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  1. (STATICWORKS Inc. Korea & Seoul National University of Science and Technology, Korea. E-mail : harry@staticworks.co.k )



electrostatic, Human body voltage, Human body resistance to ground, Static capacitive spark discharge

1. 서 론

정전기란 전자나 전하가 높은 저항을 가지고 있는 부도체에 일정한 기간 축척되어있는 현상을 말한다. 산업 사회의 고도화와 함께 정전기는 이제 하나의 장해나 재해의 발생 원인으로서 그 심각성이 다양한 산업에서 대두되고 있다. 일반적인 정전기의 방전에너지는 낮은 수준으로 작업자에게 불쾌감을 일으키는 정도이다. 하지만 정전기 방전 에너지를 보면 방전 중에서 정전기 예방 조치를 하지 않은 현장 작업자가 대지 전위 레벨 혹은 주변 전위차가 다른 전도체로 급속하게 전하를 나누는 과정에서 발생할 수 있는 정전용량성 스파크 방전이 인화성 유증기 및 가스의 최소 착화에너지 보다 훨씬 크게 나타난다. 정전기 방전 주변에 인화성 분위기가 형성되어 있고 충분한 산소 농도가 확보되는 경우에는 화재 폭발로 이어질 수 있다. 최근 정전기 방전으로 인한 화재 폭발 사고(2018.05. 17, 2019.02.14)로 8명이 사망한 00 대전 사업장은 작업장내 정전기 접지가 적절히 이루어지지 않아서 위험 수준의 인체 전위가 발생했고, 이때 정전 용량성 스파크 방전이 일어나면서 사고가 발생했다(1).

더불어, 최근 자동차 산업의 급속한 전자 제어 시스템화의 흐름에 따라서 다양한 형태의 반도체 소자들이 적용되고 있는데 이런 반도체 기반의 소자들은 게이트 절연층 혹은 PN접합부분 같이 정전기 방전에도 보호회로가 충분하지 않으면 쉽게 신뢰성 문제가 발생할 수 있다. 이런 정전기 민감성 반도체 제품들도 정전기 관리가 되지 않은 작업자들의 정전용량성 스파크 방전으로 인해 제품의 신뢰성 문제가 발생할 수도 있다. 일반적으로 정전용량성 스파크 방전이란, 수 kV에 대전한 전도체에 접지된 전도체가 수 mm까지 접근했을 때 발생하는 방전이다. 대전 물체에 축적된 정전 에너지의 대부분이 방전에 소비되기 때문에 점화 능력이 상대적으로 매우 높다(2).

이러한 문제들을 해결하기 위해서 기존연구에서는 등가회로를 바탕으로 한 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 위험 분석 위주의 연구였다. 하지만 기존 연구의 경우 특수 상황에서 현장의 다양한 원인으로 인해 일어날 수 있는 결과를 예측하는데 한계가 있는데, 본 연구에서는 이 부분을 조건별 실측을 통해서 실제 발생하는 값을 확인해 봄으로써 더욱 실질적인 정전기로 인한 화재폭발 위험을 판단할 수 있게 해준다.

본 연구에서는 인화성 액체로 부터의 유증기가 발생하는 공정에서 일반적으로 작업하는 입식 작업자들의 실제 작업하는 행위를 시뮬레이션해서 인체접지 저항 및 상대습도 조건별 인체전위를 실측하여 정전용량성 스파크 방전이 인화성 액체의 유증기에 점화원으로 작용하는 메커니즘을 분석하고 최소 착화에너지와의 관계를 비교 분석하여 화재 및 폭발 등의 재해를 사전에 예방하는 개선 방향 및 관리 방안을 제안하고자 한다.

2. 실험 장비 및 환경

본 실험에서는 정확한 인체 전압을 측정하기위해서 인체 전압 측정기(TREK542A, TREK, USA)를 이용하였다. 인체 전압 측정기는 정확한 비접촉식 정전 표면 전압 측정을 제공하는 장비로, 소형 정전 필드 초퍼 프로브로 구성되어 이온화 환경에서도 정확한 측정이 가능하다. 이 측정 장비의 제조사에서 악세사리로 제공하는 워킹테스트 아답타 키트를 부착해서 EN 1815(European Norms, assessment of static electrical propensity on resilient and textile floor coverings) 기준에 따라 아래 그림 1과 같이 진행하였다.

