진공 펌프의 원리

[가이아]

진공 펌프의 원리

진공 장치에서 가장 중요한 부분은 진공펌프이다.여기에서 진공 펌프에 대해 꼭 알아야 할 기초적인 원리를 설명하고자 한다.

2.6.1 유회전 펌프

10-1Pa 또는 그 이하의 진공으로 배기하기 위한 저진공펌프로서의 현재 가장 많이 보급되고 있는 것은 유회전 펌프(외국에서는 로터리 펌프라고 하는 경우가 많다) 이다. 이것에는 고정 날개형,회전날개형,회전피스톤형의 종류가 있지만 여기에서는 고정날개형을 예로 택하여 배기원리를 설명하려고 한다. 그림11에서 구조의 주요부분과 배기원리가 나타나 있다. 우선 구조로서 원통 중간에 흡입구와 배기구를 장치하고 가운데에 로타가 원통에 내접해 위치하고 있다. 로타는 원통의 중심을 회전축으로 하여 항상 원통에 내접하도록 회전한다. 회전속도는 대개 500cpm정도이다. 이 원통의 상부에서 운동방향이 상하방향으로만 고정된 날개가 용수철에 눌려 들어가 있으며 로타가 항상 밀착하도록 해놓고 흡입된 기체와 압축된 기체를 분리한다. 배출구의 출구에는 막이 있어 내부압력이 1기압보다 다소 높게 되면 열린다.흡입구에서 흡입된 기체는 로타의 회전과 함께 압축된다(a). 그사이 안에 들어 있는 유회전펌프유도 함께 배출구쪽으로 따라 올라 간다(b). 그래서 1기압이상 압축되면 막이 열려 밖으로 배출된다.

기름의 역할은 중요하다. 물론 윤활과 기밀유지라는 역할도 있지만 사용적(死容積)을 감소시켜 펌프의 압축률을 높이는 역할도 있다. 즉 이것이 없으면 막의 하부공간의 기체는 로타로 압축되는 일이 없기 때문에 압축률이 떨어져 이 공간안에 항상 1기압 가까운 압력의 기체가 남게 되어 로타의 회전과 함께 그것이 펌프내부로 확산되어 흡입구에서의 기체 흡입을 방해하기 때문이다. 그림11에 나타난 전체가 기름에 잠겨 있는 상태로 되어 있다. 그리고 고정날개의 운동부분과 로타의 회전부분이 약간의 틈으로부터 항상 내부의 기름이 공급되도록 되어 있다.예를 들면 펌프의 회전을 정지한 채 방하면 기름이 내부에 자꾸 들어가서 결국은 흡입구로 올라가 진공장치로 들어간다. 따라서 회전펌프에서는 회전을 정지하면 곧 공기를 펌프안에 넣어 1기압으로 해서 기압이 흡입구에서 위로 올라가지 않도록 하지 않으면 안된다. 최그네는 자동조절밸브, 자동리크밸브등 이 역류를 방지하는 장치와 역류방지막이 부착된 유회전 펌프가 시판되고 있다.

2.6.2 흡착펌프 (sorption pump)

저진공펌프의 한 종류로서 흡착펌프를 가단히 설명하고자 한다. 그 구조를 그림 12에 나타내었다. 이것은 저온이 되면 기체의 증기압이 감소하는 것을 이용하여, 표면적이 큰 다공질의 흡착제(제오라이트 등)를 액체질소의 끓는 점 가까이까지 냉각시켜 진공용기안의 기체를 흡수해버리는 펌프이다.이것은 진공펌프에서 나온 기름의 증기가 진공용기내에 들어가는 것을 최대한 피하는 초고진공장치등에 적용하고 있지만 배기속도가 느리고 흡착량에 한계가 있으므로 10E5 Pa에서 10E2 Pa정도까지는 유회전펌프에서 배기시키고 그후에 10E-2 Pa정도까지를 이 펌프로 배기시키는 방법이 자주 사용된다. 사용 후 가열 시키면 흡착된 가스는 다시 추출되므로 몇 번이라도 사용할 수 있다.

