클린룸의 핵심 분석

소개

클린룸은 오염 제어의 기본입니다. 클린룸이 없으면 오염에 민감한 부품을 대량 생산할 수 없습니다. 연방공역표준2(FED-STD-2)에서는 클린룸을 공기 여과, 분배, 최적화, 건축 자재 및 장비가 갖춰진 공간으로, 특정 정기 작업 절차를 통해 공기 중 미립자 농도를 제어하여 적절한 미립자 청정도를 달성하는 공간으로 정의합니다.

클린룸에서 우수한 청정 효과를 얻기 위해서는 합리적인 공조 정화 조치에만 집중해서는 안 되며, 공정, 시공 등 각 전문 분야에서도 상응하는 조치를 취해야 합니다. 즉, 합리적인 설계뿐 아니라 규격에 따른 세심한 시공 및 설치, 클린룸의 올바른 사용, 그리고 과학적인 유지보수 및 관리가 필수적입니다. 클린룸의 우수한 청정 효과를 달성하기 위한 국내외 연구들이 다양한 관점에서 제시되어 왔지만, 실제로는 각 전문 분야 간의 이상적인 조화를 이루기가 어렵고, 설계자가 시공 및 설치 품질뿐 아니라 사용 및 관리, 특히 후자의 측면까지 모두 고려하기는 쉽지 않습니다. 클린룸 정화 조치와 관련하여 많은 설계자나 심지어 시공사조차 필수 조건에 충분한 주의를 기울이지 않아 만족스럽지 못한 청정 효과를 얻는 경우가 많습니다. 본 논문에서는 클린룸 정화 조치에서 청정 요구 조건을 충족하기 위한 네 가지 필수 조건에 대해 간략하게 논의하고자 합니다.

1. 공기 공급 청결도

공급되는 공기의 청결도가 요구 사항을 충족하도록 보장하는 핵심은 정화 시스템의 최종 필터의 성능과 설치입니다.

필터 선택

공기 정화 시스템의 최종 필터는 일반적으로 헤파 필터 또는 서브헤파 필터를 사용합니다. 우리나라 기준에 따르면 헤파 필터는 효율에 따라 4등급으로 나뉩니다. A등급은 99.9% 이상, B등급은 99.9% 이상, C등급은 99.999% 이상, D등급은 (0.1μm 이상 입자에 대해) 99.999% 이상(울트라헤파 필터라고도 함)이며, 서브헤파 필터는 (0.5μm 이상 입자에 대해) 95~99.9%의 효율을 보입니다. 효율이 높을수록 필터 가격이 비싸지므로 필터를 선택할 때는 공급 공기의 청정도 요구 사항을 충족하는 것뿐만 아니라 경제성도 고려해야 합니다.

청정도 요구 사항 관점에서 볼 때, 저급 청정실에는 저성능 필터를, 고급 청정실에는 고성능 필터를 사용하는 것이 원칙입니다. 일반적으로 100만 등급에는 고효율 및 중효율 필터를, 1만 등급 미만에는 서브헤파 또는 A급 헤파 필터를, 1만 등급에서 100 등급까지는 B급 필터를, 100 등급에서 1 등급까지는 C급 필터를 사용할 수 있습니다. 각 청정도 등급별로 두 가지 유형의 필터 중에서 선택할 수 있는 것으로 보입니다. 고성능 필터와 저성능 필터 중 어떤 것을 선택할지는 구체적인 상황에 따라 달라집니다. 환경 오염이 심각하거나, 실내 배기 비율이 높거나, 청정실의 중요성이 매우 높아 더 큰 안전 계수가 요구되는 경우 또는 이러한 경우 중 하나 이상에 해당될 때는 고성능 필터를 선택해야 합니다. 그렇지 않은 경우에는 저성능 필터를 선택할 수 있습니다. 0.1μm 입자 제어가 요구되는 청정실의 경우, 제어 대상 입자 농도와 관계없이 D급 필터를 선택해야 합니다. 위 내용은 필터 자체의 관점에서만 설명한 것입니다. 실제로 좋은 필터를 선택하려면 클린룸, 필터, 그리고 전체 정화 시스템의 특성을 종합적으로 고려해야 합니다.

