이처럼 민감한 환경을 설계하는 데 있어 "쉬운"이라는 단어는 쉽게 떠오르지 않을 수 있습니다. 하지만 논리적인 순서로 문제를 해결해 나간다면 견고한 클린룸 설계를 완성할 수 있습니다. 이 글에서는 부하 계산 조정, 누출 경로 계획, 클린룸 등급에 맞춘 적절한 기계실 공간 확보 등 실용적인 응용 분야별 팁을 포함하여 각 핵심 단계를 자세히 다룹니다.
많은 제조 공정에는 클린룸에서 제공하는 매우 엄격한 환경 조건이 필요합니다. 클린룸은 복잡한 기계 시스템과 높은 건설, 운영 및 에너지 비용을 수반하기 때문에 체계적인 방식으로 설계하는 것이 중요합니다. 이 글에서는 사람/자재 흐름, 공간 청정도 등급, 공간 가압, 공간 공급 공기 흐름, 공간 공기 배출, 공간 공기 균형, 평가 변수, 기계 시스템 선정, 냉난방 부하 계산 및 지원 공간 요구 사항을 고려하여 클린룸을 평가하고 설계하는 단계별 방법을 제시합니다.
1단계: 사람/자재 흐름을 고려한 레이아웃 평가
클린룸 내부의 사람과 자재 흐름을 평가하는 것은 매우 중요합니다. 클린룸 작업자는 클린룸 오염의 가장 큰 원인이며, 모든 중요 공정은 작업자의 출입문과 통로로부터 격리되어야 합니다.
가장 중요한 공간은 다른 중요도가 낮은 공간으로의 통로가 되지 않도록 단일 출입구를 가져야 합니다. 일부 제약 및 바이오 제약 공정은 다른 제약 및 바이오 제약 공정으로부터 교차 오염될 수 있습니다. 공정 간 교차 오염은 원료 유입 경로 및 격리, 공정 격리, 완제품 유출 경로 및 격리 측면에서 신중하게 평가해야 합니다. 그림 1은 단일 출입구를 갖춘 중요 공정 공간("용제 포장", "골 시멘트 포장")과 작업자 통행량이 많은 구역("가운 착용 구역", "탈의 구역")에 에어록을 완충 장치로 설치한 골 시멘트 시설의 예입니다.
2단계: 공간 청결도 분류 결정
클린룸 등급을 선택하려면 주요 클린룸 등급 표준과 각 청정도 등급별 입자 성능 요구 사항을 아는 것이 중요합니다. 미국 환경과학기술협회(IEST) 표준 14644-1은 다양한 청정도 등급(1, 10, 100, 1,000, 10,000, 100,000)과 각 입자 크기에 따른 허용 입자 수를 규정하고 있습니다.
예를 들어, 클래스 100 클린룸에서는 0.1 마이크론 이상의 입자는 최대 3,500개/입방 피트, 0.5 마이크론 이상의 입자는 최대 100개/입방 피트, 1.0 마이크론 이상의 입자는 최대 24개/입방 피트까지 허용됩니다. 아래 표는 청정도 등급별 허용 공기 중 입자 밀도를 보여줍니다.
클린룸의 청정도 등급은 클린룸 건설, 유지 관리 및 에너지 비용에 상당한 영향을 미칩니다. 다양한 청정도 등급에서의 불량률/오염률과 미국 식품의약국(FDA)과 같은 규제 기관의 요구 사항을 신중하게 평가하는 것이 중요합니다. 일반적으로 공정이 민감할수록 더 엄격한 청정도 등급을 사용해야 합니다. 다음 표는 다양한 제조 공정에 대한 청정도 등급을 제공합니다.
제조 공정의 특성에 따라 더욱 엄격한 청정도 등급이 필요할 수 있습니다. 각 공간에 청정도 등급을 지정할 때는 주의해야 하며, 연결된 공간 간의 청정도 등급 차이는 두 자릿수를 넘지 않아야 합니다. 예를 들어, 100,000등급 클린룸이 100등급 클린룸으로 연결되는 것은 허용되지 않지만, 100,000등급 클린룸이 1,000등급 클린룸으로 연결되는 것은 허용됩니다.
