클린룸 기술의 미래 과제: 반도체 칩, 제약 및 생명공학

과학 기술의 급속한 발전으로 인해 금세기 말까지 세계가 어떻게 될지 예측하기는 어렵습니다. 그러나 이미 뚜렷하게 드러난 주요 추세를 바탕으로 몇 가지 판단을 내릴 수 있습니다. 반도체 칩, 제약, 생명공학이라는 세 가지 핵심 기술 분야와 관련 클린룸 기술은 기회와 도전에 직면해 있습니다.

2001년 중국과학기술협회 연례학술대회에서 양천닝 교수는 기술발전의 원동력이 될 세 가지 분야, 즉 향후 30~40년간의 세 가지 주요 전략 방향을 제시했습니다.

• 칩은 건물과 집에서부터 자동차, 인체, 공장, 상점에 이르기까지 거의 모든 것에 널리 적용되고 있습니다.

• 의학과 제약 분야의 급속한 발전

• 생명공학.

세 가지 전략 방향 중 하나인 칩 생산은 공기 청정 기술 분야의 산업용 클린룸이 제공하는 미세 환경을 필요로 합니다. 의학, 제약, 생명공학 분야는 생물학적 클린룸이 필요하며, 특히 의학 및 제약 분야는 일반 생물학적 클린룸이, 생명공학 분야는 주로 생물 안전 클린룸이 필요합니다. 청정 건물 미세 환경 기술이 이 세 가지 전략 방향과 얼마나 밀접하게 연관되어 있는지는 명백하며, 오늘날 이러한 방향들로부터 새로운 도전에 직면하고 있습니다.

1. 반도체 칩

반도체 집적회로 칩의 개발 속도는 다른 어떤 기술도 따라올 수 없을 정도로 빠르며, 집적도는 3년마다 약 4배로 증가합니다. 인공지능의 급속한 발전으로 전 세계적으로 칩 부족 현상이 발생하고 있으며, 자동차용 칩 부족으로 인해 자동차 생산량이 감소하고 있습니다. 오늘날 2nm 정밀 칩은 이미 제조업체들의 목표이며, 칩 집적회로 생산에는 환경 입자 크기에 대한 더욱 엄격한 관리가 요구됩니다. 전자 산업이 클린룸 요건을 지속적으로 주도하고 있음은 의심의 여지가 없습니다.

2. 제약

의학과 제약은 공공 안전 및 보건과 밀접한 관련이 있습니다. 의학 분야에서 생물학적 클린룸이 처음 적용된 것은 1966년 1월 미국에서 건설된 클린 수술실이었습니다. 클린 수술실은 자외선과 같은 전통적인 소독 방식을 공기 청정 기술로 대체하여 전체 공정의 오염을 제어할 수 있도록 합니다. 이러한 환경에서는 감염률을 90% 이상 감소시켜 환자에게 해로울 수 있는 항생제의 필요성을 크게 줄이거나 없앨 수 있습니다. 예를 들어, 1989년부터 1990년까지 상하이 창정 병원은 클린 수술실에서 단 한 건의 감염도 없이 9,337건의 1급 수술을 시행했습니다. 마찬가지로 1995년부터 1996년까지 베이징 301 병원은 16,427건의 1급 수술에서 감염 사례가 전혀 없다고 보고했습니다. 2012년 학술지 논문에 따르면, 종양 중국의 백혈병 발생률은 10만 명당 5.17명이었고, 사망률은 10만 명당 3.94명이었습니다. 따라서 중국에서는 백혈병 치료와 이를 위한 생물학적 청정실 개발에 대한 관심이 점차 높아지고 있습니다.

깨끗한 수술실과 100등급 혈액병동 건설에 대한 이해는 처음에는 해외 경험과 해외 근무 의료진의 관찰에서 비롯되었지만, 병원 건물 전체의 공기 청정이 필요하다는 인식은 주로 국내 경험에서 비롯되었습니다. 2003년 이후, 가장 중요한 반성 중 하나는 병원 건설에서 건축업자와 설계자들이 "공기질"을 소홀히 하고 "건물"에만 집중하는 경우가 많았다는 것입니다. 일부 의료진은 호흡기 감염의 에어로졸 전파가 더 폭발적이고 광범위하게 확산되며 감염량이 낮아 더 위험함에도 불구하고, 접촉 전파를 에어로졸 전파보다 우선시했습니다. 예를 들어,

• 감염되려면 1억 개의 툴라레미아 박테리아를 섭취해야 하지만, 10~50개만 흡입해도 발열이 발생할 수 있습니다.

• 흡입 아데노바이러스의 중간 감염량은 조직 배양의 중간 감염량의 절반에 불과합니다.

• Q열 리케차의 경우, 호흡기에 입자 하나만 쌓여도 감염이 일어날 수 있습니다.

• 녹농균은 한때 공기 중으로 전파될 가능성이 낮다고 여겨졌지만, 화상 병동 천장의 먼지와 공기 중에서 검출되면서 공기 중 전파의 위험성이 부각되었습니다.

• SARS 바이러스의 에어로졸 전염 특성으로 인해 사람들은 병원 건물의 공기 청정 기술이 얼마나 중요한지 실감하게 되었습니다.

공기 청정 기술이 없는 병원 건물은 시대에 뒤떨어진 것이라고 할 수 있습니다. 따라서 공기 청정 기술을 도입한 현대식 병원 건물 계획에는 다음 사항이 포함되어야 합니다.

