진공의 실험
18~19세기의 진공 과학도 이와 같이 기묘한 에테르라는 물질 때문에 어려움을 겪었으며, 그 안에서 새로이 발견된 전기력이나 자기력을 설명하고자 노력하였다. 마침내 천재 과학자인 Albert Einstein이 탁월한 과학적인 사고와 실험 기술을 토대로 우주에 가득하다고 여겼던 에데르의 개념은 사실무근이라는 것으로 밝혀졌다. 따라서 1905년부터 다시금 우주에서의 진공 개념이 가능하다는 생각이 제기되었고, 중력장 이론에 의하면 질량과 에너지가 없는 빈 공간을 완전히 수학적으로 표현하면서 텅 빈 우주가 가능하였다. 그러나 극미의 세계에서 양자역학이 불려 일으킨 과학의 혁명은 진공을 완전히 텅 빈 공간으로 생각하는 것이 잘못되었다는 것을 분명히 나타내었다. 이와 같은 새로운 개념에 따르면, 진공이란 용기 안에서 제거할 수 있는 모든 것을 제거한 뒤에 남은 상태를 의미할 뿐이며, 결코 공허한 것이 아니라는 것이다. 다만, 에너지가 가장 낮은 상태이고, 이러한 상태를 변화시키면 에너지가 증가한다는 진공 에너지 개념으로 설명하였다. 이러한 양자역학적인 진공은 실험적으로 검증을 거치면서 제거 불가능한 진공 에너지를 검출함으로써, 진공이 물리적인 실체로 존재한다는 것을 알 수 있게 되었다. 이러한 진공 상태에 대한 자연관의 변천은 아마도 아직 계속되고 있으며, 이는 아무것도 없는 상태가 아니기 때문일 것이다. 즉, 최근에 소립자를 연구하는 물리학자들은 새로운 형태의 입자나 물질의 존재를 주장하고 있고, 진공으로 기체를 제거하여도 전기자파와 같은 에너지가 공간을 채울 수 있기 때문이다. 다시 말하면, 우리가 생활하고 있는 공간에는 방방곡곡에서 날아오는 온갖 전파가 날아다니고 있으며, 만일 진공펌프를 통해 기체를 제거하더라도 어떤 신호든지 남아있을 것이다.
1.2.3 진공 펌프의 개발사
최초의 진공 펌프는 1650년 Guericke에 의해 발명되었는데, 피스톤과 밸브를 갖춘 water pump를 개선하여 밀폐된 용기에서 공기를 빼는 정도의 기구 수준이었다. 이러한 시기에 "진공펌프(vacuum pump)"라는 말은 사용하지 않았으며, Guericke는 자신이 만든 펌프를 "syringe"라고 불렸고, 이는 기본 구조가 일종의 주사기와 같았기 때문인 듯하다. 또한 Boyle은 압축공기 장치(pneumatic machines)라고 불렸으며, 이후 기체를 압축한다는 의미의 장치로서 "pump"라고 불리게 되었다. 초기의 펌프는 Hooke나 Fleuss 등을 거치면서 피스톤 펌프로 개선되었고, 19세기에는 백열전구와 같은 산업에서 진공기술이 진보하면서 더욱 성능이 우수한 진공 펌프가 필요하게 되었다. 즉, 1865년 Sprengel은 Torricelli의 진공 방식을 이용하여 Sprengel pump를 발명하였는데, Edison은 Sprengel pump를 이용하여 1879년에 처음으로 백열전구를 제작하게 되었다. 그리고 Edison은 1896년 Sprengel-Geissler의 pump를 개선하여 새로운 펌프를 만들게 되었다. 20세기에 들어와 1905년 Kaufinan은 전기 모터를 이용하여 처음으로 pump에 적용하였고, 같은 해에 독일의 Gaede는 회전식 수은 펌프를 개발하였는데, 이는 나중에 유회전 펌프로 발전하게 된다. 1916년 미국의 Langmuir가 농축 확산 펌프를 제작하였으며, 이 펌프와 수은배기 농축용 trap을 결합하여 고진공 (10-4Pa = 7.5x10-7 torr)을 얻을 수 있었고, 이는 전자관 산업의 발달을 촉진하는 계기가 되었다. 1928년 영국의 Burch는 수은 대신에 대체물로써 고융점의 석유성분을 사용하고 액체공기 trap 없이 고진공을 얻을 수 있는 펌프를 개발하였다. 