진공기술의 기초

진공기술의 기초   서론 최근 진공박막기술의 발달과 더불어 첨단 전자소재는 물론 강학재료가 급속도로 개발되고 있다. 이 밖에도 초전도 박막,다이아몬드 박막의 제조에도 진공기술이 요구되고 있어 진공에 대한 기초지식의 필요성이 증대되고 있다. 따라서 여기서는 진공의 제조의 측정과 진공시스템의 설계에 대한 것을 다루고자 한다.   2.진공의 기초2.1 진공의 정의진공이란 라틴어 vaccum 은 비어 있다는 뜻이지만 미국진공협회에 의하면 진공은 대기압이하의 가스로 채워진 한 공간. 즉 2.5 1019 분자/cm3 이하의 분자밀도를 갖는 공간을 뜻한다.   2.2 진공의 구분진공기술에서는 대기압에 가까운 편으로부터 저진공,중진공,고진공,초고진공이라고 부르고 있다. 저(중)진공에서는 가스사의 분자수가 표면을 덮는 분자수에 비해 크며 고진공에서는 가스분자가 주로 표면에만 존재하며,평균자유행로가 용기의 크기보다 크다. 초고진공에서는 1개분자층 형성에 걸리는 시간이 실험적인 측정시간보다도 길어서 깨긋한 표면을 얻을 수 있다. 미국과 영국의 진공학회에서는 그림 1과 같이 구분하고 있어 다소차이가 나며 일본에서는 표1의 ( ) 같이 구분하고 있으며 국제규격(ISO)에서는 표1의( )와 같이 구분하고 있다.   2.3 기체의 조성진공용기속의 전체압력이 감소하면 표2와 같이 가스의 성분도 변한다. 저진공에서는 가스의 조성이 대기와 비슷하나 고진공에서는 푬면에서 나오는 물분자로 가스의 조성이 변하여 70~90%가 물분자를 포함하게 되며 진공도가 커짐에 따라 이산화탄소가 나오고 초고진공에서는 재료의 내부의 원소가 많게 되는데 이는 재료 내부로부터 나오는 것이다.   2.4 압력의 단위1기압하의 진공에서는 압력단위로 Torr의 단위가 사용되어 왔고 지금도 사용되고 있지만 Pa(파스칼)이 국제단위계SI의 압력단우;로 일관성이 있다.   2.5 진공의 계산2.5.1 기체의 흐름.Viscous flow(점성류) : 대기압하에서는 평균자유행로가 작기 때문에 기체의 흐름은 그 점성에 의해 제한을 받는다(점성류). 기체의 흐름은 기체분자가 줄지어 기다리고 있기 때문에 압력이 증가함에 따라 증가한다. 기체의 흐름은 난류와 기체가 통과하는 벽에서의 점성력에 의해 방해를 받는다.점성 유동상태에서 점성계수와 열전도도는 압력에 무관하다.   .Molecular flow(분자류): 아주 낮은 압력에서 평균자유행로가 용기의 크기를 휠씬 초과할 때 기체의 흐름은 분자유동이라 불리운다. 이 영역에서 운동량의 전이는 분자와 용기의 벽사이에서 일어나고 분자는 거의 충돌하지 않는다.   .Intermediate flow(중간류):평균자유행로가 진공요기의 칫수와 비슷한 낮은 압력에서 가스의 흐름은 그점성과 molecular phenomena에 의해서 지배된다.   가스 흐름의 구분법 Knudsen number는 파이프의 직경(D)와 평균자유행로( )사이의 비 D / 로 기체의 흐름의 구분에 이용된다. D / > 110 점성류 1 < D / < 110 중간류 D / < 1 분자류   Reynold number Re = vD/ ( :기체의 밀도, v :기체의 흐름속도, :기체의 점성, D ; 관의 직경)는 난층과 층류의 구분에 쓰인다. Re > 2100 난류 Re < 1100 층류 Throughput(Q:배기율) : 단위시간당 직경 D인 파이프를 통과하는 기체의 양이다. Q = Pv( D2/4) = nm = MP/ReT 이므로 Re = (MP/RT)[4Q/( D2P)](D/ ) = [4M/( RT )](Q/D) Q > 2000일 때 난류이고 Q < 1000일 때 층류이다.   2.7.2 콘닥턴스 1)콘닥턴스 직렬로 연결된 단면적 1과2인 파이프를 고려하면, 각 단면적을 통과하는 분자수 N1 = A1 1n1 = S1n1그리고 N2 = A2 2n2 = S2n2여기서 A는 단면적, = 기체흐름의 속도 n = 단위부피당 분자수, S = A 는 배기율 또는 펌핑속도 라 한다. 