제4부 기계 설계·구조·재료

4.12 환경 대응 설계: 방진·방수(IP)·클린룸·식품 위생·방폭

4.12.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

이 장은 로봇이 놓이는 환경이 설계에 거는 네 종류의 요구를 규격 중심으로 정리한다. 분진·물의 유입(IP 코드), 로봇이 내보내는 입자(클린룸), 식품과의 접촉 위생, 폭발성 대기에서의 점화원 억제(방폭)이다. 제목의 방진은 분진을 막는다는 뜻의 방진(防塵)이며 진동 절연의 방진(防振)은 이 장이 다루지 않는다(진동은 4.8). 규격의 시험 조건과 판정 기준을 읽은 범위에서 정확히 적고, 시험이 보장하지 않는 것(세척제·용제, 열 순환, 분진 폭발)을 구분하며, 밀폐 하우징의 열 호흡과 시험 제트의 부하처럼 계산이 어울리는 부분만 계산한다. 인증 절차와 법령은 27.25와 제38~41부가 맡는다.

배우는 것:

• IP 코드 — 구성(IP·첫째 숫자·둘째 숫자·추가 문자·보조 문자), 숫자별 정의와 시험 조건, 복수 표기(IPX5/IPX7 등), 시험이 담수이고 세척제·용제를 포함하지 않는다는 한계.
• 열 호흡 — 하우징이 식을 때 감압과 흡입 부피, 분진 시험의 감압 한계와의 관계, 환기구.
• 클린룸 — ISO 14644-1 등급 한계식과 FED-STD-209E 환산, 장비 방출 적합성(ISO 14644-14).
• 식품 위생 — 설계 요구의 규격 구조(ISO 14159·EN 1672-2·EHEDG), 식품 접촉 윤활제(21 CFR 178.3570), 세척 방식과 IP 시험의 간극.
• 방폭 — 지역·범주·보호 수준, 보호 방식, 압력 방폭 로봇(도장)과 점검 로봇 사례.

선수 지식: 4.2(씰의 구조), 4.11(케이블 인입부), 8.7(열 관리).

특히 중요한 독자: 세척·분진·폭발성 환경에 로봇을 배치하는 설계자와 시스템 통합자, 환경 등급 표기를 해석해야 하는 인증·조달 담당자(27.25, 41.30).

출처 방침. 기준 시점은 2026-11-05이다. 직접 읽은 자료: IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 통합판 제2.2판(2013-08, 정오표 1·2 포함, 미국 연방규정 인용 목적의 공개 PDF — 4·5·6·13·14절의 표와 시험 조건을 전문으로 읽었고 그림 7~11은 이미지여서 읽지 못했다); 영국 「폭발성 대기용 장비 및 보호 시스템 규정 2016」(SI 2016/1107) 부속서 1(EU 지침 2014/34/EU의 필수 보건·안전 요건에 해당하며 범주별 요구와 표시를 읽었다); 영국 「위험 물질 및 폭발성 대기 규정 2002」(DSEAR) 부속서 2(지침 1999/92/EC 부속서 I을 재현한다고 명시; 지역 0·1·2·20·21·22의 정의); FANUC P-250iB 카탈로그(RP-250iB(E)-02a, PDF 생성일 2022-04-25); 미국 연방규정 21 CFR 178.3570(Cornell LII 게시 전자 판); KUKA 보도자료(페이지 표시일 2022-01-13); ANYbotics ANYmal X 제품 페이지(조회); Universal Robots UR3e 데이터시트(2026-10 갱신; 팔 IP54); igus chainflex 토션 케이블 카탈로그(클린룸 항목); ISO/DIS 14644-14(2014) 공개 샘플(서문의 ISO 14644 부 구성만). 2차 출처: Wikipedia의 "IP Code"(IPX9K 조건, DIN 40050-9·ISO 20653), "Cleanroom"(ISO 14644-1 표와 식), "Electrical equipment in hazardous areas"(IEC 60079 보호 방식·온도 등급·가스 그룹·NEC 대응)이며 이 장은 이들을 2차 출처로 표시하고 가능한 곳은 1차 자료나 계산으로 대조했다. 읽지 못한 것: ISO 14644-1·-14의 확정판 본문, ISO 14159·EN 1672-2·ISO 21469·EHEDG 문서의 본문(판매처 목록의 범위 서술만 확인), IEC 60079 시리즈 본문, EU 지침 2014/34/EU·1999/92/EC의 EUR-Lex 원문(접속하지 못해 영국 이행 규정으로 확인), 한국 방폭 법령 원문(학술 논문의 서술만 확인). 이 장의 수치 계산은 모두 가정이 표에 있다.

