러핑 펌프

러핑 펌프

일반적으로 대기압에서부터 $10^{-3}$ torr 정도까지의 저진공 및 중진공 영역에서 사용하는 펌프를 러핑 펌프(roughing pump)라고 하며, 주로 초기 진공을 생성하기 위해 사용된다. 원래 "rough"의 사전적인 의미는 "거칠거나 부드럽지 못한" 것을 나타낸다. 이는 초기에 대기압 상태인 진공 용기를 펌프로 기체분자를 배기하기 시작하면 순간적으로 일어나는 불규칙한 흐름으로 인해 심한 소음과 진동을 만들게 되며, 이내 서서히 조용해지며 점성 유동하게 된다. 이와 같이 진공 시스템을 구동하기 시작하면, 처음에 발생하는 거친 소음이나 진동을 일으키는 초기 진공 단계 동안에 거칠게 동작하는 펌프이기 때문에 붙여진 명칭일 것으로 여겨진다. 러핑 펌프는 초기에 배기하는 펌프의 역할을 완료하게 되면, 고진공 펌프가 동작하면서 임무를 교대하고 러핑 펌프는 고진공 펌프의 배기부로 연결되어 보조 펌프로서 동작하게 된다. 이때 러핑 펌프를 포라인 펌프(foreline pump 혹은 backing pump)라고 한다. 이번 장에서는 3종류의 진공 펌프 중에서 러핑 펌프에 대해 자세히 알아보도록 한다. 러핑 펌프를 분류하면, 피스톤 회전 펌프, 오일 회전 펌프, 드라이 펌프, 벤츄리 펌프, 부스터 펌프 및 섭션 펌프 등이 있고, 드라이 펌프에는 다시 screw 펌프, Roots 펌프, claw 펌프 및 scroll 펌프 등으로 나눈다. 이와 같이 분류되는 러핑 펌프를 기계식 펌프(mechanical pump)라고 부르기도 하는데, 이는 러핑 펌프의 대부분이 기계적인 운동으로 기체분자를 배기하기 때문이다. 그러나 벤츄리 펌프나 섭션 펌프 등은 기계식 펌프에 속하지 않는다. 이제, 각 펌프의 동작 원리, 구조 및 일반 사용 방법 등에 대해 기술해 보도록 한다.

4.1 피스톤 회전 펌프

피스톤 회전 펌프(rotary piston pump)는 기체분자를 흡입하고 기계적으로 압축하여 대기 중으로 배기하게 되는데, 이는 Charles의 법칙을 이용한 것으로 압축하게 되면 부피는 작아지지만 대기압보다 압력이 높아져 외부로 배출하게 되는 원리를 적용한 것이다. 진공 시스템에서 보편적으로 많이 사용 되는 펌프로서, 많은 양의 기체분자를 빨리 배출하기 위해 사용하며, 펌프의 배기속도는 1,000 cfin(cubic feet per minute) 정도이다. 또한, 피스톤 회전 펌프가 도달할 수 있는 최저 압력은 대략 $10^{-2}$ torr 정도로 약간 높은 편이다. 구조는 약간 복잡하지만, 견고하고 수명이 약 20년 이상으로 길다는 장점이 있다. 펌프의 구조를 살펴보면, 회전축의 중심에서 한쪽으로 치우쳐진 원통형의 피스톤이 회전하며, 흡입구에는 슬라이딩 밸브(sliding valve)가 있고 배출 밸브에는 증기압이 낮은 오일로 채워져 있다. 일반적으로 펌프는 주철(cast iron)로 제조되며, 그림에서 보여주는 하우징(housing)은 대부분 알루미늄 합금으로 만들어진다. 이는 배기구가 막히는 현상으로 인하여 펌프 내부의 압력이 갑자기 증가하게 되면 폭발이나 화재가 발생할 수 있고, 경우에 따라 깨지면서 조각이 날아가는 것을 방지하기 위해 사용하며, 대체로 이러한 경우에 알루미늄 합금은 균열이 일어날 뿐, 조각이 나면서 폭발하지 않기 때문이다. 먼저 진공 용기로부터 기체분자를 흡입(induction)하는 초기과정을 지나면, 펌프 내로 들어온 기체를 차단(isolation)하는 과정을 거치게 되고, 펌프 내부에서 회전자의 회전으로 압축(compression)하며, 마지막으로 압축된 기체를 배기구를 통하여 배출하는 배기(exhaust) 과정을 나타내고 있다. 즉, 펌프의 배기 과정은 4가지의 고정을 통하여 기체를 배출하게 된다. 이와 같이 펌프가 회전하면서 기체분자를 차단과 압축하는 과정에서 펌프에 사용하는 오일의 점도는 매우 중요하며, 피스톤의 회전운동이 원활하게 이루어지지 않는다면 정상적으로 기체를 압축할 수 없고, 이로 말미암아 진공 용기의 압력을 낮출 수 없게 된다. 피스톤 회전 펌프에서 사용하는 오일은 고정자와 회전자 사이에 윤활제와 밀폐제의 역할뿐만 아니라, 냉각제의 역할도 수행한다.

