품질?서비스의 고도화에 공헌하는 클린룸 - 포장산업 뉴스

- 국제 규격으로 생산 라인의 요구에 대응 / 병원 등에서 도입 확대 / 재생 의료 시설에도 활용 / 식물 공장에 기술 응용 /

클린룸은 청정한 공간을 실현하는 시설이며 제품 품질이나 서비스의 고도화에 공헌하고 있다. 공기 중 티끌이나 유기 화합물, 세균을 저감하여 온도, 습도 등을 제어한다. 반도체 제조 전용 등 공업용 클린룸과 의료 현장용 등 바이오로지컬 클린룸(bio logical clean room)이 있다. 자동차의 제조나 식물 공장의 운영 등에서도 활용되고 있다.

클린룸의 청정도는 단위 체적 당 입자 지름, 개수 등에 의해서 구분되고 있다. 공업용 클린룸 관련의 국제 규격은 국제 표준화 기구(ISO)의 ISO14644-1로, 청정도 규격을 정하고 있다. 최고 레벨의 클린룸은 ISO 클래스 1로 불리고 있어 0.1 마이크로미터 이상의 입자가 1입방미터에 10개 이하라고 규정되고 있다. 클래스 1부터 클래스 2, 클래스 3까지의 상위 레벨을 슈퍼 클린룸으로 간주하고 있다.

클린룸은 청정 공간의 기류가 흐르는 방법에 따라 여러 방식이 있다. 일반적인 것으로서 공기 중 미세 물질 제거에 적절한 HEPA 필터를 통과한 공기를 천장에서 실내의 사방으로 배출하여 벽면 하부부의 흡입구를 경유해 순환시키는 난류 방식이 있다. 수직 층류 방식은 HEPA 필터를 통과한 공기를 천장 전면으로부터 배출하여 마루면의 그레이팅(grating) 아래로 흡입하여 순환시킨다. 수평 층류 방식은 다른 한쪽의 벽면에 HEPA 필터를 배치하고 반대 측의 벽면에서 흡입하여 순환시킨다. 이 외에 개방된 공간에서 측면에 설치한 청정 장치로부터 기류를 취출하여 클린화하는 방식 등이 등장하고 있다.

공업용 클린룸은 반도체 제조 공장이나 박형 디스플레이(FPD) 제조 공장의 생산 라인으로 사용되고 있다. 또한 2차전지 제조 장치 등의 각종 제조 장치의 조립 현장에서도, 클린룸이 대응하고 있다. 자동차 엔진을 구성하고 있는 300개 이상의 부품을 수작업으로 조립하는 공정 전용에도 클린룸에 의한 청정한 공간이 요구되고 있다. 이물이 엔진에 혼입되어 성능에 악영향을 주는 것을 피하기 위함이다.

공업용 클린룸은 각종 디바이스의 연구 개발에도 사용되고 있다. 예를 들면 0.1 마이크로미터 이상의 입자가 1입방미터에 1,000개 이하의 청정도를 실현하는 슈퍼 클린룸이 디바이스 등의 설계, 시범 제작, 평가, 실증이라는 연구 개발을 지원하고 있다. 이러한 슈퍼 클린룸은 팬 필터 유닛(FFU)에 의한 천장에서 마루면으로의 한 방향류 방식으로 공기를 순환시키고 있다. 냉수?온수에 의한 에너지 절약형 공조 설비나 뜻하지 않는 순간 정전에 대비하는 대용량 순간 정지 보증 장치도 도입되고 있다.

공업용 클린룸은 제조되는 디바이스의 고집적화나 미세화에 따라 고청정 환경이 필요하게 되어 청정화를 위한 공기 반송 등의 에너지 소비도 증가하고 있다. 따라서 요구 청정도의 고조와 투입할 수 있는 에너지?비용의 제약을 양립시키기 위하여 청정 환경을 줄이는 국소 청정화가 도입되고 있다.

