세상에서 가장 깨끗한 방, 클린룸의 탄생 이야기
(출처: 어도비 스톡)
에어컨과 클린룸, 시작은 다른 곳에 있었다
무더운 여름이면 에어컨 없는 실내 생활은 상상하기 어렵다. 하지만 에어컨이 처음 발명됐을 당시만 해도 사람이 생활하는 공간을 시원하게 만드는 것과는 거리가 멀었다.
현대식 에어컨은 1902년 공학자 윌리스 캐리어(Willis Carrier)가 인쇄공장의 습도를 일정하게 유지하기 위해 개발한 기술에서 시작됐다. 종이가 습기에 따라 늘어나거나 줄어들면서 인쇄 품질이 달라지는 것을 막기 위해서였다. 사람의 쾌적함이 아닌 정밀한 생산 환경을 만들기 위한 기술이 오늘날의 에어컨으로 발전한 셈이다.
흥미롭게도 오늘날 반도체 생산의 핵심 시설인 클린룸 역시 처음부터 반도체를 위해 만들어진 것은 아니었다.
청소가 아닌 공기를 바꾸는, 현대식 클린룸의 탄생
1959년 미국 샌디아 국립연구소(Sandia National Laboratories)에서는 국가안보에 사용되는 정밀 부품에 미세입자가 들어가 오작동하는 문제가 발생하고 있었다. 당시에도 클린룸은 존재했지만 기존 방식만으로는 미세한 먼지를 충분히 통제하기 어려웠다.
당시 클린룸은 공간을 밀폐해 청소로 입자를 닦아내고, 작업자가 보호복을 입는 방식으로 관리됐다. 그럴듯해 보였지만 사실상 에어컨이 달린 깨끗한 방에 가까웠다. 공기를 걸러 방 안에 불어넣기는 했지만, 사람과 장비에서 나온 입자는 공기 중을 떠돌다 다시 부품 위에 내려앉았다. 당시 가장 우수한 축에 속하는 클린룸조차 청정도를 측정해 보면 1입방피트(ft³)당 0.3마이크로미터(㎛) 이상 크기의 먼지가 100만 개를 넘었다. 한 변이 30cm 남짓한 상자 안에 먼지가 100만 개 넘게 떠다니고 있었던 셈이다. 지금의 반도체 클린룸에서는 같은 부피의 공간에서 발견되는 먼지가 100개 이하라는 점을 감안하면, 어마어마하게 높은 수치다.
(출처: 어도비 스톡)
연구소는 해결책을 찾기 위해 제조기술팀을 꾸렸고, 물리학자 윌리스 휘트필드(Willis Whitfield)도 여기에 합류했다. 연구팀은 여러 제조시설을 살펴보며 원인을 추적했고, 문제의 핵심이 눈에 보이지 않는 미세입자에 있다는 사실에 주목했다.
1960년, 연구팀은 해법을 찾아 여러 현장을 오가고 있었다. 현장 조사를 마치고 돌아오던 길, 여러 현장을 살펴본 휘트필드는 기존 방식과 다른 해법을 구상했다. 그리고 마침내 현장 조사를 마치고 돌아오는 비행기 안에서 그는 메모장에 새로운 클린룸의 작동 구조를 간단한 스케치로 그려냈다. 여기에 담긴 것이 오늘날까지 이어지는 층류(Laminar Flow) 방식 클린룸의 기본 원리였다.
핵심은 '뒤섞이는 공기'를 '한 방향으로 흐르는 공기'로 바꾸는 것이다. 고도로 여과한 청정 공기를 천장에서 바닥으로 일정하게, 천천히, 쉬지 않고 흘려보내면, 공기 중의 입자는 그 흐름에 실려 바닥으로 밀려나고, 필터를 거쳐 다시 깨끗해진 공기가 방 안으로 돌아온다. 먼지를 닦아내는 대신 흘려보내는 방식이다.
윌리스 휘트필드가 설계한 클린룸의 모습들. (출처: flickr)
1961년, 이 원리를 바탕으로 작은 규모의 클린룸 시제품이 탄생했다. 효과는 놀라웠다. 같은 기준으로 측정한 먼지는 평균 750개에 그쳐, 100만 개를 넘던 기존 클린룸보다 1,000배 이상 낮았다. 워낙 큰 차이에 수치를 의심하는 이들도 많아, 학회에서는 이를 보증할 확인 절차가 필요했다고 한다. 미국 원자력위원회는 1962년 휘트필드의 이름으로 '초청정실(Ultra-Clean Room)' 특허를 출원했고, 이 특허는 1964년 발급됐다. 1960년대 중반에는 이 방식을 바탕으로 한 표준이 마련됐다. 휘트필드의 개념에 기반한 클린룸은 오늘날 전자제품과 제약 제조는 물론 수술실과 회복실에 이르기까지 널리 쓰이고 있다. 그의 발명은 지금 가장 주목받는 산업인 반도체를 만드는 공장(팹)의 클린룸에서도 쓰이고 있다.
