진공게이지

진공게이지   진공의 상태는 남아있는 가스의 압력으로 표시한다. 진공의 측정은 진공계로 하지만 측정되는 진공의 정도에 따라서 다른 형태의 진공계가 필요하다. 보통 진고장치에는 2,3개의 진공계가 부착되어 있다. 진공계의 종류로는   (1) 가이슬러관 (2) 피라니 진공계 (3) 페닝 진공계 (4) 슐츠 진공계 (5) 열음극전이 진공계 (6) B-A형전이 진공계 (7) 전기용량식 압력계 (8) 맥레오드 진공계   등이 있다. 아래에서 이들에 관해서 간단히 설명해 보겠다. 우선 각종 진공계의 작동원리와 성능을 표3에 나타내었다.   2.5.1 가이슬러 관   가이슬러 관은 진공 상태를 바로 볼 수 있는 매우 편리한 진공계로 종종 진공 장치에 저진공계로써 부착되어 있는 것이다. 그 구조는 그림 2에 나타낸 것과 같이 가스관 가운데에 2개의 전극(대부분 Al제)을 마주보게 설치한 것으로 이 전극간에 수~수십kV의 직류 또는 교류 전압을 걸어 주게 되어 있다. 고전압으로 인하여 ㅇ가속된 전자에 의해 공기 중의 분자가 전이하고 압력에 상응하는 방전 현상을 나타내는 것으로 그 방전 상태를 관찰하여 기체 압력의 개략치를 알 수 있다. 교류 전압을 걸어 주었을 때 기체(공기)의 방저 상태를 그림 3에 표시 하였다.   2.5.2 피라니 진공계   피라니 진공계는 가열된 금속선으로 부터 기체의 열전도에 따른 열손실이 기체의 압력에 의존하는 것을 압력측정에 이용한 진공계로 104Pa에서 10-1정도까지 정량적으로 측정할 수 있으므로 저진공의 측정이 필요한 스퍼터링 장치등에 이용된다. 이것에는 여러가지의 형식이 있지만 시중에서 많이 볼 수 있는 정온도형 피라니 진공계를 간단히 설명해 보겠다. 이 진공계의 측정자는 진공계 중에 길게 연결한 직경25 m의 가는 Pt선 또는 Pt-Rh선등의 금속선으로 구조는 매우 간단하다. 이 금속선에는 기체의 압력에 관계없이 항상 일정한 온도를 유지할 전류를 흘려주게 되어 있다. 온도가 일정하다는 것은 저항이 일정하다는 것이며, 그렇게 하기 위해 제어회로가 여러가지 고안되어 있다. 온도가 일정하므로 이 금속선의 열손실 중, 열방사 및 lead선의 열전도에 따른 손실은 기체의 압력이 변하여도 변화하지 않는다. 따라서 고려할 필요가 있는 열손실은 기체의 열전도 뿐이다. 여기서 압력이 P0에서 P로 변해서 그 결과 저항 R의 금속선에 흐르는 전류가 i0에서 i로 변한다면 일반적으로 R (i2-i02) = K (P-Po) (K:정수) (1)   의 관계가 얻어진다. 또 금속선의 양단의 전압이 V0에서 V로 변한다면   (V2-Vo2)/R = K (P-P0) (2)   이다. 압력이 충분히 작은 경우, 예를들어 10-2 10-3Pa에서 출력전압이 0으로 되게 설정하면 식(2)에서 V0=0, P0=0로 되어 V2은 거의 P에 비례하게 되므로 보통의 피라니 진공계의 눈금은 이와 같이 눈금지어 진다.   2.5.3 페닝 진공계   페닝진공계(필립스진공계)는 진공을 이용한 진공계로 측정의 정밀도는 낮지만 수리가 간단하며 10-1Pa에서 10-3Pa까지, 그리고 측정장치에 따라서는 10-4Pa까지 측정할 수 있으므로 압력측정에 있어서 정밀도를 그다지 필요로 하지않는 고진공장치에 사용한다. 