측정 게이지의 종류

 

 

 

7.3 간접측정 게이지

대부분의 진공 게이지는 간접 측정방식을 이용하는데, 이는 기체의 물리적인 특성을 이용하여 측정하는 게이지이다. 즉, 기체가 가지는 특성 중에서 열전달에 의한 방식이나 기체의 이온화를 이용하여 측정하는 게이지가 많이 사용되며, 본 절에서는 진공 시스템에서 주로 사용하는 진공 게이지에 관해 기술하도록 한다.

 

 

 

7.3.1 열전대 게이지

열전대 게이지(thermocouple gauge; TC gauge)는 필라멘트의 온도 변화를 열전대로 측정하는 게이지이다. 러핑 진공 영역에서 주로 사용하며 구조가 간단하고 견고하지만, 다른 게이지에 비해 반응속도가 느리다는 단점이 있다. 이는 가열된 필라멘트를 식히기 위해 시간이 필요하기 때문이다. 그림 7-8은 열전대 게이지의 기본 원리를 나타내는데, 가열된 필라멘트에 기체 분자들이 충돌하게 되면 기체분자가 필라멘트로부터 열을 빼앗게 되고, 이때 기체의 양과 빼앗기는 열의 양이 관련되며, 이를 압력으로 변환하게 된다. 열전대의 구조는 열기전력이 다른 두 개의 금속 선을 접합하여 온도의 변화에 따른 전압의 차를 이용하여 온도를 측정하게 되며, 기체분자가 많을수록 온도가 떨어지게 되고, 이를 간접적으로 압력을 측정하게 된다. 그러나 진공 용기 내에 기체분자가 많이 배기 되면, 필라멘트와 충돌하는 기체분자의 수가 감소하여 필라멘트에 온도는 높은 상태를 유지하게 된다. 대체로 기체의 종류에 따라 열용량과 열 전도성이 다르기 때문에 보정하여야 한다. 더구나 열전대에서 측정하는 온도와 압력 사이에 관계는 선형적이지 못하고, 또한 필라멘트의 표면 상태와 기체의 종류에 따라 열전도율이 변함으로 감도가 다르다. 그림 7-9는 열전대 게이지의 내부 구조와 외형을 보여준다.

 

 

 

7.3.2 피라니 게이지

피라니 게이지(Pirani gauge)의 기본 원리는 열전대 게이지와 유사하지만, 필라멘트의 열이 빼앗겨 발생하는 온도의 변화는 저항의 변화를 일으키며, 이를 측정하기 위해 Wheatstone bridge에 한 요소로 이용하기 때문에 반응속도가 매우 빠르다. 압력의 측정 범위는 2~$10^{-3}$ torr까지 가능하며, 설계가 비교적 복잡하기 때문에 열전대 게이지보다 비싼 편이다. 그림 7-10은 피라니 게이지의 기본적인 원리를 나타내고 있다. 즉, 피라니 게이지 내에 있는 기체 분자들이 가열된 필라멘트와 충돌하여 열을 빼앗기 때문에 온도 변화를 일으키고, 이는 필라멘트의 저항 변화를 야기한다. 브릿지 회로에서 $R_1$ 과 $R_2$로 흐르는 전류와 $R_3$과 R로 흐르는 전류가 동일하면, 중앙에 검류계는 “0”을 나타내지만, 압력의 변화에 따라 필라멘트의 저항이 바뀌면 균형이 깨지며, 이와 같은 불평형 상태를 검출하여 압력을 측정하게 된다. 그림 7-11에서는 피라니 게이지의 내부 구조와 외형을 나타낸다.

 

 

 

7.3.3 대류 게이지

대류 게이지(convection gauge)는 기체분자의 대류에 의한 열전달 현상을 이용한 압력계이다. 대류 게이지의 기본 구조는 열전도에 의한 열 손실을 측정하는 피라니 게이지와 유사하지만, 높은 압력영역에서 냉각하기 위해 대류작용을 이용하게 된다. 그림 7-12는 대류 게이지의 내부 구조를 나타낸다. 그림에서 보여주는 대류 게이지는 “convectron”이라는 상품명으로 널리 알려진 게이지로써, 가열된 필라멘트와 차가운 판 사이에 존재하는 기체분자에 의한 대류로 인하여 온도 차이가 줄어들게 되고, 이때 기체의 종류에 따라 열전달 특성이 다르기 때문에 주의하여야 한다. 일반적으로 게이지는 질소가스로 보정(calibration)하지만, 사용하는 기체에 따라 알맞게 보정하여야 한다. 대류 게이지의 설치는 대류를 이용하기 때문에 1 torr 이상의 경우에 수평으로 장착하는 것이 바람직하며, 그 이하에서는 어떤 방향으로 장착하더라도 무관하다.

