"쉬운"이라는 단어는 이처럼 민감한 환경을 설계하는 데 적합하지 않을 수 있습니다. 하지만 그렇다고 해서 논리적인 순서로 문제를 해결한다고 해서 견고한 클린룸 설계를 할 수 없다는 것은 아닙니다. 이 글에서는 각 핵심 단계부터 부하 계산 조정, 배기 경로 계획, 클린룸 등급에 따른 적절한 기계실 공간 확보를 위한 유용한 애플리케이션별 팁까지 다룹니다.
많은 제조 공정에는 클린룸이 제공하는 매우 엄격한 환경 조건이 필요합니다. 클린룸은 복잡한 기계 시스템과 높은 건설, 운영 및 에너지 비용을 필요로 하기 때문에 체계적인 클린룸 설계를 수행하는 것이 중요합니다. 본 논문에서는 사람/자재 흐름, 공간 청정도 분류, 공간 가압, 공간 공급 기류, 공간 공기 배출, 공간 공기 균형, 평가 변수, 기계 시스템 선택, 냉난방 부하 계산, 지원 공간 요건 등을 고려하여 클린룸을 평가하고 설계하는 단계별 방법을 제시합니다.
1단계: 사람/자재 흐름에 대한 레이아웃 평가
클린룸 내의 사람과 자재 흐름을 평가하는 것이 중요합니다. 클린룸 작업자는 클린룸의 가장 큰 오염원이므로 모든 중요 공정은 작업자 출입문과 통로에서 분리되어야 합니다.
가장 중요한 공간은 다른 덜 중요한 공간으로의 통로가 되지 않도록 단일 접근로를 가져야 합니다. 일부 제약 및 생물제약 공정은 다른 제약 및 생물제약 공정으로부터 교차 오염에 취약합니다. 공정 간 교차 오염은 원료 유입 경로 및 격리, 재료 공정 격리, 완제품 유출 경로 및 격리에 대해 신중하게 평가해야 합니다. 그림 1은 단일 접근로를 갖춘 중요 공정("용매 포장", "골시멘트 포장") 공간과, 사람이 많이 드나드는 구역("가운", "언가운")으로의 완충 역할을 하는 에어락을 모두 갖춘 골시멘트 시설의 예입니다.
2단계: 공간 청결도 분류 결정
클린룸 등급을 선택하려면 주요 클린룸 등급 기준과 각 등급별 미립자 성능 요건을 파악하는 것이 중요합니다. 환경과학기술연구소(IEST) 표준 14644-1은 다양한 등급(1, 10, 100, 1,000, 10,000, 100,000)과 다양한 입자 크기별 허용 입자 수를 규정합니다.
예를 들어, 클래스 100 클린룸은 0.1마이크론 이상 입자의 경우 최대 3,500개/입방피트(ft³)까지, 0.5마이크론 이상 입자의 경우 최대 100개/입방피트(ft³)까지, 1.0마이크론 이상 입자의 경우 최대 24개/입방피트(ft³)까지 허용됩니다. 다음 표는 청정도 분류표에 따른 허용 가능한 공기 중 입자 밀도를 보여줍니다.
공간 청정도 분류는 클린룸의 건설, 유지 관리 및 에너지 비용에 상당한 영향을 미칩니다. 다양한 청정도 분류 및 식품의약국(FDA)과 같은 규제 기관의 요건에 따른 불량률/오염률을 신중하게 평가하는 것이 중요합니다. 일반적으로 공정이 민감할수록 더욱 엄격한 청정도 분류를 적용해야 합니다. 다음 표는 다양한 제조 공정에 대한 청정도 분류를 보여줍니다.
제조 공정의 고유한 요구 사항에 따라 더욱 엄격한 청정도 등급이 필요할 수 있습니다. 각 공간에 청정도 등급을 지정할 때는 주의해야 합니다. 연결된 공간 간의 청정도 등급 차이가 두 자릿수(100,000등급)를 넘지 않아야 합니다. 예를 들어, 클래스 100,000 클린룸이 클래스 100 클린룸으로 연결되는 것은 허용되지 않지만, 클래스 100,000 클린룸이 클래스 1,000 클린룸으로 연결되는 것은 허용됩니다.
