1. Phòng sạch là gì? hoc ke toan tai nha
Nếu cần nói một cách đơn giản, ta có thể trả lời rằng “phòng sạch” là một phòng rất sạch. Phòng sạch (tiếng Anh là cleanroom – một danh từ ghép), theo định nghĩa bởi tiêu chuẩn ISO 14644-1 là: “Là một phòng mà nồng độ của hạt lơ lửng trong không khí bị khống chế và nó được xây dựng và sử dụng trong một kết cấu sao cho sự có mặt, sự sản sinh và duy trì các hạt trong phòng được giảm đến tối thiểu và các yếu tố khác trong phòng như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất đều có thể khống chế và điều khiển“. Nguyên văn tiếng Anh: “A room in which the concentration of airborne is controlled, and which is constructed and used in a manner to minimise the introduction, generation and retention of particles inside the room and in which other relevant parameters, e.g. temperature, humidity, and pressure, are controlled as neccessary.” [1] Nói một cách đơn giản, phòng sạch là một phòng kín mà trong đó, lượng bụi trong không khí, được hạn chế ở mức thấp nhất nhằm tránh gây bẩn cho các quá trình nghiên cứu, chế tạo và sản xuất. Đồng thời, nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của không khí cũng được khống chế và điều khiển để có lợi nhất cho các quá trình trên. Ngoài ra, phòng còn được đảm bảo vô trùng, không có các khí độc hại đúng theo nghĩa “sạch” của nó
2. Lịch sử của phòng sạch, sự cần thiết của phòng sạch
Phòng sạch được sử dụng lần đầu tiên là trong lĩnh vực y tế. Mở đầu là các công trình nghiên cứu của Pasteur, Koch, Lister và các nhà sinh học tiên phong khác đã chỉ ra rằng sự nhiễm khuẩn là nguyên nhân của nhiều căn bệnh, mà một trong những nguyên nhân của sự nhiễm khuẩn là sự mất vệ sinh trong môi trường. Lần đầu tiên vào những năm 1860, Joseph Lister (một giáo sư ở Đại học Tổng hợp Glasgow) đã thiết lập một hệ thống phòng khép kín nhằm hạn chế bụi bẩn, chống sự nhiễm khuẩn ở Viện xá Hoàng gia Glasgow (Royal Infirmary, là một Viện xá thành lập bởi ĐH Glasgow, ngày nay mang tên là Glasgow Western Infirmary). Đây chính là phòng sạch sơ khai đầu tiên [1]. Và hệ thống phòng sạch sử dụng cho sản xuất được bắt đầu sử dụng vào thời gian chiến tranh thế giới thứ hai để cải tiến các súng ống, vũ khí quân sự. Cho đến lúc này, phòng sạch mới chỉ ở mức sơ khai là làm sạch bằng cách hệ thống hút bụi và hút ẩm đơn giản, khác xa so với ngày nay.
Tiếp đến, phòng sạch được phát triển thêm một bước nhờ sự thúc đẩy từ các ngành nghiên cứu về hạt nhân, sinh và hóa dẫn sự ra đời của các hệ thống lọc không khí. Các phòng sạch với dung tích lớn, hệ thống lọc không khí tốt bắt đầu phát triển mạnh từ năm 1955. Công ty điện tử Western Electric Company (Winston-Salem, Mỹ) gặp phải các vấn đề trục trặc với các sản phẩm sai hỏng do sự có mặt của các hạt bụi trong không khí. Yêu cầu đặt ra cho họ là các phòng sạch không nhiễm bụi, và từ đó hệ thống phòng sạch đươc phát triển, với các hệ thống lọc, các hệ thống điều khiển, các quần áo bảo hộ nhằm chống bụi bẩn cho phòng… được phát triển như ngày nay. Và hiện nay, phòng sạch được sử dụng cho nhiều lĩnh vực: y tế, khoa học và kỹ thuật vật liệu, linh kiện điện tử, lý, hóa, sinh, cơ khí chính xác, dược…
3. Các tiêu chuẩn về phòng sạch
Tiêu chuẩn đầu tiên của phòng sạch là hàm lượng bụi, tức là hàm lượng các hạt bụi lơ lửng trong không khí được khống chế đến mức nào (tất nhiên là bụi bám càng phải làm sạch rồi). Nếu ta so sánh một cách hình tượng, đường kính sợi tóc người vào cỡ 100 m, hạt bụi trong phòng có thể có đường kính từ 0,5 đến 50 .
