이온 펌프 및 진공 게이지

 

 

 

6.3 이온펌프(전 글에 이어서)

 불활성 기체에 대한 배기 효율을 높이기 위해서는 기체분자의 이온화도를 높여야 하며, 이를 위해서는 전자의 생성을 높이거나 이온화되는 영역에서 전자의 체류 시간을 증가시켜 전자의 밀도를 집중시켜야 한다. 그림에서 보여주듯이, 자기장과 전기장을 이용하면 이온이 생성되는 영역에서 전자의 체류시간을 길게 하여 전자밀도를 높임으로써 이온화도를 증가시킬 수 있다. 이와 같이 전자기력에 의해 집중된 전자밀도를 이용하여 얻는 안정된 방전을 페닝방전(Penning discharge)라고 한다. 스퍼터 이온 펌프는 이러한 방전을 이용하여 불활성 기체에 대한 배기속도를 개선한 것이다. 펌프의 내부 구조를 살펴보면, 원통형의 양극에 축 방향으로 자기장을 인가하게 되고 원통 밖으로 음극이 설치된다. 전자는 원통 안에서 그림과 같이 반경 방향으로 나선 운동하며 오래 체류하면서 잔류하는 기체 분자들과 연속적으로 많은 충돌을 야기함으로써 이온화도를 증가시킨다. 여기서, 충돌에 의해 생성되는 2차 전자도 전자밀도를 높이게 되며, 또 다른 충돌에 가담하여 원통 내에서 안정적인 방전을 유지하게 된다. 화학적으로 활성 기체들은 양이온화하면 일반적으로 음극으로 이동하여 스퍼터링하면서 파묻히거나 게터의 표면에 흡착되어 화학적으로 결합하게 된다. 반면에 불활성 기체는 표면에서의 흡착이 잘되지 않으며 음극 면에 충돌하여 대부분 파묻히지만 화학적 결합을 하지 않고, 단지 고체 내에 격자 사이나 빈 격자에 물리적으로 고정된다. 경우에 따라 계속되는 스퍼터링에 의해 재방출하기도 하지만, 대부분 다른 지점으로 이동할뿐 압력에 영향을 주지 않는다. 그러나 Ar의 경우는 재방출하여 압력을 높이기도 하며, 이를 불활성 기체 불안정성이라고 한다. 그림 6-12에서는 삼극 이온 펌프에 대한 간단한 구조와 동작을 나타내고 있다. 삼극 펌프는 불활성 기체가 음극 내에 파묻히거나 스퍼터되어 나타나는 불안정성을 개선하기 위한 것이다. 양이온이 음극을 향해 날아와 충돌로 인하여 발생하는 스퍼터된 Ti 입자는 양이온이 고체면에 비스듬히 충돌하는 것이 효과적이다. 따라서 그림에서 나타나듯이 음극을 슬릿형으로 만들어 원통의 축 방향으로 배치하면 큰 입사각을 갖고 충돌하게 된다. 그리고 스퍼터된 Ti 입자는 음극 배후에 양의 전압으로 인가된 포집 면으로 모이며, 내부로 파묻히게 되며, 불활성 기체에 의한 불안정성을 개선할 수 있다. 표 6-5에서는 여러 종류의 기체에 있어 이극 및 삼극 이온 펌프의 상대적인 배기속도를 나타내고 있다. 질소나 산소에 비해 수소 기체가 빨리 배기 되는 반면에 불활성 기체인 Ar이나 헬륨은 낮은 편이다. 그림 6-13은 이국 및 삼극 이온 펌프의 구조를 보여준다. 스퍼터 이온 펌프의 배기 과정은 기체분자의 이온화, 게터에서의 스퍼터 및 기체분자의 흡착 등의 3단계로 일어난다. 이온 펌프의 배기 특성은 양국의 다중 셀 안에서 발생하는 이온화 과정에 의해 결정된다. 따라서 펌프에 의한 배기속도는 진공 용기 내에 기체분자가 다중 셀 내부로 도달하는 확률과 펌프 내에서 흡착에 의해 배기 되는 확률의 곱에 비례하게 된다. 이온 펌프에서 셀의 크기나 간격이 감소하면 전기장이나 자기장의 세기가 증가하여 셀 내에서 배기 되는 확률이 커지지만, 셀의 크기가 작아지는 만큼 기체분자가 셀 안으로 도달할 확률은 감소한다. 일반적으로 이극 이온 펌프가 삼극 펌프보다 배기속도가 빠르며, 음극의 게터 재료로는 Ti, Tay Ti 합금이 거의 모든 기체를 배기할 수 있고 결합력이 크기 때문에 가장 우수한 것으로 알려져 있다. 음극판을 연속적으로 사용하게 되면, 셀 중심에 맞대응하 는 부분이 집중적으로 스퍼터되어 음극판에 구멍이 뚫려서 배기 성능이 떨어진다. 따라서 주기적으로 음극판을 교체하는 것이 바람직하지만, 일정 시간이 경 과하면 음극판을 조금씩 이동시켜가면서 균일하게 소모함으로써 수명을 연장하는 방법이 사용되기도 한다. 대체로 $10^{-5}$ torr에서 연속적으로 동작한다면 약 2,000시간 정도 사용할 수 있으며, 음극판의 수명은 압력에 반비례하게 된다. 그림 6-14는 이온 펌프를 이용한 초고진공 시스템의 개략도를 나타낸다. 스퍼터 이온 펌프는 소비전력이 매우 낮고, 전원 공급하면 쉽게 동작하며, 냉각이 필요 없고, 초고진공 영역에서도 거의 실온에 가깝게 동작한다는 장점을 가진다. 그러나 강한 자기장을 필요로 하기 때문에 크고 무거운 영구자석을 사용해야 하며, 배기속도가 작다는 단점을 갖는다. 이온 펌프는 동작 시에 압력이 높으면 음극판의 수명이 단축됨으로 압력이 낮을수록 좋으며, 일반적으로 정상 동작영역은 $10^{-6} ~ 10^{-12}$ torr 정도이고, O-ring을 사용하더라도 쉽게 $10^{-9}$ torr까지 도달할 수 있다. 이온 펌프는 이미 기술하였듯이, 포획 펌프의 일종이기 때문에 보조 펌프인 포라인 펌프가 필요하지 않지만, 초기 배기가스를 방출하기 위하여 러핑 펌프를 사용한다. 거의 대부분의 러핑 펌프를 사용할 수 있지만, 이온 펌프는 청결한 펌프임으로 오일을 사용하는 러핑 펌프는 바람직하지 않으며, 일반적으로 섭션 펌프를 가장 많이 사용한다. 그림에서 나타나듯이, 이온 펌프는 배기속도를 높이기 위해 티타늄 승화 펌프와 함께 자주 사용한다.