당사의 골 시멘트 포장 시설(그림 1)을 살펴보면, "가운 착용", "미착용" 및 "최종 포장" 공간은 중요도가 낮은 공간으로 ISO 8 등급의 청정도를 유지하고 있습니다. "골 시멘트 에어록"과 "멸균 에어록"은 중요 공간과 연결되어 있으며 ISO 7 등급의 청정도를 유지하고 있습니다. "골 시멘트 포장"은 분진 발생이 잦은 중요 공정으로 ISO 7 등급의 청정도를 유지하고 있으며, "용제 포장"은 매우 중요한 공정으로 ISO 6 등급의 클린룸 내 ISO 5 등급의 층류 후드에서 수행됩니다.
3단계: 공간 가압 측정
인접한 오염도가 높은 청정도 등급 공간과의 관계에서 양압을 유지하는 것은 오염물질이 클린룸으로 침투하는 것을 방지하는 데 필수적입니다. 공간 압력이 중성 또는 음압일 경우 공간의 청정도 등급을 일관되게 유지하기가 매우 어렵습니다. 그렇다면 공간 간의 적절한 압력 차이는 얼마여야 할까요? 여러 연구에서 클린룸으로의 오염물질 침투와 클린룸과 인접한 비제어 환경 간의 압력 차이를 평가했습니다. 이러한 연구들은 0.03~0.05인치 수주압(in wg)의 압력 차이가 오염물질 침투를 줄이는 데 효과적이라는 것을 발견했습니다. 0.05인치 수주압 이상의 압력 차이는 0.05인치 수주압보다 오염물질 침투 제어에 있어 실질적으로 더 나은 효과를 제공하지 않습니다.
압력차가 클수록 에너지 소모가 많아지고 제어가 더 어려워진다는 점을 명심하십시오. 또한 압력차가 클수록 문을 열고 닫는 데 더 많은 힘이 필요합니다. 권장되는 최대 문 압력차는 0.1인치 수주압(wg)입니다. 0.1인치 수주압일 때, 가로 3피트, 세로 7피트 크기의 문을 열고 닫는 데 11파운드의 힘이 필요합니다. 클린룸은 문 사이의 정압차를 허용 가능한 범위 내로 유지하기 위해 재구성해야 할 수도 있습니다.
저희 골 시멘트 포장 시설은 기존 창고 내에 건설되고 있으며, 창고 내부 압력은 중립 압력(0.0인치 수주압)입니다. 창고와 "가운/탈의실" 사이의 에어록은 공간 청정도 등급이 지정되어 있지 않으며, 별도의 압력 설정이 없습니다. "가운/탈의실"의 압력은 0.03인치 수주압이며, "골 시멘트 에어록"과 "멸균 에어록"의 압력은 0.06인치 수주압입니다. "최종 포장" 구역의 압력은 0.06인치 수주압이며, "골 시멘트 포장" 구역은 포장 과정에서 발생하는 분진을 차단하기 위해 "골 시멘트 에어록" 및 "최종 포장" 구역보다 낮은 0.03인치 수주압의 압력을 유지합니다.
'골 시멘트 포장'으로 유입되는 공기는 동일한 청정도 등급의 공간에서 유입됩니다. 청정도 등급이 낮은 공간에서 청정도 등급이 높은 공간으로 공기가 유입되어서는 안 됩니다. '용제 포장' 공간의 압력은 0.11인치 수주압(wg)입니다. 참고로, 중요도가 낮은 공간들 사이의 압력 차이는 0.03인치 수주압이고, 매우 중요한 '용제 포장' 공간과 '멸균 에어록' 공간 사이의 압력 차이는 0.05인치 수주압입니다. 0.11인치 수주압의 공간 압력에서는 벽이나 천장에 특별한 구조적 보강이 필요하지 않습니다. 0.5인치 수주압을 초과하는 공간 압력에서는 추가적인 구조적 보강이 필요할 수 있음을 평가해야 합니다.
4단계: 공간 공급 공기 흐름 측정
클린룸의 공급 공기 흐름을 결정하는 주요 변수는 공간 청정도 등급입니다. 표 3을 보면 각 청정도 등급마다 공기 교환율이 정해져 있습니다. 예를 들어, 클래스 100,000 클린룸은 15~30 ach 범위의 공기 교환율을 갖습니다. 클린룸의 공기 교환율은 클린룸 내에서 예상되는 활동을 고려해야 합니다. 클래스 100,000(ISO 8) 클린룸에서 사용률이 낮고, 입자 발생량이 적은 공정을 수행하며, 인접한 오염도가 높은 클린룸에 비해 공간 압력이 양압인 경우 15 ach가 적합할 수 있습니다. 반면, 동일한 클린룸이라도 사용률이 높고, 출입이 잦으며, 입자 발생량이 많은 공정을 수행하거나 공간 압력이 중립적인 경우에는 30 ach가 필요할 수 있습니다.