4.12.2 개념 — 환경 요구는 유입·방출·접촉·점화의 네 축이다

결론부터 적으면 다음과 같다. 환경 대응 설계는 로봇과 환경 사이에서 오가는 것을 네 가지로 나누어 각각 규격이 정한 시험 조건으로 입증한다. ① 분진과 물이 들어오는 것은 IP 코드, ② 로봇이 입자를 내보내는 것은 ISO 14644 시리즈, ③ 식품과의 접촉과 세척성은 위생 설계 규격, ④ 폭발성 대기의 점화는 지역과 범주에 따른 방폭 인증이 다룬다. 같은 로봇이 여러 요구를 동시에 받는다(식품 로봇은 ①과 ③). 요구가 서로 충돌하는 곳이 설계의 어려운 부분이다. 밀폐는 방열을 막고, 양압 방폭은 케이블 인입을 제약하며, 스테인리스는 질량을 늘린다. 한 가지 일반 원칙은 등급 표기가 시험 조건 아래의 결과라는 점이다. IP 시험은 담수로 하며 IEC 60529 자체가 세척제나 용제를 사용하면 실제 보호가 만족스럽지 않을 수 있다고 서술한다.

이 장의 계산 결과를 미리 적으면 다음과 같다. ① 2 L 밀폐 하우징이 $60\,^\circ$C에서 $20\,^\circ$C로 식으면 외부 대비 $-12.17$ kPa이 걸리거나 누설 경로로 $0.24$ L의 외기가 흡입되고, $80\,^\circ$C에서 $15\,^\circ$C로 식으면 $-18.65$ kPa·$0.368$ L이다. ② IEC 60529의 IPX5·IPX6 시험 제트의 운동량 유속은 $1.39$ N·$22.6$ N이고 시험 거리의 중심 원 평균 압력은 $1.11$·$2.00$ kPa, 노즐 출구 정체압은 $22.3$·$92.2$ kPa이다. ③ ISO 14644-1의 등급 한계식 $C_N=10^N(0.1/D)^{2.08}$은 2차 출처 표의 숫자 칸 $33$개와 모두 일치하고 FED-STD-209E Class 100의 환산값 $3531.5$개/m³는 ISO 5의 $3520$개/m³와 $0.33\,\%$ 차이이다. ④ 라이브러리 대조(4.12.5)가 일치한다.

4.12.3 원리

4.12.3.1 IP 코드(IEC 60529)의 구조와 읽는 법

IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013은 외함이 제공하는 보호 등급을 IP 코드로 표시하는 방법을 정한다. 코드는 문자 IP, 첫째 특성 숫자(0~6 또는 X), 둘째 특성 숫자(0~9 또는 X), 선택 추가 문자(A·B·C·D), 선택 보조 문자(H·M·S·W)로 구성되며 숫자가 필요 없으면 X로 대체한다(예: IPX5, IP2X, IP23S). 첫째 숫자는 장비를 고체 이물에서, 동시에 사람을 위험 부분 접근에서 보호하는 정도이고, 둘째 숫자는 유해한 영향을 주는 물의 침입에서 장비를 보호하는 정도이다. 보호 등급은 설치 방향에 따라 다를 수 있고 그때는 제조사가 설치별 등급을 지침에 적는다.

숫자 6까지는 낮은 숫자의 요건을 함께 만족한다. 숫자 7·8·9만 표기한 외함은 분사(5·6)에 부적합한 것으로 간주되며, 분사와 침수에 모두 사용하려면 IPX5/IPX7, IPX6/IPX9처럼 복수로 표기하고 시험을 통과해야 한다. 시험에서 물이 들어와도 오작동·안전 저해·절연 연면 거리의 트래킹·충전부 도달·케이블 끝 누적이 없어야 하며 허용 침입량은 해당 제품 위원회가 정한다. 시험은 담수로 수행하며 IEC 60529는 숫자 9의 요건을 넘는 고압·고온 세척이나 용제를 사용하면 실제 보호가 만족스럽지 않을 수 있다고 서술한다. 숫자 9의 충격력 분포(그림 10·11)는 이미지여서 읽지 못했다. 2차 출처(Wikipedia)는 IPX9K가 DIN 40050-9에서 유래했고 현재는 ISO 20653:2013(도로 차량의 IP 코드)이 정하며 수온 80 °C, 압력 8~10 MPa, 유량 14~16 L/min, 노즐 거리 0.10~0.15 m(턴테이블)라고 적는다(2차 출처 (확인 필요)).