일반적으로, 정전기량을 측정함에 있어서 가장 주의해야 할 부분이 피 측정량(통상, 전압으로 측정)이 유한해서 일반적인 전압측정기를 사용하면 측정 중에 측정기로 일부 전하가 이동되면서 최초 전압이 낮아지는 문제점이 있다(3). 이 문제점을 해결하기 위해서 손 전극 부분에 설치된 측정기 프로브는 손전극 내부에서 비접촉 형태를 유지하고 있고, 인체는 도체이므로 전도성이 좋은 도체 프로브(손전극)를 잡게되면 인체와 동일한 전위가 도체 프로브로 전달되는 원리를 이용하였다. 도체 손전극과 손전극 내부에 장착된 정전 프로브 와의 거리는 제조사에서 요구한 거리(15 ~ 35 mm) 만큼 이격(distance)이 되었다(4).

그림 1 인체전압측정의 (a) 인체전압측정 도식화 와 (b) 측정 참고 사진

Fig. 1 (a) Schematic and (b) photo of human body voltage measurement

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1743/fig1.png

한편 인체 저항 측정기(TREK152, TREK, USA)를 이용하여 인체 저항을 측정하였다. 사용된 인체 저항 측정기는 측정범위가 103 Ω ~ 1013 Ω 으로 정전기 관리를 위한 고저항 측정 장비로 손전극을 사용해서 아래 그림 2와 같이 대지 접지를 기준으로 측정자의 인체저항을 측정하였다.

그림 2 인체저항측정의 (a) 인체저항측정 도식화와 (b) 측정 참고 사진

Fig. 2 (a) Schematic and (b) photo of humanbody resistance measurement

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실제 작업 환경에서 입식 작업자가 일반적인 작업 중에 각 공정별 사용되고 있는 인화성 물질의 최소착화 에너지를 넘어가는 정전 용량성 스파크 방전이 일어 날 수 있는지를 실측을 통해서 확인해 보았다. 동시에 인체 저항과 인체 전압의 상관관계를 확인하기 위해서, 실제 작업환경 조건, 제전화 와 제전바닥 조건 및 제전 손목띠 착용의 3가지 조건에서 인체 저항 및 전압을 비교해 보았다. 추가로, 표 2와 같이 실험실 환경에서 인체 저항과 전압의 관계를 각 설정된 습도와 제전장치 조건별로 실험자가 작업 현장과 동일한 워킹 시뮬레이션을 하면서 인체전위 측정을 실시하였고, 각 설정된 조건별 화재폭발 위험성을 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 실제 현장 환경 실험 결과 및 고찰

실제 작업현장에서 발생하는 정전기와 그에 따른 인체 전압의 크기를 비교하기 위해, 실제 작업 환경에서 입식 작업자가 작업을 하는 중에 인체전위측정기로 아래 그림 3, 4와 같이 2가지 공정에서 각각 3가지 조건에서 실제 측정을 실시했다. 본 실험이 진행된 혼합실(Mixing room)과 숙성실(Curing room)에서는 인화성 물질로는 주로 자이렌(xylene)과 부탄(Butane)이 각각 사용되었다. 측정 당시 작업 현장의 온도와 습도는 각각 28℃, 상대습도(Relative humidity, %RH) 50 %RH 이었다.

혼합실같은 경우, 자동차 휠 도장을 주력으로 하는 기업으로, 현장 작업자가 믹싱 공정 진행 상태를 확인하기 위해서 전반적인 게이지를 주기적으로 확인하고, 자일렌 물질을 믹싱기에 직접 붓는 작업을 한다. 이 공정을 통해서 페인트 도료 물질을 제조한다.

숙성실같은 경우, 경기도소재 폴리에틸렌 발포제를 주력으로 제조하는 기업으로, 부탄 등을 사용해서 롤 형태로 만들어진 발포된 제품을 작업자가 대차에 싣고 숙성실로 이동해서 수작업으로 정리를 한다. 숙성실에서 발포를 위해서 사용된 잔여 부탄가스가 완전히 제거되도록 일정한 시간 숙성시킨다.