뼈 시멘트 포장 시설을 살펴보면(그림 1), "가운", "비가운" 및 "최종 포장"은 덜 중요한 공간이며 클래스 100,000(ISO 8) 청결도 분류를 가지고 있고, "뼈 시멘트 에어록" 및 "멸균 에어록"은 중요한 공간에 개방되어 있으며 클래스 10,000(ISO 7) 청결도 분류를 가지고 있습니다. "뼈 시멘트 포장"은 먼지가 많은 중요한 공정이며 클래스 10,000(ISO 7) 청결도 분류를 가지고 있고, "용매 포장"은 매우 중요한 공정이며 클래스 1,000(ISO 6) 클린룸의 클래스 100(ISO 5) 층류 후드에서 수행됩니다.
3단계: 공간 압력 결정
인접한 더 더러운 청정도 분류 공간과 관련하여 양압을 유지하는 것은 오염 물질이 클린룸으로 침투하는 것을 방지하는 데 필수적입니다. 공간의 가압이 중성 또는 음압일 경우 청정도 분류를 일관되게 유지하는 것은 매우 어렵습니다. 공간 간 공간 압력 차이는 어떻게 해야 할까요? 다양한 연구에서 클린룸으로의 오염 물질 침투와 클린룸과 인접한 비제어 환경 간의 공간 압력 차이를 비교 평가했습니다. 이 연구들은 0.03~0.05인치 wg의 압력 차이가 오염 물질 침투를 줄이는 데 효과적임을 발견했습니다. 0.05인치 wg 이상의 공간 압력 차이는 0.05인치 wg보다 오염 물질 침투 제어에 있어 실질적으로 더 나은 결과를 제공하지 못합니다.
공간 압력 차이가 클수록 에너지 비용이 높아지고 제어가 더 어렵다는 점을 명심하세요. 또한, 압력 차이가 클수록 문을 열고 닫을 때 더 많은 힘이 필요합니다. 문 전체에 권장되는 최대 압력 차이는 0.1인치(WG)입니다. 0.1인치(WG)일 경우, 3피트 x 7피트(9.6m x 21.6m) 크기의 문을 열고 닫는 데 11파운드(5.5kg)의 힘이 필요합니다. 문 전체의 정압 차이를 허용 범위 내로 유지하려면 클린룸 스위트를 재구성해야 할 수도 있습니다.
저희 골시멘트 포장 시설은 기존 창고 내에 건설 중이며, 공간 압력은 중립(0.0인치 wg)입니다. 창고와 "가운/언가운" 사이의 에어락에는 공간 청정도 분류가 없으며, 지정된 공간 가압도 없습니다. "가운/언가운"의 공간 가압은 0.03인치 wg입니다. "골시멘트 에어락"과 "멸균 에어락"의 공간 가압은 0.06인치 wg입니다. "최종 포장"의 공간 가압은 0.06인치 wg입니다. "골시멘트 포장"의 공간 가압은 0.03인치 wg이며, 포장 중 발생하는 먼지를 억제하기 위해 "골시멘트 에어락"과 "최종 포장"보다 낮은 공간 압력을 갖습니다.
'뼈 시멘트 포장'으로의 공기 여과는 동일한 청정도 분류를 갖는 공간에서 발생합니다. 공기 침투는 더 더러운 청정도 분류 공간에서 더 깨끗한 청정도 분류 공간으로 이동해서는 안 됩니다. "용매 포장"의 공간 가압은 0.11인치 wg입니다. 참고로, 덜 중요한 공간 간의 공간 압력 차이는 0.03인치 wg이고 매우 중요한 "용매 포장"과 "멸균 공기 잠금 장치" 간의 공간 차이는 0.05인치 wg입니다. 0.11인치 wg의 공간 압력에는 벽이나 천장에 대한 특수 구조 보강이 필요하지 않습니다. 0.5인치 wg를 초과하는 공간 압력은 추가 구조 보강이 필요할 가능성이 있는지 평가해야 합니다.
