소개
클린룸은 오염 제어의 기본입니다. 클린룸이 없으면 오염에 민감한 부품을 대량 생산할 수 없습니다. FED-STD-2에서 클린룸은 공기 여과, 분배, 최적화, 건축 자재 및 장비가 갖춰진 공간으로 정의되며, 특정 정기 운영 절차를 사용하여 공기 중 입자 농도를 제어하여 적절한 입자 청정도를 달성합니다.
클린룸에서 양호한 청정 효과를 달성하기 위해서는 합리적인 공조 정화 조치에 집중하는 것뿐만 아니라 공정, 시공 및 기타 전문 분야에 상응하는 조치를 취하도록 요구해야 합니다. 즉, 합리적인 설계뿐만 아니라 사양에 따른 신중한 시공 및 설치, 그리고 클린룸의 올바른 사용과 과학적인 유지관리가 필요합니다. 클린룸에서 양호한 청정 효과를 달성하기 위해 많은 국내외 문헌이 다양한 관점에서 설명되었습니다. 실제로 다양한 전문 분야 간의 이상적인 조화를 이루는 것은 어렵고 설계자는 시공 및 설치의 품질과 사용 및 관리, 특히 후자의 경우를 파악하기 어렵습니다. 클린룸 정화 조치와 관련하여 많은 설계자 또는 시공 당사자조차도 필요한 조건에 충분한 주의를 기울이지 않아 만족스럽지 못한 청정 효과를 초래하는 경우가 많습니다. 이 글에서는 클린룸 정화 조치에서 청정도 요건을 달성하기 위한 네 가지 필수 조건에 대해 간략하게 설명합니다.
1. 공기 공급 청결
공기 공급의 청결도가 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해서는 정화 시스템의 최종 필터의 성능과 설치가 핵심입니다.
필터 선택
정화 시스템의 최종 필터는 일반적으로 헤파 필터 또는 서브헤파 필터를 사용합니다. 우리나라 기준에 따르면 헤파 필터의 효율은 네 가지 등급으로 나뉩니다. A등급은 ≥99.9%, B등급은 ≥99.9%, C등급은 ≥99.999%, D등급은 (0.1μm 이상의 입자에 대해) ≥99.999%(초고성능 헤파 필터라고도 함)입니다. 서브헤파 필터는 (0.5μm 이상의 입자에 대해) 95~99.9%입니다. 효율이 높을수록 필터 가격이 높아집니다. 따라서 필터를 선택할 때는 공기 청정도 요구 사항뿐만 아니라 경제적 합리성도 고려해야 합니다.
청결 요구 사항의 관점에서 원칙은 저수준 클린룸에는 저성능 필터를 사용하고 고수준 클린룸에는 고성능 필터를 사용하는 것입니다. 일반적으로 말해서: 고효율 및 중효율 필터는 100만 레벨에 사용할 수 있습니다. 서브헤파 또는 클래스 A 헤파 필터는 클래스 10,000 미만 레벨에 사용할 수 있습니다. 클래스 B 필터는 클래스 10,000~100에 사용할 수 있습니다. 클래스 C 필터는 레벨 100~1에 사용할 수 있습니다. 각 청결 레벨에 대해 선택할 수 있는 두 가지 유형의 필터가 있는 것 같습니다. 고성능 필터 또는 저성능 필터를 선택할지는 구체적인 상황에 따라 달라집니다. 환경 오염이 심각하거나 실내 배기 비율이 크거나 클린룸이 특히 중요하고 더 큰 안전 계수가 필요한 경우 이러한 경우 또는 이러한 경우 중 하나에서는 고급 필터를 선택해야 합니다. 그렇지 않은 경우 저성능 필터를 선택할 수 있습니다. 0.1μm 입자 제어가 필요한 클린룸의 경우 제어되는 입자 농도에 관계없이 클래스 D 필터를 선택해야 합니다. 위의 내용은 필터 관점에서만 설명한 것입니다. 실제로 좋은 필터를 선택하려면 클린룸, 필터, 그리고 정화 시스템의 특성까지 충분히 고려해야 합니다.