가이슬러관에 따른 방전에는 기체의 압력이 100Pa 또는 그 이하가 되면 음극으로 부터 방출한 전자의 평균자유행로가 길어지며 전자는 기체분자와의 충돌과, 전이를 일으키지 않게 양극으로 가버려 압력측정을 할 수 없게 된다. 여기서 전자를 자기장 속으로 운동시켜 회전운동을 일으켜 전자의 실제 주행거리를 길게하여 기체와 전자의 충돌효율을 증가시킨다. 이것이 이진공계의 기본원리 이다. 실제장치의 한예로서 그림4와 같이 Al제의 원통형 양극의 축방향에 자장이 가해지며 원통의 양쪽 아래면으로 부터 조금 떨어지게 원판의 음극이 설치되어 있는 형식이다. 양극 음극간 전압은 2KV정도이고, 자장의 세기는 수백G정도이다.   2.5.4 슐츠 진공계   슐츠진공계는 열음극전이 진공계를 개량하여 10-2 10-4Pa정도의 압력측정을 가능하게 한 저진공계로서 스퍼터링 장치나 진공용해로등 비교적 압력이 높은 진공장치에 이용되고 있다. 열음극전이진공계를 그대로 저진공영역에 사용하면 가스분자의 이온화로 다량의 2차전자가 발생하며 이것이 이온화를 위한 고속전자에 대해서 무시되지 않는다. 그와 같이 되면 진공계의 감도가 압력에 의존하게되며 이온 전류가 압력에 비례하지 않게 된다. 이온 전류를 Ii, 이온화를 일으키는데 필요한전류를 Ie, 압력을 P, 진공계의 감도를 S라 하면   Ii/Ie = P S (3)   으로 나타나지만, S가 P에 관계없이 일정한 경우에는 (Ii/Ie) << 1 이 필요하다. 여기서 S를 적게할 필요가 있다. 실제로는 필라멘트전자와 컬렉터(양극)를 가까이 하여 전자가 컬렉터에 가능하면 직진하도록 하거나 발생한 이온의 거의 전부를 이온 컬렉터(음극)에서 보충되는 구조로 한다. 이와같은 구조의 일례를 그림5에 표시했다. 즉 양극판과 음극판을 가까이 하여 평행하게 마주보게 만들어 그 사이에 선상의 필라멘트를 설치하여 가열하고 방출한 열전자를 가속시켜 양극에 보충하고, 그 사이에 작용하는 이온을 큰 면적의 음극에 끌어당겨지게 한다. 간단히 말하면 슐츠 진공계는 감도를 떨어뜨린 열음극진공계이다. 더구나 저진공에서는 필라멘트의 산화가 진행하므로 필라멘트 재료에는 Re등을 사용하고 있다.   2.5.5 열음극 전이 진공계   열음극 진공계는 통상의 진공장치에는 거의 불가피하다고 해도 좋은 정도의 진공계로 10-1 10-5Pa까지의 진공을 비교적 정밀하게 측정할 수 있다. 구조는 3극 진공관이라고 생각하면 좋다. 열음극으로부터 방출한 전자가 (+)극을 향해서 가속되어 이동하는 도중에 기체를 전이한다. 이 전이된 (+)이온은 이온 컬렉터 전극에 모인다. 전이되어 모인 이온의 양은 기체의 양이 많을수록 많아지므로 이온 켈렉터에 흐르는 전류를 측정하여 압력을 결정하는 것이 가능하다. 구조의 일예를 그림6에 나타내었다. 이 진공계는 진공계의 작동중에 필라멘트가 가열되어 있으므로 이 상태에서 불순물이 섞인 공기가 들어가면 필라멘트가 타버리는 것에 주의하지 않으면 안된다.   2.5.6 B-A(Bayard-Alpert)형 전이 진공계   B-A형 전이 진공계는 열음극전이진공계의 일종으로, 그것을 개량하여 10-9Pa영역까지 측정할 수 있도록 한 것이다. 열음극 전이진공계에는 전자가 양극에 부딪히면 연X-선이 방사되어 이것이 이온 컬렉터에 충돌하여 광전자가 방출된다. 이것이 암전류가 되어 흐르는 것으로 이온에 따른 전류와 구별할 수 없다. 