사용되고 있는 화재 시뮬레이션 프로그램인 Pyrosim을 사용하였으며, 화재 발생 상황을 구현하기 위한 세부 설정 내용은 Table 3에 정리하였다. 공조설비는 정상 작동 상황에서 송풍기의 가동 및 정지하는 것을 기준으로 하였으며, 해석 공간의 mesh 크기는 0.2 × 0.2 × 0.2 m로 해석 공간의 적정성 검사를 수행한 후 모델링 하였다.
Table 2
Air Supply & Exhaust Facility Operation Plan
| Fire Scenario | Supply | Exhaust |
|---|---|---|
| Scenario A | ○ | ○ |
| Scenario B | X | X |
| Scenario C | ○ | X |
| Scenario D | X | ○ |
Table 3
Settings for Fire Simulation
또한, MLCC 이형필름(PET필름) 화재 상황으로 화재성장속도는 제조 공정상 고온에서 작업이 이루어지고 원료 및 생산 제품에 의해 위험물질 발생이 가능하므로 ‘빠름(fast)’으로 설정하였다.
4.2 급⋅배기 설비 운전 시나리오별 확산 속도 분석
본 분석에서는 호흡 한계선인 1.8 m 높이(8)에서 연소생성물의 확산 정도를 기준으로 급⋅배기 설비 운전 시나리오별 연기확산 속도를 평가하였다. 급⋅배기구 설치 위치는 Figure 3에서 확인할 수 있다. 또한, 4가지 급⋅배기 설비 운전 시나리오별 연기 확산 정도를 분석하기 위해 시간대별 연소생성물 확산 정도를 비교하였다. Figures 4~6을 통해 100 s, 150 s 및 200 s에서 연기확산 정도를 비교하였다. 화재 시뮬레이션을 통해 열과 독성가스의 확산 정도를 비교할 수 있지만 급⋅배기 설비 운전 방식별 차이가 미미하여 생략하였다. 급⋅배기 설비가 모두 작동하는 Scenario A에서 확인할 수 있듯이 화재 발생 후 약 100 s가 경과한 시점에서 육안으로 구별이 가능한 수준의 연기 확산을 확인할 수 있다. 약 150 s 경과한 시점에는 화원과 가장 가까운 벽면에서 연기층이 형성 되기 시작한다. 또한, 이 벽면의 하단부에는 배기설비가 설치되어 있기 때문에 해당 벽면 부분에 연기층이 더 활발히 형성되며 이러한 모습은 Figure 6(a)에서 확인할 수 있다. 급⋅배기 설비가 모두 작동하지 않는 Scenario B에서 연기확산 속도가 가장 빠른 것으로 나타났다. 화재 발생 후 약 100 s가 경과한 시점에서 연기는 천정 주변으로 확산되며, 약 150 s 후에는 클린룸 면적의 절반 정도, 약 200 s 후에는 클린룸 전체에 연기가 확산되는 모습을 나타낸다.
급기 설비만 작동하는 Scenario C에서 연기확산 속도가 비교적 느린 것으로 관측된다. 이는 일정한 간격으로 위치한 급기구에서 발생하는 균일한 하강기류로 인해 화원 주변의 연기가 클린룸 전체로 분산되면서 연기층 형성에 소요되는 시간을 지연시키는 것으로 판단된다.
배기 설비만 작동하는 Scenario D에서 연기확산 속도가 급기 설비만 작동하는 Scenario C보다 빠른 것으로 나타났다. 이는 하단부에 설치된 배기구로 연기가 흡입되면서 연기층이 낮은 위치에서 형성되는 시간을 단축 시킨 것으로 판단된다.
결과적으로 화재가 발생하였을 때는 급기 설비는 작동시키고, 배기 설비는 작동을 중단하는 것이 연기 확산을 지연시키는 측면에서는 유리한 것으로 해석된다.
급기 설비 작동으로 인해 클린룸 내부에 공급되는 신선한 공기가 화재 확산 속도를 증가시키는 원인이 될 우려가 있다. 그러나, 이에 대한 내용은 추후 연구를 통해 분석하여야 할 것이다.
5. 결 론
본 연구에서는 클린룸 화재시 연기 확산 지연을 위한 급⋅배기 설비의 운전 시나리오별 성능을 분석하였다. 총 4가지의 운전 시나리오를 대상으로 분석하였으며 그 종류는 1. 급⋅배기 설비 모두 가동, 2. 급⋅배기 설비 모두 정지, 3. 급기 설비만 가동, 4. 배기 설비만 가동하는 방안이다.
또한, 화재 시뮬레이션의 신뢰도를 높이기 위해 분석 대상지의 T.A.B. 테스트 결과를 기반으로 모델링을 실시하였다. 그 결과, 급기 설비는 작동하고, 배기 설비는 작동하지 않는 것이 연기 확산을 지연시키는 것에 효과적인 것으로 분석되었다.
클린룸에서 화재가 발생하였을 때, 인명 안전을 확보하기 위해서는 연소생성물의 확산을 지연시키기 위한 급⋅배기 설비 운영 방안이 필요하다. 그러나, 현재 국내외 관련 기준에는 클린룸의 공조환경과 화재 특성을 고려한 설계 방안을 다루고 있지 않다. 따라서, 본 연구의 결과는 이러한 문제점을 보완하는 과정에 활용될 수 있다.
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