필터 설치
공기 공급의 청결을 보장하려면 자격을 갖춘 필터만 있는 것으로는 충분하지 않고 다음 사항도 보장해야 합니다.a. 필터가 운송 및 설치 중에 손상되지 않아야 합니다.b. 설치가 견고해야 합니다.첫 번째 사항을 달성하려면 시공 및 설치 인력이 정화 시스템 설치에 대한 지식과 숙련된 설치 기술을 모두 갖추고 잘 훈련되어야 합니다.그렇지 않으면 필터가 손상되지 않도록 보장하기 어려울 것입니다.이와 관련하여 심오한 교훈이 있습니다.둘째, 설치 견고성 문제는 주로 설치 구조의 품질에 따라 달라집니다.설계 매뉴얼은 일반적으로 다음을 권장합니다.단일 필터의 경우 개방형 설치를 사용하여 누출이 발생하더라도 실내로 누출되지 않습니다.완성된 HEPA 공기 배출구를 사용하면 견고성을 보장하기가 더 쉽습니다.여러 필터의 공기의 경우 최근에는 겔 씰과 음압 씰이 자주 사용됩니다.
겔 씰은 액체 탱크 접합부가 단단히 조여지고 전체 프레임이 동일한 수평면에 위치하도록 해야 합니다. 음압 씰링은 필터와 정압 박스 사이의 접합부 외측과 프레임을 음압 상태로 만드는 것입니다. 개방형 설치와 마찬가지로, 누출이 발생하더라도 실내로 누출되지 않습니다. 실제로 설치 프레임이 평평하고 필터 단면이 설치 프레임과 균일하게 접촉하는 한, 어떤 설치 유형에서든 필터가 설치 기밀 요건을 충족하도록 하는 것은 어렵지 않습니다.
2. 공기 흐름 구성
클린룸의 기류 구성은 일반 공조실과 다릅니다. 작업 공간에 가장 깨끗한 공기가 먼저 공급되어야 합니다. 클린룸의 기능은 가공 대상물의 오염을 제한하고 줄이는 것입니다. 이를 위해 기류 구성을 설계할 때 다음과 같은 원칙을 고려해야 합니다. 작업 공간 외부의 오염 물질이 작업 공간으로 유입되는 것을 방지하기 위해 와류를 최소화합니다. 먼지가 2차로 비산되는 것을 방지하여 작업물을 오염시킬 가능성을 줄입니다. 작업 공간의 기류는 가능한 한 균일해야 하며, 풍속은 공정 및 위생 요건을 충족해야 합니다. 기류가 복귀 공기 배출구로 흐르면 공기 중의 먼지가 효과적으로 제거됩니다. 각기 다른 청결 요건에 따라 공기 공급 및 복귀 모드를 선택합니다.
다양한 기류 조직은 고유한 특성과 범위를 가지고 있습니다.
(1) 수직 단방향 흐름
균일한 하향 기류를 얻고, 공정 장비의 배치를 용이하게 하고, 자체 정화 능력이 강하고, 개인 정화 시설과 같은 공통 시설을 단순화하는 공통적인 장점 외에도, 4가지 공기 공급 방식은 각자의 장단점을 가지고 있습니다: 전면 커버형 HEPA 필터는 저항이 낮고 필터 교체 주기가 길다는 장점이 있지만, 천장 구조가 복잡하고 비용이 많이 듭니다; 측면 커버형 HEPA 필터 상단 공급과 전면 커버형 HEPA 필터 상단 공급의 장단점은 전면 커버형 HEPA 필터 상단 공급과 반대입니다. 그 중 전면 커버형 HEPA 필터 상단 공급은 시스템이 비연속적으로 작동할 때 오리피스 플레이트 내면에 먼지가 쌓이기 쉽고, 유지 보수가 부족하면 청정도에 어느 정도 영향을 미칩니다; 고밀도 디퓨저 상단 공급은 혼합층이 필요하므로 4m 이상의 높은 클린룸에만 적합하며, 그 특성은 전면 커버형 HEPA 필터 상단 공급과 유사합니다; 양쪽에 그릴이 있고, 반대편 벽의 바닥에 고르게 환기구가 배치된 플레이트의 환기 방식은 양쪽의 그물 간격이 6m 미만인 청정실에만 적합합니다. 단일 측면 벽의 바닥에 배치된 환기구는 벽 사이의 거리가 짧은(예: ≤<2~3m) 청정실에만 적합합니다.