 

 

 

7.3.4 열음극 이온 게이지

지금까지 기술한 게이지들은 주로 높은 압력인 러핑 영역에서 사용하는 것으로 이러한 게이지들은 압력이 떨어지면 감도가 저하하여 사용하기 부적합하다. 진공 용기 내의 압력이 낮아지면, 기체분자의 밀도를 측정하여 압력을 알 수 있지만, 직접 측정하기는 쉽지 않다. 이온 게이지(ionization gauge)는 기체분자의 성질을 이용하여 동작하는 것으로 원자나 분자에 높은 에너지를 가하면 충돌에 의해 전자를 잃고 양이온이 되며, 이러한 기체분자의 밀도는 이온 전류를 측정하여 얻게 된다. 즉, 이온 전류는 기체분자의 밀도에 비례함으로 이를 통하여 압력을 잘 수 있으며, 이와 같은 방식으로 측정하는 압력계를 이온 게이지라고 한다. 그림 7-13은 일반적인 이온 게이지의 기본 원리를 나타내고 있다. 이러한 이온 게이지는 전자를 발생하는 방식에 따라 열음극형(hot cathode type)과 냉음 극형(cold cathode type)으로 구분한다. 열음극형은 필라멘트에서 발생한 열전자를 이용하며, 냉음극형은 강한 전계를 인가하여 방출되는 전자를 이용한다. 일반적으로 이온 게이지라고 부르는 열음극형 이온 게이지(hot cathode ion gauge; HCG)는 고진공 및 초고진공영역에서 압력을 측정하는 압력계로써 널리 사용되고 있다. 그림 7-14는 열음극 이온 게이지의 기본 원리를 나타내며, 게이지 구조의 기본 요소는 음극, 양극인 그리드와 이온 컬렉터로 구성되어 3극관형 이온 게이지라고 하기도 한다. 그림에서와 같이 필라멘트에서 방출된 열전자는 기체 분자들과 충돌하여 이온화하게 되고, 이때 열전자와 이온화 과정에서 발생하는 2차 전자는 양극인 그리드(+150 V)로 모이게 되며, 양이온은 -30 V 정도로 인가된 이온 컬렉터로 모여 이온 전류를 흐르게 하는데, 이를 압력으로 변환하게 된다. 이온 게이지의 압력 범위는 진공 펌프에서 공부한 이온 펌프와 유사하며, $10^{-3}$ torr에서 $10^{-10}$ torr 정도의 영역까지 가능하다. 열음극 이온 게이지는 처음 Buckley에 의해 개발되었으며, 이후에 많은 개발이 이루어진 가운데 1950년 Bayard와 Alpert에 의해 개선된 3극 형의 구조로 설계되었다. 그림 7-15 Bayard와 Alpert가 개발한 열음극 이온 게이지의 구조를 나타내며, 일명 Bayard-Alpert gauge(BAG)라고 한다. 그리고 그림 7-16은 진공 용기에 직접 설치할 수 있는 개방형 이온 게이지이다. 상기 두 그림에서 나타나듯이, 열음극 이온 게이지는 유리 용기에 싸여진 형태와 유리 용기 없이 직접 설치가 가능한 금속 용기형으로 나눌 수 있으며, 이러한 모양을 개방형(혹은 누드형) 이온 게이지라고 한다. 그림 7-17은 3극형 이온 게이지의 단면도를 나타내는데, 필라멘트에서 발생한 열전자는 약 150 eV의 에너지를 가진다. 이때, 열전자가 그리드에 충돌하면서 soft x-ray를 발생시키며, 또한 이러한 x-ray 광자가 이온 컬렉터와 충돌하여 광전자를 방출하면 약한 이온 전류가 발생하게 되고, 이러한 현상을 광전 효과라 한다. 압력이 높은 경우에는 열전자에 의한 이온 전류가 크기 때문에 미약한 광전자에 의한 전류가 무의미하지만, 압력이 낮아지면 이온 전류가 매우 작아지므로 광전자에 의한 전류가 두드러진다. 3극 형 이온 게이지의 경우에 측정이 가능한 하한 압력은 일반적으로 $10^{-7}$ torr 정도이다. 이와 같은 이온 게이지의 측 정 하한치를 낮추기 위한 방법으로 soft x-ray에 의해 발생하는 컬렉터에서의 광전자 발생률을 낮추어 잔류 압력을 줄이거나 게이지의 감도를 높여서 낮은 방출전자에 의한 전류를 검출하는 방식 등이 있다. Bayard와 Alpert는 광전자에 의한 효과를 줄여 초고진공 영역에서 측정할 수 있는 새로운 이온 게이지를 개발하게 되었다. 이들은 3극 형 이온 게이지의 측정 한계가 soft x-ray에 의해 제한된다는 사실을 규명하였고, 이를 개선하기 위해 이온 컬렉터의 크기를 최대한 줄이는 방법을 제안하였다. 