클린룸 오염제어 - 공기 흐름(Flow Pattern) 설계 방법

공기 흐름(Flow Pattern) 설계 방법: Unidirectional vs Non-unidirectional

클린룸 오염제어를 위해서 더 긍정적인 설계는 Unidirectional 우리말 번역하면 층류 기류 설계다. 이는 오염 즉시 제거가 가능하기 때문에 더 우수한 설계이다. 반면 Non-unidirectional는 우리말로 난류형 기류이다.

 

클린룸 오염제어를 위한 Flow Pattern 설계는 공정·오염·제조 위험도를 기반으로 한 최적화 전략이 필요하며 아래 요약하였으니 잘 참조 하기 바란다. 

• Unidirectional Flow는 초고청정도, 무균성, 오염 즉시 제거가 필요할 때 적용
• Non-unidirectional Flow는 넓은 공간, 에너지 효율, 중·저청정도 유지에 적합
• 대부분의 클린룸은 두 시스템의 장점을 조합한 Hybrid 방식을 사용

설계 초기 단계에서 올바른 Flow Pattern을 선택하면
✔ 청정도 유지 비용 최소화
✔ 설비 수명 연장
✔ 오염 사고 예방
✔ 제품 품질 보증
이라는 장기적 효과를 얻을 수 있다.

 

아래 그림에서 좌측 Unidirectional 과 우측 Non-unidirectional 기류 형태를 그림으로 표시해 보았는데,

한 눈에 봐도 어느쪽 설계가 클린룸 오염제어에 더 긍정적일지는 물어보지 않아도 알 것이다.

좌측은 공기 흐름(Flow Pattern) - Unidirectional(층류) vs Non-unidirectional(난류)를 설명한 인포그래픽

 

그럼 세부적으로 클린룸 오염제어를 위한 공기 흐름(Flow Pattern) 설계 방법 내용들에 대하여 더 알아 보자

1. 공기 흐름 설계의 중요성 — 청정도·오염제어·압력 안정성의 핵심 요소

클린룸에서 공기 흐름(Flow Pattern)은 단순한 공조 방식 선택이 아니라, 전체 청정도 유지 능력과 오염 제거 효율을 결정하는 근본적 설계 요소다. 클린룸 내부에서 발생하는 입자와 미생물은 눈에 보이지 않지만, 기류 패턴에 따라 제거되거나 재부유하며, 작업자나 장비 표면에 다시 달라붙어 제품 오염을 유발할 수 있다. 특히 반도체·디스플레이·2차전지·바이오·제약 산업에서는 공기 흐름이 곧 제품 품질을 좌우하기 때문에, “어떤 Flow Pattern을 선택할 것인가”는 설계 초기 단계에서 반드시 결정해야 한다.

Flow Pattern 설계에서 고려해야 할 핵심 요소는 다음 네 가지다.

• ① 오염원 발생 위치(사람·장비·공정)
• ② 오염을 가장 빠르게 제거할 수 있는 기류 경로
• ③ 압력 단계 유지에 유리한 구조
• ④ 온·습도 및 에너지 효율 요구 조건

Unidirectional Flow와 Non-unidirectional Flow는 서로 대체 가능한 개념이 아니라, “공정 위험도”와 “요구 청정도 수준”에 따라 선택되는 기술 구조다. 예를 들어 반도체 노광(Exposure) 공정, 무균 충전(Aseptic Filling)과 같은 고위험 구역에서는 반드시 Unidirectional Flow(층류 구조)가 요구되지만, 일반 제조실, 포장구역, 장비 준비실 등에서는 Non-unidirectional Flow가 합리적인 선택이 된다. 결국 Flow Pattern은 청정도 성능뿐 아니라 에너지 비용, 공조 용량, HVAC 설비 용량까지 모두 영향을 미치므로 설계의 최우선 고려 요소라 할 수 있다.

2. Unidirectional Flow(층류) — 직선 기류로 오염을 제거하는 고청정도 기술

Unidirectional Flow는 흔히 “층류(Laminar Flow)”라고 불리며, 공기가 한 방향으로 일정 속도와 방향성을 유지하며 이동하는 기류 형태다. 천장 전체 혹은 일부 영역을 FFU(Fan Filter Unit) 또는 ULPA 필터로 구성해, 고도로 정화된 공기를 수직 또는 수평 방향으로 일정하게 흐르게 한다. 이 기류는 공기 중의 입자와 미생물을 아래(혹은 옆)로 밀어내고, 바닥 또는 벽면의 리턴 덕트를 통해 빠르게 회수해 오염 축적을 방지한다.

 

● Unidirectional Flow의 주요 특징

• 기류 속도: 0.3~0.45 m/s(수직 층류 기준을 국제 표준이 권고)
• 기류 방향 편차: 20~30% 내 유지
• 청정도 유지 능력: ISO Class 4~5 및 GMP Grade A에 필수
• 기류 균일도: 80% 이상의 영역에서 균일한 풍속 확보 필요
• 오염 제거 능력: 미세입자, 연기, 미생물까지 즉각적인 하향 이동

특히 반도체 패턴 공정, 바이오 무균 충전 구역은 오염의 허용 범위가 극도로 낮기 때문에, Unidirectional Flow가 절대적으로 필요하다. 반도체 공정에서는 입자 하나가 불량을 유발할 수 있고, 바이오·제약에서는 미생물 하나가 무균성 실패로 이어질 수 있기 때문이다.

