📑 Table of Contents
1) 클린룸
2) 클린룸의 종류
3) 클린룸 계획 시 고려사항
4) 클린룸의 공조방식
5) 클린룸의 부속설비
6) 클린룸의 청정도 등급 분류
7) 작업장 내 항온·항습의 필요성
8) 클린룸 내 온·습도 및 청정도 유지방법
9) 클린룸의 최적설계 및 운전관리
1) 클린룸(Cleanrooms)
- 공기 중의 부유 미립자가 규정된 청정도 이하로 관리되고, 또한 그 공간에 공급되는 재료, 약품, 물 등에 대해서도 요구되는 청정도가 유지되며, 필요에 따라서 온도·습도·압력 등의 환경조건에 대해서도 관리가 행해지는 공간
- 실내 기류 형상, 기류 속도, 유해가스, 진동, 실내조도 등도 관리 항목으로 요구됨
- 고도의 청정기술과 다양한 제어기술이 집약된 에너지 다소비 설비로, 최근 기술 발전에 따라 제약, 반도체 및 디스플레이 등 다양한 산업 전반에서 클린룸에서 생산되는 제품들이 늘어나고 있는 추세
- ISO 14644-1 (클린룸 및 제어된 환경 – 제1부: 입자 농도에 의한 공기 청정도 등급분류)에서의 클린룸 정의: 공기 부유 입자의 농도가 제어되고 분류되는 장소이며, 실내에 입자의 유입, 생성 및 체류를 제어하는 방법으로 설계, 구성 및 운영되는 장소
2) 클린룸의 종류
(1) 산업용 클린룸 (Industrial Cleanroom, ICR)
- 제어 대상: 주로 부유먼지, 유해가스 등의 먼지 입자
- 주요 목적: 제품의 미세 결함 방지 및 생산 수율 확보
- 적용 분야: 전자 및 광학제품 제조공장, 정밀 실험기기 측정실, 데이터센터 등
- Super Cleanroom(SCR): 일반 산업용 클린룸보다 훨씬 높은 청정도(0.3μm Class 10 또는 0.1μm Class 10 등)를 요구하는 초고청정 환경의 클린룸으로, ULPA Filter 적용
(2) 바이오 클린룸 (Biological Cleanroom, BCR)
- 제어 대상: 주로 세균, 곰팡이 등의 미생물 입자
- 주요 목적: 무균 환경 유지 및 생물학적 오염 방지
- 적용 분야: 제약 등의 GMP, 병원의 무균실·수술실, 식품 제조시설(HACCP), 생물재해(Biohazard) 대응 시설
3) 클린룸 계획 시 고려사항 (클린룸의 4대원칙)
| 4대 원칙 | 관리 요소 (고려사항) | 관리 방안 |
| 유입 및 침투 방지 | - 실내 공기압 - 건축 동선 계획 - 필터 |
- 실 간의 차압조정, 양압 유지, 도입 외기량 조정 - 작업원·물류·원료의 동선 구분, 청정/오염지역 구분 - Air lock filter leak 방지 |
| 발생 방지 | - 인원관리 - 인원의 복장관리 - 건축 내장재 |
- 필요인원 출입통제, 작업원 동선 최소화 - 무진복·청정장갑 착용, 인체호흡 기류 차단 - 표면 가공처리, 무발진 재료 사용 |
| 집적 방지 | - 실내기류 - 건축 내장재 - 실내청소 |
- 취출구 위치 조정, 층류풍속 및 환기횟수 조정 - 무정전 내장재 사용 - 청소 기준에 따른 지속 관리 |
| 신속 배제 | - 클린룸 방식 - 실내기류 - 환기횟수 |
- 시설 용도의 정확한 파악 - 기류분포 예상 및 환기구 위치 조정 - 발진부분 배기 및 환기횟수를 높게 유지 |
4) 클린룸의 공조 방식
(1) 기류(Airflow)에 따른 분류
① 수직 층류(Vertical Laminar) 방식
- 천장 전체에서 바닥 방향으로 청정공기를 균일하기 공급하여 오염입자를 하부 공간(Access Floor 등)으로 배출
- 시설비가 높고 유지관리가 어려우며, 구조 변경 및 확장성 제한
- 초고청정도(ISO Class 1~5)를 요구하는 반도체 공정 등에 적용
② 수평 층류(Horizontal Laminar) 방식
- 한쪽 벽면에서 반대쪽 벽면으로 수평 기류를 형성하여 오염 입자 배출
- 구조가 단순하나 장애물에 의한 사각 지대 발생(Shadow effect) 및 하류로 오염 확산 우려, 확장성 제한