이와 같은 방법으로 개선된 새로운 Bayard-Alpert 이온 게이지의 단면도와 원리를 그림 7-18에서 나타낸다. 그림 7-17의 3극 형과 비교하여 필라멘트를 이온 컬렉터로 바꾸어 크기를 줄였으며, B-A 게이지의 필라멘트를 그리드 밖에 설치하였다. 따라서 B-A 이온 게이지에 의해 측정할 수 있는 압력 범위를 $10^{-10}$ torr까지 가능하게 만들었다. 대체로 높은 압력에서 이온 게이지의 필라멘트는 산화에 의해 타버릴 수 있기 때문에 2개의 필라멘트를 구성하게 된다. 이온 게이지의 필라멘트은 주로 텅스텐을 많이 사용하여 왔는데, 텅스텐은 고온에서 동작하는 반면에 뜨거운 복사열로 인하여 주변의 표면으로부터 기체를 방출시킬 뿐만 아니라, 화학적인 반응을 야기하기도 한다. 따라서 토륨(Th) 산화막인 토리아(Thoria)를 코팅한 이리듐(Ir)를 필라멘트로 많이 사용한다. 이 외에 특수한 용도로 란타늄헥사보라이드(LaBa$_6$)를 사용하기도 하는데, 이는 텅스텐보다 낮은 온도에서 동일한 양의 전자를 방출하며, 수소와 같이 고온에서 해리되는 생성물을 분석할 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 무탄소 레늄(Re)는 텅스텐과 비슷한 고온에서 동작하지만 산화물이나 탄화물을 생성하지 않고 탄소와 같은 불순물이 적으며, 고온에서도 화학반응이 발생하지 않는다는 특징을 가진다. 이온 게이지는 구조, 설계 및 가동 조건에 따라 상대적인 감도에 많은 차이를 나타내며, 표 7-1은 다양한 기체에 대한 B-A 게이지의 상대감도를 나타낸다. 몇몇 연구가들은 이온 게이지의 구조나 종류에 따라 상대감도에 대한 많은 오차를 실험을 통하여 확인하였으며, 또한 가동 시간이 경과함에 따라 감도의 변화가 발생한다는 것을 알게 되었다. 특히 B-A 게이지의 경우, 감도의 변화에 특별한 규칙성이 없어 가동 조건에 각별히 주의를 기울여야 하며, 또한 교정하여 사용하여야 한다. 이러한 감도에서의 원인으로는 전자의 이동 경로에서의 변화나 그리드와 이온 컬렉터의 오염에 의해 야기되는 것으로 알려져 있다. 전자의 경로가 변하는 이유로는 먼저 필라멘트의 위치 변화에 의해 필라멘트 주변의 전위 분포가 달라질 수 있고, 둘째로 필라멘트의 결정 방향에 따른 전자 방출의 방향이 변할 수 있으며, 특히 온도나 표면 오염에 의한 변화도 있을 수 있다. 마지막으로 설치된 게이지의 주변 구조에 따라 전위분포가 변할 수 있다. 그리고 그리드나 컬렉터의 오염상태에 따라 전자나 이온이 방출되는 효율이 달라지며, 이러한 가동 조건이나 환경에 보다 세심한 주의를 기울여야 한다. 이와 같이 이온 게이지의 조건은 압력을 측정함에 있어 매우 중요하며, 충분히 탈가스(degas)를 시행하여 그리드나 컬렉터에서의 가스방출을 미연에 방지하여야 한다. 필라멘트의 경우에 게이지를 동작하면 급속히 탈가스하게 되며, 필라멘트의 높은 복사열이 주변의 가스를 방출하게 된다. 그러나 필라멘트의 가열만으로 게이지를 충분히 탈가스(degassing)할 수 없으며, 그리드에 전류를 인가하여 가열하거나 필라멘트에서 방출하는 전자에 의해 그리드나 컬렉터에 충격을 가하기도 한다. 일반적으로 약 30분 정도의 탈가스 과정을 실시한다. 그림 7-19는 압력이 높은 경우에 주로 사용하는 Schulz 게이지를 나타낸다. 일반적인 B-A 이온 게이지는 $10^{-3}$ torr 정도의 압력까지 측정할 수 없는데, 이는 기체분자가 많아지면 기체의 평균 자유 거리가 짧아져 이온 컬렉터에게 도달하는 양이온의 수가 감소하며, 또한 필라멘트의 산화로 인하여 측정이 어렵기 때문이다. 높은 압력에서 측정하기 위해서는 게이지의 감도를 낮추어야 하며, 그림에서 나타나듯이 짧아진 평균 자유 거리를 고려하여 필라멘트를 중심으로 상하에 놓이는 양극의 전자 컬렉터와 음극의 이온 컬렉터의 면적을 크게 하고 간격을 가깝게 구성한다. 이와 같은 구조의 Schulz 게이지는 1 torr 정도의 압력까지 측정할 수 있다.