이러한 진공기술은 주로 전구, 진공관 및 X-ray tube 등의 제조에 응용되었으며, 또한 고진공 기술의 개발은 입자가속기, 전자현미경, 레이더 등 전자나 이온과 연관된 새로운 기술 분야의 탄생을 주도하였다. 당시 고진공의 정도는 청정한 상태의 표면에 수소 오염이 발생하기 때문에 초고진공의 필요성이 요구되었고, 1945년을 전후하여 진공기술 분야에 대한 연구가 더욱 전개되었다. 1950년 Bayard와 Alpert는 전자에 의해 생성되는 X-선에 따른 압력을 측정하기 위해 초고진공(UHV) 게이지를 개발하였다. 1958년에는 방전현상으로 인한 기체 흡착을 이용하여 Getter ion pump가 개발되었고, 한편 기체에 기계적인 운동량을 가하여 기체를 제거하는 Turbo molecular pump(TMP)도 개발되었다. 그리고 1960년대 초에는 우주환경에 대한 simulation 장치를 위해 Cryo pump도 개발되었다. 이와 같은 초고진공 펌프의 개발로 인하여 약 10-8Pa 정도까지 도달함으로써, 표면이나 박막에 대한 연구를 수행할 수 있는 수준에 이르렀다. 또한, 당시 연구개발에 박차를 가하던 반도체 제조공정의 장비에 많은 영향을 주었다. 이후 최근에는 재료 및 표면공학에서 원자수준의 제어기술과 고도화된 표면계측을 응용하기 위해 10-10Pa 정도의 극초고진공(XHV)까지 연구할 수 있는 진공 펌프가 연구되고 있다.
1.3 진공의 성질
실제로 진공이란 단지 부분적으로 비어있는 공간을 의미하며, 흔히 대기압보다 낮은 압력으로 기체가 채워진 공간을 말하기도 한다. 즉, 2.5x1019 분자/cm3 이하의 분자밀도를 가진 공간이다. 진공이란 공기나 다른 기체가 제거되어 대기압의 기체분자밀도보다 낮아지는 공간을 의미하게 되었다. 그러나 완전히 기체분자를 제거하는 이상적인 공간, 즉 절대진공을 만든다는 것은 기술적으로 불가능하다. 이와 같이 기체분자의 수는 분명히 진공의 정도와 연관이 있으며, 자연스레 진공도의 직접적인 척도를 나타내는 듯하다. 사실, 기체분자의 수가 낮아질수록 진공도는 더욱 낮아진다. 그러나 대기압에서 기체분자의 수는 천문학적인 숫자로 나타나기 때문에, 이를 진공도로 사용하기에는 매우 적합하지 못하였다. 따라서 기체분자 밀도와 관련이 있는 압력을 이용하여 진공도를 나타내는 단위로 사용하게 되었는데, 즉 온도가 일정할 경우에 Boyle의 법칙에 의하면 기체의 압력은 기체밀도와 비례한다. 이미 기술하였듯이, 압력의 단위로는 Torricelli의 이름에서 유래한 torr를 실용적으로 사용하고 있는데, 1torr는 수은 기둥 1mm 높이의 압력과 같으며, 즉 1기압은 760torr이다. 하지만, 국제 표준단위계(SI)에서는 Pascal의 이름에서 유래한 Pascal(Pa)을 압력의 단위로 사용하고 있다. 1Pa는 1m2의 단면적에 작용하는 1N의 힘에 해당하는 압력이다. 두 단위계를 환산하면, 1Pa은 0.0075torr이며, 반대로 1torr는 133Pa이며, 간략하게 1torr를 100Pa로 환산하여 사용한다.
.
.
.
김현후 외 3명, 『기초 진공 공학』 내하출판사 2007년 8월 3일
댓글