클린룸 오염제어란? 청정도 등급과 핵심 개념 총정리

클린룸 오염제어 알아보기

클린룸 오염 제어는 공기 중 미립자, 미생물, 온도, 습도, 압력 등을 엄격하게 관리하여 제품이나 공정의 품질을 유지하는 것으로, 고성능 필터, 효율적인 기류 설계, 차압 유지, 작업자 통제(복장/동선), 에어 샤워/패스 박스 등 다양한 기술과 절차를 종합적으로 적용합니다. 이는 반도체, 제약, 식품, 의료 등 고청정도가 요구되는 산업에서 필수적이며, 오염원을 차단하고 외부 오염물질의 유입을 막는 것이 핵심입니다

 

클린룸의 정의와 필요성

클린룸(Cleanroom)은 공기중의 미세먼지, 미생물, 화학 오염물질 등을 일정 기준 이하로 유지하도록 설계된 제어 환경을 의미한다.

클린룸 오염 제어가 가능한 룸을 말하는 룸으로 설비가 셋업되기 전의 까끗한 상태

 

1. 클린룸의 개념과 역할 — 오염을 제어하는 인공환경 기술 시스템

키워드:  클린룸 정의, 오염제어, 공정 안정성

클린룸(Cleanroom) 오염제어는 공기 중에 존재하는 미세입자, 미생물, 화학적 오염물질, 초미세 가스까지 일정 기준 이하로 유지하도록 설계된 인공적 청정 공간이다. 외부와 내부의 공기를 완전히 분리하고, 내부에서 발생하는 오염물질까지 지속적으로 제거하며, 제조·연구·검사 과정에서 요구되는 환경을 정밀하게 유지하는 것이 목적이다. 클린룸의 존재 이유는 단 하나다. 오염으로 인한 제품 불량, 안전성 문제, 공정 중단을 방지하는 것.

일반 사무실 공기에는 0.5µm 입자가 1m³ 기준 수백만 개 존재하지만, ISO Class 5에서는 3,520개 이하만 허용된다. 즉, 일반 공기 대비 약 1,000배 이상 청정해야 한다. 이러한 차이는 단순히 "먼지가 많냐 적냐"의 문제가 아니라 생산 품질과 직접 연결된다. 반도체의 회로 선폭은 이미 5nm 이하로 내려갔고, 단 하나의 미세입자만으로도 전기적 단절, 포토레지스트 패턴 결함 등이 발생한다. 바이오 의약품의 경우 단 한 번의 미생물 오염이 전체 배치를 폐기해야 하는 심각한 결과를 초래하며, 무균성 실패는 인체 안전성과 직결된다. 이처럼 클린룸은 제품 품질을 보증하는 핵심 생산 인프라이며, 현대 제조기술에서 없어서는 안 되는 기반 시설로 자리 잡았다.

클린룸은 공조설비(AHU, FFU), 필터(HEPA, ULPA), 기류 방식(층류·난류), 압력 제어, 온습도 조절, 동선 설계, 장비 배치, 오염방지 규칙 등 총체적 시스템으로 구성된다. 특히 공정 특성에 따라 기류 속도와 방향까지 엄격히 규정되며, 작업자 수나 장비 열발생량 등까지 계산되어 운전된다. 이러한 통합적 설계 덕분에 클린룸은 높은 청정도를 지속적으로 유지하며, 외부와 내부의 환경 간섭을 최소화한다.

 

2. 청정도 등급의 구조 — ISO 14644 Class 1~9의 기준과 의미

키워드:   ISO 14644, 청정도 등급, 입자 허용 기준

전 세계에서 가장 폭넓게 사용되는 클린룸 규격은 ISO 14644-1이다. 이 표준은 공기 1m³ 안에 존재하는 특정 크기 이상의 입자 수를 기준으로 청정도를 ISO Class 1~9로 나눈다. 숫자가 작을수록 더 높은 청정 환경을 의미한다. 예를 들어 ISO Class 1은 실험실 수준에서도 구축하기 극도로 어렵고, 반도체 EUV 노광 공정처럼 극미세 구조를 다루는 영역에서만 사용된다. 반면 ISO Class 8은 비교적 낮은 수준의 청정도로, 일반 조립·포장·준청정 제조 구역에서 사용한다.

ISO 등급의 핵심은 “입자 허용치”다.

• ISO Class 5: 0.5µm 3,520개 이하
• ISO Class 7: 0.5µm 352,000개 이하
  두 등급 간 차이는 무려 100배다. 이는 곧 설계, 공조 여자량, 필터 성능, 에너지 비용, 공간 구조가 완전히 달라진다는 뜻이다. 요구 등급이 올라갈수록 공조 시스템은 더 많은 공기를 순환해야 하고, 필터 단계가 강화되며, 작업자 접근 제한도 높아진다.

