4차산업혁명 시대의 방폭기술, ‘본질안전’
소형, 경량화에 적합 제조비용도 매우 저렴
한국가스안전공사, 글로벌 방폭인증기관과 기술교류로 국내기업 지원
위험지역에서 설치 및 사용되는 모든 전기기기는 폭발의 위험을 방지하기 위해 방폭구조에 적합해야 한다. 방폭인증에서 사용하는 방폭구조는 내압(“d”), 압력(“p”), 안전증(“e”), 유입(“o”), 본질안전(“i”), 비점화(“n”), 몰드(“m”), 충전(“q”), 분진(“t”) 등이 있다.
각 방폭구조는 제품의 특성 및 위험지역에 따라 적용될 수 있다. 오늘날 진보되는 기술에 따라 전기기기는 보다 소형, 경량화 되어가는 추세이다. 이에 가장 적합한 방폭구조가 본질안전 방폭구조라고 할 수 있다. 국내방폭인증(KCs)은 한국가스안전공사(KGS), 안전보건공단(KOSHA), 산업기술시험원(KTL)에서 수행하고 있다. 2012년 이후 연간 평균 2,900건의 인증서가 발행되고 있으며 약 40%는 내압방폭인증 건수 이다.
본질안전방폭인증 건수는 연간 평균 230건이나 상당수가 외국제조사 및 수입자 인증이며 국내 제조사의 인증건수는 10%미만으로 추정된다. 해외로 눈을 돌리면 회로 기술 집약적인 본질안전 방폭인증에 집중하고 있음을 확인할 수 있다. 2015년 IECEx 국제인증의 약 43%가 본질안전 방폭인증이었으며 특히 4차 산업혁명 시대가 대두됨에 따라 본질안전 방폭인증의 수요는 앞으로 폭발적으로 증가될 것으로 예상된다.
본질안전 방폭의 태동
본질안전 방폭의 태동은 20세기 초, 영국의 광산에서 발생한 메탄 폭발사고로 시작되었다. 당시 광산에 설치되어 있던 벨과 배터리, 나도체 케이블로 구성된 시그널 시스템에서 폭발이 일어났다. 이 사고로 인해 초기에는 본질안전 방폭은 광산에 국한되어 적용되었으나 산업이 점차 발전하면서 화학 및 석유화학산업으로 확대 적용되었으며 오늘날에는 거의 모든 산업의 인쇄회로기판에 적용되고 있다. 본질안전 기기는 온도, 압력, 유량, 레벨 등을 확인하는 각종 센서류, 휴대폰 및 무전기 같은 통신 장비, 측정 장비, 컴퓨터 인터페이스, 가스분석기, 불꽃 및 누출 디텍터 등 거의 모든 전자 제품에 적합하다.
본질안전 방폭구조는 많은 장점을 가지고 있다. 앞서 살펴본 것과 같이 다양한 산업 분야에 적용할 수 있으며 다른 방폭구조에 비해서 추가 비용이 적게 발생한다. 내압방폭은 외함의 기계적 강도를 높여야 하므로 외함에 비용이 크게 발생하게 되며, 압력방폭은 양압시설을 구비해야 하므로 많은 추가 비용이 발생하게 된다. 본질안전방폭은 외부전원을 이용하는 경우 본질안전 배리어를 설치해야하는 비용이 일부 발생하나 휴대용 기기는 추가 비용이 발생하지 않는다.
또한 사용자가 지향하는 설치 및 배치, 구성이 가능하다. 본질안전방폭은 특수한 정격을 가지며 본질안전 기기의 정격에 맞게 비교적 자유롭게 조합하여 사용자가 원하는 본질안전 시스템을 구현할 수 있다. 그리고 기기뿐만 아니라 케이블까지 방폭적으로 보호된다.
본질안전시스템 내의 케이블의 고장, 즉 단선 및 단락시에도 스파크로 인한 폭발의 위험이 없다. 무엇보다 가장 큰 장점은 점검 및 유지보수 작업을 통전 중에도 할 수 있다는 것이다. 대형 산업 공장에서 점검을 위해 전원을 차단하여 설비를 중단시키는 일은 큰 손실이 아닐 수 없다.
본질안전 방폭구조의 단점은 전력의 제한이 필연적으로 요구된다는 것이다. 따라서 모터와 같은 고전력 기기는 본질안전 방폭에 적합하지 않다. 사용자가 지향하는 설치 및 구성이 가능한 반면 이에 대한 사용자의 책임이 따르며 본질안전 기기의 연결에 필요한 특별한 교육 및 지식이 필요하다. 다른 방폭기기와는 다르게 본질안전 방폭기기는 특수한 전기적 정격을 가진다. Um(최대 교류실효전압 또는 직류 전압), Ui(최대입력전압), Ii(최대입력전류), Pi(최대입력전력), Ci(최대내부정전용량), Li(최대내부인덕턴스), Uo(최대출력전압), Io(최대출력전류), Po(최대출력전력), Co(최대외부정전용량), Lo(최대외부인덕턴스) 등의 값들을 정격으로 가질 수 있다. 이 값들은 본질안전 방폭기기간 또는 본질안전 배리어 연결을 결정해 준다. 이들 간의 연결 대원칙은 연결 케이블의 정전용량, 인덕턴스 값를 Cc, Lc라고 하면 Uo≦Ui, Io≦Ii, Po≦Pi, Ci+Cc≦Co, Li+Lc≦Lo를 따라야 한다.