2.6.3 유 확산 펌프 (Oil Diffusion Pump)

다음에 고진공펌프로 대표적인 유확산펌프에 대해서 서술하겠다.그 구조는 그림 13에 나타나 있는 것처럼 원통형의 통내부에 3단의 노즐이 장치되어 있다. 원통하부의 기름이 아래 부분에 장치된 전기로에서 가열되고 증발하여 10E2 Pa정도의 압력으로 되고 3개의 노즐에서 배출구를 향해 가속된다. 기름증기 흐름의 대부분은 배출구를 향하지만 일부가 흡입구로 향하는 것에 주의가 필요하다. 이 때문에 확산펌프의 흡입구 부분에는 수냉바플(baffle) 또는 액체질소 트랩을 붙여 기름 증기를 응축시켜 그 진공용기내로의 확산을 감소시키는 것이 보통이다. 분사에 이용되는 기름은 고온에서 다량의 공기와 접촉되면 공기중의 수분등을 흡수해서 배기성능을 떨어 뜨리므로 특히 필요하지 않는 한 유확산펌프는 정지상태에서는 흡입구와 배기구에 붙어있는 코크를 꼭 막아서 내부를 될 수 있는 한 진공으로 유지한다.

2.6.4 스파터 이온 펌프 (Sputter Ion Pump)

초고진공펌프로서 보급된 여러 스파터 이온 펌프에 대해 기술 해 보자. 앞에 나오는 압력 측정에서 설명된 페닝진공계(penning gauge)에 배기작용이 있는 것을 알 수 있으며, 이것을 크게 이용한 것이 스파터 이온 펌프이다.이 구조는 그림 14(a)에 나타나 있으며 5 kV정도의 전압을 가한 그리드형태의 스텐레스 강재 양극과 그것을 양쪽에서 지지하는 어스된 판상의 Ti음극으로 구성되어 있다.

전자의 행정를 늘이기 위해 음극판에 수직으로 0.1 ~ 0.2T의 자장을 가해진다. 이 펌프의 배기기구는 (b)에 나타나 있다. 배기할 공기분자는 공간중을 날아다님과 동시에 양극판등의 표면에서 흡착,이탈을 되풀이 한다. ( ). 음극에서 튀어 나온 전자( )는 강한 자장의 영향으로 회전운동을 하면서 공간중을 날아다니는 공기분자와 충돌하여 그것을 이온화시킨다.( , ) 양이온으로 된 공기분자는 전장에서 가속되어 Ti음극에 충돌한다. 그러면 그 이온은 음극으로 들어가 버린다.( ) 이것이 제1의 배기기구이다.

그런데 음극에 충돌됭 양이온은 음극의 Ti원자를 표면에서 밖으로 튀어 나오게 한다( ). 이것이 스퍼터링 현상이다. 튕겨져 나온 원자는 중성으로 사방으로 흩어진다. 그리고 음극이나 양극이나 혹은 펌프의 내벽에 부딪쳐 포획된다. 그 때 표면상에서 대류하고 있던 공기분자와 반응해 결합하여 공기분자를 Ti안에 넣어 버린다( ). 이것이 제2의 배기기구이다. 이 펌프는 유확산펌프와 다르고 기름증기로 진공용기내부를 오염시킬 염려는 없지만 희박한 가스에 대한 배기속도가 느린 것이 단점이다. 10-2 Pa정도에서 펌프로서 작동은 하지만 저진공에서 연속 사용하면 음극면의 스퍼터링에 의한 에칭이 커지고 또한 가열되어 변형되기도 하고 산화되기도 해서 열화가 일어나므로 연속적인 사용은 10-3Pa이하에서 하는 것이 바람직하다. 보통 이온전류로부터 잔류가스의 압력의 대략적인 값을 알수 있으므로 편리하다.

