Chapter 14

가스 안전과 비상 대응

6장에서 가스를 장비까지 보내는 길을 따라갔다. 이 장은 그 길이 끊기거나 샜을 때의 이야기다. 아르신은 0.005 ppm이 하루 8시간 노출 기준이고, 실란은 공기와 닿으면 스스로 불이 붙으며, 질소는 독성이 전혀 없는데도 해마다 산업 현장에서 사람의 목숨을 앗아 간다. 팹의 가스 안전은 “새지 않게 만들고, 새면 빨리 알고, 알면 자동으로 끊고, 끊기지 않아도 사람이 다치지 않게” 하는 여러 겹의 방호로 이루어진다. 이 장은 각 방호층을 숫자로 계산해 본다.

팹 가스의 위험을 독성·자연발화성·인화성·부식성·산화성·질식으로 분류하고 대표 가스를 짝지을 수 있다.
TLV-TWA·STEL·Ceiling·IDLH의 뜻과 출처 기관을 구분하고, 노출 이력에서 시간가중평균을 계산할 수 있다.
전기화학식·종이테이프식·적외선 가스 감지기의 원리와 응답 지연을 이해하고 경보 단계를 설계할 수 있다.
실내 희석 모델과 가우시안 플룸으로 누출 농도를 추정하고, 밀폐 공간의 질소 누출에서 산소 농도 변화를 계산할 수 있다.
제한 오리피스(RFO)의 최대 방출량, 방호 계층의 위험 감소를 계산하고, 화재·지진 뒤 재가동 순서를 설명할 수 있다.

이 장의 수치를 읽는 법

이 장의 노출 기준, 폭발 한계, 경보 설정값, 고장 확률은 모두 대략적인 교육용 참고값이다. 노출 기준은 기관(ACGIH, NIOSH, OSHA, 한국 고용노동부)과 개정 연도에 따라 다르고 수시로 바뀐다. 실제 설계·작업·비상 대응에는 반드시 현행 법규(국내 산업안전보건법·고압가스 안전관리법·화학물질관리법 등)와 해당 물질의 최신 안전보건자료(SDS/MSDS), 사업장 절차를 확인해야 한다. 시뮬레이터는 개념을 익히기 위한 단순 모델이며 비상 계획이나 위험성 평가에 그대로 쓸 수 없다.

가스 위험의 종류

팹 가스의 위험은 한 가지가 아니다. 같은 가스가 여러 위험을 함께 갖는 경우가 많으므로, 먼저 위험의 종류를 나누고 각 종류에 맞는 방호를 생각한다.

독성(toxic): 흡입하면 소량으로도 건강을 해친다. 아르신(AsH₃)·포스핀(PH₃)·디보레인(B₂H₆)은 극독성 도펀트 가스이고, 염소·불화수소·암모니아도 독성이 크다.
자연발화성(pyrophoric): 점화원 없이 공기와 닿기만 해도 불이 붙는다. 실란(SiH₄)이 대표적이며, 디보레인·포스핀도 조건에 따라 자연발화한다.
인화성(flammable): 공기와 섞여 폭발 하한계(LEL/LFL)와 상한계 사이에 들면 점화원에 의해 연소·폭발한다. 수소는 LEL이 약 4 vol%로 낮고 점화 에너지가 매우 작다.
부식성(corrosive): 피부·눈·호흡기 조직과 금속을 손상한다. HF, HCl, HBr, Cl₂, NH₃, 그리고 수분과 만나 HF를 만드는 WF₆·BF₃가 있다.
산화성(oxidizer): 스스로는 타지 않지만 다른 물질의 연소를 강하게 돕는다. NF₃, ClF₃, O₂, N₂O, F₂ 혼합가스. ClF₃는 유기물과 접촉만으로 불을 낼 정도로 반응성이 크다.
질식(asphyxiant): 독성이 없어도 공기 중 산소를 밀어내 산소 결핍을 일으킨다. 질소, 아르곤, 헬륨, CO₂, 그리고 극저온 액체(LN₂)가 기화할 때가 가장 흔한 사례다.
물리적 위험: 고압(실린더·배관 파열, 고속 분출), 극저온(동상, 재료 취화), 그리고 가스의 비중(공기보다 무거운 Cl₂·HBr·AsH₃·WF₆는 바닥과 피트에 고인다).

그림 14-1. 팹 주요 가스의 위험 종류. 진한 칸은 주된 위험, 연한 칸은 부수적이거나 조건부 위험이다. 오른쪽 숫자는 공기 대비 비중(분자량 / 29, 같은 온도 기준)으로, 1보다 크면 바닥·피트에 고이고 작으면 천장 쪽으로 오른다. 분류는 단순화한 것이며 정확한 분류는 물질별 SDS의 GHS 분류를 따른다. HF는 상온 근처(끓는점 약 20 °C)에서 수소 결합으로 회합해 실제 증기 거동이 더 무겁게 나타날 수 있다.

국제적으로는 화학물질의 위험을 GHS(Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals)로 분류하고, 미국 소방 쪽에서는 NFPA 704의 다이아몬드(보건·화재·반응성·특수) 표지를 함께 쓴다. 국내에서는 고압가스 안전관리법이 실란·포스핀·아르신·디보레인 같은 가스를 특수고압가스로 따로 분류해 저장·사용 시설 기준을 강화한다(대략, 현행 법령 확인 필요). 팹 가스 시설을 설계할 때는 이 분류가 배기·감지·이격거리·소화 설비 요구 사항으로 이어진다.

노출 기준: 얼마나, 얼마 동안

독성은 농도 × 시간의 문제다. 짧고 높은 노출과 길고 낮은 노출은 몸에 다른 영향을 준다. 그래서 노출 기준은 시간 척도별로 여러 개가 있다.