각 단면을 통과하는 기체 분자의 수는 동일하므로 N = N1 = N2 = S1n1 = S2n2또한 N = C(n1 - n2)   C는 상수로 분자밀도의 함수이며 콘닥턴스 라 부른다. 1/C = (n1 - n2)/N = 1/S1 - 1/S2여기서 S1,S2는 부피/시간의 단위를 가지며, 콘닥턴스도 V/t의 단위를 갖는다. ) 병렬 연결 파이프의 콘닥턴스 Na = Ca(n1 - n2) Nb = Cb(n1 - n2) 그러면, Na + Nb = N = Cp(n1 - n2) 따라서 Cp = Ca + Cb + Cc + ......... 여기서 Cp는 병렬로 연결된 파이프계의 콘닥턴스이다.   ) 직렬 연결 파이프의 콘닥턴스 N = Ca(n1 - n2) = Cb(n2 - n3) = Cc(n1 - n3) 따라서 1/Cs = (1/Ca) + (1/Cb) + .....   2)배기율과 배기속도 가스가 제거되는 속도는 펌핑속도(Sp)에 의해 측정된다. 펌핑속도란 펌프로 inlet의 압력하에서 계로부터 제거되는 시간당 가스부피로 정의된다. 배기율은 inlet 압력과 펌핑속도의 곱으로 정의되며, Q는 Torr.liter/sec, atm.cm2/sec의 단위를 갖는다. 배기율 Q = PSp = P(dv/dt)여기서 P는 유입압력, Sp는 펌핑속도, V는 가스의 부피이다. N = C(n1 - n2)의 양변에 KT를 곱한다. NKT = C(n1KT - n2KT) = NP/n = SP = Q = C(P1 - P2)위식에서 Q는 압력 P1애서 콘닥턴스 C를 갖는 파이프로 들어가는 단위시간당의 기체량이다. 아래의 그림에서 진공계의 net speed S = Q/P1 펌프 inlet에서의 speed Sp = Q/P2 따라서 Q = C(p1 - P2) = c(l/S - 1/Sp)Q 로 부터 1/S = 1/Sp + 1/C S/Sp = C/Sp/[1 + (C/Sp)]     2.7.3 콘닥턴스의 공식 (20 C 공기) 1) 점성류(viscous flow : D/ > 110 ) a)aperture P1 A P2   C = 20A/(1 - P2/P1) (l/s) 여기서 A는 cm2, P1과 P2는 Torr, C는 l/s의 단위를 갖는다. b)cylindrical pipe C = 182D4P/L (l/s) ( P = (P1 + P2)/2 :평균압력 ) c)rectangular cross section     C = 260Y(A2/L)P (l/s) A =ab Y = correction factor   표 4 correction factor Y as a function of the shape a/b of the rectangle a/b Y a/b Y 1 1 0.5 0.82 0.9 0.99 0.4 0.71 0.8 0.98 0.3 0.58 0.7 0.95 0.2 0.42 0.6 0.90 0.1 0.23   d) annular cross section   C = 2900(P/L) [ r02 - ri4 - (r02 - ri2)/log(r0 -ri)] (l/s) 2) 분자류(molecular flow : 1 < D/ < 110 ) 콘닥턴스는 압력에 무관하다. a) aperture A C = 9.16D2 (l/s)   b) cylindrical pipe (long tube)   C = 12.1D3/L (l/s) c) rectangular cross section   C = 30.9a2b2K/[(a+b)L] K = correction factor   표 5 correction factor K After guthrie and wakerling(1949) b/a K 1 1.108 0.667 1.126 0.5 1.151 0.333 1.198 0.2 1.297 0.125 1.400 0.1 1.444   d) annular cross section   C = 12.1(D0-Di)2(D0+Di)(K0/L) 여기서 D0 = 2r0, Di = 2ri이고 K0는 correction factor이다.   e) cylindrical pipe (short pipe) C = 12.1D3/(L + 1.33D)   f) rectangular cross section 의 pipe   C = 30.9ab2/LK ( a>>b, L이 b에 비해 크지 랂다) g) tapered pipe (원형) C = 7.62(T/M)1/2D12D22 / [(D1 + D2)L]