진공 펌프의 성능

 

 

 

2.5 기체와 고체

표면 진공 시스템에서 기체분자와 고체 표면 사이의 관계는 매우 중요하다. 진공 펌프에 의해 용기 내의 기체를 배기하기 시작하면, 압력은 급격하게 떨어지지만, 이내 압력의 감소율은 서서히 감소하여 고진공에 도달하기까지는 많은 시간이 소요된다. 이는 진공 시스템의 누설에 의한 요소도 있을 수 있지만, 이외에 진공용기의 재료로부터 발생하는 증발이나 탈착 등에서도 일어나게 된다. 대기압 하에서 기체와 고체 사이의 관계는 화학반응에 의한 운동뿐만 아니라, 응축이나 확산과 같은 특성을 나타낸다. 그러나 압력이 낮아지면 진공용기의 고체 표면과 상호 작용할 수 있는 기체분자의 수는 적어지고, 단지 고체 표면과 충돌하는 기체분자 정도만 남게 된다. 이와 같이 진공용기 내에는 공간에 존재 하는 기체분자 이외에도 용기의 내벽 안이나 표면에 존재하는 기체가 있으며, 이러한 기체들은 압력이 낮아지면 그림에서 보듯이 서서히 진공용기로 방출하게 된다. 따라서 고진공에서는 진공용기의 표면에 존재하는 기체분자의 수가 공간에 기체보다 압도적으로 많아지며, 압력이 더욱 내려가 초고진공이 이르게 되면, 용기 내벽이나 표면의 청결도는 더욱 중요해진다. 기체나 증기가 고체 표면과 접촉하여 상호작용으로 표면에 달라붙는 현상을 흡착(adsorption)이라고 한다. 이때, 물리화학적으로 흡착되는 기체분자를 흡착질(adsorbate)이라 하며, 흡착을 만드는 고체를 흡착매(adsorbent)라고 한다. 그리고 흡착된 기체분자가 고체의 내부로 녹아 들어가는 경우를 흡수(absorption) 라고 부른다. 기체가 고체 표면에 흡착되는 방식에는 두 가지가 있는데, 하냐는 물리흡착(physisorption) 이고 다른 하나는 화학흡착(chemisorption)이다. 물리흡착은 흡착질과 흡착매 사이에 반데르발스(Van der Waals) 힘으로 결합하여 매우 약한 결합력을 가지며, 기체분자의 구조에 아무런 변형을 갖지는 않는다. 이때, 흡착열은 0.25 eV 이하로 매우 미약한 결합이고, 여기서 흡착열 은 기체분자가 표면에 흡착할 때 내놓는 열에너지를 의미한다. 반면에 화학흡착이란 기체분자가 고체 표면에 붙을 때에 전자를 교환하여 화학적으로 강한 결합력을 형성하여 흡착하는 것을 말한다. 이는 물리흡착보다 매우 강하게 결합하며, 흡착열은 약 2 eV 정도이다. 진공 시스템에서 압력을 낮추어 성능이 우수한 고진공을 형성하기 위해서는 고체 표면의 흡착된 기체를 반드시 제거하여야만 한다. 사실 흡수나 흡착되어 있는 기체분자를 표면에서 공간으로 나오게 하는 현상을 총칭하여 가스방출 (out-gassing)이라고 한다.  탈착이란 흡착과 반대되는 현상으로 열로 인하여 표면에 붙어 있던 기체분자가 고체로부터 벗어나 공간으로 나오는 과정이며, 일반적으로 열탈착(themal desorption)이라고 한다. 이는 흡착된 기체가 표면과의 상호작용으로 이동도에 따라 확산하는 현상이다. 사실, 증착 과정에서 표면 확산은 흡착층과 반응하여 형성되는 증착막이나 결정성장에 있어서는 매우 중요한 역할을 한다. 이상에서 기술한 가스 방출에 대한 내용은 진공 시스템의 누설에서 다시 상세히 다루기로 한다. 

 

 

 

3.1 진공 펌프의 성능

진공 시스템을 이용하여 작업을 수행하기 위해서는 먼저 진공 펌프를 가동하여 진공 상태를 만들어야 한다. 고진공 시스템을 살펴보면, 일반적으로 두 개 이상의 진공 펌프를 사용하게 되는데, 이는 모든 압력 영역에서 하나의 진공 펌프로 적용할만한 이상적인 펌프가 없기 때문이며, 또한 응용하려는 작업 환경에서 가장 적합한 진공 펌프를 선정하는 것도 역시 중요하기 때문이다. 현재 다양한 진공 시스템에서 사용하는 진공 펌프는 그 종류가 엄청나게 많으며, 본 장에서는 압력의 범위에 따라 진공 펌프를 분류할 것이다. 진공 펌프의 성능은 펌프의 입구에서 관측될 수 있는 최저 압력인 최저도달 압력(ultimate pressure), 진공 시스템의 환경에 맞도록 적절히 동작할 수 있는 펌프의 적정한 사용압력범위, 그리고 진공 펌프에 의해 시간당 배기되는 가스의 양을 나타내는 배기속도와 배기시간 등을 고려하여야 한다.

