[기계설비신문] [클린룸 종류 및 설비①] 클린룸 기본계획

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[클린룸 종류 및 설비①] 클린룸 기본계획 - 기계설비신문

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공기청정은 물론 종합적 오염입자 방지계획 수립 요구

오염입자 발생 최소화·최단 시간 내 배출 방안 마련해야
건설원가·운전에너지 절감 고려한 최적설계기술 개발 필요

 

최근 반도체, 디스플레이, 핸드폰 등 정밀산업분야에서는 고집적화, 고밀도화가 급속히 진행되고, 그에 따라 클린룸에 대한 요구도 급속히 고도화되고 있다. 또한 급속한 기술의 진보와 제품의 회전속도가 빨라짐에 따라 클린룸 건설공기의 단축이 불가피해졌고, 사업결정으로 부터 설계, 시공, 시운전까지 6~12개월로 종료되는 극단적인 예도 나오고 있다. 이와 같은 추세와 함께 클린룸 준공 후의 제조라인 변화에 대한 가변성도 강력히 요구되고 있으며, 국제적인 개발경쟁의 격화, 원화절상 등으로 국제경쟁력이 저하됨에 따라 건설비의 원가절감 및 운전에너지 절감 등을 고려한 최적설계 기술개발의 필요성이 증대되고 있다. /편집자 주

우송정보대학교 에너지클린룸설비과 교수

 

클린룸은 여러 가지 분야의 용도에서 필요하다. 클린룸을 건설한다고 하는 것은 생산 공정의 환경을 만드는 것이다. 그 환경에는 온습도, 청정도 및 기류를 제어한다고 하는 기본 항목과 가스 오염, 정전기, 진동, 소음 등의 요인, 또 생산에 필요한 냉각수, 드라이 에어, 진공, 가스, 배기, 약품 등의 유틸리티, 안전 대책 등 폭넓은 요구항목이 포함돼 있다.

 

클린룸 설계 시 기본계획은 단순한 공기청정화 계획 뿐 아니라 시설의 평면계획, 마감재, 시설의 유지관리, 물품의 반입, 반출, 사람의 출입 등 종합적인 면에서의 오염입자 방지계획을 세워야 한다. 클린룸 설계의 순서는 사업계획, 부지계획에서 출발하며 설계자는 설계를 위한 각종 기본자료를 조사해야 한다. 설계를 위해서 일반적으로 조사되어야 할 사항은 △실내의 요구 청정도 △필요청정실의 크기 △실내의 재실자수 △작업조건 및 작업내용 △실내 온습도 유지조건 및 편차범위 규정 △생산장비의 발열량, 배기량, 배기방식, 전기사용량 △유틸리티(Utility) 요구사항 △실내 조명계획 △클린룸 및 장비의 가동시간 △기타 실내 발생열원 등이다.

 

설계자는 이러한 기본자료와 사용자측으로부터의 특별한 요구조건을 신중히 고려해 클린룸 기본계획(Basic Scheme)의 개념을 정립한다.

 

클린룸 계획 시 고려되어야 할 사항은 △오염입자의 제어 △제조라인의 변화에 따른 가변성 △제조환경의 고정도화 △원가절감 △안전대책 등이다.

 

이러한 기본계획의 개념을 만족하는 클린룸을 완성시키기 위해서는 사용주, 설계자, 시공자, 제조장치 제작자가 일체가 되어 상호간의 사전검토, 협의 및 조정을 하는 것이 필수적이며, 각각의 단위기술의 집적만으로는 만족할 만한 클린룸을 만들 수 없다. 클린룸을 단순한 단위건물로 보지말고 전체의 시스템으로 생각하여 시스템 전체를 정리하고 분석하는 총괄자가 필요하다.

 

공기청정화 계획 시 급기처리의 클린룸에서는 외부로부터 오염입자들이 들어오는 것을 방지해야 하며, 실내에서의 오염입자 발생을 최대한 억제해야 하고, 발생한 실내 오염입자는 실내기류를 타고 확산, 전파되지 않게 최대한 빠른 시간 안에 클린룸 밖으로 배출하여 제거해야 한다.