(2). 수평 단방향 흐름
첫 번째 작업 영역만 청정도 100에 도달할 수 있습니다. 공기가 반대쪽으로 흐르면 먼지 농도가 점차 증가합니다. 따라서 같은 작업실 내 동일 공정에 대해 서로 다른 청정도 요구 사항을 가진 클린룸에만 적합합니다. 공기 공급 벽에 HEPA 필터를 국부적으로 배치하면 HEPA 필터 사용량을 줄이고 초기 투자를 절감할 수 있지만, 국부적으로 소용돌이가 발생합니다.
(3) 난류 기류
오리피스 플레이트의 상부 공급 및 고밀도 디퓨저의 상부 공급의 특징은 위에서 언급한 것과 같습니다. 측면 공급의 장점은 파이프라인 배치가 쉽고 기술적 중간층이 필요하지 않으며 비용이 저렴하고 오래된 공장의 개조에 도움이 된다는 것입니다. 단점은 작업 영역의 풍속이 크고 하풍 측의 먼지 농도가 상풍 측보다 높다는 것입니다. HEPA 필터 배출구의 상부 공급은 시스템이 간단하고 HEPA 필터 뒤에 파이프라인이 없으며 작업 영역에 직접 깨끗한 공기 흐름을 전달한다는 장점이 있지만 깨끗한 공기 흐름은 느리게 확산되고 작업 영역의 공기 흐름이 더 균일합니다. 그러나 여러 개의 공기 배출구를 균등하게 배치하거나 디퓨저가 있는 HEPA 필터 공기 배출구를 사용하는 경우 작업 영역의 공기 흐름을 더 균일하게 만들 수도 있습니다. 그러나 시스템이 지속적으로 작동하지 않으면 디퓨저에 먼지가 쌓이기 쉽습니다.
위의 논의는 모두 이상적인 상태이며 관련 국가 사양, 표준 또는 설계 매뉴얼에서 권장하는 내용입니다. 실제 프로젝트에서는 설계자의 객관적 조건이나 주관적인 이유로 인해 공기 흐름 구성이 제대로 설계되지 않습니다. 일반적인 예로는 수직 단방향 흐름이 인접한 두 벽의 아랫부분에서 리턴 공기를 사용하는 경우, 로컬 클래스 100은 상부 공급 및 상부 리턴을 사용하는 경우(즉, 로컬 공기 배출구 아래에 커튼을 걸지 않는 경우), 난류 클린룸은 HEPA 필터 공기 배출구 상부 공급 및 상부 리턴 또는 단일 측면 하부 리턴(벽 사이의 간격이 더 넓음) 등을 사용하는 경우 등이 있습니다. 이러한 공기 흐름 구성 방법은 측정되었으며 대부분의 청정도가 설계 요구 사항을 충족하지 못합니다. 현재 공회전 또는 정적인 허용에 대한 사양으로 인해 이러한 클린룸 중 일부는 공회전 또는 정적인 조건에서 설계된 청정도 수준에 간신히 도달하지만, 오염 방지 능력이 매우 낮아 클린룸이 작동 상태에 들어가면 요구 사항을 충족하지 못합니다.
적절한 공기 흐름 구성은 작업 공간의 높이까지 커튼을 드리워야 하며, 10만 클래스에서는 상부 송풍 및 상부 환풍 방식을 채택해서는 안 됩니다. 또한, 현재 대부분의 공장에서는 디퓨저가 장착된 고효율 공기 배출구를 생산하고 있는데, 디퓨저는 장식용 오리피스 플레이트일 뿐 공기 흐름을 확산하는 역할을 하지 않습니다. 설계자와 사용자는 이 점에 특히 주의해야 합니다.
3. 공기 공급량 또는 공기 속도
충분한 환기량은 실내 오염 공기를 희석하고 제거하는 데 필요합니다. 청정도 요구 사항에 따라 클린룸의 순 높이가 높을 경우 환기 빈도를 적절히 높여야 합니다. 그중 100만 클래스 클린룸의 환기량은 고효율 정화 시스템을 기준으로 하고, 나머지는 고효율 정화 시스템을 기준으로 합니다. 10만 클래스 클린룸의 헤파 필터를 기계실에 집중 배치하거나 시스템 말단에 서브헤파 필터를 사용하는 경우 환기 빈도를 10~20% 정도 적절하게 높일 수 있습니다.