수많은 조건을 고려해야 하는 반도체 팹 클린룸
까다롭기로 소문난 반도체 생산에는 극도로 청정한 클린룸이 필요하다. 반도체 공장에서 입자는 곧 불량으로 직결되기 때문이다. 웨이퍼 위에 내려앉은 미세 입자가 회로 형성을 방해하면 칩이 망가진다. 회로가 작아지고 공정이 복잡해질수록 입자의 영향도 커진다. 오늘날 반도체 팹의 클린룸에도 휘트필드의 원리가 적용된다. 달라진 것은 요구 수준이다.
클린룸은 '미국 연방 규격(Fed Std 209E)'과 '국제표준(ISO 14644-1)'에 따라 공기 중 입자 농도로 등급이 나뉜다. 주로 미국 연방 규격이 많이 사용되는데 미국 연방 규격은 1입방피트(ft³)당 0.5마이크로미터(㎛) 이상 크기의 먼지 수를 기준으로 하며, 첨단 반도체 공정에서는 구역에 따라 Class 1~100 수준의 엄격한 청정 환경이 요구되기도 한다. 클래스 100은 해당 공간의 입자가 100개 이하라는 뜻이다.
그렇다고 먼지만 없애면 끝나는 것도 아니다. 첨단 반도체 팹의 클린룸은 청정도는 물론 온도와 습도, 기압(차압), 기류, 진동 등 여러 환경 조건을 24시간 안정적으로 유지해야 한다. 어느 한 조건이라도 흔들리면 미세한 반도체 제조 공정에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 이렇게 탄생한 오늘날의 클린룸은 먼지가 없는 깨끗한 방을 넘어섰다. 반도체가 안정적으로 생산될 수 있도록 하나의 정밀한 환경 자체를 만들어내는 공간에 가깝다. 1960년 휘트필드가 고민했던 공기의 흐름은 60여 년이 지난 지금, 최첨단 반도체를 만드는 거대한 생산 공간의 핵심으로 자리 잡았다.
휘트필드가 그린 클린룸, SK에코플랜트가 3복층 팹으로 잇다
SK에코플랜트가 조성중인 용인 반도체 클러스터 조감도.
60여 년 전 휘트필드가 공기의 흐름을 바꿔 새로운 클린룸의 원리를 만들었다면, 이제 그 원리는 첨단 반도체 생산을 위한 거대한 공간으로 확장되고 있다. 반도체 공정이 고도화되고 생산시설의 규모가 커질수록 클린룸 역시 더욱 크고 복잡해지고 있기 때문이다.
SK에코플랜트는 이천·청주에 M14, M15, M16 등 대규모 반도체 팹 프로젝트를 통해 첨단 클린룸 시공 경험을 쌓아왔다. 올해 2월에는 청주 M15X 팹 조성을 마쳤으며, 부지 규모만 여의도 1.4배 크기에 달하는 용인 반도체 클러스터에서도 대규모 반도체 팹을 조성하고 있다.
특히 용인 반도체 클러스터는 세계 최초로 3복층 구조의 멀티팹이 들어간다. 팹 1기에서만 6개의 클린룸이 들어설 수 있도록 설계됐다. 기존 2층 구조 팹에 4개의 클린룸이 들어갔다면, 하나의 팹 안에 더 많은 클린룸이 들어서는 만큼 구조와 공간도 한층 복잡해진다. 각각의 클린룸에서 요구되는 청정 환경을 구현하고 안정적으로 유지할 수 있도록 정교하게 설계하고 시공하는 역량이 더욱 중요해지는 이유다.
1960년 스케치 한 장에 담긴 공기 청정 원리는 반도체 생산의 토대가 됐다. 그로부터 60여 년이 지난 지금, 그 아이디어는 첨단 반도체를 생산하는 거대한 클린룸으로 발전했다.
SK에코플랜트는 그 흐름을 이어 첨단 반도체 팹과 클린룸을 구현하는 역량을 쌓아가고 있다. 60여 년 전 휘트필드가 클린룸의 시작을 그렸다면, 이제는 SK에코플랜트가 용인 반도체 클러스터를 비롯한 대규모 팹 프로젝트를 통해 클린룸의 미래를 그려가고 있다.
