클린룸 기류방식

왜 배우는가: 클린룸은 반도체, 바이오, 의약품, 식품 등 오염에 민감한 산업과 병원 수술실에서 쓰인다. 기류방식은 설계 단계에서 청정도와 설비비를 함께 결정하므로 공조냉동 기술사 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제129회 1교시 9번, 제119회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

클린룸 기류방식은 실내 공기의 흐름 형태를 정해 오염입자를 희석·배출하고 청정도를 확보하는 방식이다.

• 클린룸
• 기류방식
• 청정도
• 난류형
• 층류형
• 수직층류
• 수평층류
• 오픈 베이

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 클린룸은 공기 속 먼지와 세균을 줄여 제품이나 실험 환경을 깨끗하게 유지하는 공간이다. 공기를 어떻게 흘려보내느냐에 따라 청정도와 설비비가 크게 달라진다. 그래서 흐름 형태를 정하는 일이 곧 클린룸 설계의 출발점이 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 기류방식은 급기구와 배기구의 위치, 기류의 방향과 속도 분포를 정하여 실내의 오염입자 농도를 기준 이하로 유지하는 공조 방식이다. 청정도는 단위 체적의 공기 중 입자 수를 입자 크기별로 측정하여 나타낸 값이다.

기류방식은 크게 난류형과 층류형으로 나뉜다. 난류형은 급기된 공기를 실내에서 섞어 오염을 희석하는 방식이다. 층류형은 공기가 한 방향으로 평행하게 흘러 오염입자를 밀어내는 방식이다. 층류형은 흐름 방향에 따라 수직층류와 수평층류로 다시 나뉜다.

층류는 영문으로 Laminar Flow라 하고, 난류는 Turbulent Flow라 한다. 난류에서는 흩어진 공기가 와류를 만들어 입자를 공중에 오래 머물게 한다. 층류에서는 흐름이 가지런하여 입자가 한 방향으로 빠르게 배출된다. 이 차이가 두 방식의 청정도 차이를 만든다.

청정도의 기준으로는 ISO 14644-1이 널리 쓰인다. 이 기준은 클래스별로 허용되는 최대 입자 농도를 정한다. 예를 들어 ISO Class 5 기준은 0.5µm 이상 입자가 3,520개/㎥ 이하이다.

3. 등장 배경과 필요성

반도체 공정이 미세화되면서 공기 중 미세입자가 제품 불량의 주원인이 되었다. 초기의 청정 공간은 공기를 많이 넣어 희석하는 방식으로 충분했다. 그러나 공정이 정밀해지자 희석만으로는 부족해졌다. 이에 흐름을 제어하는 층류 개념이 도입되었다.

청정도를 표시하는 기준도 시대에 따라 바뀌었다. 미국에서는 FED-STD-209E가 오랫동안 쓰였다. 이 기준은 1 ft³ 안의 0.5µm 이상 입자 수를 Class 단위로 표시하였다. 국내에서 흔히 말하는 Class 기준도 이 계열에서 유래한다.

국제표준화기구(ISO)는 이 흐름을 이어받아 ISO 14644 시리즈를 만들었다. 첫 문서인 ISO 14644-1은 1999년에 발행되었다. 이후 2001년에 FED-STD-209E가 폐지되고 ISO 14644-1과 ISO 14644-2로 대체되었다.

기류방식의 선택은 설비비와 운전비를 좌우한다. 층류형은 청정도가 높지만 급기량과 필터 설비가 많이 든다. 난류형은 설비가 단순하여 값이 싸지만 높은 청정도를 얻기 어렵다. 따라서 요구되는 청정도와 예산을 함께 고려하여 방식을 정해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

클린룸 기류방식은 공기 흐름의 방향과 속도 분포로 실내 입자를 제어하는 방식이다. 설비 측면에서는 공조기(AHU), 팬필터유닛(FFU), 바닥 개구부, 챔버(플리넘)가 기류 형태를 결정한다. 기류 방식마다 이 구성요소의 배치가 달라지므로, 구성요소를 먼저 이해해야 방식별 차이를 답안에 설명할 수 있다.

