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클린룸 설비 기초① - 기계설비신문
고성능 필터를 통한 오염입자 완벽한 제거작업공간 온·습도, 압력 등 제어기술 필요클린룸 설비는 산업용과 바이오용 클린룸 현장에서 부유 입자, 온도, 습도, 압력, 정전기, 소음, 진동 등을 요
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첨단·바이오 산업 인프라 구축을 위한 필수 설비
고성능 필터를 통한 오염입자 완벽한 제거
작업공간 온·습도, 압력 등 제어기술 필요
클린룸 설비는 산업용과 바이오용 클린룸 현장에서 부유 입자, 온도, 습도, 압력, 정전기, 소음, 진동 등을 요구되는 수준으로 제어하는 기술이다. 현재 국내에서 반도체 등 첨단 산업현장이나 바이오 관련 현장에서 설계, 설치공사나 운영유지관리 시 업무수행에 필요한 클린룸 설비의 전반적인 내용을 소개하고자 하며, 우선 클린룸의 정의, 규격, 등급, 종류, 시스템 및 적용분야, 설비의 구성, 구성기기 등의 내용을 소개하고자 한다. /편집자 주
◇ 클린룸이란
클린룸은 부유 입자 농도가 필요한 수준으로 제어되고, 다른 요소인 온도, 습도, 압력, 정전기, 소음, 진동 등 변수들도 요구되는 수준으로 제어되고 있는 공간이라고 정의되고 있다.
클린룸의 역사는 19세기에 세균이 발견된 후 오염물질이 제거된 청정공간의 필요성이 인식되기 시작한 이래 20세기의 본격적인 산업발달과 함께 청정공간에 대한 요구가 급증하면서 시작됐다.
특히 2차 대전 중 항공기의 주요고장 원인이 기계, 전자부품의 생산 및 운용 시 부품에 부착되는 분진에 의한 것임이 밝혀져 미국 국방성의 주도로 청정공간에 대한 연구가 수행되고 이 결과가 각 산업분야로 전파되면서 클린룸 연구와 활용이 활성화됐다.
현대에는 과학산업, 첨단기술 산업의 시대로 그 첨단기술의 초정밀화, 고순도화, 고도화, 무균화 추세에 맞춰 첨단제품의 수율과 성능을 향상시키기 위해 초청정 기술은 필수적인 핵심 요소기술이며 생산 관련 인프라설비 기술이 요구되고 있다.
클린룸은 입자의 유입, 발생, 보유를 최소화하기 위한 실이다. 입자농도를 최소화하기 위해 첫째, 클린룸은 고성능 필터에 의해 오염입자가 제거된 대량의 공기를 공급함으로써 달성된다.
이 청정한 공기는 1)실 내부에 있는 작업자나 기계에서 발생되는 입자와 박테리아를 희석 또는 배출해 제거하는데 사용되거나, 2)실 내부를 양압으로 만들어 외부의 오염된 공기가 클린룸 내부로 유입되지 못하도록 하기 위해서 사용된다.
둘째, 클린룸은 입자가 발생되지 않고 쉽게 청소할 수 있는 재질로 건설된다.
셋째, 클린룸 작업자는 작업자로부터 발생하는 입자와 미생물의 확산을 최소화하기 위한 무진 관련 복장을 사용한다. 이같은 다양한 방법들은 클린룸에서의 오염물질의 유입, 발생, 체류를 최소화하기 위한 것이다.
클린룸에서는 주로 공업제품의 제조 공정에 이용되는 산업용 클린룸(Industrial Clean Room)과 바이오 및 의료 분야에서 이용되는 바이오 클린룸(Biological Clean Room)이 있다.
반도체, 전자산업, 정밀산업, 신소재, 우주항공, 유전공학, 의료 및 제약산업 등과 같은 초청정 공간을 필요로 하는 산업이 급격하게 발달되면서 초청정 공간을 생성하고 유지하기 위한 클린룸 제작기술 또한 급속히 발전해 왔다.
특히 반도체 제조 공정에 있어서 제품 품질이나 수율에 영향을 미치는 요인의 하나인 미립자에 의한 결함을 줄이기 위한 클린룸을 실현시키기 위해서는 HEPA 필터나 ULPA 필터라고 하는 고성능 필터에 의한 청정 공기의 공급과 청정공간 유지를 위한 온도, 습도, 실내 압력 제어 등 많은 제어 기술이 필요하게 된다.
이러한 필터의 포집성능 향상과 함께 세균까지 제거할 수 있게 되어 바이오 클린룸이 1965년부터는 병원에 설치되기 시작했으며, 의학적 실험을 위한 무균생물의 배양에도 큰 진전을 보게 됐다.
◇ 클린룸의 규격
생산하는 제품의 품질향상과 신뢰성 확보를 위해서는 제조공정 중 제어해야 할 오염물질의 크기와 종류에 따라 클린룸의 청정도를 설정해야 한다.