Các tiêu chuẩn về phòng sạch lần đầu tiên được đưa ra vào năm 1963 ở Mỹ, và hiện nay đã trở thành các tiêu chuẩn chung cho thế giới. Đó là các tiêu chuẩn quy định lượng hạt bụi trong một đơn vị thể tích không khí. Người ta chia thành các tầm kích cỡ bụi và loại phòng được xác định bởi số hạt bụi có kích thước lớn hơn 0,5 m trên một thể tích là 1 foot khối (ft3) không khí trong phòng.
a) Tiêu chuẩn Federal Standard 209 (1963) [1]
Tiêu chuẩn này lần đầu tiên được quy định vào năm 1963 (có tên là 209), và sau đó liên tục được cải tiến, hoàn thiện thành các phiên bản 209 A (1966), 290 B (1973)…, cho đến 209 E (1992).
b) Tiêu chuẩn Federal Standard 209 E (1992) [2-3]
Tiêu chuẩn này xác định hàm lượng bụi lửng trong không khí theo đơn vị chuẩn (đơn vị thể tích không khí là m3). Sự phân loại phòng sạch được xác định theo thang loga của hàm lượng bụi có đường kính lớn hơn 0,5 m. Dưới đây là bảng tiêu chuẩn FS 209 E.
| Class | maximum particles/ft³ | ISO equivalent | ||||
| ≥0.1 µm | ≥0.2 µm | ≥0.3 µm | ≥0.5 µm | ≥5 µm | ||
| 1 | 35 | 7 | 3 | 1 | ISO 3 | |
| 10 | 350 | 75 | 30 | 10 | ISO 4 | |
| 100 | 750 | 300 | 100 | ISO 5 | ||
| 1,000 | 1,000 | 7 | ISO 6 | |||
| 10,000 | 10,000 | 70 | ISO 7 | |||
| 100,000 | 100,000 | 700 | ISO 8 | |||
Bảng 2. Giới hạn bụi trong tiêu chuẩn 209 E (1992).
Bảng tiêu chuẩn này đã bị Bộ Thương mại Mỹ chính thức huỷ bỏ kể từ 29 tháng 9 năm 2001 tuy nhiên vẫn còn được ử dụng rộng rãi.
c) Tiêu chuẩn ISO 14644-1 [3,4]
Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (International Standards Organization – ISO) đã quy định các tiêu chuẩn về phòng sạch tiêu chuẩn quốc tế. Tiêu chuẩn ISO 14644-1 được phát hành năm 1999 có tên “Phân loại độ sạch không khí” (Classification of Air Cleanliness). Các loại phòng sạch được quy định dựa trên biểu thức: với: Cn¬ là hàm lượng cho phép tối đa (tính bằng số hạt/m3) của bụi lửng không khí lớn hơn hoặc bằng kích thước xem xét. N là chỉ số phân loại ISO, không vượt quá 9 và chỉ số cho phép nhỏ nhất là 0,1 D là đường kính hạt tính theo m 0,1 ở đây là hằng số với thứ nguyên là m. Như vậy, có thể dễ dàng xác định các giới hạn hàm lượng bụi từ công thức trên và dễ dàng phân loại từng cấp phòng sạch (bảng 3).
