반도체 산업은 첨단산업, 정밀산업, 청정산업으로 대중에게 알려져 있으나, 그 이면에는 다양한 가스, 케미컬 등 화학물질이 사용되고 있어, 반도체 산업과 화학공장은 화학물질로 인한 화재, 폭발, 누출 등의 위험이 잠재되어 있다. 반도체 공정 중 흔히 사용되는 신너, IPA(Isopropyl alcohol), 스트리퍼, 현상액, 감광액 등은 대부분 인화성 물질로서 공정 중 장비의 과열, 누설, 취급 부주의로 인한 작은 발화원 노출 시에도 쉽게 화재가 발생할 수 있다.
본 연구에서는 반도체 산업현장에서 제조 공정에서 용매로 가장 많이 사용되고 있는 신너인 PGMEA(Propylene glycol monomethyl ether acetate)와 세정공정에서 사용하고 있는 IPA를 혼합물 조성평가(부피비) 대상으로 선정하여, STANHOPE-SETA사의 Setaflash Series 8 Active Cool 장치를 사용하여 PGMEA와 IPA 순수물질과 혼합물의 인화점을 측정하였으며, 측정된 인화점과 화학양론, 구성 원소수를 활용하여 순수물질의 폭발한계를 계산하였으며, 혼합물의 폭발한계는 Le Chatelier의 법칙을 사용하여 계산하였다.
AND사의 진동식점도계 장치인 SV-10장치를 사용하여 순수물질 및 혼합물의 점도를 측정하였으며, 측정된 점도를 활용하여 조성변화에 따른 점도의 예측 모델을 제시하였다.
ASTM E659(Koehler사) 장치를 사용하여 PGMEA와 IPA의 자연발화온도(AIT, autoignition temperature)와 발화지연시간을 측정하였다. PGMEA와 IPA 혼합물의 9개의 혼합조성에서 최소자연발화온도를 측정하였다. 이 후 혼합물의 각 조성변화에 따른 활성화에너지(activation energy)를 계산하였다.
본 연구에서는 측정된 PGMEA와 IPA계의 인화점과 점도, 최소자연발화온도를 활용하여 조성 변화에 따른 인화점 및 점도, AIT 예측 모델을 제시하였다.
단일물질인 PGMEA의 인화점은 44℃로 측정되었으며, IPA의 인화점은 12℃로 측정되었다. PGMEA와 IPA 혼합물의 인화점은 PGMEA(0.9)과 IPA(0.1)계에서는 26℃, PGMEA(0.8)과 IPA(0.2)계에서는 20℃, PGMEA(0.7)과 IPA(0.3)계에서는 19℃, PGMEA(0.6)과 IPA(0.4)계에서는 16℃, PGMEA(0.5)과 IPA(0.5)계에서는 15℃, PGMEA(0.4)과 IPA(0.6)계에서는 14℃, PGMEA(0.3)과 IPA(0.7)계에서는 14℃, PGMEA(0.2)과 IPA(0.8)계에서는 13℃, PGMEA(0.1)과 IPA(0.9)계에서는 13℃로 측정되었다. 또한 각각의 조성에서 폭발하한계를 계산하였다.
단일물질인 PGMEA의 Antoine 식에 의한 폭발하한계는 2.01Vol%로 계산되었으며, IPA의 Antoine 식에 의한 폭발하한계는 2.35Vol%로 계산되었다. 화학양론을 이용한 Jones식에 의한 PGMEA의 폭발하한계/상한계는 1.50Vol%/9.52Vol%로 계산되었으며 IPA의 폭발하한계/상한계는 2.45Vol%/15.61Vol% Jones식과 같이 화학양론을 이용한 Pintar식에 의한 PGMEA의 폭발하한계/상한계는 1.39Vol%/8.98Vol%로 계산되었으며, IPA의 폭발하한계/상한계는 2.28Vol%/14.72Vol%로 계산되었다. Shimy식에 의한 PGMEA의 폭발하한계는 1.33Vol%로 IPA의 폭발하한계는 2.67Vol%로 계산되었다. Monakhov식에 의한 PGMEA의 폭발하한계는 1.43Vol%로 IPA의 폭발하한계는 2.29Vol%로 계산되었다. Jones식에 의해 계산된 폭발하한계를 Le Chetelier 법칙를 통해 계산된 혼합물의 폭발하한계는 PGMEA(0.9)과 IPA(0.1)계에서는 2.06Vol%, PGMEA(0.8)과 IPA(0.2)계에서는 2.10Vol%, PGMEA(0.7)과 IPA(0.3)계에서는 2.15Vol%, PGMEA(0.6)과 IPA(0.4)계에서는 2.18Vol%, PGMEA(0.5)과 IPA(0.5)계에서는 2.22Vol%, PGMEA(0.4)과 IPA(0.6)계에서는 2.25Vol%, PGMEA(0.3)과 IPA(0.7)계에 서는 2.28Vol%, PGMEA(0.2)과 IPA(0.8)계에서는 2.30Vol%, PGMEA(0.1)과 IPA(0.9)계에서는 2.33Vol%로 계산되었다.