기준	뜻	정하는 기관
TLV-TWA	하루 8시간, 주 40시간 일생 동안 반복 노출되어도 거의 모든 작업자에게 건강 장해가 없다고 보는 시간가중평균 농도	ACGIH (미국 산업위생전문가협의회) — 권고 기준
TLV-STEL	15분 시간가중평균으로 넘지 말아야 할 단시간 노출 한계	ACGIH
TLV-C (Ceiling)	순간이라도 넘지 말아야 할 최고 농도	ACGIH
PEL / REL	PEL은 미국 OSHA의 법적 허용 한도, REL은 NIOSH의 권고 한도	OSHA, NIOSH
IDLH	30분 안에 탈출하지 못하면 생명이나 건강에 즉각적이고 회복 불가능한 위험이 생기는 농도. 호흡 보호구 선택의 기준	NIOSH
국내 노출기준 (TWA·STEL·C)	「화학물질 및 물리적 인자의 노출기준」(고용노동부 고시)이 정하는 법적 기준	고용노동부

가스	TLV-TWA (ppm)	STEL / C (ppm)	IDLH (ppm)	LEL (vol%)	비고
AsH₃ 아르신	0.005	—	3	약 4~5	극독성, 용혈
PH₃ 포스핀	0.05	STEL 0.15	50	약 1.6	자연발화 가능
B₂H₆ 디보레인	0.1	—	15	약 0.8	자연발화 가능
SiH₄ 실란	5	—	미설정	약 1.4	자연발화성
Cl₂ 염소	0.1	STEL 0.4	10	—	공기보다 무거움
HF 불화수소	0.5 (F로서)	C 2	30	—	피부 흡수, 칼슘 결합
HBr 브롬화수소	—	C 2	30	—	부식성
NH₃ 암모니아	25	STEL 35	300	약 15	자극취로 감지 쉬움
NF₃ 삼불화질소	10	—	1,000	—	산화성
ClF₃ 삼불화염소	—	C 0.1	20	—	강산화성
CO 일산화탄소	25	—	1,200	약 12.5	무색·무취
H₂ 수소	—	—	—	약 4.0	단순 질식 + 인화성

TLV는 ACGIH, IDLH는 NIOSH 값을 바탕으로 한 대략적인 참고값이다(2020년대 공개 자료 기준, 기관 개정에 따라 바뀜). LEL은 문헌마다 조금씩 다르다. 국내 법적 노출기준은 고용노동부 고시를 따르며 값이 다를 수 있다. 실제 판단에는 반드시 현행 법규와 최신 SDS를 확인할 것.

그림 14-2. 노출 기준 사다리. 아르신의 8시간 기준(0.005 ppm)과 암모니아의 기준(25 ppm)은 5,000배 차이가 난다. 아르신은 냄새로 느끼기 전에 이미 위험하므로 전적으로 감지기에 의존해야 하고, 암모니아는 자극취가 경고가 되지만 그것에 의존해서는 안 된다. 값은 ACGIH TLV·NIOSH IDLH 기반의 대략값이다.

하루의 노출이 일정하지 않을 때는 구간별 농도와 시간을 곱해 8시간으로 나눈 시간가중평균(TWA, Time-Weighted Average)으로 평가한다. 단시간 기준은 15분 이동 평균의 최댓값으로 본다. ACGIH는 STEL이 없는 물질에 대해 “TWA의 3배를 넘는 노출은 하루 합계 30분을 넘지 말고, 5배는 어떤 경우에도 넘지 말라”는 초과 노출 지침(excursion limit)을 둔다.

$$\text{TWA}_{8h} = \frac{\sum_i C_i\,t_i}{8\ \text{h}},\qquad \text{STEL 평가값} = \max_t \frac{1}{15\,\text{min}}\int_{t}^{t+15\,\text{min}} C(\tau)\,d\tau$$

$C_i$: 구간 $i$의 평균 농도, $t_i$: 구간 길이. 작업이 8시간보다 짧아도 분모는 8시간이다(남은 시간은 0으로 본다). 교대 근무가 12시간이면 별도 보정법을 쓴다.

SIMULATOR

노출 이력과 TWA · STEL 판정

가스

배경 농도 (TLV 대비) 누출 피크 (TLV 대비) 피크 지속 시간 피크 횟수 (하루)

8시간 TWA—

TWA / TLV—

최대 15분 평균—

순간 최고—

기준 (TWA / 단시간 / IDLH)—

—

해볼 것: ① 배경을 TLV의 20 %로 두고 피크를 하나씩 늘려 보자. TWA는 기준 안이어도 STEL이나 Ceiling에서 먼저 걸리는 경우가 많다. ② STEL이 없는 AsH₃·SiH₄·CO에서는 초과 노출 지침(3배 30분, 5배 금지)으로 판정한다. ③ 피크 높이를 거의 0으로 줄이고 배경만 TLV의 100 %로 두면 TWA가 정확히 기준에 걸린다. 기준 값(ppm)과 판정은 ACGIH·NIOSH 대략값에 기반한 교육용 예시이며, 실제 평가는 현행 국내 노출기준과 측정 규정을 따른다. 피크는 사다리꼴(상승·하강 각 2분)로 모델링했다.

가스 감지기와 경보 단계

극독성 가스는 사람이 냄새로 알기 전에 이미 위험하므로, 팹은 가스가 있을 수 있는 모든 곳—가스 캐비닛, VMB, 이중관 애뉼러스, 장비 가스 박스, 배기 덕트, 가스 룸, 서브팹 피트—에 감지기를 둔다. 수천 개 지점을 각각 센서로 감시하기도 하고, 여러 지점의 공기를 튜브로 끌어와 한 분석기가 차례로 재는 다점 흡인식(multi-point extractive) 방식을 쓰기도 한다. 감지 원리는 가스와 농도 범위에 따라 고른다.

그림 14-3. 팹에서 흔히 쓰는 가스 감지 원리. (a) 전기화학식은 가스가 전극에서 반응하며 흐르는 전류로 농도를 잰다. 값싸고 작지만 간섭 가스와 수명에 주의한다. (b) 종이테이프식은 가스와 반응해 색이 변하는 시약지를 빛으로 읽는다. 아르신·포스핀 같은 수화물을 ppb 수준에서 특이적으로 잡는다. (c) 적외선식은 분자 고유의 흡수 파장을 이용하며 가연성 가스와 불화탄소에 쓴다. 이 밖에 촉매 연소식(가연성), 푸리에 변환 적외선(FTIR), 이온 이동도 분광 등이 있다.

경보 단계와 응답 시간

감지기는 보통 두세 단계의 경보를 둔다. 1차 경보는 “이상 징후”로 현장 확인과 원인 조사를, 2차 경보는 해당 가스 공급의 자동 차단과 구역 대피를 일으킨다. 독성 가스는 TLV-TWA를, 가연성 가스는 LEL을 기준으로 설정하는 것이 일반적이다. 예를 들어 국내 가스 기술 기준(KGS 코드)은 가스누출 경보 농도를 가연성은 LEL의 1/4 이하, 독성은 TLV-TWA 기준 농도 이하로 정하는 식이다(대략, 현행 코드 확인 필요). 산소 결핍 경보는 18~19.5 % 부근에 둔다.

