클린룸 오염제어 - 차압 설계 원리

클린룸 오염제어 확산을 막는 핵심 기술 차압 설계 원리

클린룸 오염제어 방지를 위해서 가장 핵심이 클린룸의 양압을 유지 하는 것이다.

그것에 대한 차압 기준은 최소 10Pa 이상의 기준을 만족 해야만 클린룸이 오염되지 않는 적정한 양압 기준이 된다.

아래 표에서 클린룸 오염 확산 방지를 위한 차압 설계의 핵심 구성 요소 요약하여 표로 정리 하였다.

 

클린룸 오염제어 방지를 차압 설계의 핵심 구성 요소 표

항목	설명
차압 기준	ISO 10–20Pa, GMP 10–30Pa
Cascade 압력	High → Low 단계형 구성
Airlock	Interlock, Door delay 필수
Air Volume	Supply > Return(VAV 제어)
누설 관리	문·패널·관통부 기밀성 확보
밸런싱	FFU/덕트 풍량 정밀 조정
모니터링	DP Sensor + BMS 연동

클린룸 오염제어의 핵심 파라메터 클린룸-일반룸 간 차압 측정 모습

 

1. 차압이 필요한 이유 — 오염 확산 방지의 기본 원리 (Pressure Differential Control)

클린룸에서 차압(Pressure Differential)은 단순한 공기압 조절 기술이 아니라 오염의 이동 방향을 결정하는 핵심 기술이다. 오염은 항상 압력이 낮은 곳으로 이동하는 특성을 가지고 있으며, 이 원리를 이용해 클린룸은 외부 오염이 내부로 들어오는 것을 방지하거나, 특정 공정에서 발생하는 유해 입자가 주변으로 퍼지지 않도록 관리한다.
특히 반도체·제약·바이오·식품·정밀조립 산업에서는 미세한 입자나 미생물만 유입되어도 공정 실패, 제품 오염, 무균 기준 위반 등 심각한 품질 문제가 발생하기 때문에 차압 설계는 청정도 유지의 절대 조건이다.

차압 설계의 핵심은 “공기가 더 청정한 구역에서 더 오염된 구역으로 흘러가도록 하는 것”이며, 이를 통해 오염은 Clean → Less Clean 방향으로 자연스럽게 밀려나게 된다. 예를 들어 ISO Class 7 공정실이 ISO Class 8 복도와 연결되어 있을 경우, 공정실의 압력을 더 높게 유지하여 오염된 복도 공기가 내부로 침투하지 못하게 한다.

이때 차압의 기본값은 10~15Pa 수준이 일반적이지만, 바이오·제약과 같은 Grade 기준에서는

• Grade B ↔ C : 10–15Pa
• Grade C ↔ D : 10–20Pa
• 무균 구역 Grade A 주변 : 최소 15Pa
  이와 같은 규정된 최소 차압을 반드시 유지해야 한다.
  즉, 차압 설계는 단순 공조 기능이 아니라 청정도, 미생물 통제, 제품 안전성까지 포함하는 설계 철학이다.

2. 차압 구조 설계 방식 — Positive·Negative Pressure의 전략적 활용 (Clean Zoning Strategy)

차압 설계는 크게 양압(Positive Pressure) 과 음압(Negative Pressure) 로 구성된다. 양압은 외부 오염 유입을 막고, 음압은 위험 물질이 외부로 새어나가는 것을 막는다. 각 산업군에 따라 차압 전략은 크게 달라진다.

 

(1) 양압 설계: 외부 오염 유입 차단

양압은 반도체, 디스플레이, 정밀조립, 일반 제약의 대부분 영역에서 사용된다.
특징은 다음과 같다:

• 깨끗한 공기를 강제로 밀어 넣어 내부 압력을 외부보다 높게 유지
• 문틈 등 누설 경로로 공기가 외부로 빠져 나가는 방식으로 오염유입 차단
• 작업자·자재 이동 시에도 오염 백플로우 방지

양압 구조의 대표 예:

• ISO Class 5 → ISO Class 6 → ISO Class 7 → 복도
• GMP Grade B → Grade C → Grade D → 공용구역

청정도가 높은 공간일수록 압력을 가장 높게 유지하여 오염의 흐름을 완전히 제어한다.

 

(2) 음압 설계: 유해물질 확산 차단

음압은 주로 독성, 냄새, 분진, 용매, 바이러스 등을 다루는 산업에서 사용된다.
예:

• 바이오 안전실 BSL-2·3·4
• 세포배양실의 배기계열
• Hazardous Material 조제실
• 반도체 FAB 내 특정 CMP/유기용매 공정

음압 구조에서는 내부 압력이 더 낮기 때문에 오염이 외부로 흘러 나갈 수 없으며, 오염된 공기는 HEPA/ULPA 또는 스크러버를 통해 정화되거나 배출된다.

