청정실

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1. 개요

청정실은 공기 중의 미립자를 제어하여 오염을 방지하는 밀폐된 공간이다. 1960년 윌리스 휘트필드에 의해 발명되었으며, 반도체, 생명 과학, 의료, 식품 등 다양한 분야에서 활용된다. 청정실은 FED STD 209E와 ISO 14644-1과 같은 국제 표준에 따라 입자 크기와 수에 따라 분류되며, 난류형과 층류형으로 구분된다. 청정실 내부에서는 특수 도구와 운영 원칙을 통해 오염을 최소화하며, 작업자는 보호복을 착용하고 에어 락을 통해 출입한다.

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청정실
기본 정보
다른 이름	클린룸, 무진실, 청정구역
정의	공기 중의 입자상 물질의 농도가 엄격하게 제어되는 공간
목적	연구, 제조 등의 공정에서 오염을 최소화
역사
기원	제2차 세계 대전 중 군수품 생산 과정에서 필요성 대두
발전	반도체 산업 발전과 함께 클린룸 기술 발전
분류 및 규격
ISO 14644-1	국제 표준으로, 클린룸 청정도를 규정
등급	ISO 1 ~ ISO 9 (ISO 1이 가장 청정)
미국 연방 규격 209E	과거에 사용되었던 미국 표준 (현재는 ISO 표준으로 대체되는 추세)
등급 (미국 연방 규격 209E)	Class 1 ~ Class 100,000 (Class 1이 가장 청정)
구조 및 설비
벽 및 천장	먼지 발생이 적고 청소가 용이한 재질 사용
바닥	정전기 방지 기능이 있는 재질 사용
공기 여과 장치	HEPA 필터, ULPA 필터 등을 사용하여 공기 중 입자상 물질 제거
공조 시스템	온도, 습도, 압력 등을 정밀하게 제어
출입 시스템	에어 샤워, 패스 박스 등을 사용하여 외부 오염 방지
운영 및 관리
작업복	먼지 발생을 최소화하는 특수 작업복 착용
청소	정기적인 청소 및 소독 실시
모니터링	공기 중 입자상 물질 농도를 지속적으로 모니터링
적용 분야
반도체 산업	반도체 제조 공정
제약 산업	의약품 제조 공정
식품 산업	식품 제조 공정
우주 항공 산업	인공위성, 우주선 제조 공정
병원	수술실, 무균실
관련 기술
HEPA 필터	고효율 미립자 에어 필터
ULPA 필터	초고효율 미립자 에어 필터
정전기 방지	정전기 발생 억제 기술
클린 벤치	국소적인 청정 환경 제공 장비
에어 샤워	작업자의 먼지를 제거하는 장비
기타
주의사항	클린룸 내에서는 먼지 발생을 유발하는 행동을 삼가야 함

2. 역사

제2차 세계 대전 이후, 많은 공산품의 불량 및 고장 원인으로 입자(Particle)가 지목되면서 생산성 향상을 위해 청정실의 필요성이 대두되었다. 특히 세균의 발견과 반도체 생산에서 클린룸의 중요성은 매우 높아졌다. 1m³당 일반적인 입자는 35,000,000개에 달하며, 이러한 환경에서는 정밀한 생산 작업이 어렵다. 특히 반도체 공정은 다른 산업보다 미세하므로, 이러한 입자를 제거하는 극도로 높은 청정도를 유지하는 청정실이 필수적이다.

현대적인 클린룸은 미국의 물리학자 윌리스 휘트필드에 의해 발명되었다.^[1] 샌디아 국립 연구소에서 근무하던 휘트필드는 1960년에 클린룸의 초기 계획을 세웠다.^[1] 휘트필드 이전의 초기 청정실은 입자 및 예측 불가능한 기류 문제로 어려움을 겪는 경우가 많았다. 그는 불순물을 제거하기 위해 일정하고 고도로 여과된 기류를 갖춘 청정실을 설계했다.^[1] 1960년대에 발명된 지 몇 년 만에 그의 현대식 클린룸은 전 세계적으로 500억달러 이상의 매출을 올렸다.^[2]^[3]

1963년 중반까지 200개 이상의 미국 산업 공장에서 "화이트 룸", "클린 룸" 등의 이름으로 클린룸을 도입하기 시작했다. 여기에는 라디오 공사 오브 아메리카(RCA), 맥도넬 항공기, 휴즈 항공기, 보잉 등이 포함되었다.^[4] RCA는 1961년 2월에 오하이오주 케임브리지 시설의 일부를 클린룸으로 개조하기 시작했다. 총 약 6503.21m² 규모의 이 시설은 미니트맨 ICBM 미사일의 제어 장비를 준비하는 데 사용되었다.^[5]

실리콘 밸리의 통합 회로 제조 시설 대부분은 MicroAire, PureAire, Key Plastics의 세 회사에서 제작했다. 이들은 적층 기류 장치, 글로브 박스, 청정실, 에어 샤워와 함께 통합 회로의 "습식 공정" 건물에 사용되는 화학 탱크와 벤치를 만들었다. 이 세 회사는 테플론을 에어건, 화학 펌프, 스크러버, 워터건 및 반도체 소자 제조에 필요한 기타 장치에 사용하는 선구자였다.

2. 1. 한국의 클린룸 산업

한국의 클린룸 산업은 반도체 산업의 성장과 함께 발전해 왔다. 특히, 삼성전자, SK하이닉스 등 글로벌 반도체 기업들은 세계 최고 수준의 클린룸 기술을 보유하고 있으며, 이는 한국 반도체 산업의 경쟁력을 뒷받침하는 핵심 요소 중 하나이다.

최근에는 바이오, 제약, 식품 등 다양한 산업 분야에서 클린룸 도입이 확대되면서, 관련 시장이 빠르게 성장하고 있다.

3. 클린룸의 필요성

제2차 세계 대전 이후 많은 공산품의 불량 및 고장 원인으로 입자(Particle)가 지목되면서 클린룸의 필요성이 대두되었다.^[1] 특히 반도체, 제약, 바이오, 의료 분야에서는 제품의 품질과 안전성을 확보하기 위해 클린룸이 필수적이다. 반도체 생산 공정은 다른 산업보다 미세하여, 특히 노광(Photo) 공정에서 입자는 노광을 방해하는 주요 원인이 되므로 극도로 높은 청정도를 유지해야 한다.

