고진공 펌프의 종류

 

 

 

고진공 펌프

일반적으로 초기 진공을 형성하기 위해서는 러핑 펌프가 사용되며, 러핑 펌프는 저진공 영역에서의 배기 역할을 완료하게 된다. 그리고 이어서 진공 용기의 압력을 희망하는 고진공까지 낮추기 위하여 고진공 펌프가 동작하면서 임무를 교대하고, 대체로 기계적인 펌프는 고진공 펌프의 배기부로 연결되어 보조 펌프로서 다시 역할을 계속하게 된다. 고진공 펌프는 러핑 펌프에 비해 흡입구의 면적이 크며, 이는 고진공 영역에서는 분자 유동에 의해 기체 분자들의 평균 자유 행정이 커지기 때문에 펌프의 입구로 많이 들어올 수 있도록 흡입구가 커지게 된다. 유체는 기체 분자들의 운동 에너지에 비례하여 외부의 압력에 대해 저항하게 된다. 기체분자의 운동 속도는 방향성을 가진 유동 성분과 방향성이 없는 열운동 성분으로 구성되며, 정지상태의 기체는 모든 방향으로 동등한 열운동 성분을 가짐으로 기체분자의 열운동 에너지와 평형을 이루는 외부 압력은 열운동 속도에 대응하는 자체 압력과 같아진다. 기체분자가 어느 방향으로 움직이면 그 운동 에너지만큼의 압력 구배에 대응하는 유동을 유지할 수 있으며, 각 방향으로의 속도 성분에 의해 방향별로 다른 압력 구배를 유지하게 된다. 이는 유체에서 관련하면 베르누이 정리로 표현할 수 있으며, 기체분자에서도 동일한 방법으로 나타낼 수 있다. 만일, 진공 부분과 외부의 고압 부분이 서로 맞닿아 기계적인 장치로 차단되지 않고 열려 있더라도 진공 부에서 고압부로 유동속도 성분을 줄 수 있다면 기체분자를 배기하는 것이 가능해진다. 기체분자의 운동량을 변화시켜 배기할 수 있는 방식을 운동량 전달식이라 하며, 여기에는 유체 분사식과 터보식으로 나눈다. 이번 장에서 다루게 되는 고진공 펌프는 3종류이며, 즉 오일 확산 펌프(oil diffusion pump), 터보 분자 펌프(turbo molecular pump) 및 크라이오 펌프 (cryo pump)로써, 각 고진공 펌프의 동작 원리, 구조, 특성 및 일반 사용법 등에 대해 기술해 보도록 한다.

 

 

 

5.1 오일 확산 펌프

오일 확산 펌프(oil diffusion pump)는 오일 증기를 기체 중에 분사시켜 운동 에너지에 의해 기체를 방출하는 펌프로서 유체분사식이다. 기체분자가 내재하고 있는 분자류 영역으로 오일 증기가 제트로 분사되면 제트 분자와 기체분자가 충돌하여 제트 방향으로 속도를 얻게 됨으로써 높은 배기속도를 얻을 수 있다. 확산 펌프에는 여러 종류가 있지만, 주로 작동액으로 오일을 사용하는 오일 확산 펌프가 많이 사용되고 있다. 일반적인 러핑 펌프와 비교하여 배기속도가 높고 기계적인 펌프가 아니기 때문에 소음이나 진동이 없으며, 안정적이라는 장점을 가진다. 작동액으로 예전에는 수은을 시용하기도 하였지만, 현재는 거의 사용하지 않는다. 이제 오일 확산 펌프에 대해 보다 자세히 알아보도록 한다.

 

 

 

5.1.1 확산 펌프의 역사

확산 펌프의 개발은 1913년 독일의 W. Gaede가 수은 증기를 이용한 회전수는 기계 펌프에 대한 연구에서 시작하여 1916년 미국의 I. Langmuir가 Gaede의 펌프를 개선하였다. 그림 5-1에서는 Gaede와 Langmuir 펌프를 보여준다. 그림 (b) 에서 나타나듯이, Langmuir 확산 펌프는 노즐을 통해 수은 증기를 분사하며 적절하게 응축하는 장치를 가진 펌프이며, 그림 5-2(a)에서는 우산형의 노즐을 이용한 금속 응축 펌프로 1919년에 특허를 얻었다. 이와 같은 수은 증기 확산 펌프는 진공관 산업의 개발과 더불어 1940년대까지 폭넓게 사용되었다. 사실 수은은 다양한 종류의 기체분자를 방출하여도 분해되지 않으며, 또한 공기에서도 산화하지 않는다는 장점 때문에 확산 펌프의 작동액으로 많이 사용하여 왔지만, 유독성이라는 단점으로 오일로 대체되었다. 1928년에는 영국의 C.R. Burch가 수은 대신에 고분자 오일을 사용하여 확산 펌프를 개선하였고, 1929년에도 미국의 C.D. Hickman이 역시 수은을 대신하여 합성 오일을 사용한 유리 확산 펌프를 개발하였다. 그림 5-2(b)에서는 Hickman이 개발한 3단 유리 확산 펌프를 나타낸다. 이후, 1937년에는 L. Malter가 금속으로 구성된 다단 오일 확산 펌프(allmetal multistage oil diffusion pump)를 개발하여 특허를 획득하였다. 오일 확산 펌프의 흡입구 쪽에는 있는 첫 단의 오일 구조는 매우 중요하 며, 이는 배기속도와 최종 압력을 결정하는 중요한 요소이다. 1937년 Embree는 그림 5-3에서 보여주는 바와 같이 직선 jet형(a) 보다 배기속도를 개선한 노즐을 설계하여 특허를 얻었다.

