진공 펌프의 성능(2)

 

 

3.1.2 배기 시간

고진공 시스템에서 배기속도와 최저도달압력은 진공용기로부터 방출되는 수증기를 포함한 표면 탈착을 비롯하여 다양한 가스방출원에 의해 제한된다. 배기 시간(pumping time)은 진공용기의 체적, 펌프의 용량, 내부 표면적뿐만 아니라 표면 청결도에 의해 의존하게 된다. 진공용기를 펌프에 의해 배기하면 두 단계로 구분할 수 있으며, 공간 배기와 표면 배기로 나눈다. 공간 배기는 주로 진공 펌프를 구동하기 시작한 초기의 배기로서 용기 안의 공간에 존재하는 기체분자를 뽑아내는 것이고, 표면 배기는 용기 내벽으로부터 방출하는 가스를 배기하는 것이다. 이미 용기 벽을 통하여 일어날 수 있는 여러 가지 가스방출원에 대해 기술하였다. 먼저, 공간 배기를 고려하면 온도가 일정할 경우, 진공용기 내에 기체분자의 변화율은 단위 시간당 용기 안으로 유입되는 기체의 양과 유출되는 기체의 양 사이의 차이일 것이고, 이를 식을 이용하여 정리하면 

 

$$V = \frac{dP}{dt} = Q_i - Q_0$$

 

이고 여기서 $Q_i$와 $Q_o$는 각각 진공용기 내로 유입되는 기체의 양과 유출되는 기체의 양이다. 만일, 유효배기속도를 $S$라고 하면 $Q_0 = SP$임으로 식에 대입하여 정리하면, 

 

$$V = \frac{dP}{dt} = Q_i - SP$$

이다. 그런데, 진공 펌프를 이용하여 배기를 시작하는 초기에는 표면으로부터 방출되는 가스방출은 공간에 존재하는 기체의 양에 비해 무시할 정도로 적기 때문에 식에서 $Q_1$는 무시할 수 있다. 따라서 상기 식을 정리하면 다음과 같이 간단히 표현 할 수 있다.

 

 

 

$$V = \frac{dP}{dt} = - SP$$ 

이러한 미분 방정식의 해는 쉽게 적분하여 구할 수 있는데, 초기 조건으로 $t = 0$ 에서 진공용기의 압력은 배기되기 시작하기 때문에 대기압으로 고려하 여야 하며 이를 $P_i$라고 하고, 시간에 대한 압력의 해를 정리하면

 

$$P= P_ie^{- \frac {V}{s}t} = P_ie^{- \frac {t}{\tau}}$$

 

이다 여기서, $T$는 시정수$( = V/S)$로서 펌프의 성능을 나타내는 척도이다. 이 와 같이 압력은 시간에 대해 지수함수적으로 감소한다는 것을 알 수 있다. 이를 시간 $t$에 대해 다시 정리하면 다음과 같다. 

 

$$t = \frac{V}{S}ln \begin{pmatrix}\frac{P_i}{P}\end{pmatrix} =   \tau ln\begin{pmatrix}\frac{P_i}{P}\end{pmatrix}$$

진공용기의 크기와 배기속도에 따라 약간의 차이는 있지만, 상기 식을 이용 하여 압력이 $10{^-1}torr$까지 이르는 시간은 대략 5분 정도 소요할 것이다. 진공 시스템에서 펌프를 사용하여 배기하게 되면, 최종적으로 펌프에 의해 떨어지게 되는 최저도달압력이 있으며, 이때 압력을 $P_o$라고 하면 식은 다음과 같이 표현할 수 있다.

 

$$- V\frac{dP}{dt} + SP_o = SP$$

$$- V\frac{dP}{dt} + S(P - P_0)$$

 

 

 

상기 미분 방정식의 해를 구하면, 다음과 같다. 

 

$$P = P_0 - (P_0 - P_i)_e^{-\frac{S}{V}t}$$

 

이상과 같이 시간이 지남에 따라 압력은 지수함수적으로 감소하게 되는데, 용기 안의 공간에서 배기되는 압력은 $e^-St/V$의 함수 로 급격하게 감소한다. 그리고 압력이 약 $10^{-3} torr$ 이하로 내려가면, 여러 가지 가스방출원에 의해 압력의 감소가 완만하게 줄어들게 되는데, 먼저 표면에서의 탈착되는 기체로 인하여 $t^{-1}$에 비례하여 감소 한다. 그리고 배기시간이 약 1,000 시간 정도에 도달하면 용기 표면의 불순물에 의한 확산 특성이 일어나 배기되며, 이때는 $t^{-1/2}$에 비례하여 압력이 줄어든다. 이와 같은 압력의 감소가 로그 그래프(log graph)로 나타나기 때문에 직선으로 감소하게 된다. 이후에는 투과에 의한 가스가 방출되어 용기로 투과되는 비율과 배기량이 평형을 이루어 압력은 일정하게 유지된다. 