현대적인 청정실은 미국의 물리학자 윌리스 휘트필드가 발명했다.^[1] 1960년대에 발명된 휘트필드의 청정실은 전 세계적으로 500억달러 이상의 매출을 올렸다.^[2]^[3]

청정실은 반도체 및 충전식 배터리, 생명 과학 제조와 환경 오염에 매우 민감한 기타 모든 분야에서 필수적이다. 청정실은 공기 중의 미립자에 대한 엄격한 제어를 통해 제품의 품질과 안전성을 확보한다.

4. 클린룸의 분류 기준

클린룸은 청정도, 공기 순환 방식, 구조 등에 따라 다양하게 분류된다.

클린룸은 공기 순환 방식에 따라 크게 난류형과 층류형으로 나뉜다. 난류형은 일반 건물에서 주로 사용하는 방식으로, 공기를 급기하여 외부로 밀어내거나 희석시키는 방식에 필터를 추가하여 청정도를 확보하며, 설치 및 유지 보수가 비교적 저렴하다. 층류형은 공기 전체를 밀어내는 방식으로, 천장 전체에서 급기하고 바닥 전체에서 배기한다. 난류형보다 훨씬 많은 양의 공기를 순환시켜 더 낮은 유속으로도 오염 물질을 효과적으로 제거하여 더 높은 청정도를 유지할 수 있지만, 초기 설치 비용이 많이 든다.

층류형 클린룸은 구조에 따라서 AHU, CTM, OpenBay, FFU 방식 등으로 나뉜다. 가격은 AHU, CTM, OpenBay, FFU 순으로 비싸고 성능이 좋으며 초기 설치 비용도 많이 든다.

일부 클린룸은 정압으로 유지되어 누출 발생 시 여과되지 않은 공기가 유입되는 대신 챔버 밖으로 공기가 새어 나가도록 한다. 이는 극소량의 입자조차 유입되면 전체 공정을 오염시킬 수 있기 때문이다. 반대로 위험한 박테리아나 바이러스를 취급하는 고수준 생물학 연구소의 경우, 항상 음압으로 유지되며 배기는 고효율 필터를 통과하고 추가적인 멸균 절차를 거친다.

일부 클린룸 HVAC 시스템은 습도를 매우 낮은 수준으로 제어하여 공기 이온화기와 같은 추가 장비가 정전기 방전 문제를 방지하는 데 필요하다. 낮은 수준의 클린룸은 먼지나 오물을 끌고 들어오지 않는 매끄러운 밑창이 있는 특수 신발만 필요할 수 있다. 클린룸 접근은 클린룸 슈트를 착용한 사람으로 제한된다.

공기 오염 기준이 덜 엄격한 클린룸에는 클린룸 입구에 에어 샤워가 없을 수 있다. 전실(그레이 룸)은 클린룸 의류를 착용하는 데 사용된다.

'''재순환형 vs. 일회 통과형 클린룸'''

재순환형 클린룸은 낮은 벽 공기 반환구를 통해 공기를 음압 플레넘으로 되돌린 후, HEPA 팬 필터 장치에 의해 클린룸으로 다시 끌어당긴다. 공기는 지속적으로 재순환되며 HEPA 필터를 통과할 때마다 공기에서 입자를 제거한다.

일회 통과형 클린룸은 외부에서 공기를 끌어와 HEPA 팬 필터 장치를 통해 클린룸으로 통과시킨 후, 배기 그릴을 통해 빠져나간다. 이 방식은 비용이 저렴하지만, HEPA 팬 필터 수명이 짧고, 재순환형 클린룸보다 입자 수가 많으며, 에어컨을 설치할 수 없다는 단점이 있다.

현재 규제 기관에는 ISO, USP 800, US FED STD 209E (이전 표준, 여전히 사용 중) 등이 있다.

약물 품질 및 안전법(DQSA): 2013년 11월 제정, 약물 조제 관련 사망 및 심각한 부작용 사건에 대응
연방 식품, 의약품 및 화장품법(FD&C Act): 인체 조제에 대한 구체적인 지침과 정책
503A: 면허를 소지한 인원(약사/의사)이 주 또는 연방 면허 시설에서 조제
503B: 아웃소싱 시설 관련, 면허를 소지한 약사의 직접적인 감독 필요, 면허를 소지한 약국일 필요는 없음. 미국 식품의약국(FDA)을 통해 면허.^[28]

4. 1. 청정도 기준

클린룸의 청정도는 Class라는 단위를 사용하여 구분한다. 일반적으로 한국에서는 미국의 FED STD 209E 기준을 따르며, 이는 1 세제곱피트(ft³)당 0.5µm 이상 크기의 입자 총합을 기준으로 한다.^[21] 국제 기준으로는 ISO 14644-1이 있으며, 가장 높은 청정도까지 구분한다. 그 밖에 BS 5295, EU-GMP, SPS-KACA001-131 등도 클린룸 규격 및 조건에 대한 기준을 제시한다.^[21]

FED-STD-209E는 2001년 11월 29일 미국 연방 조달청에 의해 공식적으로 폐지되었지만,^[25]^[26] 여전히 널리 사용되고 있다.^[27]

FED-STD-209E는 "100 클래스", "1000 클래스"와 같이 큰 숫자로 표시하며, 0.5 μm 이상 크기의 입자가 공기 1 입방 피트당 허용되는 수를 나타낸다. 이 표준은 보간도 허용한다. 예를 들어 SNOLAB는 2000 클래스 청정실로 유지된다.^[22]

ISO 14644-1 표준은 작은 숫자로 표시하며, 공기 1m³당 0.1 μm 이상 크기의 입자가 허용되는 수의 십진 로그를 지정한다. 예를 들어, ISO 5 클래스 청정실은 최대 10⁵ 입자/m³을 갖는다.^[22]

