진공기술

주요 목적

일반적으로 어떤 처리나 물리적 측정이 진공에서 행해지는 이유는 다음과 같다. ① 처리과정중에 물리적·화학적 반응을 일으킬지도 모르는 대기성분을 제거하기 위해서(타이타늄[티탄]과 같은 반응성 금속의 진공융해), ②물질 내부에 스며들어 있거나 용해된 기체 또는 휘발성 액체를 제거하거나(예를 들면 기름분자의 제거·냉각건조) 표면에서 기체를 탈착하는(예를 들면 고주파관과 선형가속기 제조시의 세정작업) 따위의 정상 실온에서 존재하는 평형상태를 교란하기 위해서 진공을 이용한다.

또한 ③ 입자와 다른 입자가 충돌하기까지의 거리를 늘려서, 실험과정중에 입자가 생성원과 표적 사이를 충돌 없이 움직이도록 하기 위해서(진공증착, 입자가속기, 텔레비전 브라운관 등), ④ 초당 분자의 충격 횟수를 줄여서 진공에서 처리된 표면의 오염을 줄이기 위해서(순수 표면의 연구에 중요함) 행해진다(→ 원료 가공).

역사

산업에서 진공기술을 처음으로 중요하게 사용한 것은 1900년경 백열등을 만들면서 부터였다. 뒤이어 전자관처럼 진공을 필요로 하는 다른 장치들도 만들어졌는데 빛의 투과율을 늘리기 위한 렌즈 표면의 '블루밍', 혈액은행을 위한 혈장의 제조, 티탄과 같은 반응성 금속의 생산 등이다. 1950년대의 핵에너지 발견은 대규모 진공장비 개발의 촉진제가 되었다. 우주모의실험과 마이크로 전자공학에서와 같이 진공기술의 응용은 점점 더 증가해왔다.

단위

어떠한 진공과정에 대해서도 도달 가능한 최고압력의 제한인자를 정의할 수 있다. 즉 단위 부피당 분자의 개수(①과 ②의 이유), 평균 자유경로(③의 이유) 또는 단층의 분자를 이루는 데 걸리는 시간(④의 이유) 등이다. 상온과 대기압에서 공기 1㎥ 속에는 약 2.3×10²⁵ 개의 분자들이 평균 440㎧의 속도로 움직이고 있다.

용기의 벽과 주고받는 운동량의 교환양은 벽면적 1㎡당 약 1.0×10⁵N의 힘과 같다. 이 대기압은 여러 단위를 써서 표현할 수 있으며 비교적 최근까지 널리 쓰인 것은 단위 단면적과 760㎜의 높이를 갖는 수은 기둥의 무게로 표시되는 단위였다. 따라서 1atm(표준압력)은 760㎜Hg와 같다.

그러나 명백히 다른 단위를 2개 나열하여 쓰는 것이므로 토르(torr)라는 단위를 만들었다. 즉 1atm=760torr(1torr=1㎜Hg)이다. 이 단위는 1971년에 1㎡당 뉴턴 수(N/㎡)로 정의되어 파스칼(1Pa=7.5×10^－3torr)이라 불리는 압력단위를 갖는 국제 단위계로 대체되었다.

진공기기의 종류

기름으로 밀폐된 회전 펌프

1.4×10⁴~2.7×10⁷㎤/min의 배기능력을 가지며, 1단계 펌프는 대기압에서 2×10^－2torr까지, 2단계 펌프는 5×10^－3torr 이하까지 떨어뜨릴 수 있다.

이 펌프는 대기압에서 1torr까지는 최대속도로 배기하며 한계압력에 다다르면 배기속도가 0이 된다. 액체·기체를 배기할 때 유용한 회전 펌프는 회전자가 고정자에 대해서 중심이 벗어난 양날 펌프인데, 출구 밸브를 통해 두 날이 휩쓸고 지나가는 초승달 모양의 용적을 이룬다. 이 펌프는 주로 식품포장, 고속 원심분리기, 자외선 분광계 등에 쓰인다.

또한 다른 대부분의 펌프를 위한 보조 펌프로 쓰인다(진공 펌프).

기계식 부스터

배기능력은 2.7×10⁶~1.9×10⁹㎤/min이며 10~10^－3torr 범위에서 작용한다.

펌프의 최대 배기속도는 1~10^－2torr에서 나타나며 저압에서의 속도는 보조 펌프를 어떤 것을 사용했는가에 따라 좌우된다. 전형적인 기계식 부스터는 외부 기어에 의해 동시에 돌아가는 8자 모양의 추진기 2개를 사용하며 이것들은 고정자 안에서 서로 반대방향으로 회전한다. 기체는 추진기와 고정자의 벽 사이에 잡힌 뒤 펌프의 고진공 쪽에서 저진공 쪽으로 전달된다. 기계식 부스터가 정상적인 압력범위에서 동작하려면 직렬로 연결된 다른 펌프가 있어야만 한다.

