터보 분자 펌프와 역사

 

 

5.2 터보 분자 펌프

터보 분자 펌프(turbo-molecular pump; TMP)는 매우 청결한 기계적인 펌프로써, 일명 터보 펌프(turbo pump)라고 부르기도 한다. 터보 펌프는 오일을 사용하지 않기 때문에 깨끗한 고진공 펌프라고 알려져 있으며, 확산 펌프와 동일 한 운동량 전달 방식의 펌프이다. 이러한 이유로 최근 진공 시스템이 있어야 하는 첨단 전자산업의 제조과정에서 많이 사용하는 펌프이다. 터보 펌프의 특징은 동일한 용량의 확산 펌프와 비교하여 매우 비싸며, 압력 범위는 트랩 없이 $10^{2}~5x10^{10}$ torr까지 사용이 가능한 순수한 기계식 진공 펌프이다. 물론, 회전자와 고정자 사이의 베어링에 약간의 윤활유를 사용하기는 하지만, 역류와 같은 문제는 발생하지 않는 것으로 간주한다. 최근에는 마찰이나 윤활유 문제에 대한 개선책으로 베어링을 사용하지 않는 자기부상 방식을 채택하거나 오일의 사용을 줄이기 위해 세라믹 볼(ceramic ball)을 적용하기도 한다. 펌프의 동작 방식이나 시간이 단순하고 짧은 편이며, 배기속도가 비교적 크고 펌프의 회전속도에 비례하며 속도를 제어할 수도 있다. 또한, 펌프의 기본 동작이 회전자의 기계적인 회전에서 비롯되기 때문에 약간의 진동이 있을 수 있으나, 진동 차단기(vibration isolator)를 적용하여 줄일 수 있으며, 수직이나 수평으로 설치가 용이하다.

 

 

5.2.1 터보 펌프의 역사

터보 분자 펌프의 개발사에 있어 원조는 1913년 W. Gaede가 제안한 분자 드래그 펌프(molecular drag pump)까지 거슬러 올라간다. Gaede의 분자 펌프는 회전자에 베인이 없는 것이나 고정자와 회전자가 동축이라는 점을 제외하면 지금의 회전 베인 펌프와 유사한 구조를 가진다. 이후, 초기 분자 펌프의 개발은 1923년 Holweck의 이중 흐름 분자 펌프(dual-flow molecular pump)와 1940년 Siegbahn의 디스크형 분자 펌프(disk-type molecular pump)로 이어진다. 그러나 이러한 분자 펌프들은 낮은 배기속도와 신뢰할 수 없는 성능으로 인하여 실질적인 수요가 없었기 때문에 개발이 지연되었다. 즉, 성능 면에서 온도 변화나 입자 흡입의 조건에 따라 회전자와 고정자 사이에 펌프의 고장이 잦았고, 회전이 멈추기도 하였다. 고진공 영역에서 사용할 수 있는 간단한 드라이 러핑 펌프에 대한 설계를 시도하면서, Gaede의 disk type과 Holweck의 drum type을 결합한 연구가 계속되었으며, 1957년 Becker가 동축 유동의 터빈을 응용한 터보 분자 펌프를 개발하여 1958년에 상용화되기 시작하였다. 그가 설계한 터보 펌프는 그동안 개발이 미진하였던 분자 펌프의 결함을 탈피하여 일련의 회전자 날(rotor blade)과 고정자 날(stator blade)의 엇갈리게 배치하였고, 각 disk에서 disk 면에 경사진 날의 구조를 하였으며, 회전자의 속도는 500m/sec 이상으로 배기 기체의 이동속도 정도에 이른다. 각 disk 사이에 간격은 수 mm 정도였으며, 기본적인 disk의 구조는 Gaede의 분자 드래그 펌프와 흡사하였다. 이후, 매우 청결한 고진공 펌프로써 각광을 받기 시작하면서 많은 진공 펌프 업체들이 개선된 형태의 터보 분자 펌프에 대한 구조 설계를 비롯하여 회전자의 회전에 의해 발생하는 소음이나 진동 등을 줄이기 위한 연구가 거듭 시도되어 오늘에 이르렀다. 그림 5-12는 Gaede가 개발한 분자 드래그 펌프의 내부 구조를 나타내며, 그림 5-13은 Holweck가 고안한 drum-type의 드래그 펌프를 최근에 유수 진공업 체인 LEYBOLD vacuum 사에서 개선한 펌프이다.