FS 209E와 ISO 14644-1은 모두 입자 크기와 입자 농도 간의 로그-로그 관계를 가정한다. 따라서 입자 농도가 0인 경우는 존재하지 않는다. 일부 클래스는 농도가 너무 낮거나 너무 높아서 테스트하는 것이 실용적이지 않기 때문에 일부 입자 크기를 테스트할 필요가 없지만, 이러한 공백을 0으로 읽으면 안 된다.^[22]

1 m³는 약 35 ft³이므로, 두 표준은 0.5 μm 입자를 측정할 때 대부분 동등하지만, 테스트 표준은 다르다. 일반적인 실내 공기는 약 1,000,000 클래스 또는 ISO 9이다.^[22]

등급	최대 입자 수/ft³					ISO 상응 등급
등급	≥0.1 μm	≥0.2 μm	≥0.3 μm	≥0.5 μm	≥5 μm	ISO 상응 등급
1	35	7.5	3	1	0.007	ISO 3
10	350	75	30	10	0.07	ISO 4
100	3,500	750	300	100	0.7	ISO 5
1,000	35,000	7,500	3000	1,000	7	ISO 6
10,000	350,000	75,000	30,000	10,000	70	ISO 7
100,000		750,000	300,000	100,000	830	ISO 8

EU GMP 가이드라인은 다른 가이드라인보다 더 엄격하며, 청정실이 가동 시(제조 공정 중)와 정지 시(제조 공정이 수행되지 않지만 AHU가 켜져 있을 때)의 입자 수를 충족하도록 요구한다.

등급	최대 입자 수/m³^[29]
	정지 시		가동 시
	0.5 μm	5.0 μm	0.5 μm	5.0 μm
A 등급	3,520	20	3,520	20
B 등급	3,520	29	352,000	2,900
C 등급	352,000	2,900	3,520,000	29,000
D 등급	3,520,000	29,000	정의되지 않음	정의되지 않음

USP <800>은 미국 약전(USP)에서 개발한 미국 표준으로, 2019년 12월 1일부터 시행되었다.^[32]

의료, 식품 관련 클린룸(Clean Room, CR)의 경우 0.5 µm 이상의 입자를 대상으로 하며, 산업용은 0.1 - 0.5 µm 이상의 입자를 대상으로 하는 경우가 많다.

일반적인 (CR이 아닌) 맑은 날의 외기는 클래스 1,000,000 정도에 해당한다. (우천시 등에는 입자 개수가 극단적으로 감소하여 600,000 - 200,000개/cf까지 감소한다. 또한, 시가지인지 산간 지역인지에 따라서도 입자 농도가 크게 달라진다.)

클래스 100은 100개/cf밖에 없으므로, 병원의 클린룸의 경우 바이오 클린룸(BCR)이라고 불리며, 산업용 CR의 경우 클래스 1, 슈퍼 클린룸 등으로 불린다. 물론, 그 이상의 큰 먼지는 0에 가까워야 한다.

최근에는 먼지량 외에도 가스 성분, 정전기, 전자기파 등도 관리 대상이 되는 경우가 있으며, 의료, 식품 산업용의 경우에는 부유 미생물(일반 세균, 대장균, 곰팡이)도 대상이 된다.

4. 2. 공기 순환 기준

클린룸은 공기 순환 방식에 따라 크게 난류형과 층류형으로 나뉜다.
난류형은 일반적인 건물에서 사용하는 방식으로, 공기를 급기하여 외부로 밀어내거나 희석시키는 방식에 필터를 추가하여 청정도를 확보한다. 설치 및 유지 보수가 비교적 저렴하다.
층류형은 공기 전체를 밀어내는 방식으로, 일반적으로 천장 전체에서 급기하고 바닥 전체에서 배기한다. 난류형보다 훨씬 많은 양의 공기를 순환시켜 더 낮은 유속으로도 오염 물질을 효과적으로 제거할 수 있어, 더 높은 청정도를 유지할 수 있지만 초기 설치 비용이 많이 든다.

4. 2. 1. 난류형

난류형은 일반적인 건물에서 많이 쓰이는 방식으로, 공기를 급기하여 외부로 밀어내거나 희석시키는 방식에 필터를 추가한 형태이다. 가격이 저렴하고, 대부분의 시설에서 필요한 수준의 청정도를 확보할 수 있으며, 설치 및 유지 보수가 용이하다는 장점이 있다.^[13]

난류형 청정실에서는 층류 기류 후드와 비특정 속도 필터를 모두 사용하여 청정실 내 공기를 지속적으로 움직이게 하지만, 모두 같은 방향으로 움직이는 것은 아니다. 거친 공기는 공기 중의 입자를 포획하여 바닥으로 밀어내고, 바닥에서 필터로 들어가 청정실 환경을 벗어난다.^[13]

4. 2. 2. 층류형

층류형은 난류형과 달리 환기 시 유동을 이용해 배기하거나 희석시켜 입자 집중을 막고 청정도를 유지한다. 일반적인 층류형 청정실은 천장 전체에서 공기를 불어넣고(급기), 바닥 전체로 공기를 빼내는(배기) 방식으로 작동한다. 층류는 난류보다 훨씬 많은 질량 유동을 가지므로, 난류 유동보다 느린 유속으로도 오염 물질(입자)을 더 빠르고 많이 배출할 수 있다.^[13]

특히 난류에서 발생하는 소용돌이(와류)는 입자들을 계속 떠다니게 하고, 유입되는 입자들을 가두어 서로 만나게 한다. 이렇게 커진 입자들은 결국 가라앉아 제품을 오염시키고 불량을 일으킨다. 층류형 청정실은 이러한 문제를 해결하는 데 효과적이다.^[13]

4. 3. 구조 기준

층류형 클린룸은 AHU, CTM, OpenBay, FFU 방식 등의 구조로 나뉜다.^[1] 가격은 AHU, CTM, OpenBay, FFU 순으로 비싸고, 성능이 좋으며 초기 비용도 많이 들어간다.^[1] 층류형은 공기 전체를 밀어내는 방식으로, 천장 전체에서 급기하고 바닥 전체에서 배기하는 것이 일반적이다.^[1] 이는 난류형 클린룸에서 와류로 인해 입자들이 성장하여 침강하고, 제품 오염 및 불량을 유발하는 현상을 방지한다.^[1]

5. 클린룸의 구조

청정실은 HEPA 또는 ULPA 필터를 사용하여 공기 중 입자를 제거하고, 층류 또는 난류 기류 원리를 이용한다.^[13] 일부 클린룸은 정압을 유지하여 누출 시 여과되지 않은 공기 대신 챔버 밖으로 공기가 새어 나가도록 한다. 이는 반도체 제조에서 일반적인데, 극소량의 입자도 전체 공정을 오염시킬 수 있기 때문이다. 반면, 위험한 박테리아나 바이러스를 다루는 고수준 생물학 연구소는 음압을 유지하고 배기는 고효율 필터를 거치며 추가적인 멸균 절차를 거친다.