그림. 3 인체의 대지전압측정을 위한 (a) 혼합실 (b) 숙성실의 참고사진들

Fig. 3 Photos of (a) mixing room (b) curing room for measuring humanbody voltage.

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그림 4 3가지 다른 조건하의 작업자들의 참고사진 (a) 실제 작업 조건, (b) 제전화와 제전바닥 조건, (c) 제전 손목띠 조건

Fig. 4 Photos of workers under three different condistions: (a) without anti static system, (b) with conductive shoes and conductivty, and (c) wrist strap.

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정전용량성 스파크 방전 에너지는 도체 시스템의 정전용량과 도체들로부터 전기적으로 절연되어있는 전하의 양으로부터 결정될 수 있고, 다음 방정식으로 표시될 수 있다(4,7).

(1)
$W=\dfrac{1}{2}CV^{2}[J]$

이때 W는 방전 에너지(Joule), C는 정전용량(F), V는 전압(V)을 나태낸다. 작업자를 포함하는, 접지되지 않은 대전된 도체로 부터의 정전용량성 스파크 방전은 탄화수소 기반의 인화성물질 작업 현장에 화재 폭발을 일으킬 만큼 큰 에너지를 방출할 수 있다. 정전용량성 스파크 방전은 전형적으로 두 개의 대전된 도체에서, 통상 발생하는 방전이다. 정전용량성 스파크 방전의 에너지는 시간과 공간적인 측면에서 매우 집중되는 특징이 있다(3).

착화의 원인이 되기 위해서는, 정전용량성 스파크 방전시 방출되는 에너지가 최소착화에너지(minimum ignition energy, MIE)와 동일하거나 더 커야하는데, 일반적으로, 탄화 수소의 대부분 가스들이나 증기들은 착화를 위해서 대략 0.25 mJ의 에너지가 필요하다. 본 실험에서 고려된 대기압(1기압) 조건에서 인화점이 65℃ 이하의 인화성물질인 자이렌 과 부탄에 대한 최소착화 에너지를 보면 가연성 가스의 농도가 4 ~ 5% 인 경우 아래 그림 5과 같이 아주 낮은 에너지원(< 0.25 mJ)에 의해서 착화될 수 있는 화학 물질들이라는 것을 알 수 있다.

그림. 5 자이렌과 부탄의 최소착화에너지 (Source: NFPA (National Fire Protection Association) 77, USA)

Fig. 5 Minimum ignition energy of Xylene and Butane (Source: NFPA (National Fire Protection Association) 77, USA)

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본 실험 장소에서 사용하는 자일렌, 부탄과 같은 인화성 물질별 착화할 수 있는 최대 인체 임계 전압(Vex : maxium body threshold voltage)은 식 2와 같다(7).

(2)
$V_{ex}=\sqrt{\dfrac{2W_{\min}}{C_{h}}}[V]$

이때 Vex 는 최대 인체 임계전압, Wmin 은 최소착화에너지, Ch 는 인체정전용량(F) 이다. 위의 식 (2)를 이용해서 착화할 수 있는 자이렌과 부탄의 최대 인체 임계전압을 계산해보면 아래와 같다.

자이렌의 최대 인체 임계 전압 Vex = $\sqrt{\dfrac{2\times 0.2\times 10^{-3}}{200\times 10^{\begin{aligned}-12\\ \end{aligned}}}}$≑ 1,414 V

부탄의 최대 인체 임계 전압 Vex = $\sqrt{\dfrac{2\times 0.25\times 10^{-3}}{200\times 10^{\begin{aligned}-12\\ \end{aligned}}}}$ ≑ 1,581 V

따라서 1,500 V 이하로 관리가 되지 않는 경우 인체 전압에 의해 가연성 가스들이 실험 환경에서 발화 혹은 폭발 할 수 있다는 것을 알 수 있다.

3.1.1 정전하 제거 미조치시 작업자의 인체 전압

그림 6 믹싱룸 과 숙성실의 제전시스템 미비 작업자의 절대인체 전압

Fig. 6 Absolute humanbody voltage of workers without anti static system at mixing and curing room.