설계자는 특정 적용 분야를 평가하여 사용할 공기 교환율을 결정해야 합니다. 공간 공급 공기 흐름에 영향을 미치는 다른 변수로는 공정 배기 공기 흐름, 문/개구부를 통한 유입 공기, 문/개구부를 통한 유출 공기가 있습니다. IEST는 표준 14644-4에서 권장 공기 교환율을 발표했습니다.
그림 1을 보면, "가운/탈의" 구역은 유입/유출 이동 거리가 가장 길지만 공정상 중요한 공간은 아니므로 시간당 20회의 공기 흐름이 발생합니다. "멸균 에어록"과 "골 시멘트 포장 에어록"은 중요한 생산 공간에 인접해 있으며, 특히 "골 시멘트 포장 에어록"의 경우 에어록에서 포장 공간으로 공기가 흐릅니다. 이러한 에어록은 유입/유출 이동 거리가 제한적이고 입자 발생 공정이 없지만, "가운/탈의" 구역과 제조 공정 사이의 완충 역할을 하는 중요한 공간이므로 시간당 40회의 공기 흐름이 발생합니다.
"최종 포장"은 골 시멘트/용제 백을 2차 포장에 넣는 공정으로, 중요도가 높지 않아 처리 속도가 20회/시간입니다. "골 시멘트 포장"은 중요 공정으로 처리 속도가 40회/시간입니다. "용제 포장"은 매우 중요한 공정으로, ISO 6 등급의 클린룸 내 ISO 5 등급의 층류 후드에서 수행됩니다. "용제 포장"은 입출고 거리가 매우 짧고 공정 중 미립자 발생량이 적어 처리 속도가 150회/시간입니다.
클린룸 분류 및 시간당 공기 교환 횟수
공기 정화는 HEPA 필터를 통해 공기를 통과시킴으로써 이루어집니다. 공기가 HEPA 필터를 통과하는 횟수가 많을수록 실내 공기에 남는 미세먼지 입자가 줄어듭니다. 1시간 동안 여과된 공기의 양을 실내 부피로 나누면 시간당 공기 순환 횟수가 계산됩니다.
위에 제시된 시간당 공기 교환 횟수는 단지 설계 기준일 뿐입니다. 방의 크기, 실내 인원 수, 실내 장비, 관련 공정, 열 발생량 등 여러 요소를 고려해야 하므로, HVAC 클린룸 전문가가 정확한 계산을 해야 합니다.
5단계: 공간 공기 유출량 측정
대부분의 클린룸은 양압 상태를 유지하므로, 인접한 저압 공간으로 의도적으로 공기가 배출될 뿐만 아니라, 콘센트, 조명기구, 창틀, 문틀, 벽과 바닥 경계면, 벽과 천장 경계면, 출입문 등을 통해 의도치 않은 공기 누출이 발생합니다. 클린룸은 완전히 밀폐된 공간이 아니며 공기 누출이 존재한다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 밀폐가 잘 된 클린룸이라도 공기 누출률은 1~2% 정도입니다. 이러한 공기 누출이 반드시 나쁜 것은 아닙니다.
첫째, 누출이 전혀 없는 것은 불가능합니다. 둘째, 능동형 급기, 환기 및 배기 공기 제어 장치를 사용하는 경우, 급기, 환기 및 배기 밸브를 정적으로 분리하려면 급기 및 환기 공기 흐름 간에 최소 10%의 차이가 있어야 합니다. 문을 통해 새어 나가는 공기의 양은 문의 크기, 문 양단의 압력 차이, 그리고 문의 밀폐 상태(가스켓, 도어 드롭, 닫힘 정도)에 따라 달라집니다.