필터 설치

공기 공급의 청결도를 보장하기 위해서는 자격을 갖춘 필터만으로는 충분하지 않으며, 다음 사항을 반드시 확인해야 합니다. a. 운송 및 설치 중 필터가 손상되지 않도록 해야 합니다. b. 설치가 밀폐되어야 합니다. 첫 번째 사항을 위해서는 시공 및 설치 담당자가 정화 시스템 설치에 대한 지식과 숙련된 설치 기술을 모두 갖추도록 충분히 교육받아야 합니다. 그렇지 않으면 필터 손상을 방지하기 어렵습니다. 이와 관련하여 중요한 교훈이 있습니다. 두 번째로, 설치 밀폐 문제는 주로 설치 구조의 품질에 달려 있습니다. 설계 매뉴얼에서는 일반적으로 단일 필터의 경우 개방형 설치를 권장하여 누출이 발생하더라도 실내로 새어 나가지 않도록 합니다. 또한, 완성된 HEPA 공기 배출구를 사용하면 밀폐성을 더욱 쉽게 확보할 수 있습니다. 다중 필터의 경우 최근에는 젤 실링 및 음압 실링 방식이 많이 사용되고 있습니다.

젤 씰은 액체 탱크 연결부가 밀폐되고 전체 프레임이 수평면에 있도록 해야 합니다. 음압 밀봉은 필터와 정압 박스 및 프레임 사이의 연결부 외곽을 음압 상태로 유지하는 것입니다. 개방형 설치와 마찬가지로 누출이 발생하더라도 실내로 누출되지 않습니다. 실제로 설치 프레임이 평평하고 필터 단면이 설치 프레임과 균일하게 접촉하기만 하면 어떤 설치 유형에서도 필터의 설치 밀폐 요구 사항을 충족하기 쉽습니다.

2. 공기 흐름 구성

클린룸의 공기 흐름 구성은 일반적인 공조실과 다릅니다. 클린룸에서는 가장 깨끗한 공기가 작업 영역으로 먼저 공급되어야 합니다. 이는 가공 대상물에 대한 오염을 제한하고 줄이는 역할을 합니다. 이를 위해 공기 흐름 구성을 설계할 때 다음과 같은 원칙을 고려해야 합니다. 와류를 최소화하여 작업 영역 외부의 오염 물질이 작업 영역으로 유입되는 것을 방지해야 합니다. 2차 분진 비산을 최소화하여 분진이 가공물을 오염시킬 가능성을 줄여야 합니다. 작업 영역 내 공기 흐름은 최대한 균일해야 하며, 풍속은 공정 및 위생 요구 사항을 충족해야 합니다. 공기가 환기구로 흐를 때 공기 중의 분진이 효과적으로 제거되어야 합니다. 청정도 요구 사항에 따라 공기 공급 및 환기 방식을 적절히 선택해야 합니다.

다양한 공기 흐름 조직은 각각 고유한 특성과 범위를 가지고 있습니다.

(1) 수직 단방향 흐름

균일한 하향 기류 확보, 공정 장비 배치 용이성, 강력한 자정 능력, 개인 정화 설비 등의 공용 시설 간소화와 같은 공통적인 장점 외에도, 네 가지 공기 공급 방식은 각각 장단점을 가지고 있습니다. 전면 밀폐형 HEPA 필터는 저항이 낮고 필터 교체 주기가 길다는 장점이 있지만, 천장 구조가 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 측면 밀폐형 HEPA 필터 상단 공급 방식과 전체 구멍 플레이트 상단 공급 방식은 전면 밀폐형 HEPA 필터 상단 공급 방식과 장단점이 정반대입니다. 전체 구멍 플레이트 상단 공급 방식은 시스템이 간헐적으로 가동될 때 오리피스 플레이트 내부 표면에 먼지가 쉽게 쌓이고, 유지 관리가 제대로 되지 않으면 청정도에 영향을 미칠 수 있습니다. 고밀도 디퓨저 상단 공급 방식은 혼합층이 필요하므로 4m 이상의 높은 클린룸에만 적합하며, 그 특성은 전체 구멍 플레이트 상단 공급 방식과 유사합니다. 양면에 그릴이 있는 판형 환기 방식과 마주 보는 벽면 하단에 환기구가 고르게 배치된 방식은 양쪽 벽면 사이의 순 간격이 6m 미만인 클린룸에만 적합하며, 한쪽 벽면 하단에 환기구가 배치된 방식은 벽면 간 거리가 짧은(예: 2~3m 이하) 클린룸에만 적합하다.