4.12.3.2 분진 시험과 열 호흡

분진 시험은 탈크(체의 선 지름 50 µm·간격 75 µm를 통과하는 분말)를 시험실 부피 1 m³당 2 kg 부유시킨 챔버에서 한다. IEC 60529는 외함을 두 범주로 나눈다. 범주 1은 정상 운전 주기에서 열 순환 등으로 내부 압력이 외부보다 낮아지는 외함이고, 범주 2는 압력차가 없는 외함이다. 범주 1은 진공 펌프로 내부를 감압하여(최대 2 kPa) 외함 부피의 80배를 시간당 최대 60배 속도로 흡입하며, 속도가 시간당 40~60배이면 2 시간, 40배 미만이면 80배가 되거나 8 시간이 될 때까지 시험한다. 숫자 5는 제품 규격이 범주 2로 정하지 않으면 범주 1이고, 숫자 6은 항상 범주 1이다. 숫자 5의 합격은 탈크가 오작동·안전 저해·연면 트래킹을 일으킬 양과 위치로 쌓이지 않는 것이고, 숫자 6은 시험 끝에 분진 퇴적이 보이지 않는 것이다.

열 호흡은 이 범주 1의 물리이다. 밀폐 하우징의 공기가 $T_h$에서 $T_c$로 식으면 이상 기체 가정에서 부피가 일정할 때 압력이 $P_0(T_c/T_h-1)$만큼 변하고(감압), 씰이 새면 외기가 $V(1-T_c/T_h)$만큼 흡입된다. 흡입은 모터와 감속기의 발열이 끝난 뒤나 세척수가 닿은 뒤에 일어나며 흡입되는 것이 액체이면 물이 하우징 안으로 들어간다. 계산 결과(4.12.5)에서 $60\to20\,^\circ$C는 $-12.2$ kPa로 시험의 최대 감압 2 kPa보다 크므로 환기구(압력 평형 막)나 양압이 없는 밀폐 관절은 정상 운전만으로 시험의 감압을 넘는 차압을 받는다. 그 값 자체는 이 장의 이상 기체 모형이며 실제 씰의 허용 차압과 환기구 유량은 확인하지 못했다 (확인 필요). 씰의 구조는 4.2, 열 관리는 8.7이다.

4.12.3.3 방수와 세척

숫자 5·6의 시험 제트는 노즐 내경과 유량이 정해져 있다(위 표). 노즐 출구 속도는 $v=Q/A$, 운동량 유속은 $\rho Q v$이고 시험 거리 2.5 m에서 IEC 60529가 서술하는 중심 원(지름 약 40 mm·120 mm)의 평균 압력은 운동량 유속을 그 면적으로 나눈 값이다(노즐 출구 속도가 유지된다는 가정이며 공기 저항과 퍼짐은 무시했다). 이 장의 계산에서 IPX5는 $1.39$ N·$1.11$ kPa, IPX6는 $22.6$ N·$2.00$ kPa이다. 노즐 출구의 정체압 $\rho v^2/2$는 $22.3$ kPa와 $92.2$ kPa이며 이는 노즐 가까이의 상한이다. 따라서 열 호흡의 감압($12\sim19$ kPa)은 시험 거리의 평균 충돌압보다 한 자릿수 크고 노즐 출구 정체압과 같은 자릿수이다. 세척 환경의 씰은 제트 충돌과 함께 세척수의 온도 급변이 만드는 차압을 점검 대상으로 둔다(계산에 근거한 추정이며 실측하지 않았다).

고온 고압 세척의 IPX9K(2차 출처 조건: 8~10 MPa)는 IEC 60529의 숫자 9보다 구체적인 조건이 도로 차량 규격에 있다. 식품 로봇의 세척은 알칼리·산성 세제와 소독제를 사용하므로 IP 등급만으로 세제 내성을 알 수 없고, 외함 재료·씰 재료의 화학 저항은 별도 시험이다(IEC 60529가 시험은 담수라고 서술한 점과 일치한다).