| Class | maximum particles/m³ | FED STD 209E | |||||
| equivalent | |||||||
| ≥0.1 µm | ≥0.2 µm | ≥0.3 µm | ≥0.5 µm | ≥1 µm | ≥5 µm | ||
| ISO 1 | 10 | 2 | |||||
| ISO 2 | 100 | 24 | 10 | 4 | |||
| ISO 3 | 1,000 | 237 | 102 | 35 | 8 | Class 1 | |
| ISO 4 | 10,000 | 2,370 | 1,020 | 352 | 83 | Class 10 | |
| ISO 5 | 100,000 | 23,700 | 10,200 | 3,520 | 832 | 29 | Class 100 |
| ISO 6 | 1,000,000 | 237,000 | 102,000 | 35,200 | 8,320 | 293 | Class 1000 |
| ISO 7 | 352,000 | 83,200 | 2,930 | Class 10,000 | |||
| ISO 8 | 3,520,000 | 832,000 | 29,300 | Class 100,000 | |||
| ISO 9 | 35,200,000 | 8,320,000 | 293,000 | Room air |
Bảng 3. Các giới hạn hàm lượng bụi trong tiêu chuẩn ISO 14644-1 [1,4].
Cần chú ý rằng, mức độ nhiễm bẩn không khí trong phòng còn phụ thuộc vào các hạt bụi sinh ra trong các hoạt động trong phòng, chứ không chỉ là con số cố định của phòng. Chính vì thế, trong các tiêu chuẩn của phòng, luôn đòi hỏi các hệ thống làm sạch liên hoàn và còn quy định về quy mô phòng và số người, số hoạt động khả dĩ trong phòng sạch. Ngoài các tiêu chuẩn này, mỗi ngành còn có thể có thêm các đòi hỏi riêng cho mình, ví dụ như làm về công nghiệp vi mạch bán dẫn đòi hỏi khác với ngành y… Ta nhớ là công nghiệp bán dẫn thao tác với các phần tử vật liệu tới cỡ micron, vì thế mà yêu cầu rất khắt khe về hàm lượng bụi nhỏ, trong khi ngành y tế lại đòi hỏi cao về mức độ sạch và điều hòa không khí nhằm chống nhiễm khuẩn…
5. Trang bị cần thiết cho phòng sạch
Con người làm việc trong phòng sạch là một nguồn tạo ra bụi bẩn cho phòng. Khi con người di chuyển, có thể sản sinh tới 100000 hạt (kích thước lớn hơn 0,5 m) và hàng ngàn hạt bụi cỡ micron mang theo người mỗi phút. Do vậy, với mỗi phòng sạch, người ta đều có giới hạn số người làm việc tương ứng với quy mô của phòng. Và để đảm bảo cho môi trường trong phòng, ngoài các máy móc trang bị cho các công việc thiết yếu trong phòng sạch, thì trang bị cho con người là rất cần thiết để giảm thiểu lượng bụi sản sinh. Các trang thiết bị cần thiết cho người làm việc gồm: – Quần áo bảo hộ: Thường là áo và quần liền một khối. – Mũ bảo hộ để chùm đầu (ta nhớ tóc người cũng là nguồn bắt bụi) – Giầy vải chùm kín chân – Mặt nạ chùm mặt, có thể có cả bộ lọc khí thở ở mặt nạ, kính bảo vệ mắt, găng tay Quần áo, mũ, mặt nạ, giầy thường làm bằng vải, có bên ngoài là bề mặt trơn, không bắt bụi, đồng thời đảm bảo cho con người dễ dàng di chuyển và hoạt động
Một nhân viên làm việc trong phòng sạch, mang đồ bảo hộ: áo, mũ, mặt nạ, găng tay.
Trong ngành vật lý, khoa học vật liệu, phòng sạch thường dùng cho các công nghệ chế tạo vật liệu đòi hỏi độ sạch cao như: quang khắc, công nghệ màng mỏng (MBE, sputtering, CVD…), công nghệ linh kiện bán dẫn, linh kiện điện tử, các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS, NEMS), các phép phân tích tinh tế, các xử lý lý hóa… Đến đây, chắc bạn đọc tự trả lời được câu hỏi “Tại sao phải dùng phòng sạch?”, nếu chưa trả lời được, hãy tưởng tượng, công nghệ chế tạo các linh kiện kích thước chỉ cỡ micromet đến nanomet, chỉ cần một lượng bụi nhỏ bám vào có thể làm thay đổi hoàn toàn tính chất của sản phẩm.