구분	1차 경보 (예)	2차 경보 (예)	2차 경보 시 동작 (예)
독성 (AsH₃·PH₃·Cl₂ 등)	TLV-TWA의 50 %	TLV-TWA	가스 캐비닛·VMB 자동 차단 밸브 닫힘, 경광등·방송, 구역 대피
가연성 (H₂·SiH₄ 등)	LEL의 10~20 %	LEL의 25 % 안팎	공급 차단, 점화원 차단, 배기 강화
산소 결핍	19.5 % 이하	18 % 이하	출입 통제, 질소·불활성 가스 공급 확인

설정값은 흔히 쓰이는 방식을 보인 교육용 예시다. 실제 값은 법령·보험·사업장 기준과 가스별 위험성 평가로 정한다.

경보가 늦게 울리는 이유는 세 가지다. 누출 지점에서 감지 지점까지 가스가 섞여 오는 혼합 시간, 흡인식이라면 샘플 튜브를 따라 오는 수송 지연(튜브 길이 / 흡인 유속), 그리고 센서 자체의 응답 시간(최종값의 90 %에 도달하는 시간 $T_{90}$)이다. 센서 응답은 1차 지연으로 근사한다.

$$C_{\text{site}}(t) = C_{ss}\left(1-e^{-t/\tau_m}\right),\quad C_{ss} = \frac{q}{Q_{ex}},\quad \tau_m = \frac{V_{\text{enc}}}{Q_{ex}};\qquad \tau_s\frac{dC_{\text{read}}}{dt} = C_{\text{site}}(t-t_d) - C_{\text{read}},\quad \tau_s = \frac{T_{90}}{\ln 10}$$

$q$: 누출 유량, $Q_{ex}$: 함(캐비닛) 배기 유량, $V_{\text{enc}}$: 함 내부 용적, $t_d$: 샘플 튜브 수송 지연, $\tau_s$: 센서 시상수.

SIMULATOR

가스 캐비닛 누출 → 감지 → 자동 차단 타임라인

감지기

누출 유량 (PH₃) 캐비닛 배기 유량 샘플 튜브 길이 센서 응답 T90 차단 밸브 닫힘 시간

함 내 정상 농도—

수송 지연—

1차 경보 (0.025 ppm)—

2차 경보·차단 (0.05 ppm)—

차단까지 방출량—

—

해볼 것: ① 아주 작은 누출(0.01 sccm)부터 키워 보자. 정상 농도가 경보값보다 낮으면 경보가 영영 울리지 않는다. 함 배기가 강할수록 희석이 커져 작은 누출을 놓칠 수 있다는 뜻이다. ② 샘플 튜브를 100 m 이상으로 늘리면 수송 지연이 응답 시간을 지배한다. 흡인 유속은 1.5 m/s로 가정했다. ③ 감지기 종류를 바꿔 같은 누출의 차단 시각을 비교하자. 캐비닛 내부 용적 0.8 m³, 경보값(PH₃ TLV 0.05 ppm 기준 50 %·100 %)은 교육용 가정이다.

경보 홍수와 경보 무시

감지기가 수천 개면 오경보도 많다. 센서 드리프트, 간섭 가스(예: 세정용 IPA 증기에 반응하는 전기화학 센서), 교정 중 경보가 쌓이면 운전원은 경보를 “또 그거”로 받아들이기 쉽다. 실제 사고 조사에서 반복되는 원인 가운데 하나가 앞선 경보를 무시하거나 수동으로 우회한 것이다. 그래서 감지기는 정기 교정·범프 테스트(실제 가스를 흘려 응답 확인)를 하고, 경보 우회는 허가 절차와 기록을 남기며, 경보 체계 전체의 우선순위를 설계한다(15장의 경보 설계 참고).

누출은 어떻게 퍼지는가: 실내 희석과 실외 플룸

가스가 새면 농도는 누출 지점에서 가장 높고 공기와 섞이며 낮아진다. 정확한 분포는 전산유체역학(CFD)으로 풀어야 하지만, 설계와 비상 계획의 첫 추정에는 두 가지 단순 모델이 널리 쓰인다. 방 안 공기가 고르게 섞인다고 보는 실내 희석 모델과, 바람에 실려 퍼지는 연기 기둥을 정규분포로 근사하는 가우시안 플룸 모델이다.

그림 14-4. 두 가지 확산 모델. (a) 방 안에서는 누출 G가 환기 유량 Q로 희석되며, 시간이 지나면 정상 농도 G/Q에 다가간다. 실제로는 혼합이 고르지 않아 누출 근처가 더 진하므로 보정 계수 K로 유효 환기량을 줄인다. (b) 실외에서는 바람 방향으로 흐르며 옆(y)과 위(z)로 정규분포처럼 퍼지고, 퍼짐 폭 σ는 거리와 대기 안정도에 따라 커진다.

실내 희석 모델

$$V\frac{dC}{dt} = G - \frac{Q}{K}C \;\;\Longrightarrow\;\; C(t) = \frac{G K}{Q}\left(1 - e^{-Qt/(KV)}\right),\qquad \text{누출 정지 후 } C(t) = C(t_s)\,e^{-Q(t-t_s)/(KV)}$$

$G$: 누출 부피 유량(m³/min), $Q$: 환기 유량(= 환기 횟수 ACH × V / 60, m³/min), $K$: 혼합 계수(완전 혼합 1, 일반 실내 3~10). 결과에 $10^6$을 곱하면 ppm이다. 시상수 $KV/Q$가 짧을수록 농도가 빨리 오르고 빨리 빠진다.

SIMULATOR

실내 누출 희석 시뮬레이터

가스

방 부피 V 환기 횟수 누출 유량 누출 지속 혼합 계수 K

정상 농도 (계속 샐 때)—

최고 농도—

시상수 KV/Q—

IDLH 도달—

정지 후 TLV 이하까지—

—

해볼 것: ① NH₃ 1 slm 누출을 300 m³ 방, 6회/h 환기로 두고 시작하자. 이어서 AsH₃로 바꾸면 같은 유량이 IDLH를 수백 배 넘는다. 극독성 가스를 실린더째 열린 방에 두지 않고 배기되는 캐비닛에 넣는 이유다. ② 환기 횟수를 늘리면 정상 농도와 시상수가 함께 준다. ③ SiH₄·H₂에서는 25 % LEL 선이 나타난다. 가연성 가스는 독성 기준보다 LEL이 설계 기준이 된다. 그래프는 0부터 누출 지속의 3배 시간까지, 농도는 로그 눈금이다. 기준값은 ACGIH·NIOSH 대략값이다.