 

(3) Cascade 방식의 차압 단계 설계

클린룸은 보통 계단형 차압(Cascade Pressure) 으로 설계한다.
예 (반도체 FAB 기준):

• ISO 5: +35Pa
• ISO 6: +25Pa
• ISO 7: +15Pa
• ISO 8: +5Pa

예 (GMP 기준):

• Grade A: +30Pa
• Grade B: +20Pa
• Grade C: +10Pa
• Grade D: 0~5Pa

이와 같은 단계형 차압이 적용되면 오염은 가장 낮은 쪽으로 자연스럽게 흘러가며, 설비가 일부 정지되더라도 급격한 오염 확산을 방지할 수 있다.

3. 차압 유지 기술 — 공기량 제어, 덕트 밸런싱, 누설 관리 (Pressure Stability Control)

차압 설계가 완성된 후에도 이를 실제로 유지하려면 공기량 제어(ACH), 셸터 누설 관리, 문 개폐 작동, 덕트 밸런싱 등이 모두 안정적으로 운영되어야 한다.
차압이 무너지는 가장 큰 원인은 “HER—Human Error, Equipment Error, Room Leakage Error” 세 가지로 나뉜다.

 

(1) Supply vs Return Air Volume 관리

차압은 결국 공기를 얼마나 더 공급하고 더 적게 배출할 것인가로 결정된다.
공급량(Supply)이 배기량(Exhaust)을 초과하면 양압, 반대면 음압이 된다.
그러므로 초기 설계 단계에서 아래를 반드시 고려해야 한다:

• FFU·HEPA 필터의 실제 풍량
• 배기덕트 임피던스
• 장비 exhaust flow
• Door opening loss
• 크랙, 관통부의 실 누설량

특히 FFU의 필터 막힘으로 공급량이 감소하면 압력이 즉시 무너진다. 따라서 제약·바이오시설에서는 Differential Pressure Sensor + VAV(Variable Air Volume) 조합으로 자동 제어하는 방식이 일반적이다.

 

(2) 덕트 밸런싱(Duct Balancing) 오류는 가장 흔한 문제

덕트 내 풍량 밸런싱이 잘못되면 특정 구역에 과풍 또는 저풍이 발생하고, 이는 곧 압력 불균형으로 이어진다. 밸런싱은 다음 기준으로 수행해야 한다:

• Supply/Return ratio 1~1.2 유지
• 각 Room별 지정 Pa를 실측하여 맞추기
• FFU 및 그리드별 풍량 동등성 확보
• 장비 배기량 변화 대비 여유계수 확보

밸런싱 오류는 “기류 방향이 갑자기 뒤집히는 현상”을 만들기 때문에 오염 확산을 유발하는 가장 위험한 요인이다.

 

(3) 누설(Leakage) 관리

클린룸은 완전한 밀실이 아니며,
문, 패널 조인트, 케이블/배관 관통부 등에서 자연적 누설이 발생한다.
누설이 많으면 공급량과 배기량이 일정해도 차압이 유지되지 않는다.
따라서 차압 설계에는 다음 항목이 포함되어야 한다:

• 밀폐 시공 품질 검증
• Door seal, gasket 관리
• 관통부 실링
• Airlock의 Interlock 테스트
• 최종 단계의 Room Integrity Test

GMP 시설에서는 Integrity Test가 최소 연 1회 필수이며, 반도체 FAB에서도 주요 공정실에는 정기 테스트가 권장된다.

 

4. 안정적인 차압 운전을 위한 실무 설계 팁 — Airlock, Door System, 모니터링 (Operational Safeguards)

차압 설계에서 기술적인 HVAC 요소만큼 중요한 것이 문(door) 시스템과 Airlock 설계이다. 문 개폐에 따라 순간적으로 차압이 급변하는데, 이를 제어하지 않으면 아무리 잘 설계된 차압 구조도 쉽게 무너진다.

 

(1) Airlock 설계는 차압의 핵심

Airlock은 차압 변동을 완충해주는 버퍼룸(Buffer Room) 역할을 한다.
설계 기준:

• 차압 차이: 최소 10Pa
• 양문 동시 개폐 방지 Interlock
• Door delay(5~10초) 적용
• Air shower, pass box 등과 연동
• 상/하부 그릴의 균형 확보

Airlock이 없거나 Interlock이 작동하지 않으면 Clean Zone 전체가 단 몇 초 만에 Class가 무너질 수 있다.

 

(2) 도어(문) 구조 설계

클린룸 도어는 일반 문과 다르며 반드시

• 기밀 gasket
• 자동 닫힘
• 차압에 대한 내구성
• 누설량 시험
  을 통과해야 한다.
  특히 큰 차압(20Pa 이상)을 유지할 때는 문이 자연히 열리거나 휘는 문제가 발생할 수 있으므로 Door closer 및 차압 보완 장치가 필수적이다.

(3) 차압 모니터링 시스템

현대 클린룸은 디지털 센서 기반으로 차압을 실시간 모니터링한다.
추천 구성:

• Differential Pressure Sensor (각 구역별 설치)
• BMS/FMS 연동
• Alarm 및 Trend 모니터링
• 자동 풍량 조절 VAV 시스템

바이오/GMP 공정에서는 차압 Log 유지가 규정이며, 반도체 FAB에서도 주요 공정실에 차압 Monitoring이 필수다.