금속으로 된 문손잡이를 잡을 때, 스웨터를 벗을 때, 심지어 오래간만에 만난 친구와 반갑다고 손을 맞잡을 때에도 '찌지직'하는 소리와 함께, 우리의 행동보다 먼저 찾아오는 불청객이 있다. 이 불청객 덕분에(?) 손끝은 찌릿찌릿하고, 머리끝은 쭈뼛쭈뼛한 경험을 매년 겨울이면 맛본다. 바로 유독 겨울철에 기승을 부리는 정전기다. 짜증나고 불쾌하긴 하지만 생명에 지장을 주는 정도는 아니다 보니 불편을 감수하는 선에서 대수롭지 않게 여기는 것이 보통이다. 그러나 이러한 의식이 산업 생산 현장에 자리 잡고 있는 것은 곤란하다. 가연성물질을 취급하는 곳이라면 더더욱. 정전기로 말미암아 발생한 폭발 · 화재 사고는 여전히 우리 주변에 산재해 있다. 본지는 겨울철 기획 연재를 준비하며 첫 주자로 '정전기'를 소개하고 정전기에 기인한 화재 실태와 대책을 알아본다.
전기 관련 업종에 종사하는 사람에게 정전기는 어쩌면 그리움을 동반한 단어일지 모른다. 전기를 공부할 때 가장 처음 배우는 것이 정전기며, 점전하를 기초로 기본이 되는 정리와 법칙이 많이 제시되기 때문이다. 가우스의 정리(Gauss' Theorem)나 쿨롱의 법칙(Coulomb's Law)이 대표적이며, 많은 예제를 푼 경험이 있을 것이다. 그러나 실제 업무에서 회로 계산은 해도 정전기를 떠올리는 일은 좀처럼 없지 싶다. 그렇지만 정전기가 현실적인 문제로 부상하는 경우가 있다. 주로 화학 공장과 같이 가연성 물질을 취급하는 공정과 반도체 · 전자 장치 등을 제조하는 공정에서다. 정전기 방전으로 전자의 경우 폭발 · 화재가, 후자의 경우 반도체 파괴와 오동작이 발생한다. 여기서는 주로 폭발 · 화재 방지 관점에서 정전기 현상, 화재 실태, 예방 대책을 설명한다. 반도체 · 전자 산업에서도 정전기 대책은 기본적으로 동일하다.
정전기 발생과 대전 일상생활에 사용하는 전력은 발전소에서 만들어 지지만, 정전기는 주변 모든 장소에서 발생한다고 해도 과언이 아니다. 산업 공정에서 발생하는 정전기는 전류로 따지면 아무리 커도 수㎂에 지나지않으나, 어떤 조건 아래서는 긴 시간 물질에 잔류해 전기적인 영향을 미친다. 이 상태를 '대전帶電'이라고 한다. 다양한 정전기 발생과 대전 중 중요한 것 몇 개를 소개한다.
마찰 정전기｜마찰 정전기는 서로 다른 종류의 물체가 접촉했다가 떨어질 때 발생하는 정전기다. 가깝게는 옷을 벗을 때나 카펫 위를 걸을 때 발생하는 정전기가 여기에 해당한다. 원리 설명은 다음과 같다.
전자를 물질 표면에 붙잡아 두기 위해 필요한 에너지(일함수(Work Function))는 물질마다 다르기에 서로 다른 종류의 물체가 접촉하면 전위차가 발생해 터널 효과로 전자가 이동하고, 계면界面을 사이에 둔 전기 이중층을 형성한다(<그림 1-(a)> 참조). 한 쪽 또는 양쪽이 부도체인 경우, 물체를 떼어놓을 때 일부 전자가 잔류한다. 전자를 얻은 측은 음(-)으로, 잃은 측은 양(+)으로 대전된다(<그림 1-(b)> 참조). 마찰이 심할수록 접촉면적과 떼어놓는 분리 속도가 증가해 발생하는 전하량이 많아지지만, 완화 기구(전하 소멸)도 있어 머지않아 포화량에 이른다. 만약 정전기 발생이 멎으면 전하는 대지로 흘러 완화된다(<그림 1-(c)> 참조).