4단계: 공간 공급 공기 흐름 확인
공간 청정도 분류는 클린룸의 공급 공기 흐름을 결정하는 주요 변수입니다. 표 3을 보면, 각 청정도 분류에는 공기 교환율이 있습니다. 예를 들어, 클래스 100,000 클린룸은 15~30 ach의 범위를 갖습니다. 클린룸의 공기 교환율은 클린룸 내 예상 활동을 고려해야 합니다. 점유율이 낮고, 입자 발생 공정이 적으며, 인접한 더 더러운 청정도 공간과 비교하여 양압 공간 가압을 갖는 클래스 100,000(ISO 8) 클린룸은 15 ach를 사용할 수 있습니다. 반면, 점유율이 높고, 출입이 잦고, 입자 발생 공정이 많거나, 공간 가압이 중립인 동일한 클린룸은 30 ach가 필요할 것입니다.
설계자는 특정 적용 분야를 평가하고 사용할 공기 교환율을 결정해야 합니다. 공간 공급 공기 흐름에 영향을 미치는 다른 변수로는 공정 배기 공기 흐름, 문/개구부를 통해 유입되는 공기, 그리고 문/개구부를 통해 배출되는 공기가 있습니다. IEST는 표준 14644-4에 권장 공기 교환율을 공표했습니다.
그림 1을 보면, "가운/언가운"은 가장 많은 출입 이동량을 가졌지만 공정상 중요한 공간은 아니어서 20개/ch.의 공간을 차지합니다. "멸균 에어락"과 "골시멘트 포장 에어락"은 주요 생산 공간에 인접해 있으며, "골시멘트 포장 에어락"의 경우 공기가 에어락에서 포장 공간으로 흐릅니다. 이러한 에어락은 출입 이동량이 제한적이고 미립자 발생 공정이 없지만, "가운/언가운"과 제조 공정 사이의 완충 장치로서 매우 중요하기 때문에 40개/ch.의 공간을 차지합니다.
"최종 포장"은 골 시멘트/용매 백을 2차 포장재에 담는 과정으로, 이는 중요하지 않으며 각 포장재당 20회 포장됩니다. "골 시멘트 포장"은 중요한 공정으로 각 포장재당 40회 포장됩니다. "용매 포장"은 클래스 1,000(ISO 6) 클린룸 내 클래스 100(ISO 5) 층류 후드에서 수행되는 매우 중요한 공정입니다. "용매 포장"은 출입이 매우 제한적이고 공정 중 미립자 발생이 적어 각 포장재당 150회 포장됩니다.
클린룸 분류 및 시간당 공기 교체
공기 청정은 HEPA 필터를 통과하는 공기를 통해 이루어집니다. 공기가 HEPA 필터를 더 자주 통과할수록 실내 공기에 남아 있는 미세먼지는 줄어듭니다. 1시간 동안 정화되는 공기량을 실내 부피로 나누면 시간당 공기 교환 횟수를 알 수 있습니다.
위에 제시된 시간당 공기 교환량은 설계 기준일 뿐입니다. 실내 크기, 사용 인원, 장비, 관련 공정, 열 획득량 등 여러 요소를 고려해야 하므로 HVAC 클린룸 전문가가 직접 계산해야 합니다.
5단계: 공간 공기 배출 흐름 확인
대부분의 클린룸은 양압 상태이므로, 계획된 공기가 정압이 낮은 인접 공간으로 유출되고, 전기 콘센트, 조명 기구, 창틀, 문틀, 벽/바닥 경계면, 벽/천장 경계면, 출입문을 통해 예상치 못한 공기 유출이 발생합니다. 클린룸은 밀폐되지 않아 누출이 발생할 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 밀폐 상태가 양호한 클린룸의 경우 누출률은 1~2%입니다. 이 누출이 심각한 문제일까요? 반드시 그렇지는 않습니다.
첫째, 누출이 전혀 없는 것은 불가능합니다. 둘째, 능동적인 급기, 복귀 및 배기 제어 장치를 사용하는 경우, 급기, 복귀 및 배기 밸브를 정적으로 분리하기 위해 급기와 복귀 공기 흐름 사이에 최소 10%의 차이가 있어야 합니다. 도어를 통해 배출되는 공기량은 도어 크기, 도어 양단의 압력 차이, 그리고 도어의 밀봉 상태(개스킷, 도어 드롭, 클로저)에 따라 달라집니다.
