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클린룸
클린룸(Cleanroom) 또는 청정실(淸淨室)이란 공기 중 입자들의 농도가 제어되도록 지어졌으며, 먼지의 발생, 유입, 유보가 최소화되도록 되어 있고, 다른 관계된 수치인 온도, 습도, 그리고 압력이 요구에 따라 제어되는 방을 의미한다.
목차
개요
클린룸은 공기 중의 미세한 부유 먼지가 극히 적고, 그 방이 요구하는 청정도가 언제나 유지되고 있는 방을 뜻한다. 일반적으로 온습도에 대해서도 고도한 관리가 요구된다. 정밀 기계 공장, LSI공장, 병원의 수술실 등의 용도에 쓰인다.
- 산업용 크린룸(Industrial Clean Room, ICR)
반도체 및 디스플레이, 이차전지 및 배터리를 만들기 위한 기본적인 생산 환경이다. 삼성전자, LG디스플레이, LG이노텍, SK하이닉스, 에코프로, 엘앤에프 등 IT 기기를 생산하는 모든 회사들의 제품들은 기본적으로 클린룸에서 생산된다. 그 외 식품의 생산, 의약품의 생산 및 연구와 같이 깨끗함을 요구하는 공간에도 사용된다.
- 바이오 크린룸(Biological Clean Room, BCR)
병원 내 수술실 및 음압병동 등에서 세균침입 방지 및 전염병보균 환자의 균이 실외로 방출 노출을 막고자 하는곳에서 사용한다.
이미 폐기되었으나 현재 가장 많이 사용하는 기준은 FED-STD-209D이다. 현재 공식적으로는 ISO 14644-1을 기준으로 한다. 단위는 일반적으로 단위 체적당 Particle의 갯수로 나타내며, FED-STD-209D와 ISO 14644-1간의 정의가 동일하여 이를 이용한 호환이 가능하다.
특징
클린룸이란 특수 공조설비를 이용해 청정한 공기를 내부에서 계속 순환하게 하여, 실내에 부유중인 입자들을 고성능 필터를 통해 여과할 뿐만 아니라 온도, 습도, 음압 및 조도 등 환경적인 요소들을 모두 제어할 수 있는 밀폐된 공간을 말한다. 등급에 따라 입자의 수까지 관리할 수 있는 것이 특징이다.
클린룸에는 다양한 기기들을 시공해서 청정환경을 조성하는데, 특히 메인 장비가 들어가는 천장부에는 FFU, BFU, HFU 등을 설치해서 외부의 공기를 여과한 뒤 내부로 토출하기도 하고, 내부의 공기를 흡입하여 먼지를 제어하기도 한다. 이외에도 항온항습기, 에어샤워, 크린부스, 패스박스 등 다양한 장비들을 시공할 수 있다.
클린룸의 분류기준
- 청정도 기준: 보통 클린룸의 청정도를 구분할 때는 Class라는 단위를 쓴다. 일반적으로 우리나라에서 이르는 Class의 기준은 미국의 FED STD 209E 기준으로 1 세제곱피트당 0.5µm 이상의 입자의 총합을 기준으로 한다. 국제 기준으로는 ISO 14644-1가 있고, 가장 높은 청정도까지 구분이 되어 있다. 그 밖에 BS 5295, EU-GMP, SPS-KACA001-131 등이 있으며, 클린룸 규격과 조건에 대한 기준이 나와 있다.
- 공기 순환 기준: 클린룸은 대체로 난류형과 층류형으로 구분된다. 난류형은 일반적인 건물에서도 많이 쓰는 방식으로, 이중에서 공기를 급기하여 외부로 밀어내거나 희석시키는 방식인데 여기에 필터를 끼얹은 형태를 갖추고 있다. 이러한 형태는 값이 싸고 대부분의 시설에서 필요한 수준의 청정도를 확보할 수 있고, 결정적으로 설치/유지 보수가 싸다. 층류형에 대해서는 후에 자세히 다루겠다.
- 구조 기준: 난류형에는 딱히 기준이 없지만 층류형 클린룸은 몇 가지 종류가 있다. AHU, CTM, OpenBay, FFU 방식이 있으며, 순서대로 비싸고, 성능이 좋으며 초기 비용도 많이 들어간다. 층류형은 난류형에서 환기시키는 방식; 유동으로 배기나 희석을 통해 입자의 집중을 막고 희석시켜 청정도를 얻지만, 층류형은 그대로 공기 전체를 밀어내는 식으로 천장 전체에서 급기시키고, 바닥 전체에서 배기시키는 것이 일반적이다. 난류에 비해 층류는 훨씬 많은 질량 유동을 갖게 되므로 난류 유동보다 더 느린 유속으로도 더 많이 더 빠르게 오염 물질; 입자를 배출시킬 수 있다. 특히 난류에서 일어나는 와류는 입자들을 지속적으로 부유시키고 유입되는 입자들을 가둠으로써 이러한 입자들이 서로 만나 성장하게 만들고, 이렇게 성장 입자는 결국 침강하다 제품을 오염시키고 불량을 유발하게 된다.
