오늘은 현대 산업에서 핵심적인 역할을 하는 클린룸 설계에 대해 심도 있게 알아보겠습니다. 이 가이드는 클린룸의 기본 개념부터 고급 설계 요소까지 폭넓게 다룰 예정이니, 클린룸 프로젝트를 앞두고 계신 분들뿐만 아니라 건축가와 엔지니어 분들에게 큰 도움이 될 것입니다.
클린룸의 정의와 중요성
클린룸은 공기 중의 미립자, 에어로졸, 화학 증기 등의 오염물질을 엄격히 제어하는 특수 환경입니다. 주로 제약, 바이오테크놀로지, 의료기기, 반도체, 나노기술 분야에서 사용되며, 제품의 무결성을 보장하고 연구나 생산 과정에서의 오염을 방지하는 것이 주요 목적입니다.
클린룸 분류 체계
클린룸은 주로 두 가지 기준으로 분류됩니다:
a) ISO 14644-1 기준:
- ISO 클래스 1-9로 분류
- 0.1μm에서 5μm 크기의 입자 수를 기준으로 함
예: ISO 5는 0.3μm 크기의 입자가 1m³당 10,200개 이하여야 함
b) EU GMP 기준:
- Grade A, B, C, D로 분류
- 제약 산업에서 주로 사용
- '작동 중(in operation)'과 '정지 상태(at rest)' 조건을 구분하여 평가
클린룸의 핵심 요소
a) 공기 여과 시스템:
- HEPA (High Efficiency Particulate Air) 필터: 0.3μm 크기의 입자를 99.97% 이상 제거
- ULPA (Ultra Low Penetration Air) 필터: 0.12μm 크기의 입자를 99.9995% 이상 제거, 더 높은 등급의 클린룸에 사용
b) 공기 흐름 패턴:
- 단일 방향 흐름 (Unidirectional flow): 층류 형태로 한 방향으로 흐름, 고청정도 요구 시 사용
- 비단일 방향 흐름 (Non-unidirectional flow): 난류 형태, 덜 엄격한 환경에 적합
- 혼합 흐름 (Mixed flow): 두 가지 방식을 조합하여 사용
c) 압력 차이:
- 양압 유지로 외부 오염물질의 유입 방지
- 일반적으로 인접 구역과 10-15 Pa의 압력 차이 유지
- 더 높은 청정도가 요구되는 구역일수록 더 높은 양압 유지
d) 온습도 제어:
- 정밀한 온습도 제어로 제품 품질 및 공정 안정성 확보
- 일반적으로 ±0.5°C, ±5% RH 이내의 정밀도 요구
- 에어락 (Airlock) 시스템
에어락이란?
에어락은 서로 다른 청정도를 가진 구역 사이의 완충 지대 역할을 하는 중요한 요소입니다.
a) 에어락의 주요 기능:
- 압력 차이 유지
- 공기 흐름 제어
- 오염물질의 유입 방지
- 인원 및 물자의 이동 통제
b) 에어락의 종류:
- 인원용 에어락: 작업자의 출입을 위한 공간
- 물자용 에어락: 원료, 장비, 제품 등의 이동을 위한 공간
- 패스박스(Pass box): 소형 물품 이동을 위한 특수 에어락
- 에어샤워: 입자 제거를 위한 고속 공기 분사 시스템이 있는 에어락
c) 에어락 설계 고려사항:
- 크기: 예상 통행량과 장비 크기를 고려하여 결정
- 도어 인터락 시스템: 한 쪽 문이 열리면 다른 쪽은 잠기는 시스템 적용
- 압력 차이: 일반적으로 10-15 Pa의 압력 차이 유지
- 공기 교환 횟수: 보통 분당 20-30회 이상의 공기 교환 필요
- 표면 마감: 쉽게 청소할 수 있는 매끄러운 표면 처리
- 조명: 충분한 조도 확보 (최소 500 lux)
d) 고급 에어락 기능:
- 음성 안내 시스템
- 생체 인식 출입 통제
- 실시간 입자 모니터링 시스템
- 자동 소독 시스템 (예: UV 살균)
특수 천장 시스템
a) Walkable 천장 (Walkable Ceiling): 보행이 가능한 강화 천장 시스템