원리는 두 갈래로 나눠 설명한다. 난류방식은 급기 공기를 실내에 섞어 희석한다. 층류방식은 공기 전체를 한 방향으로 밀어내는 피스톤 흐름이다. 난류에서는 와류가 입자를 떠 있게 하고 서로 뭉치게 한다. 층류에서는 와류가 없어 입자가 발생 위치에서 바로 배출된다. 따라서 층류방식은 와류를 억제해 입자를 밀어내고, 난류방식은 희석으로 농도를 낮춘다고 정리한다.

절차는 다음과 같다.

• 목표 청정도 등급을 정한다. 기준은 ISO 14644-1의 입자 농도 한도다.
• 필요 풍량을 계산한다. 층류방식은 기류 속도와 단면적으로 정한다.
• 기류방식을 선정한다. 청정도, 투자비, 유지비를 함께 본다.
• 급기 필터와 FFU를 배치한다. 필터 누설은 시험으로 확인한다.
• 바닥 개구율과 챔버 높이를 정해 기류 경사를 검토한다.
• 준공 시험으로 풍속, 차압, 입자 농도를 측정한다.

층류방식의 필요 풍량은 다음 식으로 구한다.

$Q = v \times A$

여기서 Q는 풍량(㎥/s), v는 기류 속도(m/s), A는 기류 방향에 수직인 단면적(㎡)이다. 예를 들어 v = 0.45\,\text{m/s}, A = 10\,\text{㎡}이면 Q = 0.45 \times 10 = 4.5\,\text{㎥/s}이다. 이는 실내 용적 대비 환기횟수로 환산해 검토한다. 결과가 수백 ㎥/s 이상으로 나오면 단면적을 다시 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

클린룸 청정도의 기준은 국제표준인 ISO 14644-1이 기본이다. 이 표준은 미국 연방표준 FED-STD 209E를 대체하기 위해 만들어졌다. ISO 14644-1은 1999년에 처음 발행됐고, 2001년에 209E가 폐지됐다. 현재 ISO 14644 계열은 청정도 분류(14644-1), 시험·감시(14644-2), 시험 방법(14644-3)으로 구성된다. 국내 의료기기·의약품 제조시설은 식품의약품안전처의 청정도 관리 가이드라인을 함께 따른다.

청정도 등급은 크기 0.5µm 이상 입자의 농도(㎥당 개수)로 정한다. 핵심 기준값은 다음과 같다.

고성능 필터의 집진 성능도 함께 기준으로 쓴다. HEPA 필터는 0.3µm 입자에 대해 99.97% 이상의 집진 효율을 가진다. ULPA 필터는 이보다 높은 효율을 가진다. 필터 구간 누설은 시험 기준에 따라 확인한다.

기류 속도와 개구율은 설계 기준의 대략값으로 본다. 층류방식은 천장 급기면과 바닥 배기면의 균일성이 핵심이다. 연구 결과에 따르면 개구율을 10% 수준으로 낮추면 기류 경사가 줄어든다. 챔버 높이가 1.3m 아래로 낮아지면 개구율을 불균일하게 배치하는 것이 효과적이다.

국내 적용 시에는 공조설계와 시험 기준을 함께 본다. 실내 청정도와 공기질 관리 기준은 별도의 공기질 법령과 연계된다. 기준은 발행 연도가 바뀔 수 있으므로 ISO 14644-1 최신판을 기준으로 쓴다.

6. 유형과 비교

클린룸 기류방식은 공기를 공급하고 배출하는 방향과 난류·층류 정도에 따라 나뉜다. 기류방식은 청정도 목표, 설비 비용, 운전 방식에 따라 선택한다. 먼저 난류방식과 층류방식으로 크게 나누고, 층류방식은 다시 수평층류·수직층류·오픈 베이로 나눈다.

난류방식은 설치와 유지 비용이 가장 낮다. 층류방식은 같은 청정도를 더 적은 풍량으로 얻을 수 있다. 다만 기류가 한 방향으로 정렬되어야 하므로 설계 정밀도가 요구된다.