Khu vực trung gian thay đồ để vào phòng sạch
Khu vực đầu tiên khi bạn bước vào phòng sạch sẽ là khu vực thay đồ (hình 14). Đây là một khoang trung gian trước khi đến các phòng chức năng, có độ sạch không cao. Ở đó, bạn sẽ phải mặc đồ bảo hộ theo đúng quy trình và đảm bảo không làm bẩn khu vực này rồi mới bước vào khu làm việc. Sau khi kết thúc công việc, trước khi ra khỏi phòng sạch, người làm cũng phải cởi bỏ đồ bảo hộ theo đúng tiến trình và ra khỏi phòng.
6. An toàn trong phòng sạch
Trong phòng sạch, ngoài việc độ sạch không khí được khống chế, còn các yếu tố khác là độ ẩm phải điều khiển ở mức đủ thấp, áp suất, nhiệt độ… được duy trì ở mức độ thích hợp, đảm bảo vô trùng. Vì thế, điều đầu tiên mà mỗi người làm việc trong phòng sạch đều phải tuân thủ đó là các quy tắc an toàn lao động để đảm bảo an toàn. Ở các nước phát triển, mỗi người trước khi vào làm ở phòng sạch đều được học rất cẩn thận các quy tắc làm việc trong phòng sạch, mà ban đầu luôn là các quy tắc an toàn lao động:
– Thoát ra khỏi phòng sạch như thế nào khi có các tai nạn đột xuất (cháy, nổ, chập điện…); các xử lý cần thiết cho các tai nạn này.
– Làm thế nào để giảm thiểu các tai nạn và đảm bảo an toàn lao động bằng các quy tắc sử dụng cũng như làm việc trong phòng một cách khoa học và chính xác.
– Các quy tắc để không làm nhiễm bẩn phòng: bỏ các vật dụng có thể dễ bắt bụi như áo len, mỹ, găng tay ấm, áo khoác… – Sử dụng, di chuyển, và bỏ các hóa chất, các vật dụng thí nghiệm đúng quy tắc.
– Sử dụng các thiết bị trong phòng đúng quy trình.
Chúng ta hãy tưởng tượng việc làm sai quy tắc trong phòng sạch, ngoài việc sẽ làm nhiễm bẩn phòng (sẽ rất hại cho hệ thống làm sạch), đồng thời có thể rất dễ xảy ra các tai nạn, hỏng hỏng và gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Ở nước Anh (tôi không rõ các nước khác thế nào), trước khi vào làm việc độc lập trong phòng sạch, người lao động phải trải qua khóa học về an toàn lao động, ký xác nhận tuân thủ các quy tắc an toàn và vượt qua kỳ kiểm tra các quy tắc này nhằm đảm bảo an toàn cho phòng sạch. Còn một điều khó chịu nữa là khi làm việc trong phòng sạch, hãy chịu khó nhịn các “nỗi buồn” của bản thân, vì trong phòng sạch không thể cho phép bạn tạo ra các chất bẩn đó.
7. Kết luận
Phòng sạch là một hệ thống làm việc cực kỳ tinh vi và hiện đại, và nó chẳng xa lạ gì ở các nước có nền khoa học và công nghệ tiên tiến. Ở Việt Nam, do điều kiện kinh tế và nền khoa học còn kém phát triển, phòng sạch vẫn còn rất xa lạ, và dù đã có đơn vị khoa học có trang bị phòng sạch, nhưng cá nhân tôi tin là các phòng sạch đó chẳng thể hoạt động được do nó đòi hỏi kinh phí hoạt động (running cost) quá cao so với điều kiện kinh tế của các đơn vị. Chính vì thế, có lẽ phòng sạch ở Việt Nam ta vẫn còn mang tính chất “trang trí” nhiều hơn là mang lại hiệu quả nghiên cứu (hi vọng nhận xét này của tôi là sai). Là một người làm nghiên cứu và cũng phải làm nhiều công đoạn trong phòng sạch, cá nhân tôi vẫn mong sao phòng sạch sẽ sớm trở nên phổ thông hơn ở Việt Nam ta để dân nghiên cứu có cơ hội phát triển và cả cá nhân tôi sau này trở lại đất nước có cơ hội sử dụng những kiến thức đã được học ở nước ngoài.