4.12.3.4 클린룸 — 등급과 장비 방출

ISO 14644-1은 청정실의 공기 청정도를 입자 농도로 분류한다. 2차 출처(Wikipedia)가 소개한 등급 한계식은 다음이다.

$$C_N=10^{N}\left(\frac{0.1}{D}\right)^{2.08}\quad[\text{개/m}^3],$$

$N$은 등급 번호(1~9), $D$는 입경(µm), 결과는 3자리 유효숫자로 나타낸 뒤 정수로 반올림한다. 이 식의 계산값은 같은 문헌의 표(0.1·0.2·0.3·0.5·1·5 µm 열)의 숫자 칸 $33$개와 모두 일치한다. 표가 분류에 사용하지 않는 칸(너무 낮은 농도나 너무 높은 농도)이 있으며 ISO 14644-1은 광산란 입자 계수기로 측정하는 입경 0.1~5 µm의 입자를 대상으로 하고 5 µm를 넘는 입자는 M 기술자로 나타낸다(판매처 목록의 범위 서술). FED-STD-209E의 "Class 100"은 0.5 µm 이상 입자 100개/ft³이며 ISO 5에 대응한다. 이 장의 환산 $100/0.3048^3=3531.5$개/m³는 ISO 5의 한계 $3520$과 $0.33\,\%$ 차이이다. 이 식은 확정판 ISO 14644-1:2015 본문이 아니라 2차 출처에서 가져왔고 판매처 설명에는 2015년판이 식보다 표를 명시한다고 적혀 있다 (확인 필요).

장비가 클린룸에 적합한지는 ISO 14644-14가 다룬다. 판매처 목록과 공개 초안(ISO/DIS 14644-14, 2014)의 서문에 따르면 이 문서는 장비(기계·계측·공정 장비·부품·공구)가 ISO 14644-1이 정한 공기 중 입자 청정도에 적합한지 평가하는 방법론이며, 초안의 구성은 일반 개요, 육안 검사, 입자 농도 측정에 따른 적합성 평가, 문서화, 적합성 진술이다. 생물 오염, 제염제, 장비 설계 요구는 범위 밖으로 알려져 있다. 같은 ISO 14644 시리즈에서 표면 청정도는 제9부, 장비의 화학 청정도는 제15부이다(DIS 서문의 부 구성). 로봇의 입자 방출원은 일반적으로 씰·윤활제 비산·케이블 마모·모터 브러시와 벨트로 알려져 있으나 방출률 수치는 확인하지 못했다. 케이블의 예로 igus 카탈로그는 CF77-UL-D 케이블이 ISO 등급 1에 대해 IPA(프라운호퍼)에서 시험되었다고 적는다 (공개 주장치). 클린룸 로봇은 28.16, 반도체 이송 로봇은 28.14, 무균 제약은 28.18이다.

4.12.3.5 식품 위생

식품과 접촉하거나 식품 구역에 놓이는 장비의 위생 설계는 규격 여럿이 겹친다. 판매처 목록의 범위 서술로 확인한 것은 다음이다. ISO 14159:2002는 기계 자체의 설계나 재료가 일으킬 수 있는 생물·화학 위험의 위생 요건을 다루고 EN 1672-2:2005는 식품 가공 기계의 위생 요건(위생 위험성 평가, 재료, 식품 구역·비산 구역·비식품 구역의 구분, 검증)을 다루며 ISO 21469:2006은 제품과 우발적으로 접촉하는 윤활제의 위생 요건을 다룬다. EHEDG(European Hygienic Engineering & Design Group)는 위생 설계 지침 문서를 발행하며 본문은 읽지 못했다. 미국 연방규정 21 CFR 178.3570은 "식품과 우발적으로 접촉하는 윤활제는 식품을 생산·제조·포장·가공·조제·처리·운송·보관하는 기계에 사용할 수 있다"고 서술하고 윤활제를 구성하는 물질을 목록과 한도로 제한하며 사용량은 필요한 기술적 효과를 내는 최소량이어야 한다고 정한다. 제조사가 H1 윤활제라 부르는 범주는 NSF의 등록 범주이며 이 장은 NSF 문서를 읽지 못했다 (확인 필요). KUKA의 보도자료는 위생 설계(HM) 로봇이 EHEDG 설계 지침에 기반하고 FDA 적합 부품과 H1 윤활제, 접근 불가능한 모서리가 없는 내식 하우징, 스테인리스 부품을 사용한다고 서술하며 Hygienic Oil(HO) 로봇은 모든 축에 H1 윤활제를 사용하고 주축 IP 65, 손목 축 IP 67이라고 서술한다 (공개 주장치). 식품 로봇의 설계 요건 일반(구석·틈 제거, 표면 거칠기, 재료, 배수)의 수치는 EHEDG 문서를 읽지 못해 확인하지 못했다 (확인 필요). 식품·농산물 가공 로봇은 28.20이다.