 

 

 

3.2 진공 펌프의 분류

진공 펌프의 개발은 이미 언급한 바와 같이, 독일의 Guericke에 의해 처음 개발되어 20세기 초에 빠르게 개발되어 왔다. Guericke와 Boyle의 펌프 이후, 약 200여 년간 진공 펌프의 개발은 주춤한 상태였다. 그러나 19세기 후반부터 진공방전에 대한 연구가 시작되면서 다시 활개를 띠기 시작하여 각종 진공 펌프와 진공 게이지가 개발되었는데, 특히 1865년 Sprengel이 개발한 Sprengel 펌프와 1874년 MacLeod가 개발한 진공 게이지로 인하여 진공 시스템과 방전기술이 빠르게 발전하였다. 이후, 20세기에 들어서면서 고진공 펌프의 개발이 급격하게 전개되었다. 진공 펌프의 종류는 크게 펌프의 동작 압력에 따른 분류와 동작방식에 따른 분류로 구분할 수 있다. 이미 1-3절에서 진공을 분류하면서 진공의 영역을 크게 5가지로 나누었다. 그러나 진공 펌프의 종류는 3가지로 분류하는데, 압력의 범위에 따라 러핑 펌프, 고진공 펌프 및 초고진공 펌프로 구분한다. 진공 압력의 각 영역마다 사용할 수 있는 펌프를 나열하였다. 이러한 진공 펌프는 사용이 가능한 각 압력의 범위가 있으며, 이에 맞추어 가동하여야 한다. 만일 그렇지 못하면, 진공 시스템에 오염을 일으키거나 파손 등의 문제를 야기 할수있다. 이제, 진공 펌프의 동작방식에 따라 분류해보면, 크게 압축 배출식과 내부 흡수식 두 가지로 나눈다. 압축 배출식(throughput type 혹은 가스 이송식; gas transfer. type)은 진공용기 내의 기체를 진공 펌프에 의해 외부로 방출하는 방식 이다. 진공용기 내의 낮은 압력에서 외부의 높은 압력으로 기체분자를 방출한 다는 것은 마치 낮은 위치에 있는 물체를 높은 곳으로 옮기는 것과 유사하며, 이는 낮은 위치 에너지를 변화시켜 높은 위치 에너지로 올리기 위해 운동 에너지를 주는 것과 흡사하다. 이와 같은 에너지 차를 극복하기 위해 Charles의 법 칙을 이용하여 일정한 부피 내에 기체분자를 유입하여 압축하여 부피를 줄임으로서 압력을 증가시켜 펌프 밖으로 배출하게 된다. 압력의 사용 범위를 고려하면 주로 저진공에서부터 고진공 영역까지 사용하 는 펌프에 해당하며, 압축 배출식은 다시 용적 수송식과 운동량 전달식으로 나눈다. 여기서, 용적 수송식은 압축된 기체를 외부로 이동시켜 배출하는 방식이고, 운동량 전달식은 기체분자에 운동 에너지를 부가하여 높은 압력으로의 유동을 발생하게 하는 방식이다. 특히, 운동량 전달식 펌프는 운동을 유발하는 에너지원과 기체분자의 상대속도에 따라 성능이 매우 다르며 기체분자의 평균속도는 분자량에 따라 달라지기 때문에 기체의 종류에 따라 성능에 차이가 있다. 일반적으로 용적 수송식으로는 왕복운동식 펌프와 회전식 펌프 등이 있고, 운동량 전달식에는 분자 펌프와 유체분사식 펌프가 있다. 내부 흡수식(capture type 혹은 가스 포획식; gas entrapment type)은 진공용기 내의 기체분자를 외부로 방출하는 것이 아니라, 진공 펌프 내에 가두는 방식이다. 즉, 물리화학적인 힘을 이용하여 기체가 진공용기로 되돌아가지 않도록 내부에 포획시키는 것으로 주로 온도를 낮추어 고체 표면에 잠시 고착시키게 된다. 이와 같은 방식은 주로 고진공에서부터 극초고진공 영역에서 사용하는 펌프에 해당하며, 이를 다시 분류하면 흡착식과 응축식으로 나눈다. 일정량 이상의 기체를 포획하게 되면, 배기능력이 저하함으로 일정한 시간이 지난 뒤에는 부착된 기체를 외부로 방출하여야 한다. 여기서, 흡착식은 표면 흡착식 펌프와 화학 흡착식 펌프 등이 있고, 응축식에는 저온응축식 펌프가 있다. 

