#2 진공 펌프의 성능

#2 진공 펌프

진공 펌프는 어떤 공간의 기체입자를 펌프로 유입시키고 배출하여 진공 상태를 만듭니다. 

이전 글에서 설명했듯이 진공에는 정도가 있으며, 모든 진공 영역에서 사용할 수 있는 펌프가 없기 때문에 두 개 이상의 펌프가 쓰여지는 경우도 많습니다.

다양한 환경에서 진공을 만들기위한 펌프의 종류가 매우 많지만, 펌프의 핵심은 ‘얼마나 기체분자를 잘 배출시키는가?’ 즉, 성능이며 최저 도달 압력 / 배기 속도 / 배기 시간 등을 의미합니다.

<1. 배기 속도와 최저 도달 압력(Base Pressure, Ultimate Pressure)>

펌프의 성능은 기체를 제거하는 능력인데, 제거되는 기체의 양은 압력에 따라 변하기 때문에 배기 속도로 펌프의 성능을 표시합니다.

배기 속도는 시간 당 배기되는 기체의 부피 비로 나타내며, 단위는 [L/Sec] 입니다. 

가끔 CFM 이란 단위가 보이기도 하는데, Cubic Feet per Minute의 약자입니다. 어쨋거나 '시간과 부피의 비’라는 것은 변함없습니다..! 

아래는 배기속도를 식으로 나타낸 것입니다.

여기서 압력 P는 펌프의 흡기구 쪽 압력이며, Q는 펌프의 배기구에서 배출되는 유량입니다.

흡기구 쪽 압력이 낮아야 펌프로 유입되는 기체분자가 많아지고 한번에 내보낼 수 있는 배기량이 많아져야 배기속도가 빨라지겠죠?

챔버를 Pumping하면, 

1> 챔버 내부에 떠도는 기체분자들이 배기됩니다.

2> 챔버 내벽에 흡착 되어있던 입자들이 탈착되어 배기됩니다.  

3> 챔버 내부에서 발생하는 입자 수와 펌프에 의해 배기되는 입자의 수가 같아질때 챔버는 최저 압력에 도달했다고 하며, 이것이 Base Pressure 혹은 Ultimate Pressure입니다.

실제의 경우에, 챔버 압력이 감소하는 속도가 점점 느려지는 것을 볼 수 있는데, 이것은 챔버 내 압력과 펌프의 흡기구 쪽 압력이 어느정도 비슷해진 것, 그리고 챔부 내벽에서 발생하는 기체 분자들에 의한 것입니다.

대략적인 배기곡선인데 너무 대략적이네요…..

그래서 펌프의 배기속도만큼 챔버 압력이 선형적으로 감소하진 않으며, 펌프의 배기속도와 진공 시스템에 적용되는 배기속도 또한 다릅니다.

펌프의 배기속도는 펌프 안에서만 적용되는 것이고,, 실제 펌프는 배관, 챔버, 진공계와 같은 부속품과 연결되며 이러한 요소까지 고려된 배기속도를 유효배기속도, 실직적인 배기속도라는 것이죠..!

유효배기속도는 컨덕턴스에 대해 먼저 이해해야 합니다.

컨덕턴스란 전기에서 저항과 반대되는 개념으로, 기체 입자가 얼마나 잘 배기될 수 있는가 하는 정도입니다.

컨덕턴스가 높은경우 기체 입자가 잘 배기되고 낮은경우 기체 입자가 배기되기 힘들다는 의미니까,

위 그림의 컨던턴스 크기는 (1) < (2) < (3) < (4) 이고 (4) 번 배관이 가장 배기가 잘 되는 경우가 됩니다.

아래의 그림과 같이 배관과 챔버가 연결되는 경우, 배관이 전체 시스템의 컨덕턴스를 낮추게되어 유효배기속도가 낮아지게 됩니다.

(배관 자체가 컨덕턴스를 가지므로..)