계획된 침투/배출 공기가 한 공간에서 다른 공간으로 이동한다는 것을 알고 있습니다. 계획되지 않은 배출 공기는 어디로 갈까요? 공기는 스터드 공간 내부에서 방출되어 상부로 배출됩니다. 예시 프로젝트(그림 1)를 살펴보면, 3x7피트(약 1.9m x 2m) 문을 통한 공기 배출은 차압이 0.03인치(wg)일 때 190cfm이고, 차압이 0.05인치(wg)일 때 270cfm입니다.
6단계: 우주 공기 균형 결정
공간 공기 균형은 공간으로 유입되는 모든 공기 흐름(공급, 침투)과 공간에서 유출되는 모든 공기 흐름(배기, 여과, 복귀)을 합한 값입니다. 골시멘트 시설의 공간 공기 균형(그림 2)을 살펴보면, "용매 포장"의 공급 공기 흐름은 2,250cfm이고, "멸균 공기 잠금 장치"로의 공기 배출은 270cfm이며, 복귀 공기 흐름은 1,980cfm입니다. "멸균 공기 잠금 장치"의 공급 공기 흐름은 290cfm이고, "용매 포장"에서 유입되는 공기 흐름은 270cfm이며, "가운/언가운"으로의 배출은 190cfm이며, 복귀 공기 흐름은 370cfm입니다.
"Bone Cement Packaging"은 600cfm의 공급 공기 흐름, "Bone Cement Air Lock"에서 190cfm의 공기 여과, 300cfm의 집진 배기, 그리고 490cfm의 복귀 공기를 갖습니다. "Bone Cement Air Lock"은 380cfm의 공급 공기, "Bone Cement Packaging"으로의 190cfm의 배출, 670cfm의 공급 공기, "Gown/Ungown"으로의 190cfm의 배출을 갖습니다. "Final Packaging"은 670cfm의 공급 공기, "Gown/Ungown"으로의 190cfm의 배출, 그리고 480cfm의 복귀 공기를 갖습니다. "Gown/Ungown"은 480cfm의 공급 공기, 570cfm의 침투, 190cfm의 배출, 그리고 860cfm의 복귀 공기를 갖습니다.
이제 클린룸의 급기, 침투, 배출, 배기 및 복귀 기류를 결정했습니다. 최종 공간 복귀 기류는 계획되지 않은 공기 배출을 위해 시동 중에 조정될 것입니다.
7단계: 나머지 변수 평가
평가가 필요한 다른 변수는 다음과 같습니다.
온도: 클린룸 작업자들은 미립자 발생 및 잠재적 오염을 줄이기 위해 일반 작업복 위에 작업복이나 전신 보호복을 착용합니다. 작업복이 두껍기 때문에 작업자들의 편안함을 위해 작업 공간 온도를 낮추는 것이 중요합니다. 작업 공간 온도 범위는 섭씨 18도에서 21도 사이가 쾌적합니다.
습도: 클린룸의 높은 공기 흐름으로 인해 큰 정전기가 발생합니다. 천장과 벽의 정전기가 높고 공간의 상대 습도가 낮으면 공기 중 미립자가 표면에 부착됩니다. 공간의 상대 습도가 증가하면 정전기가 방전되고 포집된 모든 미립자가 단시간 내에 방출되어 클린룸의 사양을 벗어나게 됩니다. 높은 정전기는 정전기 방전에 민감한 재료를 손상시킬 수도 있습니다. 정전기 축적을 줄이기 위해 공간의 상대 습도를 충분히 높게 유지하는 것이 중요합니다. RH 또는 45% + 5%가 최적의 습도 수준으로 간주됩니다.
층류: 매우 중요한 공정에서는 HEPA 필터와 공정 사이의 공기 흐름에 오염 물질이 유입될 가능성을 줄이기 위해 층류가 필요할 수 있습니다. IEST 표준 #IEST-WG-CC006은 공기 흐름 층류 요건을 제시합니다.
정전기 방전: 공간 가습을 넘어 일부 공정은 정전기 방전 손상에 매우 민감하며 접지된 전도성 바닥을 설치해야 합니다.
소음 수준 및 진동: 일부 정밀 공정은 소음과 진동에 매우 민감합니다.
8단계: 기계 시스템 레이아웃 결정
클린룸의 기계 시스템 배치에는 공간 가용성, 가용 자금, 공정 요건, 청정도 등급, 필요한 신뢰성, 에너지 비용, 건축법규, 그리고 지역 기후 등 여러 변수가 영향을 미칩니다. 일반 에어컨 시스템과 달리, 클린룸 에어컨 시스템은 냉난방 부하를 충당하는 데 필요한 것보다 훨씬 많은 공급 공기를 사용합니다.