구조
CLEAN 덕트 컨벤션 방식
천장에 필터를 설치하고 벽면에 흡입구를 만들고 덕트를 통해 기계실에 있는 항온항습기로 이어지고 블로워를 통해 공기를 순환시키는 방식이다. 가장 일반적인 방식으로 시설비 및 유지비용도 적절한 편이다.
팩케이지 컨벤션 방식
항온항습기와 필터가 일체화된 설비를 클린룸 내부에 두어 가동하는 방식이다. 흔히 가정용 에어컨 또는 공기청정기와 비슷한 원리이며 가장 저렴하고 가장 청정도가 낮은 방식이다.
팩케이지 컨벤션 + 실내 덕트
팩케이지 컨벤션 방식에서 필터의 배기부에 덕트를 연결에서 천장에 배기구에서 배기하는 방식이다. 팩케이지 컨벤션 방식 보다는 조금더 나은 기류를 만들 수 있으며 그에따라 청정도도 높아진다.
팩케이지 상부 FFU 방식
팩케이지 컨벤션 방식에서 필터부분만 제거하고 천장에 FFU와 FFU 흡기구를 단 방식이다. 팩케이지 컨벤션 방식 보다는 높은 청정도를 만들 수 있다.
수직층류 방식
반도체, 디스플레이 공정에서 주로 사용되고 CLASS 1,000이상의 현존하는 클린룸 중에서 가장 높은 청정도를 얻기위한 방식이다. 설치하는게 가장 복잡하고 비용도 많이 든다. 실제 삼성에서 사용하는 클린룸을 기준으로 작성했다.
일반적으로 수직층류방식 클린룸은 3층 구조로 이루어져 있다.
3층인 Supply Plenum 층에는 FFU가 FAB(fabrication) 층을 향해 빼곡히 박혀있다.
2층인 FAB 층에는 주 생산 라인이 있다. 실제 반도체, 디스플레이등을 생산하는 공정설비들과 물류설비등이 위치해있다. 바닥에는 그레이팅이라고 하는 구멍 뚫린 타일이 있어 1층인 RP층으로 기류가 흘러서 오염된 공기를 RP층으로 빼낸다.
1층인 Return Plenum 층에는 클린룸의 온습도 유지를 위한 건코일(Dry Coil)와 대기압을 유지하기 위한 설비들이 있고 FAB 층의 공정 설비에 기체(질소,수소 등 공정용 가스), 전기, 약품, 공정용 진공(PV), 청소용 진공(CV), 공정용 압축공기(CDA), 초순수등을 공급하기 위한 배관과 설비들과 유기, 알칼리, 산성, 중성 폐수 등을 밖으로 빼내기 위한 배관들과 유기, 알칼리, FA, 냄새, 긴급, 일반배기 등등 배기 덕트들과 전선들이 지나다니는 트레이와 공정설비들의 제어반들이 빼곡하게 들어서 있다.
수직층류 방식 클린룸이 청정도를 유지하는 방식은 SP 층에서 FFU를 통해 분진을 포집한 깨끗한 공기를 FAB층으로 공급해 주면 FAB 층이 무진 상태를 유지할 수 있고 오염된 공기는 FAB 층의 바닥에 그레이팅을 통해 RP 층으로 빠지게 된다. 위에서 아래로 곧장 기류가 흐르는 특성상 와류가 발생하지 않는다. RP 층에서 항온항습과 기압, 산소농도등의 파라미터가 제어된 공기는 다시 SP 층으로 덕트를 통해 올려보내서 SP 층의 FFU가 분진을 포집해서 청정한 환경을 유지할 수 있다.
수평층류 방식
수직층류 방식을 옆으로 눕힌거라고 보면 된다. 병원의 무균실 및 특수 수술실에서 사용한다. 수직층류방식에 비해 기류가 불안정해서 내부에서 발생된 분진이 빠져나가지 못하고 바닥에 잔류하게된다. 수직층류방식 보다는 청정도가 낮은편이지만 위에서 설명한 팩케이지 방식들 보다는 훨씬 높은 청정도를 만들 수 있다.