 

 

 

3.3 진공 펌프의 선정

진공 시스템에 적합한 펌프를 선정하는 것은 매우 중요하다. 앞절에서 기술 하였듯이, 진공 펌프의 종류는 동작방식에 따라 크게 두 종류가 있는데, 진공용기로부터 기체를 외부로 배출하는 펌프와 기체를 포획하거나 기체의 형태를 바꾸는 펌프 등으로 구분한다. 또한, 진공 펌프는 압력의 범위에 따라 많은 종류가 있다. 이와 같이 다양한 진공 펌프 중에서 진공 시스템에 알맞은 펌프를 선정하기 위한 기준으로는 최저도달압력, 동작 압력범위, 배기속도, 배기압력, 배기되는 기체의 종류와 소비전력 등이 있다. 이제, 진공 펌프의 선정에 있어 중요한 몇 가지 항목들을 알아보도록 한다. 

 

1. 최저도달압력 진공 펌프의 입구에서 도달할 수 있는 최저도달압력은 펌프의 종류에 따라 다르지만, 진공도 측면에서 어떠한 펌프이든 간에 낮을수록 좋다. 

 

2. 동작압력범위 진공 시스템을 고진공이나 초고진공으로 사용할 경우 가능하다면 대기압에서 원하는 압력까지 하나의 펌프로 넓은 압력범위에서 사용하는 것이 바람 직하겠지만, 이러한 이상적인 진공 펌프는 없으며, 2개 이상의 펌프를 사용 하여 요구하는 압력까지 낮추게 된다. 따라서 진공용기의 압력을 어느 정도 까지 낮추어야 하는지 하는 최저도달압력과 작업환경 하에서의 압력이 얼마 인지 하는 동작 압력범위를 알아야 한다. 

 

3. 배기속도 진공 시스템에서 진공용기의 크기가 결정되면, 유량과 압력 등을 고려하여 이미 기술한 식들에 의해 배기시간이나 배기속도를 얻을 수 있다. 이와 같은 계산 결과를 토대로 적절한 진공 펌프를 선정하여야 하지만, 작업 중에도 연속해서 기체분지를 배기하여야 하기 때문에 약간 여유 있는 배기속도를 가진 펌프를 사용하여야 한다. 그러나 배기시간을 줄이고자 무작정 배기속도가 큰 펌프를 사용하는 것은 바람직하지 않다. 이는 배기속도가 크면 너무 빠른 배기로 인하여 잔류 수분이 응축하는 결과를 초래할 수 있기 때문이다. 특히, 이와 같은 현상은 평판 디스플레이를 제조하는 진공장비 사이에 load-lock chamber를 배기할 경우, 불순물이나 오염을 감소시키기 위해 반드시 고려하여야 한다. 

 

4. 배기압력 펌프를 중심으로 진공용기에서 유입한 기체분자는 펌프 내에서 압축하여 외부로 배출하게 된다. 즉, 압축된 기체의 압력이 외부의 대기압보다 높아야 배기하게 된다. 만일, 진공 펌프를 압력이 낮은 고지대에서 사용하면, 진공 도가 좋아지는 반면에, 압력이 높은 저지대에서 사용하게 되면, 희망하는 최저 압력에 도달히는데 많은 시간이 필요하다. 이와 같이 진공 펌프의 배기부에 압력이 높아지면, 진공도가 좋지 않은데, 만일 펌프의 배기부가 막혀 있다면 펌프 내부의 압력이 증가하여 펌프가 깨지거나 폭발할 수도 있다. 따라서 펌프 제조사에서는 이러한 경우를 고려하여 펌프의 내부 압력을 완화시키는 밸브를 설치하거나 지정된 압력에서 자동으로 펌프가 동작하지 못하도록 설계하고 있다.

 

5. 진공작업조건 동일한 압력 하에서 작업하는 진공 펌프라고 하더라도 펌프의 동작원리는 다를 것이며, 특히 펌프의 배기과정이 진공용기에 영향을 미칠 수 있다. 이미 기술한 바와 같이, 펌프의 동작방식은 압축 배출식과 내부 흡수식이 있으며, 이들의 배기동작 방식은 다시 용기에 영향을 줄 수 있다. 즉, 오염을 일 으키거나 소음이나 진동으로 영향을 줄 수 있으며, 사용하는 기체의 종류도 고려하여야 한다. 또한, 진공 펌프의 가격이나 유지비용 등과 같은 경제적인 측면이 진공 시스템을 구축하는데, 중요한 요인이 되기도 한다. 물론 경제적인 요인도 무시할 수 없는 중요한 사항이지만, 먼저 작업환경에 적합한 지를 우선 고려하여야 할 것이다. 이외에도 진공 펌프의 안전성이나 편리성 등 많은 사항을 확인 하여야한다. 