(2) 수평 단방향 흐름

첫 번째 작업 영역만 청정도 100에 도달할 수 있습니다. 공기가 반대쪽으로 흐르면 먼지 농도가 점차 증가합니다. 따라서 동일한 공간에서 동일한 공정을 수행하더라도 청정도 요구 사항이 다른 클린룸에만 적합합니다. 공기 공급 벽에 HEPA 필터를 부분적으로 배치하면 HEPA 필터 사용량을 줄이고 초기 투자 비용을 절감할 수 있지만, 특정 영역에 와류가 발생할 수 있습니다.

(3) 난류 기류

오리피스 플레이트 상부 배출 방식과 고밀도 디퓨저 상부 배출 방식의 특징은 위에서 언급한 것과 동일합니다. 측면 배출 방식의 장점은 배관 설치가 용이하고, 중간층이 필요 없으며, 비용이 저렴하고, 기존 공장 개조에 적합하다는 점입니다. 단점은 작업 구역의 풍속이 크고, 풍하측의 분진 농도가 풍상측보다 높다는 것입니다. HEPA 필터 배출구 상부 배출 방식은 시스템이 간단하고 HEPA 필터 뒤쪽에 배관이 필요 없으며, 깨끗한 공기가 작업 구역으로 직접 공급된다는 장점이 있습니다. 그러나 깨끗한 공기의 확산 속도가 느리고 작업 구역의 공기 흐름이 고르지 못합니다. 하지만 여러 개의 공기 배출구를 고르게 배치하거나 디퓨저가 있는 HEPA 필터 배출구를 사용하면 작업 구역의 공기 흐름을 더욱 고르게 만들 수 있습니다. 다만, 시스템이 연속적으로 가동되지 않을 경우 디퓨저에 분진이 축적되기 쉽습니다.

위에서 논의된 내용은 모두 이상적인 상태를 가정한 것이며, 관련 국가 규격, 표준 또는 설계 매뉴얼에서 권장하는 사항입니다. 실제 프로젝트에서는 객관적인 조건이나 설계자의 주관적인 이유로 인해 공기 흐름 설계가 제대로 이루어지지 않는 경우가 많습니다. 예를 들어, 수직 단방향 흐름 방식에서 인접한 두 벽 하단에서 환기구를 유입시키거나, 국소 클래스 100 클린룸에서 상부에서 공기를 공급하고 상부에서 환기하는 방식(즉, 국소 공기 배출구 아래에 커튼을 설치하지 않음)을 사용하거나, 난류형 클린룸에서 HEPA 필터 공기 배출구에서 공기를 공급하고 상부에서 환기하거나 한쪽 면만 하부에서 환기하는 방식(벽 사이 간격을 넓힘) 등을 사용하는 경우가 있습니다. 이러한 공기 흐름 설계 방식들은 측정 결과 대부분 설계 기준에 부합하는 청정도를 제공하지 못하는 것으로 나타났습니다. 현재 클린룸의 경우, 공기가 없는 상태 또는 정지 상태에서만 청정도를 평가하기 때문에, 일부 클린룸은 공기가 없는 상태 또는 정지 상태에서는 간신히 설계 청정도에 도달하지만, 오염물질 차단 능력이 매우 낮아 실제 가동 상태에 들어가면 기준에 미달하는 경우가 발생합니다.

적절한 공기 흐름 구조는 작업 공간 높이까지 커튼을 내려 설치하는 방식으로 구성해야 하며, 10만급 설비에서는 상부 배출 및 상부 회수 방식을 사용해서는 안 됩니다. 또한, 현재 대부분의 공장에서 고효율 공기 배출구에 디퓨저를 장착하여 생산하고 있지만, 이러한 디퓨저는 단순히 장식용 오리피스일 뿐 실제 공기 흐름을 확산시키는 역할을 하지 못합니다. 설계자와 사용자는 이 점에 특히 주의해야 합니다.