4.2 오일 회전 펌프

오일 회전 펌프(oil rotary pump 혹은 oil-sealed mechanical pump)는 일명 회전 베인 펌프(rotary vane pump)라고 하기도 하며, 중소형 진공 시스템에서 러핑 펌프로써 가장 널리 사용된다. 펌프의 구성은 외측에 고정자(stator), 회전하는 회전자(rotor) 및 회전자에 중심을 향하는 날개(vane)가 있으며, 날개 안쪽으로는 용수철이 연결된다. 회전자의 중심은 고정자의 중심에서 약간 벗어나게 설치된다. 펌프의 회전자에 설치된 날개는 용수철이 밀어 고정자에 접촉하게 되며, 이때 용수철은 날개가 고정자에 밀착하여 누설되는 공간이 없도록 밀면서 회전하게 된다. 기본 원리는 기체분자를 대기압보다 약간 높게 압축하여 외부로 방출하는 펌프로 피스톤 회전 펌프와 동작 방식이 거의 유사하게 흡입, 차단, 압축 및 배기 과정을 수행한다. 일반적으로 4개 이상의 날개가 설치되어 고정자와 마찰하면서 회전하기 때문에 열이 많이 발생하지만, 피스톤 회전 펌프보다 약간 낮은 진공도(~수 mtorr)를 만들 수 있다. 오일 회전 펌프의 배기속도는 약 150cfm 정도이며, 회전속도는 약 400rpm 정도로 약간 소음이 많은 편이다. 펌프에서 사용하는 오일은 윤활제의 역할뿐만 아니라, 열을 식혀주는 냉각제와 가스가 누설하는 것을 막아주는 밀폐제의 역할까지도 하게 된다. 펌프 오일의 증기압이 낮을수록 낮은 압력까지 내릴 수 있으며, 특히 오일의 역류(back-stream)에 의한 진공 시스템의 오염도 줄일 수 있다. 일반적으로 많이 사용하는 오일은 석유제품의 탄화수소(hydrocarbon)이며, 이외에 유기합성 오일(organic synthetic oil), 실리콘 오일(silicon oil), 불화 오일(fluorinated oil) 등이 있다. 탄화수소 오일은 실온에서 증기압이 대략 $10^{-6}$ torr 정도이며, 공기, 불활성 기체 및 수소 등에 주로 사용한다. 유기합성 오일은 주로 고온에 의한 산화 방지를 위해 사용하며 증기압은 $10^{-8}$ torr 정도이다. 실리콘 오일은 증기압이 $10^{-5},.._,10^{-9}$ torr 정도이며, 고온에서 주로 사용하지만, 윤활성이 좋지 않다는 단점을 가진다. 또한, 고분자 오일에 속하는 불화 오일은 증기압이 $10^{-10}$ torr 정도로 매우 낮은 편으로 반도체 공정 등에서 유독 기체를 사용하는 경우나 화학적으로 불활성이 요구되는 경우에 많이 사용한다. 진공 시스템의 압력이 낮아질 경우, 오일 증기 분자가 가스의 흐름과 반대 방향으로 확산하거나 압력 차로 발생하는 현상을 역류(back stream)라고 한다. 즉, 압력이 낮을수록 역류는 증가하게 되며, 역류는 액체가 아닌 기체 상태로만 발생한다. 오일이 역류하여 진공 시스템 안으로 들어가면 오염의 원인이 된다. 