연관 콘텐츠
세상에서 가장 깨끗한 방, 클린룸의 탄생 이야기
(출처: 어도비 스톡)
에어컨과 클린룸, 시작은 다른 곳에 있었다
무더운 여름이면 에어컨 없는 실내 생활은 상상하기 어렵다. 하지만 에어컨이 처음 발명됐을 당시만 해도 사람이 생활하는 공간을 시원하게 만드는 것과는 거리가 멀었다.
현대식 에어컨은 1902년 공학자 윌리스 캐리어(Willis Carrier)가 인쇄공장의 습도를 일정하게 유지하기 위해 개발한 기술에서 시작됐다. 종이가 습기에 따라 늘어나거나 줄어들면서 인쇄 품질이 달라지는 것을 막기 위해서였다. 사람의 쾌적함이 아닌 정밀한 생산 환경을 만들기 위한 기술이 오늘날의 에어컨으로 발전한 셈이다.
흥미롭게도 오늘날 반도체 생산의 핵심 시설인 클린룸 역시 처음부터 반도체를 위해 만들어진 것은 아니었다.
청소가 아닌 공기를 바꾸는, 현대식 클린룸의 탄생
1959년 미국 샌디아 국립연구소(Sandia National Laboratories)에서는 국가안보에 사용되는 정밀 부품에 미세입자가 들어가 오작동하는 문제가 발생하고 있었다. 당시에도 클린룸은 존재했지만 기존 방식만으로는 미세한 먼지를 충분히 통제하기 어려웠다.
당시 클린룸은 공간을 밀폐해 청소로 입자를 닦아내고, 작업자가 보호복을 입는 방식으로 관리됐다. 그럴듯해 보였지만 사실상 에어컨이 달린 깨끗한 방에 가까웠다. 공기를 걸러 방 안에 불어넣기는 했지만, 사람과 장비에서 나온 입자는 공기 중을 떠돌다 다시 부품 위에 내려앉았다. 당시 가장 우수한 축에 속하는 클린룸조차 청정도를 측정해 보면 1입방피트(ft³)당 0.3마이크로미터(㎛) 이상 크기의 먼지가 100만 개를 넘었다. 한 변이 30cm 남짓한 상자 안에 먼지가 100만 개 넘게 떠다니고 있었던 셈이다. 지금의 반도체 클린룸에서는 같은 부피의 공간에서 발견되는 먼지가 100개 이하라는 점을 감안하면, 어마어마하게 높은 수치다.
(출처: 어도비 스톡)
연구소는 해결책을 찾기 위해 제조기술팀을 꾸렸고, 물리학자 윌리스 휘트필드(Willis Whitfield)도 여기에 합류했다. 연구팀은 여러 제조시설을 살펴보며 원인을 추적했고, 문제의 핵심이 눈에 보이지 않는 미세입자에 있다는 사실에 주목했다.
1960년, 연구팀은 해법을 찾아 여러 현장을 오가고 있었다. 현장 조사를 마치고 돌아오던 길, 여러 현장을 살펴본 휘트필드는 기존 방식과 다른 해법을 구상했다. 그리고 마침내 현장 조사를 마치고 돌아오는 비행기 안에서 그는 메모장에 새로운 클린룸의 작동 구조를 간단한 스케치로 그려냈다. 여기에 담긴 것이 오늘날까지 이어지는 층류(Laminar Flow) 방식 클린룸의 기본 원리였다.
핵심은 '뒤섞이는 공기'를 '한 방향으로 흐르는 공기'로 바꾸는 것이다. 고도로 여과한 청정 공기를 천장에서 바닥으로 일정하게, 천천히, 쉬지 않고 흘려보내면, 공기 중의 입자는 그 흐름에 실려 바닥으로 밀려나고, 필터를 거쳐 다시 깨끗해진 공기가 방 안으로 돌아온다. 먼지를 닦아내는 대신 흘려보내는 방식이다.
윌리스 휘트필드가 설계한 클린룸의 모습들. (출처: flickr)
1961년, 이 원리를 바탕으로 작은 규모의 클린룸 시제품이 탄생했다. 효과는 놀라웠다. 같은 기준으로 측정한 먼지는 평균 750개에 그쳐, 100만 개를 넘던 기존 클린룸보다 1,000배 이상 낮았다. 워낙 큰 차이에 수치를 의심하는 이들도 많아, 학회에서는 이를 보증할 확인 절차가 필요했다고 한다. 미국 원자력위원회는 1962년 휘트필드의 이름으로 '초청정실(Ultra-Clean Room)' 특허를 출원했고, 이 특허는 1964년 발급됐다. 1960년대 중반에는 이 방식을 바탕으로 한 표준이 마련됐다. 휘트필드의 개념에 기반한 클린룸은 오늘날 전자제품과 제약 제조는 물론 수술실과 회복실에 이르기까지 널리 쓰이고 있다. 그의 발명은 지금 가장 주목받는 산업인 반도체를 만드는 공장(팹)의 클린룸에서도 쓰이고 있다.