 

또 클린룸 내에 기류가 재순환되거나 정체됨으로 인한 실내 오염입자의 집적방지가 중요하다. 어떠한 클린룸을 계획하더라도 물건, 사람, 기류의 움직임을 명확히 추정하여 어디로부터 어떤 상태의 오염이 발생하고, 어떤 식으로 오염이 확산하는가를 잘 분석하는 것이 필요하며 이를 위해서는 클린룸 내에서 일어나는 작업공정을 잘 이해할 수 있는 지식을 갖추고 있어야 한다.

 

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◇ 클린룸 계획의 예

클린룸의 계획에 대해 산업용 클린룸을 예를 들어 배치 계획과 건물 계획, 공조 계획에 관해 고려해야 할 항목은 다음과 같다.

 

(1) 계획조건

클린룸의 기본계획은 사용자 측의 생산계획을 파악하는 것이 중요하다. 이러한 생산계획을 기본으로 사용자 측에서는 생산 장치 사양, 필요 대수, 클린룸 내 레이아웃, 동선 계획, 클린룸 내 환경 사양, 유틸리티 사양, 환경보전 계획계획 조건을 정한다. 이 단계로부터 클린룸 엔지니어가 적절한 어드바이스를 실시하는 것이 최적인 클린룸의 구축과 연결된다.

 

→ 그래서 공장을 신규로 세울 때에는 최소 3-5년 사이의 생산계획에 대한 생각이 있어야 목표에 다다른 적절한 설계가 가능하다. 미래를 예측하는 일은 무척 어려운 일인 것은 맞다. 하지만 이러한 계획이 아주 없는 것 보단 있는 것이 좋다. 계획이 없으면 과도한 설비투자가 발생하여 재정적으로 문제가 되는 경우가 있었다. 이러한 일들은 직원들의 불안을 야기하거나 장기적으로는 회사의 평판 등에 영향이 있을 수 있다(개인 의견).

 

 

(2) 기본계획

기본계획에는 배치 계획, 건물 계획, 공조 계획, 유틸리티 계획, 방재 계획, 관련 법규 등의 항목이 있다. 최근에 클린룸을 건설할 경우에는 초기 투자비용이나 운전비용, 환경 영향을 적극적으로 억제하는 것과 공사기간 단축이 중요한 과제가 되어 왔다. 클린룸을 건설할 경우 설정하는 청정도의 레벨은 건설시의 초기 투자비뿐만 아니라, 운전비에도 큰 영향이 있다. 계산에 의하면 등급 6에서 등급 4로 청정도를 올리면, 초기 투자비는 2.2배, 운전비는 2.4배의 비용이 상승된다고 하는 보고도 있다.

이 기본계획의 검토를 사용자와 경험 풍부한 클린룸 메이커 등이 협력하면서 진행하는 것은 지역마다의 적정한 청정도 설정이나 합리적인 비용의 시스템 계획이 가능하게 되어 효과적 수단이라고 말할 수 있다.

 

1) 배치 계획

 

배치 계획에서는 공장 전체의 레이아웃(생산 라인, 기계실, 전기실, 제조배수 영역, 유틸리티 영역, 물류 라인, 사무 영역 등) 검토가 필요하다.

- 제품, 재료의 동선계획 : 제품의 제조 공정이나 재료류의 운반 경로, 교차오염 방지를 고려한 레이아웃 배치.

- 사람의 동선계획 : 작업 인원수나 교대 주기 등을 고려한 전실이나 탈의실, 에어 샤워의 레이아웃 배치.

- 입자, 케미컬 성분, 진동 등의 상호영향 방지 계획 : 청정도가 다른 공정이나 케미컬 성분이 발생하는 공정, 케미컬 오염을 피해야 하는 공정의 분리를 검토한다. 또 진동 등이 발생하는 공정이나 설비(기계실 등)와 진동을 피해야하는 공정의 분리를 검토한다.