CLASS(클래스) 등급
클린시설을 통해 꼼꼼히 청정도를 관리하는 이유는 실내에 부유하고 있는 많은 먼지(dust)와 분진(Particle) 등이 작업을 방해하거나, 제품의 품질의 문제를 일으키기 때문이다. 이러한 먼지와 분진은 공기 혹은 가스 그리고 액체에 존재하는 고체형태의 물질을 말하는데, 고체형태의 물질은 크기에 따라 분류를 할 수 있다.
입자의 크기를 나타낼 때는 μm(마이크로미터)라는 단위를 사용하는데, 보통 1μm 보다 큰 입자를 미립자(dust)라고 하며, 1μm보다 작은 것을 분진(Particle) 등으로 구분한다. 1μm는 1000분의 1mm의 크기로 미세먼지가 10μm인 것과 비교하면 상당히 작은 입자이다.
CLEAN ROOM을 시공할 때는 그 시공해야 하는 장소와 규격에 맞게 등급이 정해져 있다. 이 등급은 'CLASS(클래스)'라고 하는 단위로 나타내는데, 이 클린룸 CLASS에도 여러 기준이 있다.
미연방기준(US FED STD 209E)
'미연방기준'의 경우 가로,세로,높이가 약 30cm인 1입방피트의 공기중에 포함된 0.5μm이상 크기의 입자 수가 얼마나 되는가를 기준으로 청정도 등급을 나눈다. 만약, 클린룸 CLASS 1,000 이라고 하면, 0.5μm이상 크기의 입자 수가 1,000개 이하인 공간을 뜻한다.
보통 우리가 생활하는 공간에는 0.5μm이상의 미립자가 1입방피트 중에 300,000개 이상이 분포하고 있다고 하니, CLASS 100 혹은 CLASS 1,000은 상당히 청정한 공간이라고 할 수 있다.
ISO 기준
'ISO 기준'은 ISO 14644-1 규격으로 많이 알려져 있다. ISO기준의 경우 0.1μm 이상 크기의 입자가 1㎥ 안에 몇 개가 포함되는지에 따라 클린룸 CLASS를 나눈다. 예를 들어, 'ISO CLASS 3'의 경우 1㎥내에 0.1μm 이상의 입자가 1,000개 이내에 포함되는 청정도를 의미한다.
한국의 경우, 미연방기준을 많이 사용한다. 반도체 작업장의 경우 보통 클린룸 CLASS 100이하의 고청정도를 요구하는데, 연마 및 웨이퍼공정의 경우 CLASS 10이하의 슈퍼 크린룸 등을 시공하기도 한다. GMP공정이나 무균실험실, 마스크공장 등도 대부분 CLASS 1,000이하를 요구한다.
클린룸에 들어가는 법
출입하기 위해서는 스막룸에서 방진복을 착용해서 신체로부터 나오는 분진을 차단하고 방진의류에 있는 분진을 제거하기 위해 에어샤워를 하게 된다.
설비 등을 반입하기 위한 PASSBOX를 사용하여 2중문 구조로 되어서 1차 문을 열어 밖에서 반입한 뒤 1차 문을 닫고 설비를 1, 2차문 사이의 전실에서 포장을 해체하고 에탄올 등으로 클리닝한 다음 2차문을 열어서 설비를 반입하게 된다. 이때 SHOWERING PASSBOX를 사용 할 경우 1차 문을 닫은 뒤 설정 된 시간만큼 송풍기를 이용한 바람이 필터를 거처 PASSBOX 내부의 파티클을 제거 후 2차 측 문이 열리게 된다.
필요 시 옮겨야 할 설비가 클 경우 대차용 PASSBOX를 사용.
1, 2차문을 동시에 개방하는걸 양문개방이라고 하는데 양문개방을 하면 클린룸의 청정도 또는 온도 습도가 다를 경우 파티클이 유입되며 FFU도 오염되게 된다. 무엇보다 분진도 유입돼서 품질사고가 나기 딱 좋기 때문에 클린룸에서는 비상시나 특별한 이유가 있는 게 아닌 이상 평시에는 절대 양문개방을 하지 않는다.
삼성의 클린룸에서는 1차문조차도 작업, 반입등의 이유로 일정 시간 이상 열고 있으면 "문을 닫아주세요. 공정에 막대한 영향을 끼칩니다"라고 귀가 아플 정도로 경고방송이 울린다.
참고자료
- 〈클린룸〉, 《나무위키》
- 〈청정실〉, 《위키백과》
- 〈클린 룸〉, 《대한건축학회 건축용어사전》
- 케이에스엘, 〈클린룸 CLASS(클래스) 규격 알아봅시다〉, 《네이버 블로그》, 2021-01-14
같이 보기