실외 확산: 가우시안 플룸

가스 야드나 탱크로리 하역장에서 새어 바람에 실려 가는 가스는 가우시안 플룸으로 근사한다. 지면에서 방출되고 지면에서 반사된다고 보면, 바람 축 위 지면 농도는 다음과 같이 간단해진다. 퍼짐 폭 $\sigma_y, \sigma_z$는 대기 안정도(파스퀼-기퍼드 등급 A: 매우 불안정 ~ F: 매우 안정)에 따라 다르며, 여기서는 Briggs의 개활지 근사식을 쓴다.

$$C(x, y, 0) = \frac{\dot m}{\pi\,u\,\sigma_y\sigma_z}\exp\!\left(-\frac{y^2}{2\sigma_y^2}\right),\qquad \text{ppm} = C[\text{mg/m}^3]\times\frac{24.45}{M}$$

$\dot m$: 방출률(g/s), $u$: 풍속(m/s), $\sigma_y, \sigma_z$: 횡·연직 퍼짐(m), 예: D 등급 $\sigma_y = 0.08x(1+0.0001x)^{-1/2}$, $\sigma_z = 0.06x(1+0.0015x)^{-1/2}$. 24.45는 25 °C, 1 atm에서 기체 1 mol의 부피(L)다. 공기보다 무거운 가스(Cl₂ 등)의 대량 방출은 바닥을 따라 퍼지는 중가스 거동을 보이므로 이 모델이 맞지 않는다.

SIMULATOR

가우시안 플룸: 바람 아래 몇 m까지 위험한가

가스

대기 안정도

방출률 풍속 u

100 m 지점 농도—

IDLH 거리—

TLV 거리—

IDLH 구역 최대 폭—

—

해볼 것: ① D 등급, 풍속 2 m/s에서 Cl₂ 10 g/s 방출의 IDLH 거리를 확인한 뒤 F 등급(맑은 밤, 약한 바람)으로 바꿔 보자. 같은 방출이 몇 배 멀리 간다. 비상 계획은 가장 나쁜 기상을 가정한다. ② 풍속을 올리면 희석이 커져 거리가 줄어든다. 바람이 거의 없을 때가 위험하다. ③ 위쪽 그림은 위에서 내려다본 IDLH(진한 색)·TLV(옅은 색) 구역이다. 지면 방출·평탄 지형·중립 부력 가정의 교육용 모델이며, 실제 비상 계획에는 검증된 확산 도구와 현장 기상 자료를 쓴다.

FAB-E 가스 야드와 바람

FAB-E는 가스 야드를 팹 건물의 외기 흡입구(MAU 흡입구, 3장)와 떨어뜨리고, 우세 풍향의 바람 아래쪽에 두는 것으로 가정한다. 외기 흡입구가 플룸 안에 들면 누출 가스가 공조를 타고 클린룸 전체로 들어가기 때문이다. 같은 이유로 배기 스택은 흡입구보다 높고 멀리 둔다(배기 재유입은 4장 AMC의 발생원이기도 하다). 이격거리는 교육용 가정이며 실제 배치는 확산 해석과 법정 이격거리를 따른다.

질소 질식: 보이지 않고 냄새도 없는 위험

질소는 독성이 없다. 그런데도 팹과 화학 공장에서 반복되는 사망 사고 유형 중 하나가 질소 질식이다. 질소가 공기 중 산소를 밀어내면 산소 농도가 떨어지는데, 사람은 산소 부족을 숨 가쁨으로 느끼지 못한다. 숨 가쁨은 이산화탄소가 쌓일 때 느끼는 것이기 때문이다. 산소가 매우 낮은 공기는 한두 번의 호흡으로 의식을 잃게 할 수 있고, 쓰러진 동료를 구하러 들어간 사람이 같이 쓰러지는 연쇄 사고가 자주 일어난다.

그림 14-5. 산소 농도와 인체 영향(대략). 경계값은 개인차와 노출 시간에 따라 달라지며, 법적 기준값은 국가마다 다르다(미국 OSHA 19.5 %, 국내 산업안전보건기준에 관한 규칙의 적정 공기 18 % 이상 등, 현행 규정 확인). 중요한 것은 위험한 수준에서도 사람이 스스로 이상을 느끼지 못한다는 점이다.

밀폐된 방에 질소가 $q$의 유량으로 들어오고, 환기로 신선한 공기가 $Q$만큼 들어오며, 혼합된 공기가 $Q+q$만큼 빠져나간다고 하자. 방 안 공기가 고르게 섞인다면 산소 농도 $X$(%)는 다음을 따른다. 액체질소는 1 L가 기화하면 상온에서 약 0.69 m³의 질소가 되므로, 작은 듀어 하나도 작은 방의 산소를 크게 떨어뜨린다.

$$V\frac{dX}{dt} = Q\,(20.9 - X) - q\,X \;\Longrightarrow\; X_\infty = \frac{20.9\,Q}{Q+q},\qquad \tau = \frac{V}{Q+q};\qquad Q = 0 \text{이면 } X(t) = 20.9\,e^{-qt/V}$$

$V$: 방 부피, $q$: 질소 유입(m³/min, 액체라면 기화량), $Q$: 신선 공기 환기량. 실제로는 차가운 질소가 바닥과 피트에 고여(층 분리) 바닥 근처가 평균보다 훨씬 낮다.

SIMULATOR

밀폐 공간 질소 누출과 산소 농도

상황

공간 부피 V 환기 횟수 N₂ 누출 유량

최저 산소 농도—

19.5 % 도달—

16 % 도달—

10 % 도달—

—

해볼 것: ① “엘리베이터” 예시는 3 m³ 공간에 50 L 듀어가 넘어져 5분 동안 기화하는 경우다. 산소가 몇 분 만에 치명적 수준으로 떨어진다. 극저온 용기를 사람과 같은 승강기에 태우지 않는 규칙이 여기서 나온다. ② 피트 예시에서 환기 횟수를 늘려 정상 상태 산소를 19.5 % 위로 올리려면 환기가 얼마나 필요한지 찾아보자. ③ 이 모델은 완전 혼합을 가정한다. 실제로는 차가운 질소가 바닥에 고여 사람이 쓰러지는 높이(바닥 근처)의 농도가 더 낮다. 구간 경계와 시간 축(0~60분)은 교육용이다.