유동 대전｜정전기는 액체에서도 발생하는데, 액체가 관을 따라 흐를 때 생기는 대전을 유동괥動대전이라고 한다. 액체 속 이온이 전하가 된다. 관 벽은 액체 속에 있는 양 또는 음이온 중 어느 쪽이든 한 쪽을 흡착하는 성질이 있다. 따라서 관 벽 부근은 흡착된 이온과 및 역극성 이온에 의해 이온 전기 이중층이 형성된다. 또한, 흡착되지 않은 이온의 대개는 관 중앙부를 향해 확산한다(<그림 2-(a)> 참조). 액체가 흐르면 확산층 전하가 그 흐름에 따라 이동하므로 관에는 역극성 전하가 흘러들어 전하 분리가 발생한다(<그림 2-(b)> 참조). 다만, 액체의 도전성에 따라 전하가 중화(완화)되므로 대전량은 반드시 이온 농도에 비례하지 않는다. 오히려 석유처럼 도전성이 낮은 물질은 이온 농도가 낮아도 큰 대전량을 나타낸다. 석유 탱크로리에 정전기 대책을 세우는 이유가 여기에 있다.
일본에서 발생한 정전기 사고
[상황] 이 사례는 원료를 반죽하는 공정에서 발생했다. 작업자가 장치 덮개를 열고 원료를 장치 안에 투입했을 때 화염이 발생해 급히 대피했다. 그 후 큰 소리와 함께 분진 폭발이 일어났다. 다행히 인명 피해는 없었으나 제조 설비와 건물이 크게 파괴되고 조업을 전면 중지했다.
[원인] 절연된 발판 위에 올라 탱크에 원료를 투입할 때 인체가 대전됐다. 그때 접지되지 않은 인체(도체)와 탱크(도체) 사이에 불꽃 방전이 일어나 에탄올 증기에 불이 붙었다. 또한, 에탄올증기가 연소할 때 생긴 열 에너지로 인해 가연성 연료에도 불이 붙어 분진 폭발을 일으켰을 가능성이 높다. 덧붙여 에탄올의 최소 착화 에너지는 0.58mJ이지만, 인체의 정전 용량이 100~300pF, 대전 전위가 5㎸라고 하면 이것과 접지체 사이에서 일어나는 불꽃 방전의 방전 에너지는 계산상 1.9mJ이 되어 불이 붙는다.
[대책] ① 도전성 재료를 사용한 원료 봉투를 쓰며, 봉투와 탱크는 확실히 접지한다. ② 인체에 대한 대전 방지로 정전 방지 작업복과 신발을 착용한다. 또한, 작업 바닥은 대전 방지 사양으로 한다(투입 작업을 하는 장소는 접지한 철판을 까는 정도로도 충분하다).
정전 유도｜절연된 도체 부근에 대전 물체가 접근하면 이 도체는 정전 유도에 따라 전하를 유발하고 전위가 상승한다(<그림 3> 참조). 대전 물체의 전하가 클수록 그리고 거리가 가까울수록 정전 유도는 강해지며, 유도 전하와 전위도 함께 늘어난다. 정전 유도로 나타나는 전하 중 대전 물체와 역극성 전하는 전계에 구속되나, 같은 극성 전하는 자유로워서 방전 등과 같은 작용을 야기한다. 정전 유도는 도전성이 있는 물체에 발생하기에 고체뿐 아니라 액체(물, 케톤류(Ketones), 알코올 등)도 부도체 용기 안이나 물방울 상태라면 유도를 받아 대전한다.
정전기의 위험성, 방전 물체가 대전하면 부근의 전계가 높아지며, 이것이 공기의 절연 파괴 강도(3㎹/m)를 넘으면 기중방전을 일으킨다. 이때 방전 에너지가 가연성 분위기(가연성 물질과 공기의 혼합물)의 최소 착화着火에너지(폭발성 혼합기체를 착화시키는 데 필요한 최소 방전 에너지) 이상이면 불이 붙어 폭발 · 화재가 일어난다. 최소 착화 에너지는 수소가 0.02mJ, 메탄이나 가솔린 등과 같은 가스 · 증기가 0.2~0.4mJ, 알루미늄 등의 분진이 10~30mJ 정도다. 분진을 착화시키는 데 필요한 방전 에너지는 가스 · 증기의 약 100배이나, 최근 토너나 반도체 재료 중에 1mJ 이하에서도 불이 붙는 것이 있어 엄중한 대책이 필요하다. 정전기 방전은 대전 물체의 전기적 특성과 형상 등에 따라 형태가 다양하며, 착화 능력도 다르다. 대표적인 정전기 방전을 소개한다.