 

 

 

3.4 진공 펌프의 사용방법

다음 장에서부터 기술하는 진공 펌프는 러핑 펌프, 고진공 펌프 및 초고진공 펌프 등 압력의 영역에 의해 3가지로 나누어 기술하는데, 여러 종류의 진공 펌프를 사용하여 수행하는 일반적인 진공 작업은 먼저 청결도를 높이기 위해 진공도를 고진공이나 초고진공으로 조성한 후에 다시 작업환경에 맞는 다른 기체를 주입하여 진공도를 올려서 증착이나 표면처리 등의 작업을 수행하게 된다. 따라서 진공 펌프의 압력 영역에 맞추어 몇 개의 펌프를 시용하게 되며, 이와 같이 처음에 진공 작업을 진행하기 전에 압력을 최저로 낮추게 되는데, 이러한 압력을 최저 압력(base pressure)라고 하고, 작업을 진행하는 동안에 압력을 동작 압력(operating pressure 혹은 working pressure)라고 한다. 특히 진공 시스템의 작업환경을 고려하여 사용하여야 한다. 이제, 압력 제어에 의해 주로 저진공이나 중진공에서 응용하는 분야에서는 보통 하나의 진공 펌프를 사용하는데, 펌프의 사용방법과 주의사항을 살펴보도록 한다. 대개 저진공에서 사용하는 펌프는 펌프 내에 오일을 포함하는 경우가 많기 때문에, 기름 상태나 종류에 따라 기름 관리를 잘 하여야 한다. 이외에 증기압, 배출기체 환기, 배출 기체용 trap, 역류 방지 및 수분 응축방지 등에 대해 세밀하게 관찰하여야 한다. 낮은 진공 압력영역에서 사용하는 진공 시스템은 진공용기, 러핑 펌프, 저진 공게이지 및 venting valve 등으로 구성되며, 일반적인 사용법을 기술하면 다음과같다. 

1. 진공 시스템에서 모든 valve를 닫고, 펌프를 동작시킨 다음 진공 게이지로 압력을 측정한다.

2. 진공용기와 연결된 러핑 펌프의 배기관에 main valve를 열어 배기하면서 진공 게이지를 확인하고, 희망하는 진공도를 얻으면 작업을 수행한다. 

3. 진공 작업이 완료되면, main valve를 잠그고, 진공을 해제하기 위해 venting valve를 열어 질소가스를 주입하여 대기압으로 만든다. 

4. 진공용기를 열어 진공으로 완성한 부품을 꺼내고, 반복 작업이 필요하면 이상의 순서를 다시 수행한다.

5. 만일, 진공 시스템을 완전히 종료할 경우에는 펌프의 전원을 끄고 배기관의 venting valve를 열어 배기관의 진공도 해제한다. 

 

고진공이나 초고진공의 압력영역에서 응용하는 진공 시스템은 작업환경을 고려하여 진공 펌프를 두개 이상 사용하여야 하는데, 이는 진공 펌프가 동작하는 압력범위가 다르기 때문이다. 따라서 주로 저진공 영역에서 사용하는 펌프를 이용하여 압력을 내린 후에 다시 희망하는 고진공이나 초고진공으로 압력을 더 내리기 위해 고진공 펌프로 바꾸게 된다. 여기서 저진공 영역에서 동작하던 러핑 펌프는 고진공 펌프의 배기관과 연결된 fore line를 통해 고진공 펌프의 뒤에서 다시 가스를 외부로 배출하기 위한 역할 을 수행하게 된다. 즉, 고진공 시스템에서 러핑 펌프는 진공용기와 roughing line으로 연결되어 있지만, 또한 고진공 펌프와도 연결되며, 각 압력범위에 따라 valve의 개폐 동작으로 임무를 변경하게 된다. 고진공 펌프는 진공용기와 러핑 펌프 사이에 설치되며, 고진공 펌프의 입구 나 출구는 대기압이 노출되지 않도록 되어 있다. 보다 자세한 펌프의 구동은 다음 장부터 기술하는 각종 펌프를 소개하면서 공부할 것이다.