• 수술실 시스템 : 깨끗한 수술실 건설

• 병동 시스템 : 백혈병, 화상, 천식 및 미숙아 치료를 위한 깨끗한 병동

• 간호 유닛 시스템 : 중환자실(ICU), 장기 이식실, 심혈관 치료실

• 치료 운영 시스템 : 감염성 질환에 대한 중재 치료실, 백혈병 치료실 및 부검실

• 실험실 시스템 : 생물 안전 시스템에 중점을 둔 특수 테스트 실험실, 임상 의학 실험실, PCR 실험실 및 생명 과학 실험실

• 계기실 시스템 : 정밀 기기를 위한 방;

• 격리실 시스템 : 공기 중 감염병을 위한 음압격리실, 관찰실, 음압수술실 등

• 약국 시스템 : 전문 약물 준비 센터

• 깨끗한 보조 객실 : 멸균 공급실 및 일회용품 보관실

• 비청소 보조실 : 오염된 폐기물 처리실과 오염된 자재 복도는 외부 전파를 막기 위해 오염 관리가 필요합니다.

• 세미클린 구역 : 표준 병원 에어컨을 사용하는 대기실, 치료실, 진찰실, 진단실.

제약 생산에서 청정 기술에 대한 과제 또한 전례 없는 수준이며, 특히 GMP 시행 이후 더욱 그렇습니다. 현재 중국은 GMP(2010)(일반적으로 인체 의약품 GMP로 알려짐)를 시행하고 있으며, 수의약품 생산 품질 관리 (2020). 클린룸은 이제 제약 공장의 기본 요건입니다.

1) 유전공학

유전공학은 생명공학의 핵심 분야입니다. 1973년 구균에서 대장균으로 유전 물질을 성공적으로 이식한 이후, 재조합 유전공학은 빠르게 발전해 왔습니다. 그 막대한 잠재력을 고려할 때, 21세기에도 그 성장은 무궁무진합니다. 그러나 생명공학의 상당 부분은 잠재적 위험, 특히 알려지지 않은 독성 미생물의 확산에 대한 생물학적 위험을 수반합니다. 미국에서 발생한 탄저병 사건과 전 세계적으로 발생한 사스(SARS) 발병은 이러한 심각한 생물학적 위험의 예입니다. 이러한 사건들은 모두에게 경고합니다. 이러한 위험은 모든 사람에게 영향을 미칠 수 있습니다. 인구가 많고 국제 무역이 활발한 우리나라와 같이 생물안전 기준을 준수하는 건물 미세환경은 전염병 예방, 동식물 종 및 제품 연구, 그리고 질병 관리에 필수적입니다. 신종 코로나바이러스 감염증의 영향으로 우리나라의 생물안전 클린룸(실험실) 건설은 전례 없는 속도로 진행되고 있습니다. 연구 기관, 병원, 백신 제조업체, 검사 및 검역 기관, 동식물 질병 예방 및 관리 기관, 그리고 모든 단계의 질병 관리 센터는 생물안전 실험실이 시급히 필요합니다. 불완전한 통계에 따르면, 미국은 최고 수준의 P4 실험실을 12개 보유하고 있는 반면, 우리나라는 단 2개에 불과합니다. P3 실험실은 1,500개가 넘는 반면, 우리나라는 약 80개입니다. 유전공학 외에도 생명과학, 그리고 농림업 분야의 특정 육종 프로젝트 또한 깨끗한 환경을 필요로 합니다.

2) 생물학적 위험 수준

생물학적 위험은 미국 국립보건원(NIH) 시스템에 따라 국제적으로 P1부터 P4(최저에서 최고)까지 분류됩니다. P3 및 P4 수준의 생물학적 물질을 취급하는 시설은 생물안전 조치를 시행해야 합니다. 1972년 이후 미국은 일부 시설을 생물무기 연구 시설에서 국립암연구소(NCI)로 이전하고, 생물안전 조치를 초석으로 삼아 암 연구를 발전시키기 위한 특별 종양 바이러스 연구 프로그램을 수립했습니다. 아폴로 계획은 우주에서 귀환하는 우주인을 대상으로 미지의 미생물 검사를 실시하여 생물안전 개념을 더욱 발전시켰습니다. 인간의 건강을 보호하고 백신을 개발하려면 박테리아와 바이러스, 특히 인간과 가축에 심각한 위협을 가하는 박테리아와 바이러스를 다루는 것이 필수적입니다. 심각하고 흔하지 않은 병원체(매개곤충 포함)에 대한 연구는 적절한 안전 시설을 갖춘 생물안전 청정실(실험실)에서 수행해야 합니다.

3) 생물의약품

생물 의약품은 생물학적 공정을 이용하여 제조되는 새로운 종류의 의약품입니다. 이러한 생물학적 활성제는 무균 조건에서 생산되어야 하며, 생산 후 멸균이 불가능한 경우가 많기 때문에 전체 공정의 미세 환경 관리가 필수적입니다. 이러한 제품의 상당 부분은 생물 안전 조치도 요구됩니다. 이러한 의약품은 주로 암, 심혈관 및 뇌혈관 질환, 에이즈, 유전 질환과 같이 기존 방식으로는 치료하기 어려운 주요 질병을 치료하는 데 사용됩니다. 세계 생물 의약품 시장은 연평균 12%의 성장률을 유지하고 있습니다. 미국 생명공학 기업의 70% 이상, 유럽 생명공학 기업의 50% 이상이 의료용 생물 의약품 연구 개발에 참여하고 있습니다. 따라서 어떤 측면에서는 21세기 생명공학이 인류에 미치는 직접적인 영향이 칩의 영향을 능가할 수 있으며, 생명공학의 발전은 대기 청정 기술의 핵심 기능인 오염 제어 및 대기 청정과 불가분의 관계에 있습니다.