4.12.3.6 방폭

폭발성 대기의 위험은 점화원이 있느냐이므로 방폭은 로봇이 점화원이 되지 않게 하는 설계와 인증이다. 영국 DSEAR 2002 부속서 2는 위험 장소를 폭발성 대기가 존재하는 빈도와 지속 시간에 따라 구역으로 분류한다. 가스·증기·미스트는 구역 0(연속적·장기간·빈번), 구역 1(정상 운전에서 간헐적으로 생길 가능성), 구역 2(정상 운전에서는 생길 가능성이 낮고 생겨도 짧은 시간 지속)이고, 분진 구름은 같은 정의가 구역 20·21·22이다. 정상 운전은 설비가 설계 변수 안에서 사용되는 상황이며 분진 층·퇴적도 다른 요인처럼 고려한다.

영국의 이행 규정 SI 2016/1107 부속서 1(EU 지침 2014/34/EU의 필수 요건에 해당)은 그룹 II 장비의 범주를 요구로 구분한다. 범주 1은 장비의 드문 사고가 있어도 점화원이 활성화되지 않아야 하고 하나의 보호 수단이 고장나면 독립된 두 번째 수단이 보호하거나 독립적인 두 고장에서도 보호해야 한다. 범주 2는 빈번한 교란이나 장비의 운전 고장에서도 점화원이 생기지 않아야 한다. 범주 3은 정상 운전 중 예견 가능한 점화원을 방지해야 한다. 표시에는 제조사·CE 표시·유형·제조 연도·방폭 표시에 이어 그룹과 범주와 문자 G(가스)·D(분진)를 넣는다. 범주와 구역의 대응(1은 구역 0·20, 2는 구역 1·21, 3은 구역 2·22)은 이 장이 읽은 문서가 직접 적지 않아 지침 원문을 확인하지 못했다 (확인 필요).

2차 출처(Wikipedia, IEC 60079 시리즈 정리)는 다음을 적는다. 온도 등급 T1~T6의 최고 표면 온도는 $450\cdot300\cdot200\cdot135\cdot100\cdot85\,^\circ$C이고, 가스 그룹은 IIC(수소·아세틸렌)가 가장 엄격하고 IIB(에틸렌), IIA(프로판) 순이며, 장비 보호 수준(EPL)은 가스 Ga·Gb·Gc(구역 0·1·2에 대응), 분진 Da·Db·Dc(구역 20·21·22)이다. 보호 방식은 d(내압 방폭, IEC 60079-1), e(안전도 증가, -7), i(본질안전, -11), m(몰딩, -18), n(비점화, -15), o(유침, -6), p(압력 방폭·퍼지, -2), q(충전, -5)이다. 미국의 NEC는 Class/Division 체계(Article 500)와 Zone 체계(Article 505·506)를 병행한다(2차 출처 (확인 필요)).

로봇의 방폭은 압력 방폭이 대표적이다. FANUC P-250iB 카탈로그(도장 로봇, 작업 반경 2800 mm, 가반하중 15 kg)는 오프셋 중공 손목 구조가 공정 호스의 통합을 쉽게 한다고 적고, 방폭 등급을 일본 pxb ib IIB T4 Gb, 유럽 II 2 G c Ex ib px IIB T4 Gb·II 2 D c Ex ib p IIIB T135 °C Db, 미국 Class I·II·III Div. I(그룹 C·D·E·F·G) T4로 적으며 주위 온도 0~45 °C, 무게 530 kg(컨트롤러 제외)이다 (공개 주장치). 로봇 내부를 보호 가스로 양압을 유지하는 설계의 퍼지 절차와 시간은 확인하지 못했다 (확인 필요). ANYbotics의 ANYmal X 제품 페이지는 지역 1·2, IIB, T4(EPL Gb, 범주 2G)의 ATEX 인증과 내압·압력·본질안전 방식, 로봇 IP65·페이로드 IP67을 서술하고 지역 0·폭발성 분진·IIC 가스(수소·아세틸렌)는 대상이 아니라고 한계를 밝히며 IECEx 상태를 "첫 생산에서 가능"이라 적는다 (공개 주장치). 같은 제품에 대해 다른 자료가 IECEx 인증을 서술하여 IECEx 상태는 확인하지 못했다 (확인 필요). 도장 로봇은 28.7, 플랜트 점검 로봇은 34.12이다.

