진공 튜빙

 

 

 

9.1.4 진공 튜빙

진공 시스템으로 공급되는 대부분의 기체는 튜빙 라인(tubing line)을 통하여 이루어지며, 필요에 따라 다양한 스웨즐락(swagelok)을 사용하게 된다. 그림 9-6은 각종 스웨즐락의 외형을 나타내고 있다. 스웨즐락 튜브 피팅을 하기 위해 고려하여야 할 사항으로는 튜빙의 재질, 두께, 표면 처리 및 경도 등이 있다. 튜빙 작업에는 표면에 흠집이 없어야 하며, 표면을 주의하여 다루어야 한다. 실제로 튜빙 표면이 긁히거나 결함이 생기면 건조한 공기, 수소, 헬륨, 아르곤 및 산소와 같은 기체는 매우 작은 분자들이기 때문에 미세한 누설경로를 통해서 빠져나갈 수 있다. 만일, 표면에 이상이 생기면 연마작업으로 제거하여 부드럽게 만들 수도 있지만, 두께가 얇아져서는 안 된다. 스웨즐락 튜브 피팅으로 신뢰성 있는 성능을 발휘하기 위해서는 적절한 튜빙의 선택, 취급 및 고품질의 튜빙으로 누설을 제거하여야 한다.

 

 

 

9.1.5 진공 피드쓰루

진공 피드쓰루(vacuum feedthrough)는 진공 시스템 안에 진공을 유지하면서 내부와 외부를 연결할 수 있는 부품이다. 이와 같은 피드쓰루에는 전기를 공급하거나 온도 측정 및 신호처리를 위한 전기 피드쓰루(electrical feedthrough), 진공 용기 내부로 물이나 액체 질소를 주입하고 빼내기 위해 사용하는 액체 피드쓰루(liquid feedthrough), 내부의 물체나 shutter를 외부에서 조작할 수 있는 이동 피드쓰루(motion feedthrough) 등으로 나눌 수 있다.

 

 

 

9.2 진공 재료


진공 시스템을 설계하고 제작함에 있어 우수한 성능과 신뢰성을 유지하기 위해서는 적합한 재료를 선정하여야 한다. 더욱이 강한 독성의 기체나 고온 혹은 극저온 등의 열악한 환경조건에서도 사용할 수 있는 재료의 선택이란 매우 중요하다. 주위의 온도가 변하면 재료의 크기가 변하게 되는데, 온도와 물질의 크기 변화에 대한 관계는 열팽창계수로 나타낼 수 있다. 만일, 진공 시스템에서의 사용하는 소재들이 온도의 변화에 따라 다른 열팽창계수를 가진다면, 결합 부분이나 접합부에서 변형을 초래하게 되고, 이는 진공 누설의 원인을 제공할 수 있다. 진공 시스템에서 사용하는 재료는 우수한 내식성을 지니고, 가공성과 용접성 등이 용이한 것이 바람직하다. 이러한 진공 재료는 용도에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다.

1. 진공 용기나 배기관 등을 구성하는 재료
2. 진공 시스템 내에서 사용되는 공정장비나 부품 재료
3. 게이지나 전극 등과 같은 용도에 사용하는 재료

진공 시스템에서 사용되는 재료들이 고려하여야 할 특성으로는 유사한 열팽창계수를 가지고, 광범위한 온도 저항력과 낮은 기체방출 비율을 가져야 한다. 그리고 용도에 따라 우수한 전기전도도나 절연성, 열전도성이나 열절연성을 가져야 하고, 비자 성체, 낮은 화학반응 및 낮은 휘발성 등의 특성을 고려하여야 한다. 이제, 진공 시스템에서 사용하는 주요 재료에 관해 기술하도록 한다.

 

 

 

9.2.1 스테인리스강

진공 시스템에서 가장 많이 사용되는 금속 재료가 바로 스테인리스강(SST;stainless steel)이다. 특히, SUS-304가 가장 널리 사용되는데, 강도가 높고 부식에 대한 저항이 높은 재료로써, 잘 산화되지 않으며 표면이 균일하고 탈가스도 많지 않다. 표9-1은 여러 가지 스테인리스강의 특성을 나타내는데, 우수한 비자성 체인 스테인레스강은 철 이외에 18%의 크롬과 8% 정도의 니켈이 포함된 합금이다. 그리고 소량의 질소나 탄소가 첨가되기도 하고, 기체방출 비율이나 내식성을 높이기 위해 스테인리스강 표면에 크롬산화막$(Cr_2O_3)$을 구성하기도 한다. 또한, 표면 기체방출을 줄이기 위해 질화붕소(boron nitride)를 형성하거나 TiN 박막을 코팅하면 매우 효과적이라는 연구 결과가 있다. 고진공 시스템에서 스테인리스강은 진공 용기, 진공 펌프 본체, 배기관, 밸브 및 튜빙 등에 주로 적용하고 있으며, 스테인리스강은 구별하면 오스테나이트계, 페라이트계 및 마텐자이트계로 나눌 수 있다.