주요 특징:
- 높은 하중 지지력 (보통 1.2 kN/m² 이상)
- 필터, 조명, 스프링클러 등 통합 설치 가능
- 유지보수를 위한 쉬운 접근성 제공
- 적용 분야: 대형 클린룸, 제약 시설, 반도체 공장
설계 고려사항:
- 구조적 안정성 확보
- 기밀성 유지
- 정전기 방지 처리
- 내화학성 고려
b) Plenum 천장 (Plenum Ceiling): 천장과 지붕/상부 바닥 사이의 밀폐된 공간
주요 기능:
- 공기 분배 및 회수
- 설비 배관 및 덕트 수용
- 압력 균형 유지
설계 고려사항:
- 높이: 일반적으로 600-1200mm
- 청소 및 유지보수를 위한 접근성 확보
- 방화 구획 설계결로 방지 대책 수립
플레넘 천장의 종류:
- 공급 플레넘 (Supply plenum)
- 리턴 플레넘 (Return plenum)
- 혼합 플레넘 (Mixed plenum)
HVAC 시스템 설계
클린룸의 핵심인 HVAC 시스템 설계에는 다음과 같은 요소들을 고려해야 합니다:
a) 공기 처리 장치 (AHU) 선정:
- 필요 풍량 계산: 일반적으로 클린룸 부피의 60-100배/시간
- 온습도 제어 능력: ±0.5°C, ±5% RH 이내의 정밀도 확보
- 에너지 회수 시스템 통합 (예: 열회수 휠, 판형 열교환기)
b) 덕트 설계:
- 저속 설계로 난류 및 소음 최소화
- 내부 표면 처리로 먼지 축적 방지
- 댐퍼 및 밸런싱 장치 적절 배치
c) 필터 시스템:
- 프리필터 → 미디엄 필터 → HEPA/ULPA 필터의 다단계 구성
- 필터 교체 주기를 고려한 설계
클린룸 벽체 시스템
a) 모듈식 클린룸 패널:
- 샌드위치 구조 (금속 외피 + 단열재 코어)
- 두께: 보통 50-100mm
- 특징: 높은 기밀성, 쉬운 설치 및 수정, 내화학성 및 내구성
b) 벽체 마감:
- 무진 도료 또는 에폭시 도장
- 항균 처리된 재료 사용
- 코너 및 접합부 라운딩 처리
바닥 시스템
a) 에폭시 코팅:
- 내마모성 및 내화학성
- 정전기 방지 처리
- 쉬운 청소 및 유지보수
b) 비닐 시트:
- 무접합 시공으로 기밀성 확보
- 다양한 등급의 정전기 방지 기능
c) raised floor 시스템:
- 설비 배관 및 케이블 수용
- 공기 분배에 활용 가능
- 하중 지지력 고려 필요
조명 시스템
a) LED 조명:
- 에너지 효율성
- 긴 수명으로 유지보수 최소화
- 발열 최소화
b) 조도 기준:
- 일반 작업 영역: 500-750 lux
- 정밀 작업 영역: 1000-1500 lux
c) 설치 방식:
- 천장 매립형
- 플러시 마운트로 먼지 축적 방지
모니터링 및 제어 시스템
a) 입자 모니터링:
- 실시간 입자 계수기 설치
- 데이터 로깅 및 경보 시스템
b) 환경 모니터링:
- 온습도, 압력차, 풍속 등 실시간 모니터링
중앙 제어 시스템과 연동
c) 접근 제어:
- 생체 인식 시스템
- 전자 잠금 장치
- 이력 관리 시스템
안전 및 비상 시스템
a) 화재 감지 및 진압:
- 연기 감지기 및 스프링클러 시스템
- 가스계 소화 설비 (전자 장비 보호용)
b) 비상 전원:
- UPS (무정전 전원 공급 장치)
- 비상 발전기
c) 가스 감지 시스템:
- 유해 가스 누출 감지기
- 자동 환기 시스템 연동
클린룸 설계는 고도의 전문성과 정밀함을 요구하는 분야입니다. 이 가이드가 여러분의 프로젝트에 도움이 되길 바라며, 항상 최신 기술과 규정을 참고하시기 바랍니다. 클린룸 설계로 산업의 발전에 기여하시길 바랍니다!
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