일부 클린룸 HVAC 시스템은 습도를 매우 낮게 제어하여 공기 이온화기 같은 추가 장비로 정전기 방전 문제를 방지한다. 이는 정전기 방전이 회로를 손상시킬 수 있는 반도체 산업에서 특히 중요하다. 낮은 수준의 클린룸은 특수 신발만 필요할 수 있지만, 안전을 위해 미끄럼 방지 기능이 있어야 한다. 클린룸 접근은 클린룸 슈트를 착용한 사람으로 제한된다.

공기 오염 기준이 덜 엄격한 클린룸은 에어 샤워가 없을 수 있으며, 전실("그레이 룸")에서 클린룸 의류를 착용한다. 클린룸에 들어가는 사람은 에어 락(에어 샤워 포함)을 통해 출입하며, 후드, 안면 마스크, 장갑, 부츠, 작업복 등 보호복을 착용한다. 종이, 연필, 섬유로 만들어진 천연 섬유와 같은 일반 재료는 입자를 배출하므로 사용이 제한된다.

입자 수준은 입자 계수기로, 미생물은 환경 모니터링 방법을 통해 감지하고 계수한다.^[16]^[17] 청정실에서 사용되는 고분자 도구는 화학적 적합성과 낮은 입자 생성을 고려해야 한다.^[18]^[19]

청소 시에는 특수 걸레와 물통을 사용하며, 청소 화학 물질은 먼지를 포집하기 위해 끈적이는 성분을 포함하고, 저분자량 용매를 사용하는 추가 단계가 필요할 수 있다. 청정실 가구는 최소한의 입자를 생성하고 청소가 용이하도록 설계된다.

청정실은 공간이자 유지해야 할 과정이며 꼼꼼한 문화이다.

공기 필터 외에도, 청정실은 공기 살균을 위해 자외선을 사용할 수 있다.^[14] UV 장치는 천장 조명 기구에 장착되어 공기를 조사하여 잠재적인 전염성 입자, 특히 공기 중 미생물 및 곰팡이 오염 물질의 99.99%를 제거할 수 있다.^[15]

5. 1. 급배기 시스템

청정실은 HEPA 또는 ULPA 필터를 사용하여 입자 없는 공기를 유지하며, 층류 또는 난류 기류 원리를 사용한다.^[13] 층류 또는 단방향 기류 시스템은 여과된 공기를 일정하게 아래 또는 수평 방향으로, 청정실 바닥 근처 벽에 위치한 필터 또는 재순환을 위해 융기된 천공 바닥 패널을 통해 보낸다. 층류 기류 시스템은 일반적으로 청정실 천장의 80%에 걸쳐 적용되어 일정한 공기 처리를 유지한다. 스테인리스 스틸 또는 기타 비산포 재료를 사용하여 층류 기류 필터와 후드를 제작하여 과도한 입자가 공기 중으로 유입되는 것을 방지한다.

ISO 14644-1은 다음 공식을 사용하여 클래스별 및 입자 크기별 최대 입자 농도를 정의한다.^[24]

:

\text{C}_\text{N} = 10^{\text{N}} \left(\frac{0.1}{\text{D}}\right)^{2.08}

여기서

\text{C}_\text{N}

은 반올림된 가장 가까운 정수를 사용하며, 유효 숫자 3자리 이하로 제한되고, 고려된 입자 크기보다 크거나 같은 공기 중 입자의 1m

^3

부피 내의 최대 입자 농도이고,

\text{N}

은 ISO 클래스 번호이며,

\text{D}

는

\mu

m 단위의 입자 크기이고 0.1은

\mu

m로 표현된 상수이다. 표준 입자 크기에 대한 결과는 아래 표에 나와있다.

클래스	최대 입자 수/m^{3 a}						FED STD 209E 해당
클래스	≥0.1 μm	≥0.2 μm	≥0.3 μm	≥0.5 μm	≥1 μm	≥5 μm	FED STD 209E 해당
ISO 1	10^b	^d	^d	^d	^d	^e
ISO 2	100	24^b	10^b	^d	^d	^e
ISO 3	1,000	237	102	35^b	^d	^e	Class 1
ISO 4	10,000	2,370	1,020	352	83^b	^e	Class 10
ISO 5	100,000	23,700	10,200	3,520	832	^d,e,f	Class 100
ISO 6	1,000,000	237,000	102,000	35,200	8,320	293	Class 1,000
ISO 7	^c	^c	^c	352,000	83,200	2,930	Class 10,000
ISO 8	^c	^c	^c	3,520,000	832,000	29,300	Class 100,000
ISO 9	^c	^c	^c	35,200,000	8,320,000	293,000	실내 공기
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급배기 시스템에서는 실내 압력 관리도 수행하며, 외부로부터의 먼지 유입을 방지하기 위해 실내 기압을 외기압보다 5 - 10 Pa 정도 높게 하여 양압으로 한다. 다만, 유해 물질 취급 용도의 경우에는 실내 기압을 외기압보다 약간 낮춰 음압으로 한다. 냉난방도 필요하며, 특히 전자 공업 용도에서는 노광 장치의 치수 정밀도를 확보하기 위해 온도 및 습도 관리가 필수적이다.

작업실 바닥을 그레이팅 구조로 하여 기류를 아래층으로 투과시키는 건물 구조가 사용되는 경우가 있다. 또한, 특히 청정도를 요구하는 작은 영역을 비닐 커튼 등으로 덮어 청정도를 높이는 경우도 있다.