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혼합실과 숙성실 실제 현장 환경 실험에서 제전 장치가 설치되지 않은 경우 일상적인 작업을 하는 작업자의 인체저항은 1×1010 Ω 이상이다. 이 경우 인체전압의 최댓값은 아래 그림 7번과 같이 혼합실의 경우 1,500 V, 숙성실에서는 최대전압 2,655 V 가 나타났다. 숙성실 인체전위는 혼합실에 비해서 다소 높게 나타나는데, 이것은 인체전위에 영향을 주는 일부 인자의 차이도 있겠지만, 숙성실 같은 경우 롤 형태의 발포 제품에서 발생되는 정전기로부터 작업자에 유도대전을 일으킨 원인으로 판단된다(10).

절연 바닥 및 작업자의 절연화 영향으로 실험자가 걷는 동작 중에 정전기축척이 지속적으로 일어나서, 두 곳 모두에서 사용되고 있는 인화성 물질인 자이렌과 부탄의 최대 인체 임계전압을 넘었다. 이때 방전시 발생하는 에너지도 최소착화에너지 값을 넘어가는 것으로 나타났다. 절연된 인체의 정전용량 200 pF 이라고 가정하면 두 곳의 각각 정전용량성 최대 방전에너지는 아래와 같다.

혼합실에서 발생할 수 있는 최대에너지(인화성물질 - 자일렌)

$W=\dfrac{1}{2}\times 200\times 10^{-12}\times 1500^{2}=0.225[m J]> 0.2 m J(MIE of Xy\le ne)$ 숙성실(인화성물질 - 부탄)

$W=\dfrac{1}{2}\times 200\times 10^{-12}\times 2655^{2}=0.7 m J > 0.25 m J(MIE of Bu\tan e)$ 정전스파크방전 에너지도 모두 두 인화성 물질의 최소 착화에너지를 훨씬 넘어가는 수준으로 화재폭발의 위험이 항상 잠재되어있다고 볼 수 있다. 따라서 아무런 조치를 취하지 않는다면 화재 폭발의 가능성이 매우 높아진다.

3.1.2 제전화 와 제전바닥 적용한 작업자의 인체 전압

혼합실 또는 숙성실에서 작업하는 노동자가 제전화를 착용하고, 사업장에 제전바닥을 설치한 경우 인체저항은 1×109 Ω 이하로 떨어진다. 이때 작업중 측정된 최대 인체전압은 아래 그림 7과 같이 혼합실의 경우 280 V, 숙성실의 경우 310 V로 측정되었고, 평균값은 각각 82 V, 111 V로 확인되었다. 이들 두 공정의 측정값의 차이는 측정자 주변 숙성실에 놓여있는 발포제 등의 유도대전 영향으로 판단된다(10).

그림. 7 믹싱룸과 숙성실의 제전화와 제전 바닥 환경의 작업자 절대 인체 전압

Fig. 7 Absolute humanbody voltage of workers with coductive shoes and mat at mixing and curing room.

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제전화와 제전바닥을 설치한 조건에서 측정한 결과 인체접지 저항값의 빠른 정전기 축척 완화 효과로 실험시 발생하는 인체전위들은 각각 가연성 물질의 인체 임계전압을 넘지 않으므로 화재 폭발 위험은 거의 없다고 판단된다. 즉 제전화와 제전바닥이 적용된 경우 폭발의 위험이 최소화되게 작업환경을 만들 수 있다.

3.1.3 제전 손목띠를 적용한 작업자의 인체 전압

믹싱룸/숙성실에 제전 손목띠를 착용하면, 전체 접지 인체저항이 제전손목띠에 직렬로 연결된 저항이 전체값을 지배하기 때문에 인체저항이 거의 1×106 Ω 인 조건으로, 인체전압은 각각 믹싱룸 최대절댓값 35 V, 숙성실 최대절댓값 35 V로 아래 그림 8번과 같이 측정되었다.

그림. 8 믹싱룸 과 숙성실의 제전손목띠 환경의 작업자 절대 인체 전압

Fig. 8 Absolute human body voltage of workers with wrist strip at mixing and curing room.