밀폐 공간 작업의 원칙

탱크, 피트, 덕트, 질소로 퍼지된 장비 내부 같은 밀폐 공간에 들어가기 전에는 산소 농도(그리고 독성·가연성 가스)를 측정하고, 작업 중에도 휴대용 산소 측정기를 몸에 지니며, 환기를 유지하고, 감시인을 밖에 둔다. 쓰러진 사람을 발견하면 보호구(공기 호흡기) 없이 들어가지 않는다. 국내에서는 산업안전보건기준에 관한 규칙이 밀폐공간 작업 프로그램과 산소 농도 측정을 요구한다(대략, 현행 규정 확인). 장비 정비에서 질소 퍼지 라인과 공기 공급 라인을 잘못 연결하는 사고도 반복되므로, 질소 배관은 색·표지·전용 커넥터로 구분한다.

누출을 작게 만들기: 제한 오리피스와 배기

가장 좋은 대응은 새지 않게 하는 것이고, 그다음은 새더라도 크게 새지 못하게 하는 것이다. 특수가스 실린더 밸브 안에는 흔히 지름 0.15~0.25 mm(0.006~0.010 인치) 정도의 작은 구멍인 제한 오리피스(RFO, Restrictive Flow Orifice)를 넣는다. 그 아래쪽 배관이 완전히 끊어져도 방출 유량은 이 구멍이 허용하는 최대값을 넘지 못한다. 가스 캐비닛의 배기량은 이 최악 방출량을 기준으로 정한다. 예를 들어 실란 캐비닛은 RFO를 통한 최대 방출이 배기에서 LEL의 일정 비율(흔히 25 %) 아래로 희석되도록 설계하는 사례가 많다(지침·규정에 따라 다름, 실란은 CGA G-13 참고).

그림 14-6. 제한 오리피스의 원리. 실린더 압력이 대기압의 약 2배 이상이면 오리피스 목에서 유속이 음속에 도달해(질식 유동) 하류 압력과 상관없이 유량이 정해진다. 그래서 배관이 통째로 끊어져도 방출량의 상한을 계산할 수 있고, 이것이 캐비닛 배기량과 감지기 설계의 출발점이 된다. 오리피스 크기는 정상 공급 최대 유량과 안전 사이의 절충이다.

$$\dot m_{\text{choked}} = C_d\,A\,P_0\sqrt{\frac{\gamma M}{R T}}\left(\frac{2}{\gamma+1}\right)^{\frac{\gamma+1}{2(\gamma-1)}},\qquad \frac{P_0}{P_a} > \left(\frac{\gamma+1}{2}\right)^{\frac{\gamma}{\gamma-1}} \approx 1.8\!\sim\!1.9$$

$C_d$: 유출 계수(약 0.6~0.85, 여기서는 0.8 가정), $A$: 오리피스 단면적, $P_0$: 상류 절대 압력, $\gamma$: 비열비, $M$: 몰질량. 이상기체 가정이며, 실란처럼 고압에서 압축 인자가 1보다 작은 가스는 실제 유량이 이보다 크다. 압력비가 임계값보다 작으면 아음속 식을 쓴다.

SIMULATOR

RFO 최악 방출량과 캐비닛 배기 희석

가스

오리피스

실린더 압력 오리피스 지름 캐비닛 배기 유량

유동 상태—

최대 방출 (질량)—

최대 방출 (부피)—

배기 내 평균 농도—

판정 기준 대비—

—

해볼 것: ① 실란 100 bar(g), 0.010″ RFO, 배기 10 m³/min에서 배기 속 농도가 LEL의 몇 %인지 보자. ② “RFO 없음”을 누르면 방출량이 수십 배로 뛰어 어떤 현실적인 배기로도 희석할 수 없다. ③ 실린더 압력이 낮아지면(사용 말기) 방출량이 비례해서 줄어든다. 질식 유동에서는 유량이 상류 압력에 비례하기 때문이다. 가연성 가스(SiH₄·H₂)는 25 % LEL, 독성 가스(PH₃)와 NF₃는 IDLH를 비교 기준으로 쓴 교육용 판정이다. 비열비는 대략값(SiH₄ 1.25, H₂ 1.41, PH₃ 1.3, NF₃ 1.2)이다.

비상 차단과 방호 계층

감지기가 울리면 사람이 달려가 밸브를 잠그는 것이 아니다. 팹의 가스 계통은 여러 신호가 자동으로 공급을 끊도록 연동(interlock)되어 있다. 핵심은 고장 시 안전(fail-safe) 설계다. 가스 캐비닛과 VMB의 차단 밸브는 공기압으로 열리고 스프링으로 닫히는 상시 닫힘(normally closed) 밸브라서, 제어 신호·전원·구동 공기 중 하나라도 끊기면 닫힌다.

가스 감지 2차 경보 → 해당 캐비닛·VMB 분기의 자동 차단 밸브(AV) 닫힘, 경보 방송.
배기 저하: 캐비닛 배기 덕트의 정압·유속이 설정값 아래로 떨어지면 공급 차단. 배기가 없으면 함이 봉쇄 기능을 잃기 때문이다(8장).
과류 차단(EFS, Excess Flow Switch): 공급 유량이나 압력 강하가 정상 범위를 넘으면(배관 파단 의심) 차단.
화재·연기·불꽃 감지: 실란 캐비닛에는 자외선·적외선 불꽃 감지기를 두어 자연발화를 즉시 잡는다.
지진 감지: 감진기가 설정 가속도를 넘으면 가스 공급 전체를 차단한다.
비상 정지 버튼(EMO, Emergency Off): 장비·가스 룸·통제실에서 사람이 누르는 최종 수동 차단. 장비의 EMO는 SEMI S2가 요구하는 기본 안전 기능이다.

그림 14-7. 가스 공급 비상 차단의 연동 논리(개념도). 여러 위험 신호가 OR 조건으로 안전 PLC에 들어가 차단 밸브를 닫고 경보를 낸다. 안전 기능은 일반 공정 제어와 분리된 계통으로 구성하고, 자동 재개방을 막아 사람이 원인을 확인한 뒤에만 다시 연다. 실제 구성은 사업장과 가스별 위험성 평가에 따라 다르다.

방호 계층으로 위험 계산하기

어떤 방호도 완벽하지 않다. 감지기는 고장 나고, 밸브는 덜 닫히고, 사람은 실수한다. 그래서 독립적인 방호층을 여러 겹 둔다. 이 개념을 숫자로 다루는 방법이 방호 계층 분석(LOPA, Layer of Protection Analysis)이다. 초기 사건(예: 연결부 누설)의 빈도에 각 방호층이 필요할 때 작동하지 않을 확률(PFD, Probability of Failure on Demand)을 곱하면, 모든 층을 뚫고 사고가 될 빈도가 나온다.

$$f_{\text{사고}} = f_{\text{초기}}\prod_i \text{PFD}_i,\qquad \text{공통원인이 있는 두 층: } \text{PFD}_{12} \approx \beta\,\max(\text{PFD}_1,\text{PFD}_2) + (1-\beta)\,\text{PFD}_1\text{PFD}_2$$

$f_{\text{초기}}$: 초기 사건 빈도(/년), PFD: 0.1이면 10번에 한 번 실패. 층이 독립이어야 곱할 수 있다. 감지기와 차단 밸브가 같은 PLC·전원을 쓰면 하나의 원인으로 함께 실패할 수 있으므로 공통원인 비율 $\beta$로 보정한다(베타 인자 모델의 단순화).