위의 환기량 권장 값에 대해 저자는 다음과 같이 생각합니다. 단방향 흐름 클린룸의 실내 구역을 통과하는 풍속은 낮고, 난류 클린룸은 충분한 안전 계수를 갖는 권장 값을 갖습니다. 수직 단방향 흐름 ≥ 0.25m/s, 수평 단방향 흐름 ≥ 0.35m/s. 청정도 요구 사항은 비어 있거나 정적인 조건에서 시험할 때 충족할 수 있지만, 오염 방지 능력이 좋지 않습니다. 실내가 작동 상태에 들어가면 청정도가 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다. 이러한 유형의 예는 고립된 사례가 아닙니다. 동시에, 우리나라의 환기 시스템 시리즈에는 정화 시스템에 적합한 팬이 없습니다. 일반적으로 설계자는 시스템의 공기 저항을 정확하게 계산하지 않거나 선택한 팬이 특성 곡선에서 더 유리한 작동 지점에 있는지 알아차리지 못하여 시스템을 작동시킨 직후 풍량이나 풍속이 설계 값에 도달하지 못하는 경우가 많습니다. 미국 연방 표준(FS209A~B)은 클린룸 단면을 통과하는 단방향 클린룸의 기류 속도가 일반적으로 분당 90피트(0.45m/s)로 유지되어야 하며, 전체 클린룸에 간섭이 없는 조건에서 속도 불균일성은 ±20% 이내여야 한다고 규정하고 있습니다. 기류 속도가 크게 감소하면 자체 세척 시간이 증가하고 작업 위치 간 오염이 발생할 가능성이 높아집니다(1987년 10월 FS209C 발표 이후 먼지 농도를 제외한 모든 매개변수 지표에 대한 규정은 마련되지 않았습니다).
이러한 이유로 저자는 단방향 유속의 현재 국내 설계값을 적절히 높이는 것이 적절하다고 생각합니다. 저희 부서는 실제 프로젝트에서 이를 수행했으며 효과는 비교적 좋습니다. 난류 클린룸은 비교적 충분한 안전 계수를 가진 권장값을 가지고 있지만 많은 설계자들이 여전히 확신하지 못하고 있습니다. 구체적인 설계를 할 때 클래스 100,000 클린룸의 환기량을 20-25회/h, 클래스 10,000 클린룸은 30-40회/h, 클래스 1000 클린룸은 60-70회/h로 늘립니다. 이는 장비 용량과 초기 투자를 증가시킬 뿐만 아니라 향후 유지 관리 비용도 증가시킵니다. 사실, 그럴 필요가 없습니다. 우리나라의 공기 청정 기술 대책을 편찬할 때 중국의 클래스 100 클린룸 이상을 조사하고 측정했습니다. 많은 클린룸이 동적 조건에서 테스트되었습니다. 결과는 클래스 100,000 클린룸의 환기량이 시간당 ≥10회, 클래스 10,000 클린룸의 환기량이 시간당 ≥20회, 클래스 1000 클린룸의 환기량이 시간당 ≥50회인 경우 요구사항을 충족할 수 있음을 보여주었습니다. 미국 연방 표준(FS2O9A~B)은 비단방향 클린룸(클래스 100,000, 클래스 10,000), 실내 높이 8~12피트(2.44~3.66m)의 경우, 일반적으로 실내 전체 환기가 최소 3분(즉, 시간당 20회)에 한 번 수행되어야 한다고 규정하고 있습니다. 따라서 설계 사양에는 큰 여유 계수가 반영되었으며, 설계자는 권장 환기량에 따라 안전하게 선택할 수 있습니다.
4. 정압차
클린룸에서 일정 양압을 유지하는 것은 클린룸이 설계 청정도를 유지하기 위해 오염되지 않거나 오염이 덜한 상태를 유지하는 필수 조건 중 하나입니다. 음압 클린룸의 경우에도, 일정 양압을 유지하려면 인접한 객실이나 스위트의 청정도가 해당 객실보다 낮지 않아야 합니다. 그래야만 음압 클린룸의 청정도를 유지할 수 있습니다.