- 제품 생산 라인이나 무균작업대 등에 적용
③ 비층류(Non-unidirectional, Turbulent) 방식
- 공기를 혼합하여 오염입자를 희석·제거하며, 환기횟수에 의해 청정도 결정
- 경제성이 우수하나 고청정도 확보에는 한계가 있음
- 일반덕인 클린룸에 널리 적용
(2) 공기순환 및 설비 구성에 따른 분류
① 일반 순환 방식(비층류식)
- 항온항습용 공조기를 통해 처리된 공기를 실내에 공급·순환
- 설비 구성이 단순하고 경제적이나 청정도는 제한적
- 항온항습기 설치 위치(실내/외), 덕트 유무 및 설치 위치(실내/외)에 따라 다양하게 구성
② 필터 유닛(Fan Filter Unit, FFU) 방식
- 천장에 팬 일체형 고성능필터(HEPA/ULPA) 유닛을 설치하여 청정공기 공급
- 덕트 설비 최소화로 층고를 낮출 수 있고, 유지보수 및 확장성이 우수하여 대형 클린룸, 반도체 공장 등에 적용
- 에너지 절감 및 개별제어 가능
③ 클린유닛 병용 방식
- 일반 순환 방식에 국소 청정 유닛을 병용하여 필요 구역만 고청정도 확보
④ 클린부스 방식(국소층류식)
- 전체 공간이 아닌 특정 작업 구역에만 층류를 형성하여 부분적으로 고청정 환경 구축
- 기동성이 좋으며 설치 기간이 짧음
⑤ 클린부스 병용 방식
- 일반 공간과 클린부스를 함께 구성하여 경제성과 고청정도를 동시에 확보
(3) 평면 구성 방식에 따른 분류
① Open Bay (Bay & Chase) 방식
- 작업구역(Bay)과 설비구역(Chase)을 분리하여 유지보수 효율을 높이는 구조
② Ballroom 방식
- 칸막이가 없는 대공간에 적용
- 장비 이동이 잦거나 레이아웃 변경이 잦은 공장 등에 유리
5) 클린룸의 부속설비
(1) 패스박스(Pass Box)
- 청정구역과 비청정구역의 경계에 설치하여 사람 출입 없이 물품만 반입·반출함으로써 오염공기 유입 차단
- 인터록(Interlock) 구조로 동시에 양측 문이 열리지 않도록 하여 청정도 저하 방지
(2) 에어샤워(Air Shower)
- 작업자 출입 시 고속 청정공기(약 20~30m/s)를 분사하여 의복 등에 부착된 입자 제거
- 인체를 통한 오염원 유입을 저감하는 전실(Entry control) 설비
(3) 무균작업대(Clean bench, Clean Booth)
- HEPA 필터를 통과한 청정공기를 공급하여 국소적으로 고청정 작업환경 형성
- 외부 오염 유입 차단, 작업 대상물의 청정도 유지
(4) 차압 조정 댐퍼(Relief Damper)
6) 클린룸의 청정도 등급 분류
(1) ISO 14644-1에 따른 청정도 국제 규격
- 1㎥중의 입자경 0.1㎛ 이상의 입자 개수로 등급 구분
- 1㎥의 공기 중 0.1㎛ 이상의 허용 미세입자수가 10x개이면, 이때의 청정도를 'Class X'라고 표시
(2) (참고) FED-STD-209D(미국연방규격)에 따른 청정도 규격
- 1ft3의 공기 중 0.5㎛ 이상의 허용 미세입자수가 X개이면, 이때의 청정도를 'Class X'라고 표시
7) 작업장 내 항온·항습의 필요성
(1) 열변형 방지를 통한 정밀도 확보
- 일반적으로 공작 기계 및 가공물은 온도 변화에 따라 열팽창·수축이 발생하여 가공오차를 유발하므로 항온 유지 필요
(2) 정전기 및 수분 영향 제어
- 습도 변화는 정전기 발생 및 입자 부착, 재료 특성 변화에 영향을 미치므로 항습 관리 필요
(3) 제품 품질 및 공정 안정성 확보
- 온·습도 변동 최소화를 통해 공정 조건의 균일성을 유지하여 제품 품질의 일관성 확보
(4) 수율 향상 및 생산성 증대
- 공정 환경 안정화로 불량률 감소
- 공정 중단 최소화를 통해 생산성 향상
(5) 원가 절감 및 경제성 확보
- 불량품 감소 및 재작업 감소로 제조원가 절감
8) 클린룸 내 온·습도 및 청정도 유지방법
(1) 송풍량 및 환기횟수 확보
