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.

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

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.

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⁾.

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.

3.2 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 9-11와 표 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).

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.

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.

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.

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.

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.