그림 14-8. 방호 계층(스위스 치즈 모델). 초기 사건이 사고로 이어지려면 모든 방호층이 동시에 실패해야 한다. 층을 하나 더하는 것보다 층들이 서로 독립인지 확인하는 것이 더 중요할 때가 많다. 같은 전원·같은 PLC·같은 정비 실수를 공유하는 층은 사실상 하나의 층이다.

SIMULATOR

방호 계층 분석 (LOPA) 계산기

캐비닛 1대당 누설 빈도 독성·자연발화성 캐비닛 수

방호층 (체크 = 있음, 오른쪽 숫자 = PFD 가정)

캐비닛 배기 + 배기 저하 인터락 0.01 가스 감지 → 자동 차단 0.05 이중관·이중 봉쇄 0.1 RFO (방출량 제한) 0.1 경보·EMO·대피 0.1 작업 절차·보호구·2인 작업 0.1

공통원인 비율 β (감지·차단 ↔ 경보·EMO) 허용 목표 빈도

팹 전체 초기 사건—

방호 후 사고 빈도—

평균 재현 주기—

목표 대비—

—

해볼 것: ① 기본값에서 방호층을 하나씩 꺼 보며 사고 빈도가 몇 배씩 오르는지 보자. ② β를 0에서 0.5로 올리면, “감지·차단”과 “경보·EMO”가 함께 실패할 확률이 커져 두 층의 효과가 거의 하나로 줄어든다. 안전 계통을 일반 제어와 분리하고 전원을 이중화하는 이유다. ③ 캐비닛 수를 늘리면 팹 전체 빈도가 비례해서 커진다. 개별 설비가 충분히 안전해도 규모가 크면 전체 위험은 커진다. 모든 숫자(초기 사건 빈도, PFD, 목표)는 LOPA 문헌의 전형적 범위를 본뜬 교육용 가정이다.

FAB-E의 비상 대응 체계

FAB-E는 가스 감지·차단을 일반 FMCS(15장)와 분리된 안전 PLC로 구성하고, 통제실에 24시간 상주하는 비상대응팀(ERT)을 둔다고 가정한다. 2차 경보가 울리면 자동 차단과 동시에 해당 구역 방송·대피가 시작되고, ERT가 공기 호흡기를 갖추고 진입해 원인을 확인한다. 재가동은 원인 제거, 퍼지, 리크 검사를 기록으로 확인한 뒤 책임자의 승인으로만 한다. 체계는 교육용 가정이다.

화재: 자연발화성 가스와 웨트벤치의 교훈

클린룸 화재는 불 자체보다 연기가 더 큰 피해를 낸다. 클린룸 공기는 FFU와 순환 공조로 몇 분마다 전체가 돌기 때문에(2장), 작은 화재의 연기와 부식성 연소 생성물(예: PVC가 타며 생기는 HCl)이 순식간에 클린룸 전체로 퍼진다. 불길이 닿지 않은 장비와 웨이퍼까지 오염되어 팹 전체가 수개월 멈출 수 있다.

실란: 붙기도, 안 붙기도 하는 불

실란은 자연발화성이지만 언제나 즉시 불이 붙지는 않는다. 작은 누출은 대개 바로 연소하며 흰 이산화규소 가루를 남기고, 이것이 오히려 누출을 알려 준다. 그러나 고속으로 분출하는 누출은 공기와 섞이는 방식에 따라 점화가 지연되어 실란-공기 혼합물이 쌓였다가 한꺼번에 폭발적으로 연소할 수 있다. 이 때문에 실란 계통은 “불이 붙으면 다행”이라는 생각을 버리고, 누출 자체를 작게(RFO), 빨리 끊고(불꽃 감지·자동 차단), 쌓이지 않게(충분한 배기) 설계한다. 실란 저장·취급 지침으로는 미국 압축가스협회의 CGA G-13이 널리 참조된다.

웨트벤치 화재와 재료 기준

1990년대에는 아시아와 미국의 여러 팹에서 웨트벤치(가열한 약액조가 있는 세정 장비)에서 시작된 화재가 클린룸 전체로 번진 사고가 잇따랐다. 당시 웨트벤치는 내약품성이 좋은 폴리프로필렌 같은 가연성 플라스틱으로 만들었고, 히터가 액이 없는 상태로 과열되면(공가열) 장비 자체가 연료가 되었다. 이 사고들 뒤로 업계는 다음과 같이 바뀌었다(일반화한 서술).

난연 재료: 클린룸 재료의 화염 전파와 연기 발생을 평가하는 FM Global의 시험 기준(FM 4910, Cleanroom Materials Flammability Test Protocol)을 통과한 재료로 장비와 덕트를 만든다.
장비 내 인터락: 액위 저하·과열 시 히터 차단, 이중 온도 센서, 장비 내부 소화(CO₂ 또는 미분무수)와 연기 감지.
덕트 화재 대책: 가연성 재질 배기 덕트 안에 스프링클러를 두거나 불연성(코팅 스테인리스 등) 덕트를 쓴다.
조기 감지: 공기를 흡입해 미량의 연기 입자를 잡는 흡인식 연기 감지기(aspirating smoke detection)로 불꽃이 보이기 전에 경보한다.
설계 기준: 반도체 시설 화재 방호는 NFPA 318(Standard for the Protection of Semiconductor Fabrication Facilities), FM Global Data Sheet 7-7(Semiconductor Fabrication Facilities), 장비 수준은 SEMI S14(장비 화재 위험성 평가) 등을 참조한다.