생산 품목의 변경이나 제조 장치의 교체가 많은 반도체나 FPD(평판 디스플레이)의 제조 공장용으로 생산 라인 변경에 맞게 기류의 송풍 위치를 유연하게 바꿀 수 있는 클린룸 공조 시스템이 완성되고 있다. 천장 부분의 아래쪽 등(等) 간격으로 설비용 레일을 설치함으로써 공기를 정화하여 취출하는 FFU를 이동시켜 설치할 수 있다. 제조 장치의 대형화나 높은 발열에 대비하고 생산 품목도 빈번하게 바꾸거나 라인 변경에 용이하게 대응할 수 있는 클린룸이 요구되고 있다.

바이오로지컬 클린룸은 제약 공장을 비롯하여 수술실, 연구실 등에서의 세균에 의한 오염 방지나 식품 공장의 부패균 방지, 동물 사육 시설의 교차 오염(cross contamination) 방지 등에서 필요하다. 티끌뿐만 아니라 미생물이나 세균도 제거한다.

제약 관련 시설에서는 교차 오염 방지를 위해서 엄격한 관리를 실시할 필요가 있다. 이를 위해 바이오로지컬 클린룸에 있어서 실내를 청정하게 유지하여 제약 현장에서의 균, 티끌의 침입 리스크를 저감하는 실압(室壓) 제어 시스템이 사용되고 있다. 이 시스템은 문 폐쇄 후 재빠르게 실압이 설정치로 회복하여 고정밀 실압 일정 제어를 실시한다. 문이 개방되었을 때 제어 모드를 바꾸어 문 개구부에서 청정역으로부터 비청정역으로 가는 흐름을 형성하는 것으로 청정역의 교차 오염을 방지한다.

병원 시설에서는 높은 청정도를 필요로 하는 수술실 외에 쾌적한 실내 환경의 병실, 감염증 대응의 병실 등에 도입되고 있다. 골수 이식이나 화학요법에 따라 백혈구가 감소한 환자 전용 병실에서는 실내의 청정도에 관해서 침대의 주위가 높고 다른 구역이 낮아지도록 하고 있다.

잃은 장기나 조직을 고치는 재생 의료를 위한 시설에도 활용되고 있다. 재생 의료 제품을 제조?판매하는 시설에서는 청정용 공조 설비, 위생 관리, 동선 관리에 의해서 상당히 깨끗한 환경을 유지하고 있다. 공조 설비나 세포 배양 설비 등의 운전 상황의 24시간 모니터링도 하고 있다.

또한 바이오로지컬 클린룸 기술은 식물 공장의 가동을 지지하고 있다. 식물 공장은 크게 나누면 형광등이나 발광 다이오드(LED) 램프, 냉음극(冷陰極) 형광관(CCFL)을 이용하는 `완전 인공광형 공장`과 태양광을 이용하는 `태양광 이용형 공장` 두 종류가 있다. 이 중 바이오로지컬 클린룸이 공헌하는 것은 완전 인공광형 공장이다.

식물 공장에서는 재배실의 음압(陰壓) 제어 등에 의해서 기밀 관리를 실시한다. 재배실의 온도, 습도, 청정도를 비롯하여 광량이나 적청록(赤靑綠)이라는 광질, 빛의 조사 시간을 제어 등 식물 주변의 공기 흐름 등을 판단하는 기류 속도나 식물의 생육에 관계하는 이산화탄소(CO2)를 조정한다. CO2를 하루 종일 공급하는 것이 아니라 식물의 광합성의 시간대를 고려하여 1일에 수십 시간만 실시하는 등 공급의 시기도 고려하고 있다.

식물 공장의 야채는 노지(露地) 야채와 비교하여 생균수가 매우 적다. 또한 최적 조건으로 재배하기 때문에 영양가가 노지 재배에 비해 높은 점 등의 특징이 있다. 이러한 이유로 완전 인공광형의 식물 공장에서 양상추 등의 안정 양산이 가능하게 된다.

바이오로지컬 클린룸을 응용한 식물 공장의 가동도 늘어나고 있다. 철도 회사는 철도 고가(高架) 아래 토지에서 완전 인공형 식물 공장을 가동시켜 수경식 무농약 재배 양상추를 판매하고 있다. 도시지역의 고가 아래 토지를 유효 활용하고 소비지에 가깝다는 토지의 장점도 살려 식물 공장을 개설하였다고 한다.