가장 많이 사용되는 보조 펌프는 기름으로 밀폐된 회전 펌프이다. 대체로 기계식 부스터는 진공 융해로의 펌핑, 전기설비를 위한 광염(鑛染)공장, 저밀도의 풍동(風洞)에 쓰인다.

증기 확산 펌프

이 펌프는 주로 청정표면, 고주파 스퍼터링을 연구하는 장비에 쓰인다.

배기능력은 주로 5.1×10⁹㎤/min이며 수냉 배플을 쓸 경우 10^－2~10^－9torr의 동작압력범위를 갖고, 냉매를 이용한 배플을 쓸 경우 10^－11torr 이하까지 떨어뜨릴 수 있다. 10^－3torr와 펌프 유체의 한계압력 사이에서 증기 펌프의 배기속도는 일정하다. 다시 말해서 가장 좋은 유체를 쓰면 10^－9torr 이하에 이르기까지 배기속도가 일정하다. 확산 펌프는 처음에 회전 펌프를 이용하여 0.1torr 근처까지 공기를 뺀 후 사용한다.

보일러 안의 펌프 유체가 가열되면 보일러의 분출 구조체 속의 압력을 수torr로 만든다. 고속의 증기류가 분출구조체에서 나오면 수냉식 또는 공랭식인 펌프의 벽에 부딪혀서 응축된 후 다시 보일러로 돌아간다. 정상적으로 동작할 경우 입구 분출기에 도달하는 기체분자는 부유하며 응축되어 다음 단계로 전달된다. 이 과정은 기체가 기계식 보조 펌프에 의해 제거될 때까지 반복된다.

스퍼터 이온 펌프

배기능력은 3.8×10⁸㎤/min이고 동작압력은 10^－2~10^－11torr이다.

펌프의 최대속도는 10^－6~10^－8torr에서 생기며, 이 범위의 최저값은 펌프의 구조에 따라 다르다. 이 펌프는 스퍼터링의 원리를 이용한다. 스퍼터링이란 고속의 이온이 타이타늄(티탄) 같은 음극물질에 충돌하여 증기화(스퍼터링)되는 것이다. 이 활동적인 기체들은 스퍼터링된 타이타늄과의 화학적 결합에 의해 배기되며, 비활성기체는 이온화작용과 음극에서 묻혀버리는 작용에 의해 가벼운 기체는 음극으로 확산해들어가는 작용에 의해서 배기된다.

전형적인 펌프는 2개의 편평한 4각형 음극들과 그들 사이에 끝이 열린 상자 모양의 수많은 스테인리스 스틸 양극으로 이루어져 있다. 스퍼터 이온 펌프는 수명이 길며 유기물오염이나 진공이 없는 초고진공을 얻을 수 있다. 이들 펌프는 주로 청정표면연구와 유기물에 의한 오염이 없어야 하는 응용분야에 이용된다.

타이타늄 승화 펌프

배기능력은 수천만㎤/min이며 동작압력은 10^－3~10^－11torr이다.

이것은 화학적으로 반응성이 있는 기체들만 배기시키며, 최고 배기속도는 10^－5torr 이하에서 나타난다. 여기서 타이타늄은 저항가열 또는 전자 빔 가열을 통해 펌프의 벽으로 승화된다. 활성기체들은 화학결합에 의해 배기되지만 비활성기체는 배기되지 않는다. 따라서 이 펌프는 확산 펌프 또는 스퍼터 이온 펌프와 결합하여 쓰여야만 한다.

승화 펌프는 대개 큰 배기속도를 필요로 하며, 청정한 표면에 물질을 증착할 때처럼 유기물 오염이 없어야 하는 응용분야에서 스퍼터 이온 펌프와 함께 쓰인다.

흡착 펌프

일반적으로 이 펌프의 크기는 그 표면에 기체분자를 지니는 약 1,000g의 흡착물질과 같다.

이 펌프는 대기압에서 10^－2torr까지 배기하는 데 쓰이며 직렬로 연결하여 10^－5torr 이하까지 배기시킬 수 있다. 대부분의 흡착제는 분자체(molecular sieve), 즉 기공의 크기가 분자의 크기 정도인 다공성으로 만든 물질이며, 활성화된 목탄이 쓰일 수도 있다. 진공 시스템과 연결되어 있고 흡착과정을 증진시키기 위한 과냉각을 위해 액체질소에 담글 수 있는 원통형 용기 속에 흡착제가 들어 있다. 기체는 흡착제가 상온으로 될 때 다시 방출된다.

이 펌프는 유기오염물질을 확실히 제거하기 위해 스퍼터 이온 펌프와 타이타늄 승화 펌프를 사용할 때 보조 펌프로 주로 쓰인다.

저온 펌프

이 펌프는 기체를 응축시켜 제거하기 위해 극저온을 이용한다.