5. 1. 1. 일방향 기류

압출 형식이라고도 한다. 기류가 방 전체에서 일정 방향으로 흐르는 기류 방식이다. 먼지는 기류를 따라 밀려나듯이 제거되어 높은 수준의 청정도를 얻을 수 있다. 천장 분사로 바닥면 전체 흡입을 하는 수직 기류와, 벽면 분사로 반대쪽 벽면 흡입을 하는 수평 기류로 분류된다. 층류라고도 불리지만, 유체역학 등에서 사용되는 층류와는 의미가 다르다.^[13]

5. 1. 2. 비일방향 기류

비일방향 기류는 난류 기류라고도 하며, 층류 기류 후드와 비특정 속도 필터를 모두 사용하여 청정실 내 공기를 지속적으로 움직이게 하지만, 모두 같은 방향으로 움직이는 것은 아니다. 거친 공기는 공기 중의 입자를 포획하여 바닥으로 밀어내고, 바닥에서 필터로 들어가 청정실 환경을 벗어난다.^[13]

일반적인 건물에서도 많이 쓰이는 방식으로, 공기를 급기하여 외부로 밀어내거나 희석시키는 방식에 필터를 추가한 형태이다. 이러한 형태는 값이 싸고 대부분의 시설에서 필요한 수준의 청정도를 확보할 수 있으며, 설치 및 유지 보수가 저렴하다는 장점이 있다.

5. 2. 건물 구조

내부 먼지가 쌓이는 것을 막고, 청소가 쉽도록 설계된다. 필터 교체가 용이해야 하는 것도 고려 대상이다. 특히 전자 공업 분야에서는 작업실 바닥을 그레이팅(grating) 구조로 만들어 기류가 아래층으로 잘 통과하도록 하는 경우가 많다. 천장 뒤편에는 급배기 장치 유지 보수를 위한 충분한 공간을 마련한다. 외부와의 출입구에는 에어 샤워 시설을 갖춘 이중문을 설치한다. 탈의 및 재료 준비를 위한 전실이 마련되기도 한다.^[23]^[24]

6. 클린룸 운영

청정실 출입을 위해서는 에어 락(경우에 따라 에어 샤워 포함)을 거쳐야 하며, 후드, 안면 마스크, 장갑, 부츠, 작업복과 같은 보호복을 착용해야 한다.^[16]^[17]

종이, 연필, 천연 섬유와 같은 일반적인 재료들은 입자를 배출하기 때문에 사용이 제한된다.

입자 수준은 입자 계수기로, 미생물은 환경 모니터링 방법을 통해 감지 및 계수한다.^[16]^[17] 청정실에서 사용되는 고분자 도구는 화학적 적합성을 신중하게 결정해야 하며^[18] 낮은 수준의 입자 생성을 보장해야 한다.^[19]

청소 시에는 특별한 걸레와 물통만 사용하고, 먼지를 포집하는 끈적이는 성분을 포함하는 청소 화학 물질을 사용한다. 청정실 가구는 최소한의 입자를 생성하고 청소가 용이하도록 설계된다.

청정실은 공간이자 유지해야 할 과정이며 꼼꼼한 문화이다.

6. 1. 원칙

정압으로 유지되는 일부 청정실은 누출 발생 시 여과되지 않은 공기가 유입되는 대신 챔버 밖으로 공기가 새어 나가도록 설계된다. 이는 반도체 제조에서 일반적인데, 극소량의 입자 유입도 전체 공정을 오염시킬 수 있기 때문이다. 반면, 위험한 박테리아나 바이러스를 취급하는 고수준 생물학 연구소의 청정실은 음압으로 유지되며, 배기는 고효율 필터를 거쳐 추가적인 멸균 절차를 거친다.

일부 청정실 HVAC 시스템은 습도를 매우 낮게 제어하여 정전기 방전 문제를 방지한다. 정전기 방전은 현대 회로 설계를 손상시킬 수 있어 반도체 산업에서 특히 우려되는 사항이다. 낮은 수준의 청정실은 먼지나 오물을 끌고 들어오지 않는 특수 신발만 필요할 수 있지만, 안전상의 이유로 미끄럼 위험이 없어야 한다. 청정실 접근은 클린룸 슈트를 착용한 사람으로 제한된다.

공기 오염 기준이 덜 엄격한 청정실은 에어 샤워가 없을 수도 있다. 전실 ("그레이 룸"이라고도 함)은 클린룸 의류를 착용하는 데 사용된다.

'''재순환형 vs. 일회 통과형 클린룸'''

재순환형 클린룸은 낮은 벽 공기 반환구를 통해 공기를 음압 플레넘으로 되돌린 후, HEPA 팬 필터 장치를 통해 클린룸으로 다시 끌어당긴다. 공기는 지속적으로 재순환되며 HEPA 필터를 통과할 때마다 공기에서 입자가 제거된다. 에어컨을 통합할 수 있다는 장점도 있다.

일회 통과형 클린룸은 외부에서 공기를 끌어와 HEPA 팬 필터 장치를 통해 클린룸으로 통과시킨 후, 배기 그릴을 통해 빠져나간다. 이 방식은 비용이 저렴하지만, HEPA 팬 필터 수명이 짧고, 입자 수가 더 나쁘며, 에어컨을 수용할 수 없다는 단점이 있다.

청정실에 들어가는 사람은 입자 물질을 최소화하기 위해 에어 락(경우에 따라 에어 샤워 포함)을 통해 출입하며, 후드, 안면 마스크, 장갑, 부츠, 작업복 등의 보호복을 착용한다.

종이, 연필, 천연 섬유와 같은 일반적인 재료들은 입자를 배출하기 때문에 사용이 제한된다.

입자 수준은 입자 계수기로, 미생물은 환경 모니터링 방법을 통해 감지 및 계수한다.^[16]^[17] 청정실에서 사용되는 고분자 도구는 화학적 적합성을 신중하게 결정해야 하며^[18] 낮은 수준의 입자 생성을 보장해야 한다.^[19]

청소 시에는 특별한 걸레와 물통만 사용하고, 먼지를 포집하는 끈적이는 성분을 포함하는 청소 화학 물질을 사용한다. 청정실 가구는 최소한의 입자를 생성하고 청소가 용이하도록 설계된다.