단일물질인 PGMEA의 점도는 0.0007Pa·s, IPA의 점도는 0.0012Pa·s로 측정되었다. PGMEA와 IPA 혼합물의 점도는 PGMEA(0.9)과 IPA(0.1)계에서는 0.0008Pa·s, PGMEA(0.8)과 IPA(0.2)계에서는 0.0009Pa·s, PGMEA(0.7)과 IPA(0.3)계에서는 0.0009Pa·s, PGMEA(0.6)과 IPA(0.4)계에서는 0.0009Pa·s, PGMEA(0.5)과 IPA(0.5)계에서는 0.0010Pa·s, PGMEA(0.4)과 IPA(0.6)계에서는 0.0010Pa·s, PGMEA(0.3)과 IPA(0.7)계에서는 0.0011Pa·s, PGMEA(0.2)과 IPA(0.8)계에서는 0.0011Pa·s, PGMEA(0.1)과 IPA(0.9)계에서는 0.0012Pa·s로 나타났다.
단일물질인 PGMEA의 최소자연발화온도는 320℃로 측정되었으며, IPA의 최소 자연발화온도는 415℃로 측정되었다. PGMEA와 IPA 혼합물의 최소자연발화온도는 PGMEA(0.9)과 IPA(0.1)계에서는 330℃, PGMEA(0.8)과 IPA(0.2)계에서는 340℃, PGMEA(0.7)과 IPA(0.3)계에서는 360℃, PGMEA(0.6)과 IPA(0.4)계에서는 365℃, PGMEA(0.5)과 IPA(0.5)계에서는 370℃, PGMEA(0.4)과 IPA(0.6)계에서는 375℃, PGMEA(0.3)과 IPA(0.7)계에서는 378℃, PGMEA(0.2)과 IPA(0.8)계에서는 390℃, PGMEA(0.1)과 IPA(0.9)계에서는 403℃로 나타났다. 또한 각각의 조성에서 활성화에너지를 계산하였다. 단일물질인 PGMEA는 59.83kJ/mol, IPA는 152.32kJ/mol이며, PGMEA(0.9)과 IPA(0.1)계에서는 29.28kJ/mol, PGMEA(0.8)과 IPA(0.2)계에서는 48.87kJ/mol, PGMEA(0.7)과 IPA(0.3)계에서는 30.80kJ/mol, PGMEA(0.6)과 IPA(0.4)계에서는 80.09kJ/mol, PGMEA(0.5)과 IPA(0.5)계에서는 49.67kJ/mol, PGMEA(0.4)과 IPA(0.6)계에서는 96.09kJ/mol, PGMEA(0.3)과 IPA(0.7)계에서는 103.98kJ/mol, PGMEA(0.2)과 IPA(0.8)계에서는 116.39kJ/mol, PGMEA(0.1)과 IPA(0.9)계에서는 139.68kJ/mol로 계산되었다.
제시된 실험자료와 예측 모델은 산업현장에서 PGMEA와 IPA를 제조, 취급하는 공정 및 폐기하는 과정에서 안전을 확보하는 자료로 제시하고자 한다. 점도는 혼합물의 조성에 따른 점도 변화를 예측하고, 실제 혼합하였을때 침천물, 응고상태, 반응성을 종합적으로 분석하여 화학물질 혼합 배출여부를 판단하는 중요한 인자로 활용하고, MSDS가 없는 혼합조성 화학물질의 인화점, 자연발화온도, 폭발하한계 등 물리적 특성은 설비 운전조건에 반영하고, 인화점은 위험물안전관리법 법규 준수에 중요한 데이터로 활용하고자 한다.