불꽃 방전｜금속과 같은 도체가 대전한 경우, 여기에 곡률이 작은 접지 도체가 접근했을 때 생기는 방전을 불꽃 방전 또는 스파크라고 한다(<그림 4-(a)> 참조). 전로 파괴 방전이며, 섬광과 파열음을 동반한다. 불꽃 방전은 대전 물체에 축적된 정전 에너지의 대부분이 공기 중에서 소비되기에 착화 능력이 높고, 거의 모든 가스 · 증기와 가연성 분진의 착화원着火源이 된다. 방전 에너지 W는 대전물체의 전위 V, 전하량 Q, 정전용량 C 중 둘만 명확히 알면 W=0.5CV²=0.5QV=0.5Q²/C로 계산할 수 있다. 예를 들어 인체(100pF)가 10㎸로 대전했을 때 정전 에너지 5mJ이 축적된다. 전부가 방전에 쓰이는 것은 아니나 '불꽃 방전 에너지=정전 에너지'로 여겨도 큰 차이는 없다. 단, 불꽃방전은 대전 전위 300V 이하에서는 발생하지 않는다. 이것은 전력 라인에서 발생하는 아크방전과 다른 방전 메커니즘이라서 오해가 없어야 한다.
코로나 방전｜대전 물체에 곡률반지름이 대체로 5㎜ 이하의 끝이 뾰족한 도전성 물체가 접근했을 때 앞쪽 끝[先端] 부근에서만 발생하는 약한 부분 파괴 방전이다(<그림 4-(b)> 참조). 방전 에너지가 작아서 수소 등 일부 가스를 제외하고는 착화원이 되지 않는다.
브러시 방전｜브러시 방전은 대전한 절연물에 곡률 반지름이 대체로 5㎜가 넘는 접지 도체가 접근했을 때 앞쪽 끝 부근에서 발생하는 부분 파괴 방전이다(<그림 4-(c)> 참조). 방전 에너지가 최대 4mJ 정도 되는 경우가 있으므로 가스 · 증기는 각별한 주의가 필요하다.
연면 방전｜접지된 도체판 위의 절연성 박층薄層이대전했을 때 이 박층과 접지 도체 사이의 방전이다(<그림 4-(d)> 참조). 방전광은 나뭇가지처럼 표면을 따라 여러 가닥으로 뻗어 나간 유형을 보이며, 큰 파열음을 동반한다. 절연물 두께 8㎜ 이하, 표면 전하 밀도 270μC/㎡ 이상, 표면 전위 4㎸ 이상의 조건을 동시에 만족할 때 발생한다. 대전 면적과 전하 밀도에 따라 방전 에너지는 수J에 달하는 경우도 있다. 에나멜 가공 용기나 수지제 파이프 내부에서도 발생하며, 절연층 파괴(핀 홀, 균열)를 자주 동반한다.
정전기로 발생한 화재 실태 일본 소방청의 화재 통계에 의하면, 정전기 스파크가 발화 원인인 화재 건수는 연간 약 100건이다. 이는 일본에서 발생한 화재 전체(약 6만 건)의 0.13%에 지나지 않으나, 건물 화재로 한하면 1.7%, 화학 공장 화재로 한하면 16%다. 즉, 화학공장과 같이 가연성 물질이 대량으로 존재하고 정전기 발생 · 축적이 일어나는 장소라면 결코 가볍게 볼 수 없다.