청정실은 공간이자 유지해야 할 과정이며 꼼꼼한 문화이다. 청정 공간을 만들고 유지하기 위한 원칙은 다음과 같다.

미립자를 반입하지 않는다.
미립자를 발생시키지 않는다.
발생한 미립자를 신속하게 제거한다.
미립자를 퇴적시키지 않는다.

6. 2. 출입 관리

청정실 출입을 위해서는 에어 락(경우에 따라 에어 샤워 포함)을 거쳐야 하며, 후드, 안면 마스크, 장갑, 부츠, 작업복과 같은 보호복을 착용해야 한다.^[16]^[17]

사람은 의복이나 인체 자체에서 다량의 먼지를 발생시키므로, 전신을 덮는 전용 클린웨어(방진복, 무진복)나 마스크를 착용하고, 이중문 출입구에서 청정 공기로 에어 샤워를 하여 먼지를 제거한 후 입실한다. 출입구 바닥에는 점착 매트가 깔려 있어 신발 밑창이나 장치 하단의 먼지를 제거한다. 물품 반입 시에는 패스 박스를 사용하여 이중문 사이에서 주고받음으로써 외부 공기로부터의 먼지 유입을 막는다.

6. 3. 사용 도구

종이는 미세한 섬유도 먼지가 되므로 발진을 억제한 클린 페이퍼(무진지)를 사용한다. 연필이나 샤프 펜슬도 심에서 먼지가 발생하기 때문에 사용할 수 없으며, 반입이 금지되는 경우가 많다. 볼펜도 노크식이 아닌 캡식을 사용하는 경우가 있다.

청소도 수돗물이나 세제를 사용하면 수분 증발 후 잔류 성분이 먼지가 되므로, 테플론 와이프를 초순수나 에탄올로 적셔 닦아내는 경우가 많다. 방진복 세탁은 전용 세제를 사용하며, 다른 것과 구분된 방진복 전용 세탁기로 한다.^[16]^[17]

7. 공기 청정도 기준

클린룸의 공기 청정도는 일반적으로 1 세제곱피트(cf) 또는 1 세제곱미터(m³) 당 특정 크기 이상의 먼지 입자 수로 나타낸다.

클린룸 청정도는 Class라는 단위를 사용하여 구분한다. 일반적으로 한국에서는 미국 FED-STD-209E 기준을 따르며, 1 세제곱피트당 0.5µm 이상 입자의 총합을 기준으로 한다. 국제 기준으로는 ISO 14644-1이 있으며, 이 외에도 BS 5295, EU-GMP, SPS-KACA001-131 등 다양한 클린룸 규격 및 조건 기준이 존재한다.

공기 중 입자 농도는 지정된 샘플링 위치에서 이산적인 빛 산란 공기 중 입자 계수기를 사용하여 측정한다. FS 209E와 ISO 14644-1은 모두 입자 크기와 입자 농도 간의 로그-로그 관계를 가정하며, 이 때문에 입자 농도가 0인 경우는 존재하지 않는다. 1 m³는 약 35 ft³이므로, 두 표준은 0.5 μm 입자를 측정할 때 대부분 동등하지만, 테스트 표준은 서로 다르다.

현재 사용되는 규제 기관에는 ISO, USP 800, US FED STD 209E (이전 표준이나 여전히 사용됨) 등이 있다. 미국의 약물 품질 및 안전법(DQSA, 2013년 제정)과 연방 식품, 의약품 및 화장품법(FD&C Act)은 인체 조제에 대한 구체적인 지침과 정책을 제공한다.

503A 조항: 면허를 소지한 약사 또는 의사가 주 또는 연방 면허 시설에서 조제하는 경우에 적용된다.
503B 조항: 아웃소싱 시설에 적용되며, 면허를 소지한 약사의 직접적인 감독이 필요하다. 이 시설은 미국 식품의약국(FDA)을 통해 면허를 받아야 한다.^[28]

청정도 기준은 허용되는 먼지의 정도를 나타내는 지표로, 1 입방 피트당 0.5µm 이상 크기의 먼지 입자 개수로 표현하는 경우가 많다.

7. 1. 미국 연방 규격 209E (FED-STD-209E, 2001년 폐지)

미국 연방 규격 209E(FED-STD-209E)는 청정실의 청정도를 나타내는 기준으로, 1 세제곱피트당 0.5µm 이상 크기의 먼지 입자 수에 따라 Class 1, 10, 100, 1000, 10000, 100000 등으로 분류한다.^[25]^[26]^[27] 숫자가 작을수록 더 깨끗한 환경을 의미한다. 예를 들어, Class 100은 1 세제곱피트에 0.5µm 이상인 입자가 100개 이하인 환경이다.

이 표준은 보간도 허용하여, 예를 들어 SNOLAB은 2000 클래스 청정실로 유지된다. 일반적인 실내 공기는 약 1,000,000 클래스 (ISO 9) 수준이다.^[22]

US FED-STD-209E는 2001년 11월 29일 미국 연방 조달청에 의해 공식적으로 폐지되었지만,^[25]^[26] 여전히 널리 사용되고 있다.^[27]

등급	최대 입자 수/ft³					ISO 상응 등급
등급	≥0.1 μm	≥0.2 μm	≥0.3 μm	≥0.5 μm	≥5 μm	ISO 상응 등급
1	35	7.5	3	1	0.007	ISO 3
10	350	75	30	10	0.07	ISO 4
100	3,500	750	300	100	0.7	ISO 5
1,000	35,000	7,500	3000	1,000	7	ISO 6
10,000	350,000	75,000	30,000	10,000	70	ISO 7
100,000	3,500,000	750,000	300,000	100,000	830	ISO 8

7. 2. ISO 14644-1 (JIS 준거)

ISO 14644-1은 공기 1세제곱미터(m³)당 0.1µm 이상 크기의 입자 수를 기준으로 청정실의 등급을 분류한다. ISO Class 1부터 9까지 있으며, 숫자가 작을수록 더 깨끗한 환경을 의미한다.^[22]