2.6.5 터보 분자 펌프( Turbo molecular pump)

초고진공펌프로서 최근 터보 분자 펌프가 빠르게 보급되어 왔다. 이것이 기체분자에 역학적으로 힘을 가하여 그것을 특정의 방향으로 날려 배기하는 장치이며 원리적으로는 송풍기와 유사하다. 원리를 간단히 이해하기 위해 기체분자를 정지 시키고 거기서 막이 움직여 충돌하는 경우를 생각한다. 충돌이 완전 탄성충돌이라 하면 그림 15(a)에 나타난 바와 같이 깊이 패인 회전원판이 고속으로 회전하도록 하면 확산으로 깊이 패인 부분 안에 들어간 기체분자는 평균적으로 화살표 방향으로 운동하는 것이 되고 그림 15 (b)에서 말하자면 좌에서 우로 배기 하는 것이 된다. 배기 성능을 높이기 위해 회전날개와 고정날개를 교대로 조합하여 직렬로 늘어 놓은 것이 실제로 이용된다.

터보 분자 펌프의 개략도를 그림 16에 나타내었다. 실제로 기체분자는 운동하고 있으며 이것에 한 쪽 방향으로의 운동량을 주기 위해서는 충돌하는 벽의 속도가 기체 속도와 같은 정도가 아니면 안된다. 따라서 회전날개의 회전수는 104rpm정도이므로 내부기구의 가공에는 고정밀도가 요구된다. 또 다소 진동을 동반하므로 진동에 민감한 장치 가까이에서는 방진장치가 필요하다. 터보 분자 펌프는 원리로 부터 추정 할수 있는 것처럼 분자흐름영역에서 작동하므로 유확산펌프에서 처럼 예비배기로 저진공쪽에서의 배기가 필요로 된다.

2.6.6 크라리오 펌프 (Cryo pump)

마지막으로 초고진공펌프로서 대규모장치에 자주 이용되는 크라리오 펌프에 대해 간단히 서술하겠다. 이 방법은 진공장치안에 냉각면(cryo panel)을 삽입해서 거기에 장치내의 기체를 응축시키는 방법이다. 흡착펌프도 넓은 의미의 크라이오펌프의 범주에 들어가지만 보통은 액체헬륨 온도 근처까지 냉각 가능한 냉각면을 장치한 것이 크라이오펌프라 불리워진다. 크라이오 판넬은 뒤면에 액체헬륨을 접족시켜 냉각하는 것도 있지만 현재 많이 사용되는 장치에서는 냉동기와 크라이오 판넬을 직접 연결하여 저온의 헬륨가스를 판넬의 뒤면에 흘려 냉각시키도록 되어있다. 냉각면의 온도는 최저 10K정도 또는 20K정도로 이용되고 있는 것이 많다. 냉각능력은 20K에서 2W정도이지만 10K이 되면 0 0.1W이다. 이 펌프의 배기속도는 크라이오판넬의 면적에 비례하지만 반지름이 100mm정도의 원판판넬에서 10-2 10-5Pa의 범위를 얻으려면 103l/s의 배기속도면 된다. 도달압력은 판넬면의 온도에서 기채ㅔ의 증기압으로 결정된다. He,Ne,H2를 제외한 대부분의 기체의 증기압은 20K에서 10-9Pa이하이며, 충분히 낮은 압력이다. 그러나 He의 끊는점은 4.2K이고 20K에서의 Ne, H2의 증기압은 103, 105Pa이다. 그래서 이들의 기체를 제거하기 위해서는 다른펌프에 의한 배기가 필요하다. 크라이오펌프로 대기압의 기체를 배기하면 발생하는 응축열이 냉각능력을 상회하여 실제로는 응축이 일어나지 않는다. 따라서 진공용기를 미리 저진공의 펌프로 100 10-1Pa까지 배기할 필요가 있다. 이 예비배기로 보통 대기중의 He, Ne, H2등은 실용적으로 문제가 되지 않을 정도로 낮은 압력이 된다. 크라이오펌프는 기체의 액화기이고 조작이 간단하며 도달압력이 낮고 배기속도가 크다는 등의 장점이 있지만 보수, 관리가 꽤 불편하므로 대략적인 장비에는 어울리지 않는다.