 

 

5.2.2 터보 분자 펌프의 기본 원리

터보 분자 펌프의 기본 구성은 회전자 날(blade), 고정자 날, 축 및 모터로 비 교적 간단한 구조이다. 그림 5-14에서는 터보 분자 펌프의 기본 구성요소를 나 타내고 있다. 그림에서 보듯이, 고정자 날과 회전자 날의 경사는 서로 엇갈리게 배치되어 있고, 대략 disk에 blade는 20에서 60여개 정도 배열된다. 물론, 배기 성능은 날개의 수, 날개 길이, 폭, 간격, 경사도 및 회전 속도 등에 의존한다. 그림 5-15에서는 터보 분자 펌프의 내부 구조와 실제 외형을 나타낸다. 동작 원리는 수천 내지 90,000rpm의 고속으로 회전하는 회전자의 날개들이 기체 분자들을 펌프 영역으로 끌어들여 충돌함으로써 운동 방향을 배기구 방향으로 밀어내는 운동량 전달 방식이다. 보다 상세히 터보 분자 펌프의 기본 원리를 살펴보기 위해 그림 5-16을 참고하도록 한다. 그림에서와 같이 회전하는 날개가 기체분자와 충돌하면, 진행 방향이 약간 변하며 속도도 약간 증가하게 된다. 이와 같은 충돌로 인하여 배기되는 기체분자의 운동을 제한할 수 있다. 그림 5-17에서는 펌프 영역으로 들어온 기체분자가 회전자 날개나 고정자 날 개와의 충돌에 의해 배기되는 원리를 나타내고 있다. 그림에서와 같이 터보 펌프의 회전자 날과 고정자 날의 방향이 반대로 서로 엇갈린 형태라는 점을 유의하여야 한다. 고진공 펌프를 가동하는 단계의 진공도는 분자 유동 영역으로 평균자유행정이 길어지기 때문에 기체 입자가 다른 기체보다는 고속으로 회전하는 회전자 날개의 면과 더 많이 충돌하게 된다. 이와 같은 완전 충돌로 회전자 날개는 기체분자에 약간의 에너지를 더 가하게 되며, 이러한 원리로 인하여 분 자 펌프의 역할을 수행하고, 운동량 이외에 속도와 방향을 전달하게 된다. 터보 분자 펌프의 모터는 제트 엔진을 사용하여 보통 60,000 rpm의 고속으로 회전하는데, 그림 5-18에서는 펌프의 흡입구로 빨려 들어온 기체분자가 회전자의 날개에 완전히 충돌하여 배기구 방향이 아래로 내려가게 되며, 설령 기체분자가 흡입구 방향으로 되돌아오더라도 회전자 날개의 경사와 반대 방향으로 고정 자의 날개가 설계되어 있기 때문에 반사되어 결국 배기구 방향으로 다시 내려가게 된다. 특히, 빠르게 움직이는 기체 분자들을 효과적으로 배출하기 위해서는 회전자의 속도가 최소한 기체의 열에너지에 의한 이동 속도보다 커야 한다. 만일, 회전자 날개가 기체의 이동 속도보다 느리면 기체분자는 날개와 충돌하지 않고 회전자의 영역을 벗어나 진공 용기 방향으로 빠져나갈 수 있을 것이다. 기체분자가 열에너지에 의해 얻는 평균 속도는 기체분자 운동론으로 구할 수 있으며, 다음과 같은 식으로 나타낸다.

$$\frac{1}{2}mv^2 = \frac{3}{2}kT$$

상기 식으로부터 동일한 온도 조건 하에서 기체분자의 질량이 크면 평균 속도는 느려지며, 질량이 작으면 속도가 빨라지게 된다. 그러므로 수소나 헬륨과 같은 가벼운 기체분자의 경우에는 터보 분자 펌프에 의해 배출하는 것이 쉽지 않다는 것을 알 수 있다. 즉, 수소나 헬륨의 경우, 상온(25°C)에서 각각 1,920 m/sec 와 1,360 m/sec의 매우 빠른 속도로 움직이기 때문에 회전자 날개와 충돌 없이 회전자 영역을 빠져나가 흡입구 방향으로 향할 가능성이 있다. 그림 5-18의 우측 그림에서는 기체분자가 움직이는 회전자 면과 충돌에 의한 상호작용으로 기체분자의 운동 방향과 회전자 면의 회전 방향의 벡터 합으로 기체분자가 속도를 얻어 아래 방향으로 이동하는 양상을 나타낸다.