이와 같은 역류를 방지하기 위해서는 일정량의 질소 가스를 펌프의 흡입구나 진공 용기로 흘리거나 펌프의 구동 온도를 낮추어야 한다. 또한, 역류 방지용의 inlet filter를 설치하거나 근본적인 해결책으로 오일을 사용하는 러핑 펌프 대신에 건식 펌프를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 대체로 오일을 사용하는 러핑 펌프의 경우, 공기 중에 포함된 수분이 펌프 내부로 유입되어 응결되면서 오일과 섞여 진공 용기에 영향을 미치게 되고, 결국 진공도가 저하될 수 있다. 이와 같이 펌프로 유입되는 수분은 공기 중에 약 1% 정도 섞여 있으며, 계절이나 날씨에 따라 습도차는 많은 편이다. 장마철에는 공기 중에 수분의 부분압이 매우 커지게 되며, 펌프 내에서 물로 상변이를 일으켜 오일 중에 수분을 생성하게 된다. 특히, 급격히 온도가 내려가면 수증기가 물방울로 변하며, 또한 상변이 수분뿐만 아니라 이물질이 생성되면, 펌프의 부하가 증가하며, 만일 대량으로 부산물이 만들어지면 펌프에 고장을 유발할 수 있다. 진공 펌프에서 사용하는 오일과 수분이 섞이면 물리적인 변화뿐만 아니라 화학적인 변화를 발생하게 된다. 물리적인 변화로는 점성의 변화로서 오일의 점도가 증가하며, 펌프의 회전에 장애를 일으켜 전기적인 부하가 증가하고 이에 따라 진공도가 감소한다. 화학적인 변화로는 회전자의 마찰에 의해 온도가 증가하고 압력이 올라가면 광물 계통의 오일과 배기가스가 반응하여 고분자로 바뀌면서 슬러지를 생성하게 된다. 이러한 슬러지는 일부 공정에서 펌프가 폭발하는 경우도 발생한다. 오일 회전 펌프에서 수분이나 이물질에 의해 발생하는 문제점을 해결하기 위해서는 gas ballast를 설치하거나 수분을 분리하는 장치를 이용하기도 하며, venting valve를 이용하여 진공 용기에 질소 가스를 주입하기도 한다. 펌프가 압축과정에서 수분이 응축하여 오일을 오염시키는데, Gaede가 처음으로 고안한 gas ballast는 압축 주기일 때 외부에서 대기를 주입하여 인위적으로 부분압의 증가를 낮춤으로써 수증기가 응축하여 액화하는 것을 방지하는 장치이다. 그러나 ballast의 단점은 장시간 사용할 경우에 오일이 가스와 같이 빠져나가게 된다는 점이다. 그리고 수분 분리장치는 펌프의 오일을 뽑아 외부에 설치된 oil cleaner에서 수분이나 이물질을 제거하는 것이다. 펌프의 수명이 길어지지만 별도의 수분 분리장치를 설치하기 때문에 경제적인 문제가 발생하며, 사용하는 오일의 증가를 초래하기도 한다. 또한, 분리장치에 필터를 주기적으로 확인하고 교체하여야 한다. 진공 용기가 대기에 노출될 경우에 질소가스를 주입하게 되면, 수분의 유입을 방지할 수 있는데, 첨단의 반도체 공정이나 평판 디스플레이를 제조하는 공정에서 많이 이용한다.