수많은 조건을 고려해야 하는 반도체 팹 클린룸
까다롭기로 소문난 반도체 생산에는 극도로 청정한 클린룸이 필요하다. 반도체 공장에서 입자는 곧 불량으로 직결되기 때문이다. 웨이퍼 위에 내려앉은 미세 입자가 회로 형성을 방해하면 칩이 망가진다. 회로가 작아지고 공정이 복잡해질수록 입자의 영향도 커진다. 오늘날 반도체 팹의 클린룸에도 휘트필드의 원리가 적용된다. 달라진 것은 요구 수준이다.
클린룸은 '미국 연방 규격(Fed Std 209E)'과 '국제표준(ISO 14644-1)'에 따라 공기 중 입자 농도로 등급이 나뉜다. 주로 미국 연방 규격이 많이 사용되는데 미국 연방 규격은 1입방피트(ft³)당 0.5마이크로미터(㎛) 이상 크기의 먼지 수를 기준으로 하며, 첨단 반도체 공정에서는 구역에 따라 Class 1~100 수준의 엄격한 청정 환경이 요구되기도 한다. 클래스 100은 해당 공간의 입자가 100개 이하라는 뜻이다.
그렇다고 먼지만 없애면 끝나는 것도 아니다. 첨단 반도체 팹의 클린룸은 청정도는 물론 온도와 습도, 기압(차압), 기류, 진동 등 여러 환경 조건을 24시간 안정적으로 유지해야 한다. 어느 한 조건이라도 흔들리면 미세한 반도체 제조 공정에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 이렇게 탄생한 오늘날의 클린룸은 먼지가 없는 깨끗한 방을 넘어섰다. 반도체가 안정적으로 생산될 수 있도록 하나의 정밀한 환경 자체를 만들어내는 공간에 가깝다. 1960년 휘트필드가 고민했던 공기의 흐름은 60여 년이 지난 지금, 최첨단 반도체를 만드는 거대한 생산 공간의 핵심으로 자리 잡았다.
휘트필드가 그린 클린룸, SK에코플랜트가 3복층 팹으로 잇다
SK에코플랜트가 조성중인 용인 반도체 클러스터 조감도.
60여 년 전 휘트필드가 공기의 흐름을 바꿔 새로운 클린룸의 원리를 만들었다면, 이제 그 원리는 첨단 반도체 생산을 위한 거대한 공간으로 확장되고 있다. 반도체 공정이 고도화되고 생산시설의 규모가 커질수록 클린룸 역시 더욱 크고 복잡해지고 있기 때문이다.
SK에코플랜트는 이천·청주에 M14, M15, M16 등 대규모 반도체 팹 프로젝트를 통해 첨단 클린룸 시공 경험을 쌓아왔다. 올해 2월에는 청주 M15X 팹 조성을 마쳤으며, 부지 규모만 여의도 1.4배 크기에 달하는 용인 반도체 클러스터에서도 대규모 반도체 팹을 조성하고 있다.
특히 용인 반도체 클러스터는 세계 최초로 3복층 구조의 멀티팹이 들어간다. 팹 1기에서만 6개의 클린룸이 들어설 수 있도록 설계됐다. 기존 2층 구조 팹에 4개의 클린룸이 들어갔다면, 하나의 팹 안에 더 많은 클린룸이 들어서는 만큼 구조와 공간도 한층 복잡해진다. 각각의 클린룸에서 요구되는 청정 환경을 구현하고 안정적으로 유지할 수 있도록 정교하게 설계하고 시공하는 역량이 더욱 중요해지는 이유다.
1960년 스케치 한 장에 담긴 공기 청정 원리는 반도체 생산의 토대가 됐다. 그로부터 60여 년이 지난 지금, 그 아이디어는 첨단 반도체를 생산하는 거대한 클린룸으로 발전했다.
SK에코플랜트는 그 흐름을 이어 첨단 반도체 팹과 클린룸을 구현하는 역량을 쌓아가고 있다. 60여 년 전 휘트필드가 클린룸의 시작을 그렸다면, 이제는 SK에코플랜트가 용인 반도체 클러스터를 비롯한 대규모 팹 프로젝트를 통해 클린룸의 미래를 그려가고 있다.