배기능력은 수백억㎤/ min이며 동작범위는 10^－3~10^－10torr이고 동작압력의 전 범위에서 최고 배기속도를 낼 수 있다. 대부분의 저온 펌프는 낮은 표면온도를 얻기 위해 헬륨을 이용한다. 헬륨은 약 15K에서도 기체의 형태로 존재하며 4.2K에서는 액체상태로 존재할 수 있다. 배기속도가 기체의 응축에 의존하는 저온 펌프는 저온의 표면에서도 높은 증기압을 가지는 헬륨·수소 같은 기체는 효과적으로 배기시키지 못한다.

따라서 확산 펌프나 스퍼터 이온 펌프가 저온 펌프의 진공 시스템에 보조적으로 쓰인다. 대부분의 저온 펌프는 고공에서 쓰이거나 우주모의실험에 쓰인다.

맥로우드 진공계

맥로우드 진공계는 보일의 법칙(기체의 온도가 일정하면 기체의 압력과 부피의 곱은 일정함)을 이용하여 10~10^－6torr의 기체압력을 측정한다.

맥로우드 진공계 내의 수은주 높이가 더 올라가면 기체는 압축된다. 이렇게 갇힌 기체와 배기된 시스템 사이의 수은주 높이의 차이는 갇힌 기체의 압력을 직접 torr로 나타낸다. 이 진공계는 모두 직접 측정할 수 있는 갇힌 기체의 처음 부피와 최후의 압축된 부피, 그리고 최후의 압력에만 관계하기 때문에 절대 진공계라고 불리며 다른 진공계들을 보정하는 표준기로 쓰인다.

열전도 진공계

열전도 진공계의 2가지 형태인 피라니 진공계와 열전쌍진공계는 가열된 필라멘트에서 열이 발생되는 비율로 압력을 결정한다.

피라니 진공계는 기본적으로 진공 시스템 속에 가열된 필라멘트 형태의 팔 1개를 가진 휘트스톤 브리지이다. 필라멘트의 저항은 그것의 온도에 의존하며 그 온도는 다시 잔존 기체를 통한 열 에너지의 발산비율에 의존한다. 열 에너지의 발산은 잔존 기체의 압력과 열전도 특성에 영향을 받는다. 브리지는 일정한 전압원에 의해서 전력을 공급받으며, 온도 변화에 의한 비평형 전류는 torr로 직접 나타난다.

열전쌍진공계에서 열전쌍의 고온 접합점은 진공 시스템 속의 필라멘트에 부착되어 있고 일정한 전압원에 의해 전력을 공급받는다. 동작방식이 필라멘트의 온도가 압력을 나타낸다는 것을 제외하면 피라니 진공계와 같다. 이들 진공계는 튼튼하며 동작이 간단하고 100~10^－4torr의 압력범위를 나타낸다.

냉음극 이온화계

이 진공계는 진공 시스템에서 전자의 흐름에 의한 이온의 생성비가 잔존기체의 압력과 이온화 확률에 의존한다는 사실을 이용한다.

페닝진공계라고도 불리는 이 진공계는 금속·유리 용기로 싸인 양극을 사이에 두고 서로 반대방향에 놓인 2개의 음극으로 이루어져 있다. 용기 밖에는 음극에서 양극으로 가는 전자의 경로를 길게 할 목적으로 영구자석이 놓여 있어서 진공계 내에서 일어나는 이온화의 양을 증가시킨다. 이 진공계에 의해서 나타낼 수 있는 압력의 범위는 10^－7torr 이하이다.

냉음극이온화계는 튼튼하며 사용이 간단하기 때문에 산업용 시스템에서 널리 쓰인다(전자관).

고온 필라멘트 이온화계

이 진공계의 작동원리는 전자들이 고온 필라멘트에서 생성되어 그리드로 가속된다는 점을 제외하면 페닝 진공계와 비슷하다.

나타낼 수 있는 압력범위는 전극의 구조에 따라서 1~10^－5torr 또는 10^－2~10^－7torr이다. 이것은 약 10^－6torr까지 나타낼 수 있는 청정하고 정확한 진공계이다. 10^－6torr 이하에서는 그리드에 충돌하는 전자에 의해 생성되는 약한 X선 때문에 정확도가 감소한다. 이 X선은 컬렉터 회로에서 압력과는 무관한 전류를 형성한다.

바야드-알페르트 고온 필라멘트 이온화계

이 이온화계는 X선 효과를 줄이기 위하여 컬렉터의 단면적이 최소로 만들어져 있다.

이것은 진공계를 뒤바꿈으로써, 즉 컬렉터(가는 선)를 그리드로 둘러쌈으로써 가능하다. 나타낼 수 있는 압력범위는 10^－3~10^－9torr이며 변조장치를 쓰면 10^－11torr 이하까지 읽을 수 있다. 작동원리는 위에 설명한 다른 이온화계들과 같다.