3. 공기 공급량 또는 공기 속도

충분한 환기량은 실내 오염 공기를 희석하고 제거하는 데 필수적입니다. 청정도 요구 조건에 따라 클린룸의 층고가 높을수록 환기 빈도를 적절히 높여야 합니다. 특히 100만급 클린룸의 경우 고효율 정화 시스템을 기준으로 환기량을 고려하고, 그 외의 클린룸에서도 고효율 정화 시스템을 기준으로 환기량을 고려할 때, 10만급 클린룸의 경우 기계실에 HEPA 필터를 집중 설치하거나 시스템 말단에 서브 HEPA 필터를 사용하면 환기 빈도를 10~20% 정도 적절히 높일 수 있습니다.

위에서 제시된 환기량 권장값에 대해 저자는 다음과 같이 판단합니다. 단방향 흐름 클린룸의 실내 구간을 통과하는 풍속은 낮으며, 난류 클린룸의 경우 충분한 안전 계수를 고려한 권장값이 존재합니다. 수직 단방향 흐름의 경우 ≥ 0.25m/s, 수평 단방향 흐름의 경우 ≥ 0.35m/s입니다. 빈 공간이나 정지 상태에서는 청정도 요구 조건을 충족할 수 있지만, 오염 방지 능력은 떨어집니다. 클린룸이 가동 상태에 들어가면 청정도 요구 조건을 충족하지 못할 수 있습니다. 이러한 사례는 드문 일이 아닙니다. 또한, 우리나라의 환풍기 제품군에는 정화 시스템에 적합한 팬이 없습니다. 일반적으로 설계자들은 시스템의 공기 저항을 정확하게 계산하지 않거나, 선택한 팬이 특성 곡선에서 더 유리한 작동 지점에 있는지 여부를 간과하는 경우가 많아, 시스템 가동 직후 공기량이나 풍속이 설계값에 도달하지 못하는 문제가 발생합니다. 미국 연방 표준(FS209A~B)은 클린룸 단면을 통과하는 단방향 클린룸의 공기 흐름 속도를 일반적으로 90ft/min(0.45m/s)으로 유지하고, 실내 전체에 간섭이 없는 조건에서 속도 불균일성을 ±20% 이내로 규정하고 있습니다. 공기 흐름 속도가 크게 감소하면 자체 세척 시간이 증가하고 작업 위치 간의 오염 가능성이 높아집니다(1987년 10월 FS209C가 공포된 이후에는 분진 농도를 제외한 모든 매개변수 지표에 대한 규정이 마련되지 않았습니다).

이러한 이유로, 저자는 현재 국내 설계 기준인 단방향 유속 값을 적절히 높이는 것이 타당하다고 생각합니다. 저희 부서에서는 실제 프로젝트에서 이를 적용해 본 결과, 비교적 좋은 효과를 얻었습니다. 난류 클린룸의 경우, 충분한 안전 계수를 고려한 권장값이 있지만, 많은 설계자들이 여전히 확신하지 못하고 있습니다. 구체적인 설계를 할 때, 10만급 클린룸의 환기량을 시간당 20~25회, 1만급 클린룸은 시간당 30~40회, 1천급 클린룸은 시간당 60~70회로 늘리는 경우가 있습니다. 이는 장비 용량과 초기 투자 비용뿐만 아니라 향후 유지 보수 및 관리 비용까지 증가시킵니다. 사실, 이렇게 할 필요는 없습니다. 우리나라의 공기 정화 기술 대책을 정리할 때, 중국 내 100급 이상의 클린룸을 조사하고 측정했으며, 많은 클린룸을 동적 조건에서 테스트했습니다. 연구 결과에 따르면, 10만 등급 클린룸의 경우 시간당 10회 이상, 1만 등급 클린룸의 경우 시간당 20회 이상, 1000 등급 클린룸의 경우 시간당 50회 이상의 환기량이 요구 조건을 충족하는 것으로 나타났습니다. 미국 연방 표준(FS2O9A~B)에서는 비단방향 클린룸(10만 등급, 1만 등급)의 경우, 실내 높이가 2.44~3.66m(8~12피트)일 때, 일반적으로 실내 전체를 최소 3분마다 한 번(즉, 시간당 20회) 환기하도록 규정하고 있습니다. 따라서 설계 사양에는 충분한 여유 계수가 고려되어 있으므로, 설계자는 권장 환기량 값을 참고하여 안전하게 선택할 수 있습니다.

