진공 설계

 

 

 

진공 설계

고진공 시스템은 비교적 간단한 실험용 장비에서부터 규모가 큰 산업용 장비에 이르기까지 다양하며, 또한 대기압에서 $10^{-7}$ torr까지 압력 범위가 넓은 편이다. 실제로 고진공 시스템의 설계를 이해하기 위해서는 기계공학, 전기·전자공학, 소프트웨어공학, 재료공학 및 진공 공학 등의 다양한 학문을 필요로 한다. 특히, 이러한 공학 중에 핵심 분야라고 할 수 있는 진공 공학은 진공 펌프의 적합한 형태와 크기, 배기관과 밸브의 용량 등을 선정하는 것이며, 고진공 시스템을 구성하는 주요 부품, 진공 재료와 이들 사이에 결합 기술 등의 필요한 제원과 정보를 파악하여야만 한다. 따라서 본 장에서는 진공 시스템을 구성하는 진공 부품의 구조와 특성을 살펴보고 또한 진공 시스템에서 사용하는 다양한 재료와 진공 부품들의 결합 기술 등에 대해 기술하고, 마지막으로 각종 부품을 이용하여 구성되는 진공 시스템에 대한 설계를 고려하고자 한다.

 

 

 

9.1 진공 부품

지금까지 기술한 진공 펌프, 진공 게이지와 가스 분석 장치를 제외하더라도, 아주 많은 종류의 진공 부품들이 진공 시스템을 구성하기 위해 사용된다. 이번 절에서는 진공 시스템에서 자주 사용하는 주요 진공 부품에 대해 열거하면서 간략하게 기술하고자 한다.

 

 

 

9.1.1 가스 공급 부품

대부분의 진공 시스템은 제조 공정에서 필요로 하는 여러 종류의 가스들을 사용하게 된다. 따라서 가스를 공급하기 위해 가스탱크나 가스 실린더에서부터 진공 용기까지 연결하며, 여기에는 가스 조정기(regulator), 튜브(tube), 질량유량계(MFC) 및 밸브(valve) 등이 이용된다. 그림 9-1에서는 대표적인 가스 공급부품들의 외형을 나타내며, 가스 조정기는 가스의 종류와 순도에 따라 선택하게 된다. 그리고 진공 시스템으로 유입되는 가스의 양은 질량 유량계를 통하여 자동으로 조절되며, 수동으로 동작할 경우에는 밸브로 조작된다.

 

 

 

9.1.2 진공 밸브

진공 밸브는 기체의 흐름을 열거나 닫는 역할을 하게 되며, 기능적으로 닫힌 경우에는 진공 시스템의 접합부와 다를 것이 없다. 다만, 시스템의 공정에 필요한 가스를 공급하기 위해 신속하게 개폐하게 된다. 그림 9-2는 여러 종류의 밸브에 대한 외형을 나타내고 있다. 즉, 다양한 진공 시스템에서 용도에 따라 여러 가지 밸브를 필요로 한다. 또한, 진공도의 작업조건, 청결도 및 밸브의 구조와 연결 등을 고려하여 적합한 밸브를 선정하여야 한다. 진공 용기에서 기체를 배기하기 위해 진공 펌프와 연결할 경우에 이들 사이에 설치하는 밸브를 게이트 밸브(gate valve) 혹은 주 밸브(main valve)라고 한다. 그리고 구조에 따라 직선형 밸브, 직각형 밸브, tee 형 밸브, 슬라이드형 밸브, 바늘 밸브(needle valve) 및 throttle valve 등이 있으며, 이외에 쉽게 밸브를 여닫을 수 있는 볼 밸브(ball valve)와 나비 밸브(butterfly valve) 등이 있다. 밸브는 재질과 구조적 원리 등에 따라 사용하는 영역이 제한될 수 있으며, 이와 같은 이유로 인하여 진공 밸브를 선정할 경우에 주의를 필요로 한다. 일반적으로 밸브의 재료로는 황동(brass) 주물 알루미늄(cast aluminum)과 스테인리스강(stainless steel) 등이 사용된다.

 

 

 

9.1.3 진공 플랜지

진공 기술에 있어 진공 플랜지(vacuum flanges)는 거의 반영구적으로 진공 부품들을 연결하기 위해 사용하며, 경우에 따라 진공 부품을 분리하거나 세척을 위해 분해할 수도 있다. 이와 같은 플랜지는 국제화된 표준으로 KF/QF/NW, CF, ISO, ASA/ANSI 등의 구조에 대한 규격으로 공급업체가 생산하고 있으며, 또한 플랜지의 크기에 대한 표준화가 이루어져 있다. 보통 플랜지는 누설을 방지하기 위해 플랜지들 사이에 고무, 고분자나 실리콘 고무와 같은 탄성 중합 (elastomers)를 비롯하여 구리나 알루미늄과 같은 유연성을 가진 재질, 혹은 스테인리스강 등으로 만들어진 개스킷을 끼워 나사로 조이게 된다. 그림 9-3에서는 여러 종류의 CF 플랜지를 나타내고 있으며, CF 형 플랜지의 연결은 스테인리스강, 알루미늄 혹은 황동으로 만들어진 센터링(center ring)에 고무 중의 O-ring을 끼워 퀵 클램프(quick clamp)로 조이게 된다. 그림 9-4에서는 다양한 형태의 클램프, 센터링 및 O-ring의 외형을 나타내고 있다. 그리고 그림 9-5에서는 여러 종류의 구조를 가진 CF 플랜지의 외형과 이러한 플랜지를 연결하기 위해 사용하는 금속 개스킷의 형태를 보여준다. 개스킷은 진공 용기의 진공도와 온도와 같은 조건을 고려하여 선정하게 되고, 금속 개스킷으로는 주로 무산소 특수 구리(OFHC; oxygen free high conductivity copper)를 사용하며, 이외에 알루미늄이나 스테인리스강을 이용한다. 금속 개스킷이 맞닿게 되는 부분의 flange에는 기체가 새지 않도록 날카로운 구조를 가진 knife edge로 구성되며, 이러한 부분이 금속 개스킷을 파고들어 누설이 생기지 않도록 하게 된다.