4.12.3.7 대표 제품과 현황

상세 제품 비교는 제45~46부이다.

4.12.4 알고리즘

환경 요구 → 사양 절차:
    1) 환경 목록: 분진·물(세척 방식·세제·온도·압력), 청정도 등급, 식품 접촉 여부, 폭발성 물질(가스 그룹·분진·구역)
    2) IP: 요구 등급을 IEC 60529 시험 조건으로 번역(세제·용제·고온 세척은 별도 확인), 인입부(4.11)·씰(4.2) 확인
    3) 열 순환: ΔP ← P0 (Tc/Th − 1),  ΔV ← V (1 − Tc/Th);  환기구·양압·압력 평형 여부 결정
    4) 청정도: 요구 ISO 등급 → ISO 14644-14 적합성 평가 자료 요구, 방출 원천(씰·윤활제·케이블) 점검
    5) 위생: 구석·틈 제거, 재료·윤활제(H1), 세척성, 위생 규격·고객 요구 확인
    6) 방폭: 구역·가스 그룹·온도 등급 → 필요 범주·EPL → 보호 방식 선택 → 인증 장비 확보
    7) 충돌 점검: 밀폐 대 방열, 양압 대 케이블 인입, 재료 대 질량

4.12.5 풀이 예제 — 열 호흡, 시험 제트, 클린룸 등급식

결론부터 적으면 앞 절의 ①~④이다. 입력은 모두 예시 가정이거나 규격의 시험 조건이다.

구현. breath(열 호흡), jet(시험 제트), iso_limit·fed_per_m3(클린룸 등급)가 아래 코드이다. 표와 그림은 스크립트에 있다.

from math import pi, sqrt, log10

P0 = 101325.0          # Pa
RHO_W = 1000.0         # kg/m^3

def breath(V, Th, Tc):
    """밀폐 하우징(V, m^3)이 Th에서 Tc(K)로 식을 때
    (밀폐 시 압력 변화 Pa, 흡입되는 외기 부피 m^3)"""
    dP = P0 * (Tc / Th - 1.0)
    dV = V * (1.0 - Tc / Th)
    return dP, dV

def jet(Q_lpm, d_mm, core_mm):
    """유량 Q(L/min)·내경 d(mm)의 노즐: 출구 속도 v,
    운동량 유속 F = rho Q v, 지름 core(mm) 원의 평균 압력,
    노즐 출구의 정체압 rho v^2/2"""
    Q = Q_lpm / 1000.0 / 60.0
    A = pi * (d_mm / 1000.0) ** 2 / 4
    v = Q / A
    F = RHO_W * Q * v
    Ac = pi * (core_mm / 1000.0) ** 2 / 4
    return v, F, F / Ac, 0.5 * RHO_W * v * v

def iso_limit(N, D):
    """ISO 14644-1 등급 N의 입경 D(um) 이상 입자 한계(개/m^3):
    유효숫자 3자리로 나타낸 뒤 정수로 반올림"""
    c = 10 ** N * (0.1 / D) ** 2.08
    c = round(c, 2 - int(math.floor(log10(c))))
    return int(round(c))

def fed_per_m3(cls):
    """FED-STD-209E 등급(0.5 um 이상 개/ft^3)의 개/m^3 환산"""
    ft = 0.3048
    return cls / ft ** 3

그림은 식기 전 하우징 온도에 따른 밀폐 시 감압이다. 식은 뒤 온도가 낮을수록(세척수가 차가울수록) 감압이 커지고, 식은 뒤 $20\,^\circ$C 기준으로 약 $5.9$ K만 식어도 IEC 60529 분진 시험의 최대 감압 2 kPa를 넘는다($\Delta T=T_c\,x/(1-x)$, $x=2\,\mathrm{kPa}/P_0$). 환기구나 양압이 없는 밀폐 관절에서 외기 흡입은 정상 운전의 온도 변화만으로 일어날 수 있다.

라이브러리 대조. 같은 입력에서 SciPy·numpy 및 2차 출처 표와 비교한 결과는 다음이다.

모든 항목이 일치한다. 클린룸 식의 값은 2차 출처 표의 숫자 칸과 일치하나 표 자체가 2차 출처이므로 확정판 ISO 14644-1과의 일치는 확인하지 못했다. 열 호흡은 mol 수지로 독립 계산했다.