 

 

 

5.1.2 확산 펌프의 구조와 원리

그림 54(a)에서는 일반적인 오일 확산 펌프의 구조를 나타내며, 그림 (b)에 서는 최신 오일 확산 펌프의 구조와 외형을 나타낸다. 그림에서와 같이 확산 펌프의 구성은 펌프의 용기, 오일을 분사하는 3단의 우산형 제트분사 노즐, 오일을 가열하여 증발시키는 보일러와 열원인 히터로 구성되며, 이외에 펌프의 외벽에는 오일 증기를 응축시키기 위한 수냉관이 감겨져 있다. 그리고 펌프의 하단부에는 압축된 기체분자를 포 라인 펌프로 방출하기 위한 배기구가 있다. 확산 펌프의 배기 원리를 살펴보면, 확산 펌프의 하단부에 고인의 오일은 히터에 의해 가열되며, 이때의 온도는 약 200°C 정도로 가열하여 보일러의 오일이 끓게 되면 오일 증기는 증발 관을 따라 상승하다가 노즐을 통하여 아래를 향하여 대략 340m/sec 이상의 초음속으로 분사된다. 이처럼 오일 증기가 아래를 향해 분사되면, 주변의 기체 분자들도 함께 동일한 방향으로 이동시켜 배기하게 된다. 여기서, 노즐은 그림에서와 같이 3단으로 설치되어 있으며, 동심원 기둥으로 분리된 3개의 증발권과 연결되어 있다. 펌프의 벽면에 도달한 오일 증기는 낮은 온도로 냉각되어 응축함으로써 중력에 의해 보일러로 다시 흘러 내려가게 된다. 그러나 기체분자는 오일 증기와 같이 응축되지 않고 아래로 내려가다가 2단과 3단을 거쳐 배기구로 방출된다.b각 단을 거쳐 아래로 내려갈수록 압력은 증가하게 되고 배기속도는 감소 시 켜야 하는데, 하단으로 내려가면서 노즐과 내벽 사이에 간격을 작게 형성함으로써 얻을 수 있다. 여기서 간격이 작다는 것은 노즐로부터의 팽창이 작다는 것을 의미한다. 따라서 jet의 평균 증기 밀도는 높아지고 배기속도는 감소하지만, 반면에 압축비가 증가하게 될 것이다. 즉, 오일 확산 펌프에서 배기속도는 상단에 있는 1단의 노즐에 의해 결정되고, 2단과 3단의 역할은 압력을 상승시켜 확산 펌프의 배기구와 연결되는 포 라인 펌프의 동작 범위까지 유지할 수 있도록 한다. 오일 확산 펌프의 성능은 오일 증기와 기체분자의 충돌에 의한 운동 에너지의 전달 효율과 관계되며, 이와 같은 효율은 jet의 속도, 증기 밀도 및 증기의 분자량 등과 밀접하게 관련된다. 여기에서 jet의 속도나 밀도는 노즐의 구조, 펌프의 구조적 설계, 보일러의 압력 및 기체 밀도 등에 의해 좌우된다. 그림 5-S에서는 확산 펌프의 배기 과정을 나타내는데, 만일 수랭 관이 증기분 자를 충분히 냉각시키지 못하면 그림에서 보듯이 오일이 다시 증발하여 역류 (back-stream)의 원인이 되기도 한다. 또한, 노즐 위쪽으로 설치된 냉각캡(cold cap)도 진공 용기로 역류가 발생하지 않도록 하기 위한 것이다. 특히, 확산 펌프를 오래 사용하게 되면, 오일이 부분적으로 손상되어 분자량이 작아지고, 가열하면 증기압이 높아지게 되는데, 이처럼 손상된 오일은 먼저 기화하기 때문에 그림 5-6 확산 펌프의 단면도에서 나타나듯이 가장 바깥의 증발관(3단)을 통해 분사되고 우수한 성질의 오일은 안쪽으로 들어가면서 가열되어 1단의 증발관을 따라 기화하여 분사하게 된다. 즉, 증기압이 낮은 오일을 진공 용기에 가까운 1단에서 분사되도록 함으로써 진공 용기로 역류의 가능성을 줄일 수 있다. 오일 확산 펌프는 운동량 전달 방식의 펌프로서 배기되는 기체분자와 큰 운동량을 가진 오일 분자의 충돌에 의해 발생하는 운동량 전달로 배출하게 된다. 확산 펌프는 1930년대 합성 오일을 개발하면서부터 아직도 많이 사용되고 있는 고진공 펌프로서, 

1. 저렴한 가격
2. 거의 모든 기체에 대해 일정한 배기속도 유지
3. 기계적인 구동이 없다는 등

 

과 같은 장점을 가진다. 그러나 오일 확산 펌프의 가장 큰 단점으로는(오일에 의한 역류로 인하여 진공 용기를 오염시킬 수 있다는 것이다.) 이에 대한 대책으로 냉각 트랩(cold trap)이나 배플(baffle)을 사용한다. 사실, 오일 확산 펌프는 설계적인 면에서 아직 원시적인 단계로 계속 사용해오고 있다고 할 수 있으며, 향후 외형의 디자인과 내부 설계 등의 보완이 매우 필요하다.