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실험 결과를 보면 습도에 상관없이 접지 인체전위가 1×106 Ω 이하가 되면 발생된 정전기 축적보다는 완화시간이 매우 빨라서 전하들이 아주 안정적인 인체전위 수준으로 보여주고 있으므로 정전기 방전으로 인한 화재폭발 위험은 아주 없어지는 것으로 확인되었다.

상기 3가가 조건에서 실측한 결과를 바탕으로 각 조건별 최대절댓값을 정리해보면 아래와 같다.

표 1 실제 현장 환경 실험 조건 및 최대절댓값

Table 1 Maximum humanbody voltage of workers under various condition

Experimental condition

Body resistance to ground

Measuring Workplace

Mixing Room

Curing Room

Actual working

higher than 1×1010

1,500 volts

2,655 volts

conductive shoes and floor

less than 1×109

230 volts

310 volts

wrist strap

1×106

35 volts

35 volts

3.2 실험실 환경 실험 결과 및 고찰

실험실 조건에서 실험자가 작업현장과 동일한 행동을 시뮬레이션하면서 인체전위측정기로 실험자의 실제 인체전위 측정을 실시했다. 측정 당시 실험실 온도는 26℃ 였고, 습도는 제습기를 사용해서 상대습도 40, 50, 60 %RH로 각각 조절하였다. 계절에 따라 습도가 변화하는 환경을 감안하여 실험을 진행하였다. 또한 각각 습도 조건에서 실험자 인체접지 저항을 앞에서 실험한 내용을 기반으로 아무 조치도 하지 않은 경우, 제전화와 제전바닥이 제공된 경우, 제전손목띠가 제공된 경우를 가정하여, 1×106 Ω, 1×109 Ω, 1×1012 Ω 으로 변화시키면서 실험하였다. 즉 일정한 간격으로 주어서 총 9가지 조건으로 실험을 실시하였다. 실험 결과는 그림 9-11표 2에 기록되어 있다.

아래 그림 9 상대습도 40 % 조건에서는 인체접지 저항이 1×1012 Ω 에서 절대최대 인체 전압이 2,500 V 이상으로 높게 나타나며 정전기 방전시 자일렌과 부탄을 점화 시킬 수 있는 수준을 넘어가고 있음이 확인되었고, 1×109 Ω에서는 인체의 최대절대 전압이 1,045 V로 다소 높게 나타나지만, 두 인화성 물질의 최대 인체인계전압 보다는 낮은 값으로 점화가능성은 없는 것이 확인되었다. 1×106 Ω 조건에서는 인체전압이 160 V로 아주 안정적인 전압이 측정되었다(11,13).

그림 9 습도 40% RH에서 다른 인체저항을 가진 작업자의 인체전압 특성

Fig. 9 Humanbody voltage- time characteristics of workers with different huamnbody resistance at 40% relative humidity

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아래 그림 10 상대습도 50 %RH 인 경우에는 접지인체 저항이 1×1012 Ω 인 조건에서 최대절댓값이 1,730 V로 최대인체 임계전압을 넘어가는 수준으로 탄화수소 기반의 인화성물질에 대한 화재폭발 위험이 있는 것으로 확인되었다. 상기 그림 9의 습도 40 %RH 의 1×1012 Ω 조건에서 보여준 최고 3,640 V 보다 낮아지는 이유는, 접지 인체저항은 동일하더라도, 더 높은 습도로 인해서 실험자의 의복 및 작업자 피부에 다습을 제공하는 환경에서 표면저항을 낮추는 효과로 인해 발생하는 값의 차이로 판단이 된다. 1×109 Ω 조건에서는 최대절댓값이 640 V로 인화성물질이 화재폭발로 이어지기에는 다소 낮은 값으로 점화가능성은 없는 것이 확인되었고, 1×106 Ω 조건에서는 인체전압이 50 V로 아주 안정적인 전압이 측정되었다.

그림 10 습도 50% RH에서 다른 인체저항을 가진 작업자의 인체전압 특성

Fig.10 Humanbody voltage- time characteristics of workers with different huamnbody resistance under 50% relative humidity

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아래 그림 11 상대습도 60 %RH 조건에서는 다습 환경으로 정전기 축적에 직간접적으로 영향을 줄 수 있는 재료들의 표면저항을 충분히 낮추어서 인체접지 저항값에 상관없이 각각 인체접지 저항 조건에서 최고 640 V로 인화성 물질이 화재폭발로 이어질 수 있는 최대 인체 임계 전압 아래로 측정되었고, 이는 화재 폭발 위험이 없는 것으로 확인되었습니다.