한계. 열 호흡은 이상 기체·균일 온도의 모형이며 실제 하우징은 온도 분포가 있고 씰의 컴플라이언스가 감압을 일부 흡수한다. 시험 제트는 노즐 출구 속도가 유지되는 단순화이다. 규격의 시험 조건은 읽은 범위(IEC 60529 전문의 표와 시험 조건)로 제한했고 숫자 9의 충격력 분포와 확정판 ISO 14644-1은 읽지 못했다. 제품 환경 사양은 제조사 자료이다.

견해: 세척이 있는 환경에 놓는 관절은 IP 등급의 숫자를 확인하는 데 그치지 않고 열 순환에 따른 호흡을 별도 설계 항목으로 두고 압력 평형 환기구나 양압을 검토하는 것이 낫다고 본다. 근거는 이 장의 계산에서 $60\to15\,^\circ$C의 감압이 $13.7$ kPa로 IEC 60529의 분진 시험 최대 감압($2$ kPa)과 시험 제트의 시험 거리 평균 충돌압($1\sim2$ kPa)을 모두 크게 넘었다는 점이다. 이 비교는 이상 기체 모형이며 실제 씰의 차압 허용과 환기구 성능은 확인하지 못했다.

4.12.6 설계 트레이드오프 — 환경 대응 수단의 선택

환경 요구는 다음 수단 중에서 고른다.

• ① 밀폐(IP 등급). 씰·가스켓·인입부로 유입을 막는다. 구조가 단순하고 규격이 명확하지만 열 호흡과 방열이 제약이다.
• ② 압력 평형 환기구·양압. 하우징 내부 압력을 외부와 맞추거나 높여 유입을 막는다. 열 호흡 문제를 줄이고 클린룸과 압력 방폭(px·py)의 공통 수단이지만 공급·감시가 필요하다.
• ③ 재료·표면 설계. 스테인리스·위생 형상·H1 윤활제로 세척성과 접촉 위험을 줄인다. 질량·비용이 늘고 세제 내성은 별도 시험이다.
• ④ 방폭 구조(내압·본질안전). 점화원을 차단하거나 에너지를 제한한다. 인증이 필요하고 범주·그룹·온도 등급의 적용 범위가 한정된다.

견해: 하나의 로봇이 세척과 클린룸이나 방폭을 동시에 요구받으면 요구를 별개 제품 변형으로 분리하는 것이 낫다고 본다. 근거는 이 장에서 ① 밀폐와 ② 양압이 열 호흡 측면에서 서로 다른 설계를 요구한다는 점과, 제품 자료에서 위생(HM·HO)과 방폭(P-250iB·ANYmal X)이 각각 별도 변형으로 제공된다는 점이다. 비용 효과는 이 장이 비교하지 않았다.

4.12.7 응용 축 비교

이 표는 이 책의 정리이며 제품별 요구는 다르다. 응용별 요구 수치는 이 장이 확인하지 않았다.

4.12.8 관련 규격·프로토콜

환경 시험 일반(온도·진동·습도·염수 분무)은 4.13에서 다룬다.

4.12.9 관련 규제·인증 요구와의 연결

EU에서 폭발성 대기용 장비는 지침 2014/34/EU(제품)와 1999/92/EC(작업장 구역 분류)가 규율하며 영국의 이행 규정에서 읽은 범주별 요구가 인증 대상이다. 한국에서는 방폭구조 전기기계·기구가 산업안전보건법 시행령 제74조의 안전인증 대상이고 한국산업안전보건공단(KOSHA)·한국산업기술시험원(KTL)·한국가스안전공사(KGS)가 KCs 방폭 인증을 한다고 학술 논문이 서술한다(2차 서술, 조문 원문은 확인하지 못했다 (확인 필요)). 식품 접촉 윤활제는 미국 21 CFR 178.3570이 규율하고, 식품 접촉 기계 일반은 EU와 한국의 식품 관련 법령(39.31)이 다룬다. 클린룸 등급은 법령이 아니라 고객·공정 요구와 규격이다. 로봇 셀의 인증 절차는 41.30, 산업안전보건법과 로봇은 39.17, 특수 환경 적합성 표준은 27.25이다.