클린룸의 양압 값은 모든 문과 창문을 닫았을 때 실내 정압이 실외 정압보다 클 때의 값을 말합니다. 이는 정화 시스템의 공급 공기량이 환풍량과 배기량보다 큰 방식으로 달성됩니다. 클린룸의 양압 값을 확보하기 위해 급기, 환수, 배기 팬은 연동하는 것이 바람직합니다. 시스템을 켤 때는 급기 팬을 먼저 작동시킨 후 환수 팬과 배기 팬을 작동시키고, 시스템을 끌 때는 환수 팬을 먼저 정지시킨 후 환수 팬과 급기 팬을 정지시켜 시스템 켜고 끌 때 클린룸이 오염되는 것을 방지합니다.
클린룸의 양압 유지에 필요한 공기량은 주로 유지 보수 구조의 기밀성에 따라 결정됩니다. 우리나라 클린룸 건설 초기에는 외함 구조의 기밀성이 좋지 않아 5Pa 이상의 양압을 유지하려면 시간당 2~6회의 공기 공급이 필요했습니다. 현재는 유지 보수 구조의 기밀성이 크게 개선되어 동일한 양압을 유지하는 데 시간당 1~2회의 공기 공급만 필요하며, 10Pa 이상의 양압을 유지하는 데는 시간당 2~3회의 공기 공급만 필요합니다.
우리나라의 설계 규격[6]에서는 등급이 다른 클린룸과 클린 구역, 그리고 클린 구역과 비클린 구역 사이의 정압차는 0.5mmH₂O(~5Pa) 이상, 클린 구역과 실외 사이의 정압차는 1.0mmH₂O(~10Pa) 이상이어야 한다고 규정하고 있습니다. 저자는 이 값이 세 가지 이유로 너무 낮다고 생각합니다.
(1) 양압이란 클린룸이 문과 창문 사이의 틈새를 통해 실내 공기 오염을 억제하거나, 문과 창문을 잠시 열었을 때 실내로 유입되는 오염 물질을 최소화하는 능력을 말합니다. 양압의 크기는 오염 억제 능력의 강도를 나타냅니다. 물론 양압이 클수록 좋습니다(이에 대해서는 나중에 설명하겠습니다).
(2) 양압에 필요한 공기량은 제한되어 있습니다. 5Pa 양압과 10Pa 양압에 필요한 공기량은 시간당 약 1배 정도 차이가 납니다. 왜 그렇게 하지 않습니까? 당연히 양압의 하한을 10Pa로 하는 것이 더 좋습니다.
(3) 미국 연방 규격(FS209A~B)은 모든 출입구가 닫혔을 때 청정실과 인접한 저청정 구역 사이의 최소 양압 차이가 수주 0.05인치(12.5Pa)라고 규정하고 있습니다. 이 값은 많은 국가에서 채택되었습니다. 그러나 청정실의 양압 값은 높을수록 좋은 것이 아닙니다. 30년 이상 당사 장치의 실제 엔지니어링 테스트에 따르면 양압 값이 ≥ 30Pa일 때 문을 열기 어렵습니다. 부주의하게 문을 닫으면 쾅! 하는 소리가 납니다. 사람들을 놀라게 할 것입니다. 양압 값이 ≥ 50~70Pa일 때 문과 창문 사이의 틈에서 휘파람 소리가 나고, 허약하거나 부적절한 증상이 있는 사람들은 불편함을 느낄 것입니다. 그러나 국내외 많은 국가의 관련 규격이나 표준은 양압의 상한을 지정하지 않았습니다. 결과적으로 많은 장치는 상한이 얼마이든 하한의 요구 사항만 충족하려고 합니다. 저자가 실제로 접한 클린룸에서는 양압 값이 100Pa 이상으로 매우 심각한 영향을 미칩니다. 사실 양압을 조절하는 것은 어려운 일이 아니며, 일정 범위 내에서 충분히 조절 가능합니다. 동유럽의 특정 국가에서는 양압 값을 1~3mm H₂O(약 10~30Pa)로 규정하고 있다는 문서가 있었습니다. 저자는 이 범위가 더 적절하다고 생각합니다.
게시 시간: 2025년 2월 13일