계획된 침투/배출 공기는 한 공간에서 다른 공간으로 이동한다는 것을 알고 있습니다. 그렇다면 계획되지 않은 누출 공기는 어디로 갈까요? 이 공기는 스터드 공간 내부를 통과하여 위쪽으로 배출됩니다. 예시 프로젝트(그림 1)를 보면, 3x7피트 크기의 문을 통한 공기 누출량은 정압 차압이 0.03인치 수주압일 때 190cfm이고, 정압 차압이 0.05인치 수주압일 때는 270cfm입니다.
6단계: 공간-공기 균형 결정
공간 공기 균형은 공간으로 유입되는 모든 공기 흐름(공급, 침투)과 공간에서 유출되는 모든 공기 흐름(배기, 누출, 복귀)의 합이 같도록 하는 것입니다. 골 시멘트 시설의 공간 공기 균형(그림 2)을 살펴보면, "용제 포장"은 2,250 cfm의 공급 공기 흐름과 "멸균 에어록"으로 270 cfm의 공기 누출이 있어 1,980 cfm의 복귀 공기 흐름이 발생합니다. "멸균 에어록"은 290 cfm의 공급 공기, "용제 포장"에서 유입되는 270 cfm의 침투 공기, 그리고 "가운/탈의실"로 190 cfm의 누출이 있어 370 cfm의 복귀 공기 흐름이 발생합니다.
"골 시멘트 포장"은 600 cfm의 공급 공기 흐름, "골 시멘트 에어록"에서 190 cfm의 공기 여과, 300 cfm의 집진 배기, 그리고 490 cfm의 환기 공기를 갖습니다. "골 시멘트 에어록"은 380 cfm의 공급 공기와 190 cfm의 배출 공기를 갖습니다. "골 시멘트 포장"은 670 cfm의 공급 공기와 190 cfm의 배출 공기를 "가운/탈의"로 갖습니다. "최종 포장"은 670 cfm의 공급 공기와 190 cfm의 배출 공기를 "가운/탈의"로 갖습니다. "가운/탈의"는 480 cfm의 공급 공기, 570 cfm의 침투 공기, 190 cfm의 배출 공기, 그리고 860 cfm의 환기 공기를 갖습니다.
이제 클린룸의 공급, 침투, 유출, 배기 및 환기 기류를 결정했습니다. 최종 환기 기류는 예상치 못한 공기 유출에 대비하여 가동 시작 시 조정될 예정입니다.
7단계: 남은 변수 평가
평가해야 할 다른 변수들은 다음과 같습니다.
온도: 클린룸 작업자는 입자 발생 및 오염 가능성을 줄이기 위해 일반 옷 위에 작업복이나 전신 보호복을 착용합니다. 이러한 추가 복장으로 인해 작업자의 편안함을 위해 실내 온도를 낮게 유지하는 것이 중요합니다. 실내 온도는 66°F(19°C)에서 70°F(21°C) 사이가 적절하며 쾌적한 작업 환경을 제공합니다.
습도: 클린룸은 공기 흐름이 매우 활발하여 정전기가 많이 발생합니다. 천장과 벽면에 정전기가 많이 축적되고 실내 습도가 낮으면 공기 중 미립자가 표면에 달라붙게 됩니다. 실내 습도가 높아지면 정전기가 방전되면서 포집된 미립자가 단시간 내에 방출되어 클린룸의 규격 미달을 초래합니다. 또한, 높은 정전기는 정전기 방전에 민감한 재료를 손상시킬 수 있습니다. 따라서 정전기 축적을 줄이기 위해 실내 습도를 충분히 높게 유지하는 것이 중요합니다. 최적 습도는 상대 습도(RH) 45% ± 5%로 알려져 있습니다.
층류: 매우 중요한 공정의 경우 HEPA 필터와 공정 사이의 공기 흐름에 오염 물질이 유입될 가능성을 줄이기 위해 층류가 필요할 수 있습니다. IEST 표준 #IEST-WG-CC006은 공기 흐름의 층류 요구 사항을 규정합니다.
정전기 방전: 공간 가습 외에도 일부 공정은 정전기 방전으로 인한 손상에 매우 민감하므로 접지된 전도성 바닥재를 설치해야 합니다.
소음 및 진동 수준: 일부 정밀 공정은 소음과 진동에 매우 민감합니다.
8단계: 기계 시스템 레이아웃 결정
클린룸의 기계 시스템 배치에는 공간 가용성, 예산, 공정 요구 사항, 청정도 등급, 요구되는 신뢰성, 에너지 비용, 건축 법규 및 지역 기후 등 여러 변수가 영향을 미칩니다. 일반 에어컨 시스템과 달리 클린룸 에어컨 시스템은 냉난방 부하를 충족하는 데 필요한 양보다 훨씬 많은 공급 공기를 사용합니다.