장소	주된 화재 위험	대표 대책
가스 캐비닛 (실란 등)	자연발화·지연 점화	RFO, 불꽃 감지기, 함 내 스프링클러, 배기 감시 인터락
웨트벤치	공가열, 가연성 약액(IPA)	난연 재료, 액위·과열 인터락, 장비 내 CO₂ 소화
배기 덕트	가연성 덕트 재질, 응축물	덕트 스프링클러, 불연 덕트, 배기 분리
클린룸 전체	연기 확산·부식	흡인식 조기 감지, 속동형 스프링클러, 연기 제어·공조 정지 연동
수소 계통	보이지 않는 불꽃, 낮은 점화 에너지	환기·천장 감지, 불꽃 감지기, 점화원 관리

물을 뿌리면 안 되는 경우도 있다

클로로실란, 일부 금속 유기 전구체, WF₆처럼 물과 격렬하게 반응하거나 물과 만나 HF·HCl을 만드는 물질 근처에서는 소화 방식을 따로 검토한다. 반대로 실란 화재는 가스 공급을 끊지 않은 채 불만 끄면 다시 쌓인 가스가 폭발할 수 있으므로 “먼저 가스를 끊고, 불은 공급이 끊길 때까지 통제하며 태운다”가 원칙이다. 이런 판단을 화재 현장에서 처음 하지 않도록 물질별 대응 절차를 미리 정하고 훈련한다.

지진과 재가동

반도체 팹은 지진에 특히 민감하다. 노광기와 계측 장비는 나노미터 정렬을 유지해야 하고(12장), 가스 실린더와 배관은 흔들림에 넘어지거나 끊어질 수 있으며, 약액 탱크는 출렁임(sloshing)으로 넘친다. 1999년 대만 지진과 2011년 동일본 대지진 때 여러 팹이 정전·설비 손상으로 수일에서 수개월까지 생산 차질을 겪었다. 직접 피해보다 재가동에 걸리는 시간이 손실을 좌우한 경우가 많았다.

고정: 실린더는 상·하 두 줄 체인이나 전용 클램프로 캐비닛에 묶고, 캐비닛·VMB·장비는 바닥에 앵커로 고정한다. 장비의 내진 고정은 SEMI S2의 지진 보호 항목과 관련 지침을 참조한다.
유연 연결: 건물 사이·층 사이를 지나는 배관은 상대 변위를 흡수하도록 루프나 플렉시블 구간을 둔다.
감진 차단: 감진기가 설정 가속도를 넘으면 가스 공급 전체를 차단한다. 설정값은 부지의 설계 지진, 오작동 비용, 사업장 정책으로 정한다.
면진·제진: 일부 팹은 건물이나 핵심 장비 아래에 면진 장치를 두어 지진 가속도를 줄인다.

그림 14-9. 지진(또는 대규모 정전·화재) 뒤 가스 계통 재가동 순서의 예. 원칙은 “사람 → 위험 → 기반 → 불활성 → 검사 → 위험 가스 → 장비 → 품질”이다. 배기와 스크러버가 돌기 전에는 위험 가스를 열지 않고, 감지·차단 계통이 정상임을 시험한 뒤에만 독성·자연발화성 가스를 다시 공급한다. 순서는 일반화한 예시이며 사업장 절차를 따른다.

왜 재가동이 오래 걸리나

가스 계통만 보아도 수백 대의 캐비닛과 수천 개의 VMB 분기마다 리크 검사와 퍼지가 필요하고, 차단 밸브와 감지기가 정상 동작하는지 하나하나 확인해야 한다. 그 뒤에도 장비는 진공을 다시 뽑고, 챔버를 시즈닝하고, 모니터 웨이퍼로 입자와 공정 결과가 기준선으로 돌아왔는지 본다. 노광기는 정렬과 교정이 끝나야 한다. 이 시간을 줄이는 방법은 “복구 순서와 담당을 미리 정해 두는 것”과 “유틸리티를 구역별로 나눠 피해 구역만 멈추게 하는 것”이다. 유틸리티 의존성과 가용도는 15장에서 계산한다.

규격과 사고에서 배운 교훈

반도체 장비와 시설의 안전은 여러 층의 규격과 법령이 함께 정한다. 장비 쪽에서 가장 기본이 되는 것이 SEMI S2(Environmental, Health, and Safety Guideline for Semiconductor Manufacturing Equipment)다. 장비 제조사가 장비를 설계할 때 따르는 환경·보건·안전 지침으로, 많은 팹이 장비 구매 조건으로 제3자 기관의 S2 평가 보고서를 요구한다. S2는 다음과 같은 영역을 다룬다(개요).

영역	주요 내용 (개요)	관련 SEMI 문서
안전 문서·표지	위험성 평가, 경고 표지, 사용자 문서	S2, S10(위험성 평가)
비상 정지 (EMO)	EMO 버튼 위치·동작, 위험 에너지 차단	S2
전기·기계·인터락	감전·끼임 방호, 안전 인터락의 신뢰성	S2
화학물질·가스	가스 누설 봉쇄, 감지·차단, 배기 연결	S2, S6(배기 환기)
화재	재료 가연성, 장비 화재 위험 평가	S2, S14(화재 위험성)
지진 보호	장비 고정과 전도 방지 설계	S2
인간공학·방사선·레이저	작업 자세, 이온화·비이온화 방사선, 레이저	S2, S8(인간공학)

SEMI S 시리즈 문서와 개정판의 정확한 범위는 SEMI 원문을 확인할 것. 시설 쪽은 NFPA 318·NFPA 55(압축가스·극저온 유체), 국제화재코드(IFC)의 반도체 시설 조항, CGA 지침, 그리고 국내의 산업안전보건법(공정안전보고서 PSM, 작업환경측정), 화학물질관리법(유해화학물질 취급시설 기준), 고압가스 안전관리법(특수고압가스) 등이 적용된다(대략, 현행 법령 확인).

반복되는 사고 유형과 교훈

공개된 반도체·화학 산업 사고 조사 보고에서 되풀이되는 패턴을 일반화하면 다음과 같다. 특정 사고를 가리키는 것이 아니라 여러 사례에 공통된 교훈이다.