대기 중에 부유하는 오염입자의 크기가 0.01㎛~100㎛정도이므로 이러한 크기의 입자들을 주어진 작업공간에서 어느 규정치 이하로 제어하기 위하여 세계 여러 나라는 나름대로의 기준을 사용하고 있다.
국가별 규격은 미국연방규격(Federal Standard 209 E; 2001년 폐지), 일본공업규격 (JIS B 9920), 영국규격협회규격 (CBS 5295-1), 독일연방엔지니어협회규격 (VDI 2083)이 있으며, 국제적인 규격화의 필요성에 의해 국제표준 ISO(International Organization for Standardization)규격(ISO 14644-1)이 만들어지게 됐다.
미국연방규격은 국제 표준인 ISO 규격으로 대체 되었지만, 아직도 클린룸 실무 분야에서는 사용되고 있다. 미국연방규격에서는 클린룸의 청정도를 등급화시킬 때 0.5㎛ 입자를 기준으로 단위 입방피트(1 ft³)당 0.5㎛보다 큰 입자의 수를 가지고 나타내고 있다.
예를 들어, 클린룸 클래스(Class) 100 이란 어느 특정공간의 단위 입방피트당 0.5㎛보다 큰 입자의 수가 100개 미만인 청정도를 가지는 클린룸을 의미한다. 따라서 클래스가 작아질수록 더욱 청정한 클린룸을 나타낸다.
일반적으로 실내공간을 미국연방규격클래스의 정의로 표현하면 클래스 500000 정도에 해당한다고 할 수 있다.
현재 클린룸 관련 국제표준 ISO규격은 한국공기청정협회를 포함해 각국을 대표하는 협회나 단체가 국가회원으로 되어 있는 국제오염제어기구연합인 ICCCS(International Confederation of Contamination Control Societies)에서 클린룸 ISO 규격 제정을 주도하여 작업을 해오고 있다.
ISO 규격 제정에 따라 지금까지 사용돼 온 미국연방규격은 2001년 11월에 폐지됐다.
그러나 미국연방규격 Fed. Std. 209 D의 단위 입방피트(1 ft³)당 입자 최대 허용 입자수로 클래스를 나타내는 표현 방법은 실무 현장에서는 ISO규격과 병용되어 지속적으로 사용되고 있는 것이 현실이다.
◇ 클린룸 등급
1. ISO 청정도 등급
산업용 클린룸에서 청정도 등급은 ISO 14644-1에 의해 ‘공기청정도 등급(Classification of Air Cleanliness)’으로 규정됐다. ISO 청정도 등급은 다음 식에 기초해 분류된다.
- Cn: 고려하는 입자직경 이상의 크기를 가진 부유입자의 최대허용농도(개/㎥),
- 유효숫자는 3자리수이며 정수가 되도록 반올림한다.
- N: ISO 등급 번호. 9를 초과하지 않고 0.1씩 증가하면서 사용될 수 있다.
- D: 고려하는 입자직경(㎛), 0.1: ㎛ 단위를 갖는 상수
위 식으로 부터 부유입자의 최대허용농도(등급 한계)는 임의의 입자직경에 대해서도 계산할 수 있다. 그리고 ISO 청정도 등급들은 미국연방규격 209 D/E 등급과 비교해서 설명될 수 있는데, ISO 기준에서 ㎥당 입자의 농도를 35.2로 나누면 ft³당 개수로 환산된다.
2. 제약용 클린룸 등급
의약품 제조를 위한 클린룸은 자체적인 기준이 존재한다. 가장 널리 사용되고 있는 것은 유럽연합(European Union)과 미국에 의해 발표된 것이다.
1) KGMP 청정도 기준
품질이 보장된 우수한 의약품을 제조, 공급하기 위하여 제조소의 구조. 설비를 비롯, 의약품의 원료, 자재 등의 구입으로부터 제조, 포장 등 모든 공정관리와 출하에 이르는 제조 및 품질관리 전반에 걸쳐 지켜야 할 사항을 규정한 기준을 GMP(Good Manufacturing Practice)라 말하고, KGMP는 한국에서 GMP규정을 말한다.
2) EU GGMP(Guide to Good Manufactu ring Practice) 기준
가장 최근에 유럽에서 사용된 제약용 클린룸 등급은 1997년 1월부터 시행됐다. 이것은 GMP(Good Manufacturing Practice)에 대한 유럽연합 지침(EU GMP)으로 칭해 진다.
무균 약품의 제조를 위해 4개 공기청정도 등급이 존재하고, 비운전상태에서의 입자농도 조건은 15-20분 정도의 짧은 청소시간 후, 작업완료 후에 달성되어야 한다.
3) 미국 기준
미국은 FDA 및 USP25(United State Pharmacopeia)에 공기청정도 등급을 제시돼 있고, 바 이오 클린룸에서 대상으로 여겨지는 생물 입자를 규정하는 미국 항공우주국 규격은 NHB 5340-2이다.
미립자의 취급은 생물 미립자에 대해서는 그 크기에 관계 없이 단위 면적당 부유 균수와 단위면적 당에 일정 기간 중에 낙하하는 낙하균수로 규정하고 있다.
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