본질안전 방폭구조의 정의
본질안전 방폭구조의 정의는 정상작동 및 고장상태에서 발생한 불꽃이나 고온부분이 해당 폭발성 가스·분진 분위기에 점화를 발생시킬 수 없는 회로를 말한다. 정의에서 확인할 수 있듯이 에너지를 제한하여 고장상태에서도 점화를 일으킬 수 없는 본질적으로 안전한 방폭구조라고 간략하게 이해할 수 있으며 0종 위험지역을 포함하여 모든 위험지역에서 사용할 수 있다. 또한 회로 자체에 본질안전 방폭기술을 접목하는 것으로써 다른 방폭구조와는 달리 외함에 대한 요구사항이 거의 없다. 따라서 본질안전 방폭구조가 소형, 경량화에 적합하며 제조비용도 저렴하다.
본질안전 방폭구조는 고온부분이 위험분위기에서 점화까지 이르지 않도록 하는 것은 다른 방폭구조와 동일하다. 다만 외함으로 방폭성능을 구현하는 내압 방폭이나 압력 방폭처럼 외함 외부만을 고려하지 않고 내부의 저항 및 각종 반도체 소자와 같은 소형부품들의 온도도 확인해야 한다. 물론, 정상작동상태 뿐만 아니라 고장상태에서도 적합해야 하므로 고장상태까지 고려하여 온도가 확인되어야 한다. 본질안전 방폭에서는 스파크가 발생할 수 있는 구조이다. 일반적으로 스파크가 발생하지 않는 구조여야 하는 안전증이나 비점화 방폭과는 다르다. 다만, 에너지를 제한해서 발생한 스파크로 인해 위험분위기에 점화까지 일어나지 않도록 하는 구조이다. 여기서도 고장상태까지 고려하여야 한다. 이 확인은 불꽃점화시험기를 통한 시험으로 이루어질 수 있다. 불꽃점화시험기는 텅스텐 와이어가 회전하면서 카드늄 디스크에 인위적인 단락(short), 개방(open)을 만들어 생긴 불꽃이 실제로 위험분위기에서 점화까지 이루어지는지 확인 할 수 있는 시험기기이다. 전압, 전류, 에너지 저장 역할을 하는 정전용량 및 인덕턴스 값이 클수록 실제 점화로 이어질 가능성이 높아진다.
전기회로에서 고장상태란 단락 또는 개방이다. 한 회로에 10개의 소자가 사용되었다고 가정하더라도 소자에서만 발생 가능한 고장 개수는 이다. 이를 고려하여 불꽃 및 온도 에너지가 점화를 일으키지 않도록 본질안전회로를 디자인하는 것은 결코 쉽지 않은 일이다. 더군다나 대부분의 전기회로는 훨씬 많은 소자들을 사용하고 있다. 이처럼 고장조건을 고려한 에너지 제한 회로 기술에 기반을 두고 있는 본질안전 방폭기술은 최고 난이도의 방폭기술이라 할 수 있으며 국내 제조사가 단독으로 설계 및 적용하기 어려우며, 경험이 부족하여 다른 방폭구조에 비해 접근하기 매우 어려운 것이 사실이다.
이에 가스안전공사 방폭인증센터는 인력 양성을 통해 제조사의 본질안전 기술 및 노하우를 지원하고 있다. 2003년 국제방폭 인증시험기관으로 지정된 이후 지속적인 기술 개발 및 인력 양성을 통해 지난해 1명의 전문 인력을 확보하였으며 4차 산업혁명 시대에 선도적으로 대응하기 위해 2명의 전문 인력을 추가 양성하고 있다.
또한 방폭인증센터는 제조사의 니즈 파악 및 시행착오를 줄여 경쟁력 제고에도 힘쓰고 있다. 방폭인증센터는 성능확인시험 서비스를 제공하여 회로 설계 단계에서부터 고객의 사양에 맞게 맞춤형 기술을 제공하고 있다. 이에 따라 제조사의 시행착오에 따른 비용 및 시간을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.
가스안전공사는 해외방폭인증기관인 PTB, Intertek등과 MOU로 구축된 세계적인 기술 네트워크를 활용하여 글로벌 방폭인증기관과의 기술 교류를 통해 국제적인 본질안전 회로기술 동향을 파악하고 이를 국내 기업에 지원하여 동반성장에 기여하고자 한다.
대한민국의 휴대폰, 가전제품 등의 전자제품이 전 세계를 누비고 있다. 우리의 회로기술이 결코 다른 나라에 비해 떨어지지 않는다고 생각한다. 다만 본질안전 방폭의 역사가 유럽에서 태동되었으며 우리의 시작이 조금 늦었을 뿐이다. 가스안전공사 방폭인증센터는 국내 제조사가 국내 본질안전 시장뿐만 아니라 해외까지 선점할 수 있는 그날이 올 수 있도록 외부적으로는 기술 지원을 더욱 확대해 나갈 것이며 내부적으로는 세계 최고의 방폭인증기관이 되기 위해 지속적인 노력을 경주할 것이다.