이 때문에 2종류의 전류가 같은정도가 되면 진공의 측정은 불가능해 진다. 그 한도가 10-5 10-6Pa이다. 그림7에 표시한 것과 같이 열음극전이 진공계와 전극배치를 역으로 하여 외측에 열음극을 설치하고 중심에는 가는 선상의 이온 컬럭터를 설치하면 연X-선에 의한 열전류는 매우 작게 된다. 이것이 B-A형 전이 진공계로 고진공장치의 압력측정에 사용된다.   2.5.7 전기용량식 압력계(Capacitance Manometer)   그림8에서 보는 바와 같이 금속격막이 압력에 따라서 고정전극으로부터 떨어지거나 가까와지는 이 압력계는 고정전극과 격막사이의 전기용량을 차압과 관련시킴으로써 진공도를 측정한다. 고정전극이 있는 부분은 기준압력으로서 10-6Torr의 진공도를 유지해야 하는데 보통 진공을 뽑은 뒤에 밀봉한다. 고정전극과 격막사이의 전기용량 C는 C = 0 A/D (Farad) (4)와 같다. 여기서 0는 유전율, D는 전극판과 격판사이의 거리,A는 전극판의 단면적이다. 또한 압력에 의한 원형격막이 휘어지는 거리d는 d = KPr4 / Et3 (단위 : m ) (5)와 같다. 여기서 P는 격막 양단의 차압 (단위:torr), E는 격막재질의 영율(단위: N/m2), r은 격막의 직경, t는 격막의 두께, k는 비례상수이다. 격막이 휘어져서 격막과 전극사이의 거리가 변화하면, 이 때의 전기용량 C는 0 A 0 AEt3 K1 C = = = (D - d) (DEt3 - Kr4P) K2 - K3P     와 같다. 예를 들면 A=5x10-4m2, E=1.5x1011N/m2, 0 = 8.8x10-12F/m, t=2.5x10-4m, D=2.5x10-3m, r=0.025m, K=67이라고 하면 K1 = 1.1x10-14, K2 = 6.8x10-3, K3 = 2.8x10-6이다. 따라서 C = (1.1 * 10-11)/(6.3-0.028P) (Farad) (7)   가 된다. 식 (7)은 1 Torr보다 낮은 압력에서는 작은 압력 변화에 대한 미새한 전기 용량변화를 측정하는 것이 중요함을 나타낸다. 전자기술이 발전함에 따라 현재는 10-2 Torr의 압력에서 1%보다 좋은 정밀도로 전기용량의 측정이 능하다. 그러므로 전기용량식 압력계는 1 Torr에서 10-4 Torr사이의 압력범위에서 정밀한 진공계로 많이 사용하고 있다.   2.5.8 Mcleod 진공계 멕레오드 게이지는 기체압축식 진공계로서 1 Torr이하의 진공계를 교정할 수 있는 기준기로 널리 사용되고 있다. 멕레오드 게이지의 원리는 측정하고자 하는 압력상태에서 일정한 기체의 부피를 압축하여 새로운 부피와 압력의 상태로 만든 다음 보일의 법칙을 적용하여 측정하고자 하는 압력을 구한다. 즉, 온도가 일정하다고 가정할 때 처음의 부피를 V1, 압력을 P1 이라 하고 압축한후의 최종 부피를 V2 , 압력을 P2 라고 하면 보일의 법칙에 의해 V1P1 = V2P2 (8)의 관계식이 성립하므로 V1,V2,P2 를 알수 있으면 처음의 압력, 즉 진공 시스템의 압력을 구할 수 있다. 그림 9는 멕레오드 진공계의 구조이다. 모세관 B와 모세관 C는 내경이 같고 균일한 파이렉스 유리로 되어 있다. 모세관 B는 한쪽 끝이 막혀 있고,모세관 C는 양쪽 끝이 열려 있으며 진공시스템에 연결되어 있다. 모세관 B 의 압력이 진공시스템의 압력과 같아졌을때, 저장기에 있던 수은을 관F 를 통해 위로 올린다. 