 

● Unidirectional Flow의 장점

• 오염을 실시간으로 제거할 수 있어 초고청정도 유지에 최적화
• 기류의 흐름이 예측 가능하여 Airflow Pattern Validation이 용이
• 공정 민감도가 높은 구역에서 안정적인 환경 유지 가능
• 제품과 작업자를 공정 위험으로부터 보호

● Unidirectional Flow의 단점

• HVAC 용량이 매우 크고, 에너지 비용이 높아진다
• FFU를 수백~수천 개 설치해야 하는 경우도 많아 초기 비용이 높다
• 층류 균일도 확보를 위한 정밀 설계가 반드시 필요
• 장비 배치에 따라 기류가 깨질 수 있어 도면 단계에서 공정 협업이 필수

즉, Unidirectional Flow는 “가장 비용이 많이 드는 기류 방식”이지만, 고위험 제조 환경에서는 대체할 수 없는 기술이다.

3. Non-unidirectional Flow(난류 혼합) — 에너지 효율과 유연성을 위한 일반형 클린룸 기류

Non-unidirectional Flow는 난류(Turbulent Mixing) 또는 혼합 기류 방식이라고 불린다. 공기가 일정 방향 없이 혼합되며 공간 전체로 확산되어 청정도를 유지하는 구조다. 이 방식은 높은 풍량을 필요로 하지 않으며, 천장 급기와 벽체 혹은 바닥 리턴을 통해 공기를 순환시키는 시스템이다. ISO Class 6~8 또는 GMP Grade C·D 구역에서 널리 사용되며, 대부분의 일반 제조·포장 공정에서는 이 방식으로 충분한 청정도를 유지할 수 있다.

 

● Non-unidirectional Flow의 주요 특징

• 공기 흐름이 일정하지 않고 혼합되며 실내 공간 전반에 확산
• 환기 횟수(ACH)를 높게 유지해 전체 오염농도를 낮추는 방식
• 기류 방향보다는 “공조량과 환기균형”이 성능을 결정
• 에너지 효율이 높고 초기 설치 비용이 낮음

이 방식은 오염 제거 속도는 층류보다 느리지만, 작업자가 많은 제조·조립·검사·포장 공정에서는 더 효율적이다. 또한 바이오 제조에서 Grade C·D 구역처럼 미생물 위험도가 낮은 공간에서는 Non-unidirectional Flow가 규정상 적합하다.

 

● Non-unidirectional Flow의 장점

• 공조 부하가 낮아 설치 비용·운영 비용 모두 절감
• HVAC 설계의 유연성 증가
• 장비 배치에 따른 기류 영향이 상대적으로 적음
• 대형 제조실·포장실에서 균일한 환경 확보 용이

● Non-unidirectional Flow의 단점

• 입자 제거 속도가 층류보다 느리다
• 특정 위치에서 오염 정체(Dead Space)가 발생할 위험
• 고위험 공정에는 적용할 수 없음
• 입자·미생물 발생이 많은 장비 근처는 오염이 축적될 수 있음

따라서 난류 혼합 방식은 비용 효율성을 극대화한 디자인이며, 고청정도가 필요 없는 일반 구역의 표준 기류 방식이라 볼 수 있다.

4. Flow Pattern 선택 전략 — 공정 위험도 기반의 ‘혼합 설계(Hybrid)’가 정답

실제 클린룸 설계에서 Unidirectional Flow 또는 Non-unidirectional Flow 중 하나만 선택하는 경우는 거의 없다. 산업별·구역별 위험도, 장비 종류, 인원 밀도에 따라 혼합(Hybrid) 설계를 적용하는 것이 일반적이다.

 

● 대표적인 Hybrid 적용 사례

• 반도체 FAB:
  • 장비 상부(Load Port) → 층류
  • 공정실 전체 → 난류 혼합
• 바이오 무균 제조:
  • A등급 조작면(LAF) → 층류
  • 주변 B등급 → 난류 혼합
• 의약품 조제·준비실:
  • 작업대 위 → 수직층류
  • 작업실 전체 → 혼합 기류

즉, 공간 전체를 층류로 만드는 것이 아니라, 오염 제거가 중요한 위치에만 층류를 집중 배치하는 것이 기술적으로도 경제적으로도 가장 효과적이다.

 

● Flow Pattern 선택을 위한 핵심 체크리스트

1. 공정 제품이 “입자 또는 미생물에 민감한가?”
2. 공정 중 오염 발생 위치는 어디인가?
3. 제거해야 하는 오염원의 종류는 무엇인가?
4. HVAC 용량 대비 에너지 비용은 어느 정도 허용 가능한가?
5. 압력 단계 및 청정도 등급(ISO/GMP) 요구는 무엇인가?
6. 장비 배치로 인해 기류가 방해받지 않는가?
7. 유지보수 접근성과 필터 교체 주기는 적절한가?
8. CFD(유동해석)를 통해 기류 패턴 검증이 가능한가?

Flow Pattern 설계는 단순한 HVAC 기술이 아니라 제품 품질·운영 비용·오염 안전성을 결정하는 엔지니어링 전략이다.

 

종합해 보면  클린룸 오염제어에서는 Unidirectional airflow(일방향 기류, 흔히 층류로 표현됨)가  Non-Unidirectional airflow(비일방향 기류, 난류형 기류)보다 우수하다고 평가되는 이유는 단순히 “공기가 고르게 흐르기 때문”이 아니라, 오염 입자의 발생–이동–정체–재부유(resuspension)라는 오염 메커니즘을 구조적으로 차단할 수 있기 때문이다.