클래스 100,000(ISO 8) 이하 클래스 10,000(ISO 7) 클린룸에서는 모든 공기가 AHU를 통과할 수 있습니다. 그림 3을 보면, 환기와 외기는 혼합, 여과, 냉각, 재가열, 가습 과정을 거친 후 천장의 HEPA 필터로 공급됩니다. 클린룸 내 오염 물질 재순환을 방지하기 위해 환기는 낮은 벽면의 환기구로 흡입됩니다. 클래스 10,000(ISO 7) 이상 및 더 깨끗한 클린룸의 경우, 기류가 너무 높아 모든 공기가 AHU를 통과할 수 없습니다. 그림 4를 보면, 환기의 일부는 공조를 위해 AHU로 다시 보내집니다. 나머지 공기는 순환 팬으로 돌아갑니다.
기존 공기 처리 장치의 대안
통합 블로워 모듈이라고도 하는 팬 필터 장치는 기존 공기 처리 시스템에 비해 몇 가지 장점을 갖춘 모듈식 클린룸 여과 솔루션입니다. ISO 3등급 이하의 청정도 등급을 가진 소형 및 대형 공간에 모두 적용됩니다. 공기 교환율과 청정도 요건에 따라 필요한 팬 필터의 개수가 결정됩니다. ISO 8등급 클린룸 천장은 천장 면적의 5~15%만 필요하지만, ISO 3등급 이상의 청정 클린룸은 60~100%의 면적이 필요할 수 있습니다.
9단계: 난방/냉방 계산 수행
클린룸 난방/냉방 계산을 수행할 때 다음 사항을 고려하세요.
가장 보수적인 기후 조건을 사용합니다(99.6% 난방 설계, 0.4% 건구/중간 습구 냉방 설계, 0.4% 습구/중간 건구 냉방 설계 데이터).
계산에 필터링을 포함하세요.
가습기 매니폴드 열을 계산에 포함합니다.
계산에 프로세스 부하를 포함합니다.
계산에 재순환 팬 열을 포함합니다.
10단계: 기계실 공간을 차지하기 위한 싸움
클린룸은 기계적, 전기적으로 많은 에너지를 소모합니다. 클린룸의 청정도 등급이 높아질수록 클린룸을 충분히 지원하기 위해 더 많은 기계 인프라 공간이 필요합니다. 1,000제곱피트(약 30평) 규모의 클린룸을 예로 들어보면, 클래스 100,000(ISO 8) 클린룸은 250~400제곱피트(약 7.5~10.7평), 클래스 10,000(ISO 7) 클린룸은 250~750제곱피트(약 12.7~13.7평), 클래스 1,000(ISO 6) 클린룸은 500~1,000제곱피트(약 4.7~13.7평), 클래스 100(ISO 5) 클린룸은 750~1,500제곱피트(약 13.7~14.7평)의 지원 공간이 필요합니다.
실제 지원 면적은 AHU의 공기 흐름 및 복잡성(단순: 필터, 가열 코일, 냉각 코일, 팬; 복합: 소음기, 리턴 팬, 릴리프 공기 섹션, 외기 흡입구, 필터 섹션, 가열 섹션, 냉각 섹션, 가습기, 급기 팬, 배출 플레넘)과 전용 클린룸 지원 시스템(배기, 재순환 공기 장치, 냉수, 온수, 증기, DI/RO 수)의 수에 따라 달라집니다. 설계 과정 초기에 프로젝트 설계자에게 필요한 기계 장비 공간 면적을 전달하는 것이 중요합니다.
마지막 생각
클린룸은 경주용 자동차와 같습니다. 제대로 설계되고 제작되면 고효율의 성능을 발휘하는 기계입니다. 하지만 설계와 제작이 부실하면 제대로 작동하지 않고 신뢰성이 떨어집니다. 클린룸에는 여러 가지 잠재적인 위험이 있으므로, 처음 몇 건의 클린룸 프로젝트는 풍부한 클린룸 경험을 가진 엔지니어의 감독을 받는 것이 좋습니다.
출처: gotopac
게시 시간: 2020년 4월 14일