수은이 선단 D에 닿게 되면 용기 A 와 모세관 B 속에 있던 기체는 밖으로 빠져 나갈수 없게 된다. 이때 용기 A와 모세관 B속에 들어 있는 기체의 부피가 V1 압력은 측정하고자 하는 시스템의 압력P1이다. 수은을 계속해서 올리면 , 수은은 용기A를 통해 모세관 B로 올라가며 동시에 관E와 모세관 C로도 올라간다. 작은구 G와 H는 수은이 올라갈때 모세관 C에 충격을 주지않고 수은이 작은 방울로 분산되는것을 방지하기 위하여 만들어 놓은 것이며 ,관 E는 용기 A를 쉽게 진공시키기 위한 목적으로 만들어 놓은 것이므로 관의 내경이 굵은 것이 좋다. 모세관 B속의 기체는 올려 미는 수은의 힘에 의해서 압축된다. 그러나 모세관 C의 압력은 측정하고자 하는 진공 시스템의 압력과 같으므로 C의 수은주는 B의 수은주보다 더 높게 올라간다. 진공 시스템의 압력은 매우 작기 대문에 이 압력이 모세관 C의 수은주에 미치는 영향은 무시할 수 있다. 따라서 모세관 B속에 압축된 기체의 압력P2는 모세관 B와 C의 수은주 높이의 차에 의한 압력이다. 모세관 B와 C사이의 수은주 높이차는 그림 10과 같이 두가지 방법을 사용한다. 그림 10의 (a) 는 제곱스케일(square scale)이라고 하며 낮은 압력측정에 사용한다.1)제곱스케일 입 아법에서는 그림 10의 (a)와 같이 모세관 C의 수은주를 모세관 B의 밀폐된 부분과 일치시킨다. 모세관 B의 단면적을 a라하면 B에 압축된 기체의 부피 V2=ah이며 ,압력P2= gh와 같다. 측정 압력 P1은 식 (8)로 부터 P1 = V2P2 / V1 = a gh2 / V1 = C h2 (9)와 같다. 여기서 C는 게이지 상수이다. 수은의 밀도 가 온도에 따라 변화하기 때문에 개이지 상수도 온도에 따라 달라진다. 정확한 측정을 위해서는 온도와 수은주의 곡률변화에 대한 보정을 하여야 한다.2)선형스케일 선형스케일에서는 그림 10의(b)와 같이 모세관 B의 수은주의 높이를 어느 고정점까지 밀어올린다. 이 경우 모세관 B속에 들어있는 기체의 부피 V2=ah,압력 P2= gh0와 같으므로 측정압력 P1은 P1 = gh0ah / V1 (10)과 같다. 모세관 B의 수은주 높이를 항상 일정하게 고정하기 위해서는 많은 경험과 기술을 필요로 한다. 식(9)와 (10)을 보면 알수 잇듯이 멕레오드 게이지로 측정할 수 있는 압력의 범위는 용기의 부피 V1과 모세관의 단면적 a및 높이 h에 따라 정해진다. 모세관의 내경을 작게하면 더 낮은 압력을 측정할 수 있으나 이때는 수은이 모세관에 달라 붙기가 쉽다.낮은 압력을 측정할 수 있으나 이때는 수은이 모세관에 다라 붙기가 쉽다. 낮은 압력을 측정하기 위한 다른 방법으로는 용기 A의 부피를 크게하는 것이다. 실제 용기의 부피를 2l 로 하고 모세관의 직경을1mm로 하면 약 10-6Torr의 낮은 압력도 측정이 가능하다. 그러나 이 경우에는 용기속에 들어있는 수은의 무게때문에 파손될 염려가 있으므로 각별히 주의 해야한다. 맥레오드 진공계는 주의하여 사용하면 다른 어떤 진공계보다 정확하다는 것이 알려졌으므로 다른 진공계의 교정용 진공계로 많이 사용되고 있다. 그러나 게이지의 대부분이 유리로 되어 있어 깨지기 쉽고 측정이 연속적으로 이루어 지지 않으며,자동화시킬 수 없는 단점이 있다.