클린룸 공기순환방식

왜 배우는가: 클린룸 공기순환방식은 반도체·바이오 공장의 청정도를 좌우하는 설비 방식이라, 난류형과 층류형의 차이를 정확히 구분해야 실무 설계와 시험 답안이 맞아떨어진다. 2교시 계통도와 3교시 기류방식 비교 문항에 반복해서 나오는 기본 개념이다.

출제 이력: 제121회 2교시 6번, 제91회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

클린룸 공기순환방식은 실내 청정도를 유지하기 위해 HEPA 필터를 거친 청정 공기를 공급하고 실내 공기를 다시 공조기나 팬필터유닛으로 순환시키는 방식으로, 기류 형태에 따라 난류형과 층류형으로 나눈다.

키워드: 클린룸(Clean Room), 공기순환방식, 난류형(Non-unidirectional flow), 층류형(Unidirectional flow), HEPA 필터, 팬필터유닛(FFU), 청정도 등급(ISO 14644-1), 희석.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 클린룸은 공기 속 먼지 입자를 기준치 이하로 관리하는 방이다. 공기를 깨끗하게 만들어 방에 넣고, 쓰고 난 공기를 다시 거두어 걸러 쓰는 것이 공기순환방식이다.

정식 정의는 다음과 같다. 클린룸은 공기 중 부유 미립자를 규정된 청정도 이하로 관리하고, 공급되는 재료·약품·물의 청정도와 온도·습도·압력 등 환경 조건까지 관리하는 공간이다. 공기순환방식은 이 청정도를 얻기 위해 공기를 공급·배기·재순환하는 방법을 말한다.

핵심 용어는 두 가지다. 난류형은 청정 공기를 공급해 실내 공기를 확산·혼합하며 희석하는 방식이다. 이 방식의 원리는 희석이며, 공기 교환 횟수가 많을수록 청정도가 높아진다. 층류형은 청정 공기를 천장 전체에서 공급하고 바닥 전체에서 배기해 공기를 한 방향으로 밀어내는 방식이다. 층류형은 입자를 희석하지 않고 밀어내므로 난류에 비해 청정도가 높다.

층류형은 다시 수직층류(Down Flow)와 수평층류(Side Flow)로 나뉜다. 두 방식 모두 청정 공기가 방 전체 단면을 채운다는 점이 같다. 난류형에서는 와류가 생기면 입자가 부유하고 서로 뭉쳐 침강하므로, 이를 막기 위해 기류를 안정시키는 것이 중요하다.

3. 등장 배경과 필요성

19세기 후반 미생물이 전염병의 원인으로 밝혀지면서 오염 물질을 제거한 청정 공간의 필요성이 처음 인식되었다. 20세기에 산업이 급속히 발달하면서 청정 공간에 대한 요구가 크게 늘었다.

2차 세계대전 중 항공기의 주요 고장 원인이 기계·전자 부품 생산 시 부착된 분진임이 밝혀졌다. 이에 미국 국방성 주도로 청정 공간 연구가 진행되었고, 그 결과가 산업 전반으로 퍼졌다. 1965년 병원에 BCR(Biological Clean Room)이 설치된 것이 시초이며, 산업용 ICR(Industrial Clean Room)은 우주항공과 전자산업을 중심으로 발전했다.

반도체 공정이 미세화되면서 청정도 요구는 더욱 엄격해졌다. 소자의 선폭이 작아질수록 미세한 입자 하나도 웨이퍼 결함으로 이어지므로, 공장은 필터링된 공기로 양압을 유지하고 천장에 팬필터유닛을 일정 간격으로 배치하게 되었다. 공기순환방식의 선택은 초기 설비비, 운전비, 청정도 요구 수준의 균형으로 결정된다.

난류형 청정도 등급 1,000~100,000 수준은 일반 공조기 취출구에 HEPA 필터를 달아 구현하는 방식으로, 설비비가 낮고 확장이 쉬운 장점이 있다.

4. 구성요소·원리·절차

클린룸 공기순환방식은 공급 공기의 흐름 방향과 오염 입자를 제거하는 방법에 따라 달라진다. 반도체 공장에서 가장 많이 쓰는 방식은 FFU(Fan Filter Unit) 를 천장 격자에 배치하여 청정 공기를 전 면적에 균일하게 공급하는 구조다.