- 송풍공기와 실내공기 간 온도차(송풍공기와 실내공기 간 온도차(∆t)를 작게 유지하면 온도 제어 안정성과 공간 내 온도 균일성이 확보되어 항온항습 유지에 유리하므로, Δt를 최소화하기 위해 송풍 공기량을 증가시키며 이에 따라 환기횟수 증가
- 환기횟수 증가 시 단위 시간당 오염입자 제거량이 증가하여 실내 청정도가 향상되므로, 허용되는 온도차 범위에서 최대한 환기횟수를 확보
- 환기횟수 N = 30/dt (여기서, dt는 실내허용온도차)
| 온도차(℃, dt) | ± 2 | ± 1 | ± 0.5 | ± 0.25 |
| 환기횟수(회/h) | 15 | 30 | 60 | 120 |
(2) 고성능 필터(HEPA/ULPA) 관리
- 분진 유지 용량(Dust Holding Capacity)을 고려한 주기적 점검 및 교체로 여과효율 유지 및 압력손실 방지
(3) 실내 정압 유지
- 외부 오염 유입 방지를 위한 실내 양압 유지
(4) 건축적 기밀성 확보
- 외벽 및 지붕의 단열 강화로 외기부하 최소화
- 관통부(덕트, 배관 등) 기밀 시공
- 전실 설치(Air lock)로 외기 유입 차단
(5) 설계 및 운전 관리
- 클린룸의 4대 원칙을 고려하여 열부하를 정확하게 산정하고 외란 요소 최소화하도록 설계
- 적정 환기횟수를 확보하여 오염입자 제거량 증가
- 적정 풍속 및 균일 기류를 형성하여 입자의 체류 및 재비산을 방지하여 청정도 유지
9) 클린룸의 최적설계 및 운전관리
(1) 최적설계 검토사항
- 공정 요구조건에 따른 청정도, 기류 방식, 환기횟수 및 압력제어를 종합적으로 고려하여 최적 설계를 수행하여야 함
① 청정도 설정: 공정 요구조건에 따른 목표 청정도(ISO Class) 설정
② 기류방식 선정: 청정도 및 공정 특성에 따른 기류 방식(층류/난류) 결정
③ 환기횟수 및 공기분포 설계: 균일한 기류 확보 및 청정도 유지를 위한 최적의 환기횟수 설정
④ 압력제어 계획: 오염 유입/확산 방지를 위한 정압(양압/음압) 설정
(2) 에너지 절약 방안
- 클린룸 에너지 절약은 공기량과 압력손실을 줄여 반송동력을 절감하고, 외기 및 재열부하를 최소화하여 열원부하를 저감하는 방향으로 이루어짐
① 환기횟수 및 공기량 최적화: 청정도 요구 범위 내에서 환기횟수를 최소화하여 과도한 공조부하를 억제
② 송풍동력 절감(고효율 팬, VFD): 팬 및 모터 효율 향상과 인버터 제어를 통해 부분부하 시 불필요한 동력 소비 저감
③ 압력손실 저감(덕트, 필터 관리): 덕트 설계 최적화 및 필터 차압 관리를 통해 송풍기 정압 요구량 감소
④ 외기부하 최소화: 필요 최소 외기량만 도입하여 냉·난방 및 제습부하 저감
⑤ 재열부하 감소(Δt 최적화): 송풍온도와 실내온도 차(Δt)를 최소화하고 과도한 재열을 방지하여 에너지 낭비 억제
⑥ 열회수 시스템 적용: 배기공기의 열을 외수하여 외기 처리부하를 감소시키고 열원 에너지 절감
⑦ 운전 최적화(스케줄, 부분부하): 공정 스케줄 연동 및 부분부하 운전을 통해 불필요한 설비 가동 최소화
(3) 신뢰성 확보 방안 (Back-up)
- 항온·항습이 요구되는 클린룸은 설정 오차범위 내에서 온·습도 및 청정도가 연속적으로 유지되어야 하며, 운전 중단 시
공정 불량 및 오염 확산이 발생할 수 있음 - 따라서 정전 및 설비 고장에 대비하여 대체운전이 가능한 Back-up 구축 필요
① 전원계통 이중화: 정전 시에도 공조설비 및 주요 장비가 지속 운전될 수 있도록 무정전 전원장치(Uninterruptible Power Supply, UPS) 및 비상발전기 설치
② 공조설비 이중화: 주요 공조설비를 n+1 또는 2n 등으로 이중화하여 일부 설비 고장 시에도 연속 운전이 가능하도록 구성
③ 제어 및 계측 이중화: 온·습도 센서, 압력센서 및 제어시스템을 이중화하여 제어 오류 및 계측 이상 방지
④ 비상운전 및 Fail-safe 설계 : 이상 발생 시 최소한의 기능(온도, 차압, 환기)을 유지하도록 자동제어 및 안전운전 모드 확보