ISO 14644-1 표준은 공기 1m³당 0.1 μm 이상의 입자가 허용되는 수의 십진 로그를 지정한다. 예를 들어, ISO 5 등급 청정실은 최대 10⁵ (100,000) 입자/m³을 갖는다. 일반적인 실내 공기는 약 ISO 9 등급 (1,000,000 클래스)에 해당한다.^[22]

ISO 14644-1 청정도 등급 (JIS 준거)^[22]
등급	최대 허용 입자 수 (≥0.1µm) / m³
ISO Class 1	10
ISO Class 2	100
ISO Class 3	1,000
ISO Class 4	10,000
ISO Class 5	100,000
ISO Class 6	1,000,000
ISO Class 7	10,000,000
ISO Class 8	100,000,000
ISO Class 9	1,000,000,000

의료 및 식품 관련 청정실은 0.5µm 이상 크기의 입자를, 산업용 청정실은 0.1µm ~ 0.5µm 이상 크기의 입자를 대상으로 하는 경우가 많다.

8. 관련 자격

청정실 내에서의 작업, 취급, 관리 업무에는 규모와 용도에 따라 자격증이 요구되는 경우가 있다. 특히 반도체 공정에서는 실란, 포스핀 외에도 수소나 고순도 산소 등이 사용되므로 화재 및 폭발에 주의해야 한다. 불활성 기체인 질소나 아르곤 등도 사용되며, 모든 기체류가 저온의 액체 상태로 보존되므로, 고압 가스 취급에 관한 주의가 필요하다. 세정 및 가공 공정에서는 강산과 강알칼리를 사용하므로 이 또한 주의해야 한다.

8. 1. 주요 자격증

유기 용제 작업 주임자
특수 화학 설비 작업자
특정 화학 물질 작업 주임자
독극물 취급 책임자
특정 고압 가스 취급 주임자
건조 설비 작업 주임자
송기 조절 계원
방사선 취급 주임자
엑스선 작업 주임자

9. 클린룸의 활용 분야

2차 세계 대전 이후, 많은 공산품 생산 과정에서 불량이나 고장의 원인으로 입자(Particle)가 주목받았다. 특히 세균의 발견과 반도체 생산에서 클린룸의 중요성이 매우 커졌다. 일반적인 환경에서는 1m³당 35,000,000개의 입자가 존재하는데, 이러한 환경은 정밀한 생산 공정에 적합하지 않다. 특히 반도체 제조 공정은 다른 산업보다 훨씬 미세하기 때문에, 노광 공정에서 입자를 제거하는 고도의 청정실이 필수적이다.

클린룸은 다음과 같은 분야에서 활용된다.

'''공업용 클린룸''': 반도체, 집적 회로, 액정 패널 등 전자 공업 분야와 정밀 기계 제조 공장에 사용된다.
'''바이오 클린룸''': 생명공학 분야에서 사용되며, 미생물 관리가 중요하며, 수술실, 의약품 제조소, 멸균 의료 기기 제조소 등에서 사용된다.
'''식품 분야''': 식품 제조 과정에서 이물질 혼입을 막기 위해 사용된다.
'''기타''': 방사성 물질 취급, 유전자 재조합 실험 등 유해 물질 외부 유출 방지가 필요한 시설에서 사용된다.

9. 1. 공업용 클린룸

2차 세계 대전 이후, 많은 불량 또는 고장 원인으로 입자(Particle)가 지목되었다. 특히 반도체 생산에서 클린룸의 중요성은 매우 높아졌다. 1m³당 일반적인 입자는 35,000,000개로, 이러한 입자들이 부유하는 곳에서는 생산을 중지해야 한다. 특히 반도체는 공정이 다른 산업보다 미세하므로 이러한 조치는 더욱 필요하다. 노광(Photo) 공정에서 이러한 입자는 노광을 방해하는 주요 입자이며, 이 입자를 제거하는 극도로 높은 청정도 수준의 청정실이 필요하다.

전자 공업에서 반도체, 집적 회로, 액정 패널, 플라즈마 패널, 마이크로 머신 등의 제조 공장에서는 클린룸이 필수적이다. 이는 집적 회로의 웨이퍼 위에 회로를 새기는 공정에서 먼지가 인접한 회로와의 단락이나 결손을 일으켜 불량을 발생시키기 때문에 청정 공간에서의 작업이 필요하기 때문이다. 그 외에 정밀 기계 등의 제조 공장이 클린룸인 경우가 있다. 이러한 공업 제품의 제조 공정에서 사용되는 클린룸을 공업용 클린룸(industrial clean room|인더스트리얼 클린 룸^영어)이라고 한다.

청정실로 유입되는 외부 공기는 먼저 먼지를 제거하기 위해 점차 미세한 필터를 사용하여 여러 실외 공기 조화기를 통해 필터 처리 및 냉각된다. 내부에서는 고효율 미립자 흡착 필터 (HEPA) 및/또는 초저 미립자 공기 (ULPA) 필터가 포함된 팬 유닛을 통해 공기가 지속적으로 재순환되어 내부에서 생성된 오염 물질을 제거한다. 특수 조명 설비, 벽, 장비 및 기타 재료를 사용하여 공기 중 입자 생성을 최소화한다. 청정실 설계가 층류 기류 유형인 경우 플라스틱 시트를 사용하여 공기 난류를 제한할 수 있다.^[9]^[10]^[11]

청정실 내부의 공기 온도와 습도 수준은 공기 여과의 효율성과 수단에 영향을 미치므로 엄격하게 제어된다. 특정 실에서 정전기가 문제가 될 정도로 낮은 습도가 필요한 경우, 예를 들어 코로나 방전을 사용하여 공기에 제어된 양의 하전 이온을 도입하여 제어된다. 정전기 방전은 전자 산업에서 특히 문제가 되는데, 정전기 방전은 구성 요소와 회로를 즉시 파괴할 수 있다.