 

 

 

진공 게이지

지금까지 진공에 관한 공부는 진공의 개념에서 시작하여 진공의 개발사, 기초 이론 및 진공을 만드는 펌프 등에 대한 것이었다. 사실, 인간이 처음 불을 발견하고 이를 이용하면서 안정적인 생활을 영유할 수 있게 되었지만, 이후에는 불의 세기를 알아보고자 온도계를 만들게 되었다. 마찬가지로 Torricelli도 진공을 확인하면서 바로 기압계를 고안하여 진공의 정도를 알아보고자 노력하였다. 이미 기술한 바와 같이 진공의 정도를 나타내는 물리량으로 압력을 이용하게 되었는데, 즉 진공 용기에 남아있는 기체의 압력을 측정하여 진공의 정도를 알 수 있게 되었다. 본 장에서는 진공의 정도를 측정하는 기본 원리를 비롯하여 진공 게이지 (vacuum gauge)의 종류를 분류해보고, 각종 진공 게이지의 원리, 구조와 특성에 대해 알아보도록 한다.

 

 

 

7.1 진공 측정의 원리와 종류

기체의 압력이란 제한된 진공 용기 내에서 기체분자에 의해 작용하는 단위 면적당의 힘으로 정의한다. 기체분자가 열평형상태에 있을 경우, 압력(P)은 기체 분자밀도(n)와 관련되며, 다음과 같은 식으로 나타난다.

$$ P = nkT $$

 

여기서, k는 Boltmann 상수이고, T는 기체분자의 온도(절대온도)이다. 상기 식은 진공을 측정하기 위해 기본이 되는데, 온도가 일정할 경우에 압력은 분자 밀도에 비례하기 때문에 진공 시스템에서 잔류하는 가스의 분자 밀도를 측정하게 되면 압력을 알 수 있다. 그리고 기체의 열전도율, 점성이나 운동량과 같은 물리량이 압력에 따라 변하는 성질을 이용하여 압력을 측정할 수도 있다. 진공 게이지는 기능에 따라 여러 가지로 분류할 수 있는데, 먼저 측정하는 물리량이 압력인지 혹은 다른 물리량을 압력으로 변환하는지 등에 의해 구분한다.
즉, 진공의 정도를 측정하는 방식으로는 직접 측정과 간접 측정으로 나눌 수 있다. 직접 측정방식은 기체의 압력을 알아내는 것이고, 간접 측정방식은 기체의 물리적인 특성을 이용하여 측정하는 것으로 대부분의 진공 게이지가 이에 속하며, 기체가 가지는 열 전도성, 전기전도성 및 이온화도를 측정하여 압력으로 환산하는 방식이다. 그림 71에서는 압력을 측정하는 방식에 따라 구분하는 직접 측정법과 간접 측정법에 대해 보다 구체적으로 나타내고 있다.