4. 정압차

클린룸에서 일정한 양압을 유지하는 것은 클린룸의 오염을 최소화하고 설계된 청정도를 유지하기 위한 필수 조건 중 하나입니다. 음압 클린룸의 경우에도, 일정한 양압을 유지하기 위해서는 인접한 방이나 스위트룸의 청정도가 자실체보다 낮지 않아야 합니다.

클린룸의 양압 값은 모든 문과 창문을 닫았을 때 실내 정압이 실외 정압보다 높은 값을 의미합니다. 이는 정화 시스템의 공기 공급량이 환기량 및 배기량보다 많도록 함으로써 달성됩니다. 클린룸의 양압 값을 확보하기 위해서는 공급, 환기 및 배기 팬을 연동시키는 것이 바람직합니다. 시스템을 가동할 때는 공급 팬을 먼저 가동한 후 환기 및 배기 팬을 가동하고, 시스템을 정지할 때는 배기 팬을 먼저 정지한 후 환기 및 공급 팬을 정지시켜 시스템 가동 및 정지 시 클린룸의 오염을 방지합니다.

클린룸의 양압을 유지하는 데 필요한 공기량은 주로 유지 구조물의 기밀성에 의해 결정됩니다. 우리나라에서 클린룸 건설 초기에는 밀폐 구조물의 기밀성이 떨어져 5Pa 이상의 양압을 유지하기 위해 시간당 2~6회 공기 공급이 필요했습니다. 그러나 현재는 유지 구조물의 기밀성이 크게 향상되어 동일한 양압을 유지하는 데 시간당 1~2회, 10Pa 이상의 양압을 유지하는 데에는 시간당 2~3회만 공기 공급으로도 충분합니다.

우리나라의 설계 규격[6]에서는 서로 다른 등급의 클린룸 간, 그리고 클린 영역과 비클린 영역 간의 정압 차이가 0.5mm H2O(~5Pa) 이상이어야 하고, 클린 영역과 실외 간의 정압 차이는 1.0mm H2O(~10Pa) 이상이어야 한다고 규정하고 있습니다. 저자는 이 값이 다음 세 가지 이유로 너무 낮다고 생각합니다.

(1) 양압이란 클린룸이 문과 창문 사이의 틈을 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 1회 정도만 차이가 납니다. 왜 그렇게 하지 않겠습니까? 당연히 양압의 하한을 10Pa로 하는 것이 더 좋습니다.

(3) 미국 연방 표준(FS209A~B)은 모든 출입구가 폐쇄되었을 때 클린룸과 인접한 저청정 구역 사이의 최소 양압 차이를 0.05인치 수주(12.5Pa)로 규정하고 있습니다. 이 값은 많은 국가에서 채택되었습니다. 그러나 클린룸의 양압은 높을수록 좋은 것은 아닙니다. 당사에서 30년 이상 수행한 실제 엔지니어링 테스트에 따르면, 양압이 30Pa 이상이면 문을 열기가 어렵습니다. 문을 부주의하게 닫으면 쾅 하는 소리가 나서 사람들을 놀라게 할 수 있습니다. 양압이 50~70Pa 이상이면 문과 창문 사이의 틈에서 휘파람 소리가 나고, 허약하거나 신체적으로 불편함을 느끼는 사람들은 불쾌감을 느낄 수 있습니다. 그러나 국내외 많은 국가의 관련 규격이나 표준에서는 양압의 상한값을 명시하지 않고 있습니다. 그 결과, 많은 업체들이 상한값에 관계없이 하한값의 요구 사항만 충족하려고 합니다. 저자가 실제로 접한 클린룸에서는 양압값이 100Pa 이상으로 매우 높아 심각한 악영향을 초래했습니다. 사실 양압을 조절하는 것은 어려운 일이 아니며, 일정 범위 내에서 제어하는 ​​것은 충분히 가능합니다. 동유럽의 어느 국가에서는 양압값을 1~3mmH2O(약 10~30Pa)로 규정하고 있다는 문서를 본 적이 있는데, 저자는 이 범위가 더 적절하다고 생각합니다.