모든 청정실 내부의 장비는 공기 오염을 최소화하도록 설계되었다. 청정실 건설을 위한 재료 선택은 어떠한 미립자도 생성하지 않아야 하므로 모노리식 에폭시 또는 폴리우레탄 바닥 코팅이 선호된다. 녹슬고 박리되기 쉬운 철 합금 대신 연마된 스테인리스 스틸 또는 분체 도장 연강 샌드위치 칸막이 패널 및 천장 패널이 사용된다. 벽과 벽, 벽과 바닥, 벽과 천장과 같은 모서리는 둥근 표면을 제공하여 피하며, 모든 이음새는 진동 및 마찰에 의해 이음새에서 입자가 침착되거나 생성되는 것을 방지하기 위해 에폭시 실런트로 밀봉해야 한다. 많은 청정실은 "서비스 체이스"라고 불리는 공간이 있어 방 바닥에서 상단으로 공기를 운반하여 재순환되고 청정실 상단에서 여과될 수 있도록 하는 "터널" 설계를 가지고 있다.^[12]

9. 2. 바이오 클린룸

생명공학 분야에서 주로 사용되는 클린룸을 바이오클린룸(biological clean room^영어, BCR)이라고 한다. 주로 공기 중 부유 미생물 관리가 중요하다. 예를 들어, 반도체 제조에 사용되는 실은 멸균(통제되지 않은 미생물이 없는 상태)할 필요가 없지만,^[8] 생명공학에 사용되는 실은 대개 멸균해야 한다.

9. 2. 1. 생명 과학·의료 분야

수술실, 의약품이나 화장품 제조소(일부), 멸균 의료 기기 제조소, 멸균실 등은 청정실로 관리된다. 먼지를 제거하면 세균도 제거할 수 있으므로, 수술실 등을 청정하게 유지하면 세균으로 인한 오염을 예방할 수 있다.^[17]

공기 중에 떠다니는 세균 수와 공기 청정도(5.0 μm 이상 입자 수)는 대략 비례하는 경향이 있지만, 단순히 공기 청정도만 관리해서는 세균을 억제할 수 없다. 정기적인 살균 소독, 청정실 운영 방법, 인원 출입 방법 등을 적절하게 관리해야 한다.^[17]

병원 수술실은 환자 수술 시 감염을 예방하기 위해 절개 부위를 청정실과 유사하게 관리한다. 면역저하 환자는 감염 위험 때문에 주변 환경과 격리되어 오랫동안 머물러야 하는 경우가 있는데, 극단적인 경우 청정실 환경이 필요하다. 공기 매개 감염 질환자의 경우, 양압이 아닌 음압으로 관리된다.

청정실 오염의 가장 큰 원인은 사용자 자신이다.^[20] 의료 및 제약 분야에서는 미생물, 특히 피부 각질에서 공기 중으로 유입될 수 있는 미생물 관리가 중요하다. 청정실 미생물군 연구는 미생물학자와 품질 관리 담당자가 추세 변화를 평가하는 데 중요하다. 미생물군 유형의 변화는 내성 균주나 청소 방법의 문제와 같은 "정상"에서 벗어난 상태를 나타낼 수 있다.

청정실 미생물을 평가할 때, 전형적인 미생물군은 주로 인간 피부와 관련된 미생물(그람 양성 구균)이지만, 환경(그람 양성 간균) 및 물(그람 음성 간균)과 같은 다른 출처의 미생물도 더 적은 수로 검출된다. 일반적인 세균 속에는 ''미크로코쿠스''(Micrococcus), ''포도상구균''(Staphylococcus), ''코리네박테리움''(Corynebacterium), ''바실루스''(Bacillus)가 있으며, 곰팡이 속에는 ''아스페르길루스''(Aspergillus)와 ''페니실리움''(Penicillium)이 있다.^[17]

9. 2. 2. 식품 분야

식품 제조 과정에서 이물질이나 벌레 등의 혼입을 막아야 할 때, 조리 시설이나 생산 라인을 청정실로 만들어 관리하는 경우가 있다. 이는 제품의 품질을 유지하는 데 중요한 역할을 한다.^[33]

9. 3. 기타

방사성 물질 취급, 유전자 재조합 실험 등 유해 물질 외부 유출 방지가 필요한 시설에서도 클린룸과 유사한 설비가 사용된다. 관리 물질(오염 물질)을 봉쇄하여 외부로 확산시키지 않는다는 점에서 기본적으로 클린룸과 구조상 동일하다. 이러한 설비는 흡배기·급배수에 관해 반대 방향으로 설치된다. 생물학적 용도에서는 바이오해저드 룸이라고 불리기도 한다.^[7]

10. 추가 응용

병원의 수술실은 환자의 수술 시 감염을 예방하기 위해 절개를 하는 환자를 위한 청정실과 유사하다.^[8]

심각한 면역저하 환자는 감염의 위험 때문에 때때로 주변 환경과 격리된 채로 오랫동안 머물러야 하는 경우가 있는데, 극단적인 경우에는 청정실 환경이 필요하다. 공기 매개 감염 질환을 앓고 있는 환자의 경우도 마찬가지이지만, 이들은 양압이 아닌 음압으로 관리된다.

우주 생물학에서 다른 행성과의 접촉을 추구할 때, 양방향 생물학적 위험이 존재한다. 즉, 다른 항성체에서 가져온 모든 샘플 반환 임무를 지구 미생물로 오염시켜서는 안 되며, 다른 행성에 존재할 수 있는 다른 생태계를 오염시켜서도 안 된다. 따라서 국제법에 따라 우리가 우주로 보내는 모든 탐사선은 살균되어야 하며, 청정실 환경에서 취급되어야 한다.

참조

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_[2] 뉴스 Sandia physicist, cleanroom inventor dies at 92 https://www.washingt[...] Associated Press 2012-11-26
_[3] 웹사이트 Willis Whitfield - Father of the Cleanroom https://www.exyte.ne[...] Cleanroom online 2016-05-18
_[4] 간행물 Industry’s Pursuit of Cleanliness 1963
_[5] 간행물 Industry’s Pursuit of Cleanliness 1963
_[6] 문서 William (Bill) C. McElroy Jr., MicroAire Engineering Manager and acting VP; Kay Plastics Engineering Manager; PureAire Drafting Room Manager
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_[33] Youtube Semiconductor Technology at TSMC, 2011 https://www.youtube.[...] 2011-03-26

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