- 국소청정화 : ME 채용의 경우 국소 청정화의 방법을 검토한다. 국소 청정화를 클린부스에서 대응하든지 천정에 FFU(Fan Filter Unit)를 증설하는 것으로 대응하든지 등을 결정한다.

- 생산라인과 평면 구성 : 견학자가 일반 의복으로 클린룸을 견학할 수가 있는 견학자 통로를 설치하는 일도 있다. 이러한 검토를 기초로 생산라인의 예를 들면 대공간 스타일로 구축하든지, 베이 스타일로 구축할 것인가 등의 기본 라인 형태의 구성과 실들의 평면 배치를 결정할 필요가 있다.

- 클린룸의 층수 결정 : 클린룸을 복수의 층으로 구축하는 경우는 각층마다 건물의 강성이나 진동 레벨에 차이가 있는 것에 충분히 주의할 필요가 있다. 각 층에서 제조공정이 완결되는 경우, 고층은 진동 때문에 기피하는 공정이나 구조체에 강성이 필요한 공정은 설치가 곤란한 경우도 있다. 또한 복수의 층에서 1개의 제조 공정이 되는 경우는 층간 반송 처리속도나, 진동 문제가 있는 공정은 바닥 강성이 높은 저층 부분에 설치하는 것도 검토한다.

- 1층 단면구성 : 1층의 단면 구성은 바닥 하부 플레넘, 클린룸 실내, 천정 상부 플레넘으로 3개 층과 같은 구조가 일반적이지만, 최근에는 바닥 하부 플레넘에 생산 장치를 설치하는 경우도 증가하고 있어, 한층 더 유틸리티 배관이나 덕트 층을 추가하여 4층 구조로 하는 경우도 있다.

 

→ GMP 공장의 개념설계 단계에서 실시한다. 제약 플랜트, 제약 공장의 개념설계를 담당하는 업체는 국내에 몇군데 안된다. http://biosupport.co.kr/ 참고 및 문의하시길 바람!

 

2) 건물계획

 

앞에서 검토한 클린룸 생산 라인의 레이아웃을 기초로 구체적인 건물의 사양, 공법에 대해 계획한다. 클린룸의 내장재에 요구되는 조건은 벗겨지거나 갈라짐이 없고, 표면이 평활하여 틈새가 적고, 내구성, 내마모성이 있고, 정전기가 발생하기 어렵고, 쉽게 더러워지지 않고 청소가 용이하고, 내산, 내알칼리성이 우수하고, 탈 가스량이 적어야 된다.

 

→ GMP 공장의 개념설계 단계에서 틀을 잡기도 하고, 이 부분은 상세설계에서 명확히 결정되기도 한다. 사양이나 공법을 결정하기도 하고 바닥재, 벽체 등의 재질이나 색상 등을 결정하기도 한다. 제조하는 물질의 성분이 특수하여 특수한 재질이 요구되는 경우에는 개념설계 단계에서 이를 검토하거나 제안하기도 한다. 선택은 물론 사용자의 몫이다

 

3) 공조계획

 

- 공기정화 계획 : 클린룸의 공기정화 계획에는, 오염입자 대책과 용도에 따른 공기 중의 가스상 오염물질 대책, 양쪽이 모두 필요하게 되는 경우가 많다.

- 실내 온습도조절 : 클린룸의 냉방부하는 외기부하, 팬 발열부하, 장치부하, 건물부하, 조명부하, 인체부하의 6개 항목이 있으며, 난방부하는 일반적으로 적고, 연간 냉방이 되는 경우가 많다. 또한 가습부하는 대부분이 외기를 가습하기 위한 부하이다. 클린룸 냉방부하의 큰 비율을 차지하는 장치부하는 생산장치의 동력과 그 부하율 및 냉각수나 열배기로 제거되는 열량에 의해 산출된다. 특히 공정에 의한 부하율에 큰 차이가 있으므로 사용자 측으로부터 받는 정보가 중요하다. 이러한 계획에 있어서 에너지 절감을 고려하는 일도 중요하다.

 

 

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 김규생 교수 news@kmecnews.co.kr