구성요소를 정리하면 다음과 같다.

FFU 는 자체 프리필터, HEPA 필터, 송풍 팬을 가진 단위 장치다. 각 FFU 의 풍속과 풍량을 개별로 조절할 수 있어 구역별 청정도 관리가 쉽다. 구성요소의 역할은 청정 공기 공급, 오염 입자 희석과 배출, 압력 차 유지의 세 가지로 묶인다.

원리는 다음과 같다. 공조기에서 온도와 습도를 맞춘 공기가 상부 플레넘으로 들어간다. FFU 가 이 공기를 HEPA 필터로 여과하여 천장 전면에서 아래로 내보낸다. 공기는 작업 공간을 하향 흐름으로 통과하고, 바닥 그릴을 거쳐 리턴 플레넘으로 회수된다. 회수된 공기는 다시 공조기에서 처리되어 순환한다. 이 과정을 반복하면서 입자는 필터에 포집되고, 하향 흐름이 입자를 바닥으로 빠르게 밀어낸다.

FFU 방식은 천장 전면 급기와 바닥 흡입으로 수직 층류를 만든다

하향 흐름의 평균 풍속은 작업 구역의 청정도 등급에 따라 정한다. 일반적인 수직 층류 청정구역의 풍속은 관련 기준이 정한 범위로 설계한다. 풍량은 다음 식으로 구한다.

$Q = A \times v$

여기서 Q 는 풍량(㎥/s), A 는 청정구역 단면적(㎡), v 는 하향 풍속(m/s)이다. 예를 들어 단면적 100㎡, 풍속 0.4m/s 이면 Q = 100 \times 0.4 = 40㎥/s 이다. 필요한 FFU 수는 FFU 1대당 풍량으로 나눠 구한다.

순환 절차는 다음과 같다.

• 외기와 순환 공기를 혼합하여 공조기로 도입한다.
• 공조기에서 냉각·가열·가습·감습으로 온습도를 조절한다.
• 공조기 출구의 공기를 상부 플레넘에 공급한다.
• FFU 가 공기를 HEPA 필터로 여과하여 천장에서 토출한다.
• 하향 흐름이 작업 공간을 통과하며 발생 입자를 바닥으로 밀어낸다.
• 바닥 그릴로 흡입한 공기를 리턴 플레넘을 거쳐 공조기로 되돌린다.

흐름도 도식은 이 절차를 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

클린룸의 청정도는 입자 농도로 분류한다. 국제 기준은 ISO 14644-1 이며, 공기 1㎥ 중 허용 입자 수로 등급을 정한다. 우리나라에서 널리 쓰던 Class 표기는 미국 FED STD 209E 에서 유래했다. 현행 설계에서는 ISO 등급을 기준으로 쓴다.

청정도와 공기순환 방식의 관계는 다음 표와 같이 정리한다.

수직 층류의 풍속과 청정도 등급의 관계는 설계 조건을 따른다. 풍속이 높을수록 입자 제거 속도가 빨라지지만, 송풍 동력과 소음이 증가한다. 따라서 공정 요구 등급과 에너지 비용을 함께 검토한다.

관련 법령으로는 「산업안전보건법」과 「건설기술 진흥법」이 시설 안전과 설계 절차에 관여한다. 청정실 설비의 세부 설계 기준은 학회 기준과 제조사 시방을 따른다. 기계설비의 공조 설계는 KDS 설계기준 체계를 참고한다.

개정 연혁으로 청정실 분류의 기준 체계는 ISO 14644 시리즈가 중심이 되었다. 국내 관행의 Class 표기는 과거 기준을 바탕으로 하므로, 설계 문서에는 ISO 등급을 함께 적는다.

6. 유형과 비교

클린룸 공기순환방식은 기류 형태와 청정 원리에 따라 크게 층류방식과 난류방식으로 나뉜다. 층류방식은 다시 수직층류와 수평층류로 나뉘고, 난류방식은 일반 공조 취출구에 고성능 필터를 붙이는 형태다. 원리 차이를 먼저 구분해야 답안에서 비교가 명확해진다.