청정도 등급은 다음과 같은 산업에서 필수 기준으로 적용된다.

• 반도체·디스플레이: ISO Class 1~5
• 의약품 무균 제조: ISO Class 4~5
• 정밀광학·레이저 장비: ISO Class 5~6
• 의약품 일반 제조: ISO Class 7~8
• 의료기기 조립: ISO Class 7~8

ISO 등급은 단순히 공기 청정만을 의미하지 않고, 설계·설비·운영·검증까지 모든 요소에 영향을 주기 때문에 실질적으로 공정의 품질 수준을 결정하는 핵심 기준이다.

 

3. 오염원의 종류와 발생 메커니즘 — 입자·미생물·분자오염의 복합적 관리

키워드:  오염원 분석, Particle, Microbial, AMC

클린룸 오염제어에서 가장 중요한 것은 “무엇을 제어해야 하는가”를 이해하는 것이다. 오염원은 크게 **입자 오염, 미생물 오염, 분자오염(AMC)으로 구분된다.

1) 입자 오염 (Particle Contamination)

입자는 작업자 피부·의복·동작, 장비 마찰, 자재 포장재, 공정 부산물, 유통 공기 등 다양한 경로로 발생한다. 문제는 입자가 눈에 보이지 않을 정도로 작아도, 공정에서는 치명적이라는 것이다. 반도체 회로 간격이 10nm 이하인 시대에 0.1µm(=100nm) 입자는 엄청난 오염원이 된다.

2) 미생물 오염 (Microbial Contamination)

바이오·제약 산업에서는 세균, 곰팡이, 포자 등이 주요 관리 대상이다. 미생물은 공기뿐 아니라 작업자 손·호흡, 장비 표면, 원료, 용기 등 어디에서든 발생할 수 있다. 무균 공정에서 미생물 검출은 전체 배치 폐기, 생산 중단, 규제 불합격, 리콜이라는 막대한 손실로 이어진다.

3) 분자오염 AMC (Airborne Molecular Contamination)

AMCs는 가스 형태의 초미세 오염물질로 반도체·디스플레이 공정에서 특히 문제가 된다. 예: 산성가스, VOC, 유기산, 염기성 가스, 실록산 등.
AMC는 패턴 식각 불량, 광학코팅 손상, 웨이퍼 표면 결함 등 미세한 영향을 주기 때문에 클린룸 운영에서 점점 중요성이 커지고 있다.

이 세 가지 오염원은 서로 복합적으로 작용하므로, 클린룸 운영은 단순한 청소나 필터 교체가 아니라 체계적이고 과학적인 오염제어 전략을 기반으로 수행된다.

 

4. 클린룸 설계·운영의 핵심 기술 — 기류·압력·필터·온습도의 통합제어

키워드: 층류, 난류, 압력차, HEPA·ULPA, 온·습도 제어

고품질 클린룸은 다음 요소가 안정적으로 통합될 때 비로소 성능을 발휘한다.

① 기류 방식 (Laminar Flow vs Turbulent Flow)

고도 청정이 필요한 영역은 수직 또는 수평 층류를 적용해 공기를 한 방향으로 흐르게 해 오염을 즉시 배출한다.
난류는 공기 혼합을 통해 비교적 넓은 공간에서 효율적이지만, 고청정에는 적합하지 않다.

② 압력 차 제어

• 외부 오염 유입 방지 → 양압

내부 위험 물질의 유출 방지 → 음압
압력은 ISO 등급 유지와 오염 흐름 제어에 핵심적이다.

③ 필터 단계: HEPA와 ULPA

HEPA는 99.97%의 고효율을, ULPA는 99.9995% 이상의 초고효율을 제공한다.
ISO Class 5 이상에서는 ULPA 필터가 요구되며, 이는 클린룸 구축 비용을 크게 좌우하는 요인이다.

④ 온도·습도 관리

정밀 제조에서는 공정 변동을 막기 위해 ±1℃ 이하의 온도 편차가 필요하며, 습도는 정전기 발생과 미생물 번식에도 영향을 준다.
온습도는 작업자 쾌적성뿐 아니라 제품 품질에도 직접적인 영향을 준다.

클린룸 운영은 이 모든 요소가 상호 의존적으로 작동하는 시스템이며, 단 한 요소만 실패해도 전체 청정도 유지가 어려워진다. 따라서 클린룸은 환경공학·기계·전기·화학·미생물학 등 다양한 분야의 기술이 결합된 복합 엔지니어링 설비라고 할 수 있다.