4.12.10 한계·유의점·미해결

• 규격 본문. IEC 60529 전문(숫자 9의 그림 제외) 외에는 확정판 본문을 읽지 못했다.
• 2차 출처. ISO 14644-1 표와 식, IEC 60079 보호 방식, IPX9K 조건은 Wikipedia에서 가져왔다.
• 방폭 범주·구역 대응. 지침 원문(EUR-Lex)에 접속하지 못했다.
• 한국 방폭 법령. 시행령 제74조와 KCs 인증 기관은 학술 논문의 서술이며 원문을 확인하지 못했다.
• 열 호흡 모형. 이상 기체·균일 온도이며 씰 컴플라이언스·환기구 성능은 다루지 않았다.
• 제품 사양. 제조사 자료이고 인증서 원문을 읽지 못했다.
• 위생 설계 수치. EHEDG 문서를 읽지 못해 표면 거칠기·반경 같은 수치를 적지 않았다.

4.12.11 체크포인트·연구 질문·출처

체크포인트:

1. IP 코드의 구성과 IPX5/IPX7 같은 복수 표기의 뜻, 숫자 7·8·9만 표기한 외함이 분사에 부적합으로 간주되는 이유를 설명하라.
2. IEC 60529 분진 시험의 범주 1과 범주 2를 구분하고 숫자 6이 항상 범주 1인 이유를 설명하라.
3. 밀폐 하우징의 열 호흡에서 감압과 흡입 부피를 이상 기체 식으로 유도하라.
4. IEC 60529가 시험을 담수로 한다는 서술이 식품 로봇의 세척 설계에 미치는 의미를 설명하라.
5. ISO 14644-1 등급 한계식으로 ISO 5의 $0.5$ µm 한계를 계산하고 FED-STD-209E Class 100과 비교하라.
6. 구역 0·1·2와 범주 1·2·3의 요구 차이를 영국 이행 규정이 서술한 내용으로 설명하라.

연구 질문:

• 열 순환에 따른 호흡이 로봇 관절 씰의 실제 침수 사고에 얼마나 기여하는지 실측으로 보일 수 있는가(이 장은 모형만 계산했다)?
• 로봇 장비의 입자 방출률을 관절 씰·윤활제·케이블 원천별로 분리하여 ISO 14644-14의 측정과 연결할 수 있는가?
• 세척제·소독제에 대한 외함·씰 재료의 내성을 IP 등급과 같은 체계의 시험으로 표준화할 수 있는가?
• 압력 방폭 로봇의 내부 압력 감시와 퍼지 실패 시 안전 상태를 어떻게 설계하는가?

1차 출처(조회 2026-11-05).

• IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 CSV/COR2:2015, Degrees of protection provided by enclosures (IP Code), Edition 2.2(2013-08) — 전문 읽음(law.resource.org 공개 PDF; 그림 7~11은 이미지).
• 영국 The Equipment and Protective Systems Intended for Use in Potentially Explosive Atmospheres Regulations 2016, SI 2016/1107, 부속서 1 — 직접 읽음(legislation.gov.uk).
• 영국 The Dangerous Substances and Explosive Atmospheres Regulations 2002, SI 2002/2776, 부속서 2 — 직접 읽음(legislation.gov.uk).
• FANUC, "Paint Robot P-250iB" 카탈로그 RP-250iB(E)-02a(PDF 생성일 2022-04-25) — 직접 읽음.
• 21 CFR § 178.3570 "Lubricants with incidental food contact"(1977-03-15 고시) — 직접 읽음(Cornell LII 게시 전자 판).
• KUKA, 위생 설계 로봇 보도자료(페이지 표시일 2022-01-13) — 직접 읽음.
• ANYbotics, ANYmal X 제품 페이지 — 직접 읽음(주장치, 잠정 사양).
• Universal Robots, UR3e Technical specification(2026-10 갱신) — 직접 읽음.
• igus GmbH, chainflex 토션 케이블 카탈로그(2023) — 클린룸 항목 직접 읽음.
• ISO/DIS 14644-14(2014) 공개 샘플 — 서문·목차만 읽음.
• Wikipedia, "IP Code"·"Cleanroom"·"Electrical equipment in hazardous areas" — 2차 출처.
• ISO 14159:2002, EN 1672-2:2005, ISO 21469:2006, ISO 14644-1:2015, ISO 14644-14:2016, ISO 20653:2013, EHEDG 문서, IEC 60079 시리즈, 지침 2014/34/EU·1999/92/EC — 서지·범위만 확인.
• SciPy 1.18.1(constants), numpy 2.5.4.

다음 장. 4.13은 실외 환경과 기상(강우·강설·결빙·고온·저온·분진·풍하중)의 영향을 다룬다. 이 장의 IP 등급과 열 호흡이 실외의 온도 변화·강우·분진에서 어떻게 확장되는지, 풍하중과 열팽창의 계산과 함께 다룬다.