한편, 일본 후생노동성 자료를 근거로 최근 16년간(1989~2004년) 정전기 방전이 착화 원인으로 추정되는 폭발 · 화재 재해의 발생 건수(111건)를 공정별로 분류하면 <그림 5>와 같다. 이에 따르면 분체粉體투입, 액체 유동 · 주입, 액체 · 기체 누설과 집진이 상위를 차지했다. 분체 투입의 경우 플렉시블 컨테이너나 종이봉투 · 폴리봉투에서 투입되는 것이 대부분이다. 최근 비시클로헥사놀, 토너 등 최소 착화 에너지가 수mJ 이하인 분체의 분진 폭발이 증가하고 있다. 액체 유동 · 주입의 경우 배관이나 용기의 접지 불량으로 말미암은 사례가, 액체 · 기체 누설의 경우 조작 실수나 부식으로 말미암은 누설 분출 사례가 많아졌다. 집진의 경우 알루미늄 가루 등 금속 가루의 착화가 대부분이며, 버그 필터식 집전기로 털어서 떨어뜨리거나 분체를 회수하는 과정에서 많이 발생했다. 환기가 제대로 되지 않는 장소에서 작업하는 도장塗裝이나 침투 탐상 검사, 폭발 위력이 큰 폭발성 물질 취급은 사망 재해에 이를 정도로 위험성이 높다. 특히 스프레이 캔은 내부에 가연성 액화가스(LPG 또는 DME)가 분사제로 대량 포함된 데다 분사 시 정전기가 발생해 충분한 주의와 대책이 필요하다.
대책 정전기 대책은 대상이 도체냐 부도체냐에 따라 방법이 다르다.
도체의 대전 방지 '접지와 본딩'｜도체는 접지(어스Earth)해 대전을 방지한다. 파이프나 공장 설비와 같이 도체가 많이 있을 때는 이들을 상호 접속(본딩Bonding)해 한 점에서 접지한다(<그림 6> 참조). 본딩은 장치 사이를 등전위로 유지하는 역할도 있다. 도체 전위를 방전하지 않는 정도(300V 이하)로 유지하려면 일반적으로 누설 저항을 1×106~1×108Ω으로 한다. 따라서 현장에서 정전기 대책을 목적으로 한 접지 설비의 접지 저항은 1000Ω이 되도록 시공하면 충분하다(옥외 석유 탱크 등 대형 시설은 낙뢰 피해를 줄이기 위해 접지 저항을 10Ω 이하로 한다). 전용 접지 설비가 아니라도 다른 접지 설비와 공용이 가능하다. 금속제 수도관, 건물 철골 등 땅 속에 깊숙이 매설된 것은 1000Ω 이하면 접지극으로 이용할 수 있다. 접지용 도선은 물리적 · 화학적 내구성을 지닌 것을 선택한다. 이동 기기의 경우 캡타이어 케이블을, 고정 기기의 경우 단선 · 꼬임선 또는 금속판을, 자주 붙이고 떼는 경우 편조선編組線을 사용한다. 대전 물체로 가장 주의해야 할 것은 작업자의 신체다. 대전 방지 작업복(JIS T 8118)과 신발(JIS T 8103)을 착용하는 것은 물론, 이와 함께 바닥도 대전 방지(누설 저항 1×108Ω 이하)로 하지 않으면 효과를 기대할 수 없다.
부도체의 대전 방지｜저항이 큰 수지 제품에 도전성을 부여하는 방법에 대전 방지제 또는 도전성 가공이 있다. 대전 방지제는 계면 활성제를 주성분으로 하며, 바르거나 이겨 속에 넣는 방법으로 대상물에 부착시킨다. 표면 저항률이 1×1012Ω이하가 되면 효과가 나타난다. 원리상 공기 중의 수분을 흡착해 도전성을 높이기에 습도가 낮을 때는 가습하지 않으면 효과가 떨어진다. 도전성 가공은 카본블랙, 금속 가루 등을 첨가해 체적 저항률을 100㏁ · m 정도 이하로 낮춘 것으로 공구, 롤러, 용기, 시트 등 많은 응용 제품이 있다. 이 제품들은 낮은 습도에도 안정되고 효과가 있다. 플랜트용 대전 방지 제품으로 파이프나 화학 반응 용기에 도전성 테플론라이닝, 백금 섬유를 이용한 교반攪拌용기용 글라스라이닝이 실용화됐다. 끝으로 제전기除電器는 코로나 방전 또는 방사선을 이용해 공기 중에 이온을 생성하며, 이 이온을 대전 물체에 뿜어 전하를 중화(제거)한다. 동작원리와 용도에 따라 다양한 종류의 제품이 시판중이다. 롤러를 이용한 필름 운송 시 대전 제거에 반드시 제전기가 필요하다.
*
폭발 · 화재를 일으키는 가연물을 대량으로 사용하는 사업소에서 정전기 대책은 필수다. 산업현장에서 가장 중요한 것은 안전이다. '아차!'하는 순간 사고가 발생하지 않도록 늘 안전에 관심
장바구니
주문내역
: 