이것을 도로와 자동차에 비유해보면 훨씬 이해가 쉬워집니다.

챔버와 펌프사이의 배관이 1차선 밖에 안되니, 가장 길목이 좁은 1차선에 의해 통행량이 좌우되는 것입니다.

그러니까, 유효배기속도를 키우기 위해 펌프의 성능만 높이는 것은 항상 막히는 1차선은 고려하지 않고 막히지 않는 2차선을 4차선으로 키우는 것이죠.

이런 경우 컨덕턴스가 낮은 1차선때문에 전체 통행량에 큰 변화는 없을것 입니다.

< 2. 배기 시간 > 

챔버 내부 압력이 Base Pressure까지 도달하는 시간을 의미하며, Base까지의 배기는 공간배기와 표면배기 두 단계에 걸쳐 설명됩니다.

1> 공간배기란 기체 입자가 Viscous Flow하는 영역에서의 배기이며, 챔버 내부 공간에 떠다니는 기체 입자를 배기하는 단계입니다.

2> 공간배기로 압력이 낮아져서 기체 입자의 점성이 낮아지며 Molecular Flow영역에 진입합니다. 

이 단계에서는 챔버의 내부 벽에 흡착되어있던 입자가 내부 공간으로 탈착되고 배기되는 단계입니다. 

물리흡착이던 화학흡착이던 결합에너지를 가지고 있기때문에 이 결합에너지를 끊어줄 만큼의 에너지를 공급해주면 더욱 빠르게 Base Pressure에 도달할 수 있습니다.

주의해야 할 것은 이제까지 내부 벽면에서 발생하는 입자를 흡착과 탈착으로만 설명했지만, 실제 발생원은 더욱 다양합니다.

그러니까 더 많은 이유들로 표면배기에 시간이 필요하고,  챔버 내부에서 발생하는 입자 수와 펌프에 의해 배기되는 입자의 수가 같아질때 Base Pressure에 도달하는 것입니다.

아래 그림을 보며 대표적인 챔버 내부의 기체 발생원을 알아봅시다.

1> 실제 누설(Real Leak)

챔버 외부에서 내부로 기체가 유입되는 것을 의미합니다.  챔버의 내부와 외부를 관통하는 결함이 생겼다거나 각종 연결부에 틈에 의해 기체가 유입될때 누설이 있다고 표현합니다.

2> 가상 누설 (Virtual Leak)

실제 누설과 같이 챔버 압력이 잘 떨어지지 못하지만, 실제 누설이 없는 경우 가상 누설이라고 부릅니다.

아래에서 설명하는 투과나 탈착 모두 Out-Gassing으로 총칭되며 가상 누설의 원인이기도 합니다.

3> 투과 (Permeation)

우리눈에 챔버는 빈틈없는 용기일 수 있지만 수소와 같이 작은 입자의 관점에선 빈틈 투성이인, 허술한 용기일 수 있습니다.

4> 탈착 (Desoption)

흡착과 반대의 개념으로, 열이나 기타 에너지에 의해 표면에 붙어있던 기체 분자가 떨어지는 현상입니다. 때문에, 흡착할때 어떤 형태로 흡착되었냐에 따라 쉽게 탈착될 수도, 아닐수도 있는것 입니다.

흡착은 물리흡착(Physisorption)과 화학흡착(Chemisorption)이 있습니다.

물리흡착은 표면과 기체분자 사이의 반데르발스(Van der Waals) 힘에의한 것이고, 화학 흡착은 표면과 전자를 교환하는 화학적 결합에 의한 흡착입니다.

반데르발스 힘에의한 물리흡착은 0.25 eV, 화확 흡착은 2 eV 정도로 결합력이 크게 차이납니다.

5> 역류 (Back Stream)

펌프 등에서 사용되는 오일의 기화에 의해 역류 현상이 발생하여 챔버가 오염되고 진공 상태를 저해할 수 있습니다.