 

 

 

3.1.1 배기속도

진공 시스템에서 진공을 만들기 위해서는 진공 펌프를 사용하게 된다. 이때, 작업의 환경조건에 따라 합당한 진공펌프의 성능을 발휘하여야 하는데, 여기서 펌프의 성능이란 기체를 제거하는 능력을 의미한다. 일반적으로 이미 앞 장에서 기술한 바 있는 유량에 의해 펌프의 성능을 표시하기도 하지만, 고진공에서의 유량은 압력에 따라 비례하여 변하기 때문에 펌프의 성능을 유량으로 표시 하는 것은 불합리하다. 따라서 압력이 바뀌더라도 잘 변하지 않는 성능의 표시로 배기속도를 주로 사용한다. "진공을 만든다."라는 말은 기체분자를 제거하는 것이다. 이는 진공용기의 압력인 대기압에서 존재하는 공기를 진공 펌프로 뽑아내게 되며, 이러한 배기 과정을 계속하게 되면 용기 내벽에 흡착하고 있던 기체분자까지 탈착하여 빠져 나오게 된다. 그리고 진공 펌프를 계속 가동하게 되면 펌프에 의한 배기량과 용기 내에서 발생하는 기체분자의 수가 같아질 때에 압력은 안정에 도달하게 되며, 진공 시스템은 사용하는 진공 펌프로 뽑을 수 있는 최저도달압력에 이르게 된다. 이와 같이 진공용기는 진공 펌프로 일정한 유량을 빼내게 되면, 어느 정도의 시간이 지난 후에는 일정한 압력으로 정상상태에 도달하게 된다. 배기 속도(pumping speed)는 식에서 이미 기술하였으며, 이식을 배기속도로 다시 정리하면 다음과 같다.

$$ S = \frac{Q}{P} $$

즉, 배기속도는 압력에 대한 유량으로 표현할 수 있으며, 단위는 [L/sec] 혹은 [$m^3$/sec]이다. 이때, 배기속도의 단위는 식에서 나타난 바와 같이 컨덕턴스와 같다는 것을 유의하자. 또한, 단위에서도 알 수 있듯이, 배기속도는 단위 시간당 부피 비율($V/t$)로 나타난다. 상기 식에서 Q는 펌프가 배기하는 기체의 양으로 유량 혹은 배기량이라 하기도 하며, P는 압력이다. 여기서 고려한 배기 속도는 진공용기와 직접 연결된 펌프만을 고려하였지만, 실제로 진공 시스템은 배기관을 포함하여 배기와 관련된 전체 진공 부품을 고려하여야 하는데, 이를 유효배기속도(effective pumping speed; $S_{eff}$)라고 하고, 진공 시스템의 배기속도라는 의미이다. 진공용기 출구의 압력과 진공 펌프 입구에서의 압력은 다르며, 진공 펌프의 입구에서 압력이 더 낮을 것이다. 이제, 진공용기의 출구와 펌프의 입구에서의 압력을 고려하여 유효배기속도를 구하기 위해 식을 사용하여 정리하면, 

$$Q = C(P_1 - P_2)$$

이고 여기에서 P1과 P2는 그림에서도 나타나듯이 각각 진공용기의 출구와 진공 펌프의 입구에서 압력을 나타낸다. 온도가 일정할 경우에 배기관의 어디든 간에 유량 Q는 동일함으로, 배기속도의 정의에 의해

$$P_1 = \frac {Q}{S_{eff}}$$

$$P_2 = \frac {Q}{S}$$

 

이다. 상기 식들을 식에 대입하여 정리하면 다음과 같다.

$$\frac {1}{S_{eff}} = \frac {1}{S} + \frac {1}{C}$$

여기서, S는 진공 펌프의 배기속도이다. 식으로부터 유효배기속도는 배기속도 보다 더 떨어지게 된다는 것을 알 수 있으며, 또한 진공 시스템에서 컨덕턴스 (C)가 결정되면 아무리 좋은 배기속도를 가진 진공 펌프를 사용하더라도 실효 배기속도는 컨덕턴스 C를 넘을 수 없다는 점이다. 만일, $C =  \infty$  라고 한다면, 유효배기속도는 진공 펌프의 배기속도와 같으며, 이는 배기관 없이 진공용기에 바로 진공 펌프를 설치하거나 혹은 진공용기 자체를 진공 펌프로 사용하였다는 의미이다. 또한, $S = C$라고 하면, 유효배기속도는 배기속도의 절반($S$/2)에 해당한다는 것이며, 컨덕턴스가 최소한 $C > 5S$ 이상의 값을 가져야만 유효배기속도가 진공 펌프의 배기속도에 접근하게 된다. 그러므로 배기관의 크기는 가능한 한 짧고 굵은 것이 바람직 하지만, 진공 시스템을 설계하는데 결코 용이 한 것은 아니다. 식으로부터 의미를 다시 한번 상기하면, 배기속도가 아무리 큰 펌프를 사용한다 할지라도 배기관의 컨덕턴스가 유효배기속도를 제한한다 는것이다.

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김현후 외 3명, 『기초 진공 공학』 내하출판사 2007년 8월 3일