유형	전형적 경위	교훈
정비 중 누출	밸브·배관 교체 작업에서 남은 가스·약액이 퍼지가 부족한 상태로 나옴	작업 전 퍼지·잔압 확인을 기록으로, 이중 차단과 잠금·표지(LOTO)
경보 무시·우회	반복 오경보로 경보를 무시하거나 인터락을 임시 우회한 채 방치	우회 허가·기한·기록, 오경보 근본 원인 제거
질식	질소 퍼지된 공간 진입, 질소·공기 배관 오연결, 구조자의 연쇄 피해	밀폐공간 절차, 휴대 산소 측정기, 보호구 없는 구조 금지, 배관 식별
보고·대응 지연	소량 누출을 자체 처리하려다 신고가 늦어 피해 확대	“의심되면 신고” 문화, 외부 기관 신고 기준의 사전 숙지
협력업체 작업	현장 위험 정보 공유 부족 상태에서 외부 작업자가 노출	작업 허가제, 위험 정보 전달, 같은 보호구·교육 기준
변경 관리 실패	가스 종류·압력·장비 변경이 감지·배기 설계에 반영되지 않음	변경 관리(MOC)로 설계 근거(RFO·배기량·경보값) 재검토

공학적 대책이 먼저, 보호구는 마지막

산업안전의 대책 위계(hierarchy of controls)는 제거 → 대체 → 공학적 대책 → 관리적 대책 → 개인 보호구 순이다. 팹 가스에 적용하면 이렇다. 위험한 가스를 덜 위험한 형태로 바꾸고(예: 극독성 도펀트를 대기압 이하 흡착형 용기로), 누출을 작게 만들고(RFO), 봉쇄·배기·자동 차단으로 사람과 떼어 놓은 뒤, 절차와 교육으로 보완하고, 보호구는 이 모든 것이 실패했을 때의 마지막 방어선으로 둔다. 이 장의 시뮬레이터는 대부분 공학적 대책의 크기를 정하는 계산이었다.

핵심 정리

팹 가스의 위험은 독성·자연발화성·인화성·부식성·산화성·질식으로 나뉘며 한 가스가 여러 위험을 함께 갖는다. 공기보다 무거운 가스는 바닥과 피트에 고인다.
노출 기준은 시간 척도별로 다르다: TLV-TWA(8시간), STEL(15분), Ceiling(순간), IDLH(30분 탈출 한계). 값은 기관·연도마다 다르므로 현행 법규와 SDS를 확인한다. AsH₃와 NH₃의 기준은 수천 배 차이 난다.
감지기는 원리(전기화학·종이테이프·적외선)에 따라 대상 가스와 응답이 다르고, 경보 지연은 혼합 시간 + 샘플 튜브 수송 지연 + 센서 T90의 합이다. 2차 경보는 자동 차단으로 연결된다.
실내 누출 농도는 $C_\infty = GK/Q$, 시상수 $KV/Q$로, 실외 확산은 가우시안 플룸으로 근사한다. 안정한 대기와 약한 바람이 가장 위험하다.
질소 질식은 감각으로 알 수 없다. 밀폐 공간의 산소는 $X_\infty = 20.9Q/(Q+q)$로 떨어지며, LN₂ 1 L는 약 0.69 m³의 질소가 된다. 산소 측정 없이 밀폐 공간에 들어가지 않는다.
RFO는 질식 유동으로 최악 방출량을 제한해 배기량·감지·대피 설계의 기준을 만든다. 차단 밸브는 상시 닫힘으로 고장 시 안전하게 동작한다.
LOPA는 초기 사건 빈도에 독립 방호층의 PFD를 곱해 위험을 추정한다. 층의 독립성(공통원인 β)이 층의 개수만큼 중요하다.
클린룸 화재는 연기 확산이 피해를 키우며, 웨트벤치 화재의 교훈으로 난연 재료(FM 4910)·장비 인터락·조기 감지가 표준이 되었다. 지진 뒤에는 정해진 순서로 위험 가스를 마지막에 재공급한다. 장비 안전의 기본 지침은 SEMI S2다.

확인 퀴즈

1. 다음 중 IDLH의 정의로 가장 알맞은 것은?

IDLH(Immediately Dangerous to Life or Health)는 NIOSH가 정하며, 호흡 보호구 선택과 비상 대응의 기준이 된다. 8시간 기준은 TLV-TWA, 15분 기준은 STEL, 점화 최저 농도는 LEL이다.

2. 작업자가 4시간 동안 NH₃ 20 ppm, 나머지 4시간은 0 ppm에 노출되었다. 8시간 TWA는?

$\text{TWA} = (20 \times 4 + 0 \times 4)/8 = 10$ ppm이다. 이 값은 ACGIH TLV-TWA 25 ppm보다 낮지만, 15분 최댓값(STEL 35 ppm)도 따로 확인해야 한다.

3. 흡인식 감지기의 샘플 튜브가 60 m, 흡인 유속이 1.5 m/s, 센서 T90이 30초다. 누출 가스가 샘플 지점에 계단처럼 나타났을 때 감지기 읽음값이 최종값의 90 %에 이르는 시간은 대략?

수송 지연 = 60 m / 1.5 m/s = 40초, 여기에 센서 T90 30초가 더해져 약 70초다. 긴 샘플 튜브는 다점 흡인식의 대표적인 지연 원인이다.

4. 부피 100 m³, 환기 6회/h(= 10 m³/min)인 방에 NH₃가 0.01 m³/min(10 slm) 새고, 혼합 계수 K = 1이다. 정상 농도는?

$C_\infty = G/Q = 0.01/10 = 10^{-3}$ = 1,000 ppm으로 IDLH(300 ppm)를 넘는다. 시상수는 $V/Q$ = 10분이다. 혼합이 나쁘면(K > 1) 누출 근처는 이보다 높다.

5. 환기가 없는 30 m³ 방에서 질소가 완전 혼합되며 들어올 때, 산소가 20.9 %에서 약 10 %로 떨어지려면 질소가 얼마나 들어와야 하는가?

$X = 20.9\,e^{-V_{N_2}/V}$에서 $V_{N_2} = V \ln(20.9/10) = 30 \times 0.737 \approx 22$ m³다. LN₂ 1 L가 약 0.69 m³이므로 약 32 L, 흔한 듀어 하나 분량이다.

6. 실린더 밸브에 RFO를 넣는 주된 목적은?

상류 압력이 충분히 높으면 오리피스 목에서 질식 유동이 일어나 유량이 $C_d A P_0$에 비례하는 값으로 제한된다. 이 최악 방출량을 배기로 희석할 수 있도록 캐비닛 배기량을 정한다.

7. 초기 사건 빈도가 연 10회이고, 독립인 방호층 PFD가 0.01, 0.1, 0.1이다. 사고 빈도는?

$10 \times 0.01 \times 0.1 \times 0.1 = 10^{-3}$/년이다. 단, 두 층이 같은 PLC나 전원을 공유하면 곱셈이 성립하지 않고 공통원인 실패로 빈도가 크게 늘 수 있다.

8. 실란 캐비닛에서 불꽃 감지기가 화재를 감지했다. 원칙에 가장 맞는 대응은?

공급을 끊지 않고 불만 끄면 새는 실란이 쌓였다가 폭발적으로 연소할 수 있다. 배기를 멈추면 함의 봉쇄 기능이 사라진다. 자동 차단이 1차 대응이고, 소화는 주변 확산 방지에 초점을 둔다.