클래스 100,000(ISO 8) 이하 및 클래스 10,000(ISO 7) 클린룸에서는 모든 공기를 공조기(AHU)를 통해 순환시킬 수 있습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 환기 공기와 외부 공기는 혼합, 여과, 냉각, 재가열 및 가습 과정을 거친 후 천장에 설치된 HEPA 필터로 공급됩니다. 클린룸 내 오염물질 재순환을 방지하기 위해 환기 공기는 벽면 하단에 설치된 환기구를 통해 유입됩니다. 클래스 10,000(ISO 7) 이상의 클린룸에서는 공기 흐름량이 너무 많아 모든 공기가 공조기를 통과할 수 없습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이, 환기 공기의 일부는 공조기로 다시 보내져 조절됩니다. 나머지 공기는 순환 팬으로 되돌아갑니다.
기존 공기 조절 장치의 대안
팬 필터 유닛(통합 블로어 모듈이라고도 함)은 기존 공기 처리 시스템에 비해 몇 가지 장점을 가진 모듈형 클린룸 여과 솔루션입니다. ISO Class 3 등급의 청정도 요구 사항을 충족하는 소규모 및 대규모 공간 모두에 적용할 수 있습니다. 필요한 팬 필터의 개수는 공기 교환율과 청정도 요구 사항에 따라 결정됩니다. ISO Class 8 클린룸의 경우 천장 면적의 5~15%만 필요할 수 있지만, ISO Class 3 이하의 클린룸에서는 60~100%를 덮어야 할 수도 있습니다.
9단계: 난방/냉방 계산 수행
클린룸 냉난방 계산을 수행할 때 다음 사항을 고려하십시오.
가장 보수적인 기후 조건(난방 설계 99.6%, 냉방 설계 건구/습구 중앙값 0.4%, 냉방 설계 습구/건구 중앙값 0.4% 데이터)을 사용하십시오.
필터링을 계산에 포함시키세요.
가습기 매니폴드의 열을 계산에 포함시키십시오.
계산에 공정 부하를 포함시키세요.
재순환 팬의 열을 계산에 포함시키세요.
10단계: 기계실 공간 확보를 위한 경쟁
클린룸은 기계 및 전기 설비가 많이 필요한 공간입니다. 클린룸의 청정도 등급이 높아질수록 클린룸을 적절히 지원하기 위해 더 많은 기계 설비 공간이 필요합니다. 예를 들어 1,000평방피트 규모의 클린룸을 기준으로 설명하면, 클래스 100,000(ISO 8) 클린룸에는 250~400평방피트의 지원 공간이 필요하고, 클래스 10,000(ISO 7) 클린룸에는 250~750평방피트, 클래스 1,000(ISO 6) 클린룸에는 500~1,000평방피트, 클래스 100(ISO 5) 클린룸에는 750~1,500평방피트의 지원 공간이 필요합니다.
실제 필요한 기계 설비 공간 면적은 AHU의 공기 흐름량과 복잡성(단순형: 필터, 가열 코일, 냉각 코일, 팬; 복합형: 소음 감쇠기, 환기 팬, 배기 섹션, 외부 공기 흡입구, 필터 섹션, 가열 섹션, 냉각 섹션, 가습기, 공급 팬, 배출 플레넘) 및 클린룸 전용 지원 시스템(배기 장치, 재순환 장치, 냉수, 온수, 증기, 탈이온수/역삼투압수)의 수에 따라 달라집니다. 설계 초기 단계에서 프로젝트 건축가에게 필요한 기계 설비 공간 면적을 정확하게 알려주는 것이 중요합니다.
마지막으로
클린룸은 경주용 자동차와 같습니다. 제대로 설계하고 시공하면 매우 효율적인 고성능 기계가 되지만, 잘못 설계하고 시공하면 성능이 저하되고 신뢰성이 떨어집니다. 클린룸에는 잠재적인 문제점이 많으므로, 처음 몇 개의 클린룸 프로젝트는 클린룸 경험이 풍부한 엔지니어의 감독을 받는 것이 좋습니다.
출처: gotocac
게시 시간: 2020년 4월 14일