그림 11 습도 60% RH에서 다른 인체저항을 가진 작업자의 인체전압 특성

Fig.11 Humanbody voltage- time characteristics of workers with different huamnbody resistance under 60% relative humidity

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실험 결과를 보면 습도에 상관없이 접지 인체전위가 1×109 Ω 이하가 되거나, 혹은 습도가 60 %RH이상이 되면 최고 1,045 V이하로 대전되고 있고, 이것은 그림 6의 자이렌과 부탄의 최소착화에너지를 밑도는 수준으로 화재폭발 위험이 없는 것을 의미한다. 상기 9가지 조건에서 실측한 결과를 바탕으로 각 조건별 최대절댓값을 정리해보면 아래와 같다.

표 2 실험실 환경 실험 조건 및 최대절댓값

Table 2 laboratory environmental experiment condition & absolute maxium values

Relative humidity

human body resistance to ground

1×10$^6$ Ω

1×10$^9$ Ω

1×10$^{12}$ Ω

40 %RH

160 V

1,045 V

3,640 V

50 %RH

50 V

640 V

1,730 V

60 %RH

40 V

310 V

640 V

3.3 정전기 화재 폭발 개선 방안

작업자의 인체대전으로부터 발생할 수 있는 정전용량형 스파크로 인한 화재 폭발의 위험 관리를 위해서, 상기 실제 작업 환경 및 실험실 환경 조건 실험 결과에서 확인된 것처럼, 정전기 방전으로 인한 화재폭발을 예방하기 위해서 작업자 인체접지 저항값을 109 Ω 이하로 지속적인 유지 관리가 필요하다(15). 이를 위해서, 첫째 아래 그림 12 와 같이 인체저항측정기를 사용해서 제전화의 저항을 주기적으로 검증을 할 수 있다.

해당 장비의 사용 및 동작 구조를 보면, 먼저 인체접지 저항 관리 범위를 확인해서 아래 그림 13 (b) 설정창에 해당 범위를 입력한 후 작업자가 발전극에 올라가서 측정을 하면 제전화 측정값을 시각적으로 보여주면서 검증을 할 수 있다. 필요시, 도어오픈신호를 출입문에 연동시켜서 강제적으로 입출입 통제도 가능하게 할 수 있다. 관리 범위 이내로 나오면 측정기에서 도어오픈신호(door open signal)가 생성되어 출입문이 열리고, 측정 결과가 설정된 값의 범위를 벗어나면 도어오픈신호(door open signal)가 생성되지 않아서 출입문이 열리지 않고 작업자는 현장으로 출입할 수 없게 된다. 그리고 모든 측정 결과는 아래 그림 13 (c)와 같이 pc내부에 저장이 되어 향후 측정결과 이력 관리용으로 활용이 가능하다. 이 방식의 경우 초기에 작업장에 들어가는 상황에서는 관리가 가능하여 정전기 방전에 의한 위험성 감소에 크게 기여 할 수 있으나, 입장 이후 공정 특성에 따라서 오염물에 의한 인체저항 증가나 마찰이 많이 일어나는 공정의 경우 이 조건으로 완벽하게 제어하는 데는 한계가 있다. 하지만 대부분의 공정의 경우 입장시 인체저항이 공정과정에서 급격하게 증가하는 것이 일반적이지 않기 때문에 이 방식을 적용하여도 대다수 사업장에서는 정전기 방전으로부터 안전을 확보할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 일부 위험 사업장의 경우 수시로 작업장에 유사한 형태의 설비를 설치하여 공정마다 혹은 시간 단위로 관리 방안을 제시한다면 기존보다 정전기 방전으로부터 더 안전한 작업 환경을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

그림 12 (a) 입출입통제시스템에 관련된 인체저항측정기의 개념이미지, (b) 플로우차트

Fig. 12 (a) Conceptual image of human body resistance tester connected door control system and (b) its flowchart