전기 메이커는 반도체 제조 공장의 클린룸을 전용하여 식물 공장을 가동시키고 있다. 반도체 제조 공장의 클린룸으로 최적 제조 조건의 분할이나 잡균 관리의 노하우를 살려 공기나 액체 비료에 포함되는 성분 등을 치밀하게 제어하는 것으로 최적인 육성 환경을 실현하였다. 반도체 제조 공장의 클린룸을 전용하는 경우 균일한 온도?습도의 환경을 실현하는 공조 기기 외에 천장이나 벽, 마루의 자재 설비가 식물 공장의 일부로서 활용할 수 있는 메리트도 있다.

기존 클린룸 시공 업자도 식물 공장의 사업에 주목하고 있다. 식물 공장의 설계 시공으로부터 재배지도 모니터링까지의 종합 엔지니어링 서비스를 제공하는 것으로 외식산업이나 편의점을 위한 상품 납입 업자, 농업 법인 등에 의한 식물 공장 사업의 수요를 기대하고 있다고 한다.

클린룸은 방대한 에너지를 소비하기 때문에 피크 전력 삭감이나 지구 온난화 대책의 관점에서 에너지 절약화의 추진이 불가결한 테마가 되고 있다. 이러한 가운데 일본 공기 청정 협회(이하, JACA) 클린룸 에너지 절약 위원회는 2013년 9월 제약 산업(공장?연구소)의 설비 에너지 환산 계수를 책정하였다. 제조 과정에서 필요한 유틸리티를 추출하여 설비 에너지 환산 계수를 설계적 수법을 기본으로 산출하여 결정하였다고 한다. 이러한 수치에 각 유틸리티 사용량을 계산하면 시설 전체나 생산 설비마다의 개략 에너지 소비량 파악이나 에너지 소비 구조 분석 등에 이용할 수 있다고 한다.

제약 산업전용 설비 에너지 환산 계수는 열원, 공조 공기(일반 클린룸), 배기, 클린 부스, 냉수?냉각수, 가열, 압축 공기, 제약 용수의 항목으로 구성되며, 이 가운데 공조 공기는 실내에 공조 공기 1입방미터를 순환시키기 위해서 필요한 에너지양으로 기준 상태의 에너지 환산 계수가 1입방미터당 0.00254kW/h라고 한다.

클린룸 에너지 절약 위원회가 2014년 5월 21일 JACA가 주최한 ` 제31회 공기 청정과 오염 제어 연구 대회`에서 발표한 위원회 활동 보고에 따르면, 향후 세계적인 인구 증가 및 일본 국민 평균 연령의 고령화 등의 이유에 의해서 제약 산업은 보다 발전이 기대될 예상이라고 한다. 제약 공장은 반도체 제조 시설과 동일하게 클린룸을 설치하여 많은 외기가 도입되어 소비 에너지양의 40~80%는 클린룸을 대표로 한 공조 설비로 소비될 것으로 예상되고 있다고 한다.

클린룸 지진 대책도 요구되고 있다. 일본에서 2011년 3월 11일 발생한 동일본 대지진에 의해서 생산 시설이나 연구 개발 시설 등에 막대한 피해가 발생하여 계속적?안정적 운전이 필요한 클린룸은 흔들림이 크고 벽이나 천장의 손상이 나고 지진 재해 후 계획 정전에 의해서 연속 가동이 곤란하게 되었다.

클린룸 지진 시 주된 피해로서 시스템 천정 낙하나 생산 장치의 전도?이동에 수반되는 것으로 FFU 시스템 천정에 관해 보강재인 브레이스(brace)를 적정하게 배치하는 것으로 내진성을 향상시키는 것이 가능하다. 생산 장치에 대해서는 마루에 고정하는 것에 의해서 배관류 파손이나 기기 손상을 최소한으로 할 수 있다고 한다.

이 외에 기존 클린룸 전용으로 생산라인을 가동시키면서 천장과 지붕 사이 공간의 작업만으로 천장을 내진 보강하는 공법이 실용화되고 있다고 한다.

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』