게터펌프의 종류와 원리

 

 

 

6.1.1 게터펌프의 종류와 원리

이외에 비증발형의 게터들은 대부분 합금이며, 현재 가장 많이 상용화되고 있다. 이러한 합금 소재는 분말 형태로 철이나 콘스탄탄(constantan) 위에 약 $100\mu m$ 정도의 두께로 증착하여 소결한다. 비증발형 게터는 메탄이나 불활성 기체를 제외하고 거의 모든 기체를 배기할 수 있으며, CO, CO$_2$, N$_2$, O$_2$ 및 H$_2$O 등과 같은 기체분자는 표면의 게터와 화학적으로 결합하여 화합물을 형성하는데, 예로서 Zr를 게터로 사용한다면 화합물로 ZrC와 ZrO 등이 생성된다. 이들이 포화하면 가열하여 재생하게 되며, 표면에는 새로이 Zr이 만들어지고 C나O는 내부로 확산하게 된다. 그러나 수소는 원자 형태로 분해되어 금속 원자 사이에 용해되어 존재한다. 증발형은 게터를 서서히 증발시켜 기체분자를 표면으로 유인하여 흡착시킴으로써 배기하는 펌프라고 할 수 있다. 단지 표면의 흡착에 의해서만 배기하며 내부로까지 확산하지는 않는다. 따라서 게터 표면은 항상 깨끗하게 유지하여 높은 부착계수를 가질 수 있도록 하여야 하고, 또한 다공성의 막을 가진 게터소재일수록 흡착 성능이 더욱 우수하며, 표면 온도를 낮출수록 성능은 좋아진다. 증발형 게터의 재료로는 Ba, Mg, Al, Th 및 Ti 등이 있으며, 현재 가장 많이 사용되는 소재로는 Ti로써, 티타늄 승화 펌프가 대표적인 증발형 펌프이다.

 

 

 

6.1.2 게터 펌프의 배기특성

게터 펌프의 배기속도는 표면에 도달하는 기체분자의 부착계수(sticking coeficient)에 의해 좌우하게 되는데, 이와 같이 배기속도를 결정하는 요소로는 게터의 표면적, 게터면에 도달하는 기체분자의 수, 게터면으로 들어가는 확률 및 진공 용기의 크기와 게터면 사이의 컨덕턴스 등이 있으며, 또한 흡착 표면의 상태와 온도에 영향을 받는다. 즉, 흡착 표면적이 증가하면 배기속도와 흡착 용량이 커지게 되며, 온도가 증가하면 이들은 일반적으로 감소하는 경향이 있다. 그러나 표면 내부로 확산하거나 안정화되는 과정은 온도에 의해 지배되며, 온도가 증가하면 반응속도가 증가한다. 게터링 과정으로 흡착된 기체분자는 화합물층을 형성하고, 계속해서 전개되는 과정에서 초기에는 온도의 증가로 인하여 배기속도가 증가하는 것 같지만, 온도가 일정 이상으로 올라가면 안정화되었던 결합은 분해되어 오히려 기체를 방출하는 경우도 발생한다. 따라서 게터링 과정에 있어 최적의 온도 조건이 있으며, 이를 고려하여 펌프가 동작하도록 하여야 한다. 이상과 같은 게터 펌프의 배기특성을 식으로 기술하면, 게터의 단위 표면적 당 배기속도(S)는 표면으로 도달하는 기체분자의 수$(K_o)$와 부착계수와 관련하여 다음과 같이 표현할 수 있다.

$$\frac{S}{A} = H  \times  K_0$$

여기서, 표면의 부착계수는 게터의 재료와 기체의 종류에 의존하게 되며, 또 한 온도 이외의 분위기 조건에 따라 다르다. 표 6-2에서는 여러 종류의 게터에서 기체 종류별로 흡착용량을 나타내고 있다. 그림 6-3에서는 게터 펌프의 외형과 내부 구조를 나타낸다. 대부분의 고진공 펌프의 경우에 펌프는 진공 용기의 외부에 설치하고 고진공 게이트에 의해 이들을 연결하기 때문에 배기속도가 감소하지만, 게터 펌프는 진공 용기에 부착하는 방법에 따라 매우 높은 배기속도와 청결한 펌프로써, 많은 장점을 가진다. 일반적으로 게터 펌프는 진공 용기의 배관 부분에 전용의 작은 공간을 확보하여 설치하게 된다. 그러나 게터 펌프는 불활성 기체인 Ar이나 He에 대한 흡착 능력이 매우 낮기 때문에 동작에 있어 약점이라 할 수 있지만, 불활성 기체가 문제시되지 않는 진공 시스템에서 사용하게 된다면 우수한 펌프로 구성할 수 있을 것이다.

 

 

 

6.1.3 게터 펌프의 사용법

그림 6-1에서 나타내고 있듯이, 게터 펌프의 동작은 $10^{-2} $torr 정도에서 시작되는데, 이는 대기압에서부터 사용할 경우에 손상에 의한 단선을 피하기 위해 게터 펌프를 동작하기에 앞서 먼저 러핑 펌프를 이용하여 초기 배기를 수행하고 압력이 떨어지면 게터 펌프를 동작하게 된다. 러핑 펌프를 동작하여 압력이 $10^{-2}$ torr 정도까지 낮아지면, 게터 펌프를 동작시키게 되며, 초기에 기체 분자들은 게터 표면에 흡착하여 압력이 감소하지만, 흡착 작용은 급격히 떨어짐으로 가열을 통하여 게터 원자가 표면에 보충되도록 하여야 한다. 즉, 연속적으로 펌프를 동작하지 않고, 간헐적으로 가열하여 게터 의 소모량을 조절하게 된다. 표 6-3에서는 압력 범위에 따라 게터 펌프의 동작 일례를 나타내고 있다. 압력 범위에 따라 게터 펌프는 외부에 연결된 구동 회로를 통하여 동작이 자동으로 예열시간과 동작시간이 조절되도록 설계되어 있으며, 이와 같은 동작이 반복하여 배기하게 된다. 가열 중에는 열의 발생이 매우 높기 때문에 과열할 수도 있으므로 장시간 연속하여 가열하는 것은 바람직하지 않다. 표 6-3에서도 나타내고 있듯이, 게터 펌프의 동작은 압력이 낮을수록 배기 성능이 우수한 편이다. 이처럼 게터 펌프는 설치하기 용이하고 배기속도가 매우 높으며, 오일을 사용하지 않는 청결한 펌프이고 가격이 싸다는 등의 장점을 가지기 때문에 초고진공 및 극초고진공용 진공 시스템에 많이 사용한다. 극초고진공으로 사용할 경우에 터보 펌프와 같은 고진공 펌프로 배기를 하고 게터 펌프를 동작하여 진공 용기에 남아있는 잔유 기체를 흡착하게 된다. 그러나 게터는 극초고진공에서 가열하면 수소와 같은 가스를 대량으로 방출하게 되는데, 마치 스펀지를 짜게 되면 내부에 고인 물이 나오는 것과 유사하게 방출된다. 이를 방지하기 위해 진공 용기에 부착하기 전에 별도로 열처리하여 설치하거나 터보 펌프와 같이 수소를 잘 배기하는 고진공 펌프를 사용하면 피할 수 있다.