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그림.13 (a) 사용자환경, (b) 인체저항범위설정창 (c) 입출입 시스템에 관련된 인체저항측정기의 측정결과기록

Fig.13 (a) User Interface, (b) Human body resistance setup window , and (c) Measuring result record of human body resistance tester connected door control system

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../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.11.1743/fig13-2.png

둘째, 아래 그림 14 에서 보여주는 것처럼 작업 현장을 전도성 바닥으로 시공한 후 표면저항 측정기를 활용해서 작업장 바닥저항을 109 Ω 이하로 동시에 관리가 되어야 제전화를 착용한 작업자의 대지까지의 전체 합성저항이 109 Ω 이하로 관리가 되면서 상기 표 2의 실험 결과에서 보여주는 것과 같이 자이렌 과 부탄의 최소착화에너지는 넘어가지 않는 안전한 작업 환경을 확보할 수 있을 것이다.

그림. 14 2가지 전도성 작업장 바닥의 예 (a) 전도성우레탄바닥 (b) 전도성타일바닥

Fig.14 2 references of conductive floor (a) conductive urethan floor (b) conductive tile floor

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3. 결 론

부도체에서 전하나 전자가 쌓이는 정전기는 방전시 에너지를 방출하여 위험성이 매우 높다. 본 논문에서는 인화성 분위기의 실제 작업장에서 제전여부에 따라 인체전위를 측정하고 이를 기반으로 가연성 가스의 폭발 위험성에 대해 연구하였다. 또한 다양한 습도와 전하 제거 설비 조건의 실험으로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

) 인화성 환경(자이렌, 부탄) 속에서 전하 제거 조치가 되지 않은 상태로 작업자가 작업할 경우 인체대전에 의하여 스파크 방전이 발생하기 쉬우며, 이 경우 화재 폭발을 일으킬 수 있는 충분한 에너지가 방출될 수 있다.

2) 작업자 접지 저항이 1×109 Ω 이하 이거나 혹은 상대습도가 60 %RH 이상이면 인체전위는 항상 1,000 V 이하를 유지하여 자이렌 과 부탄 등의 인화성 물질 최소착화에너지 이하로 관리될 수 있어서, 화재 폭발 위험을 제거할 수 있다.

3) 인화성 물질의 위험 관리 범위가 정해지면, 인체저항측정기(human body resistance meter)를 활용해서, 작업자의 높은 인체접지 저항으로 인해 작업 중에 발생할 수 있는 정전용량성 스파크 방전을 사전에 예방해서, 화재폭발 위험성을 제거할 수 있다.

다양한 재해 중 하나의 원인으로서의 정전기 특징은 빈도는 현저히 낮으나 피해 규모가 매우 크고, 정전기의 대전 및 방전 현상의 재현이 쉽지 않기 때문에, 평소 정전기에 대한 정확한 이해와 근본적인 방지책 수립을 통하여 화재 또는 폭발 사고가 발생하지 않도록 평소 정전기 원인이 될 수 있는 작업자로부터의 정전기를 안전한 수준으로 관리하는 선재적인 예방 대책이 매우 중요하다.

이상과 같이 본 연구를 통하여 확인된 결과를 이용하여 인화성분위기 공정에 작업자의 제전 조치의 미비는 항상 화재폭발이 일어날 수 있는 가능성이 있다는 것을 제시함으로써 화재폭발 사고를 미연에 방지하는데 도움을 줄 것으로 사료된다.

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저자소개

김해술(Hae-Sul Kim)
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2000년 광운대학교 전기공학과 졸업,

2016년 서울과학기술대학교 대학원 안전공학과 석사졸업,

2019년 서울과학기술대학교 대학원 안전공학과 박사수료,

2021 현재 (주)스태틱웍스 대표이사

E-mail : harry@staticworks.co.kr

송형준(Hyung-Jun Song)
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2004년 서울대학교 전기컴퓨터공학과 졸업,

2015년 서울대학교 전기컴퓨터공학과 박사,

현재 서울과학기술대학교 안전공학과 조교수 (전기 안전 및 광전자 소자)

E-mail : hj.song@seoultech.ac.kr