진공의 기초

1. 진공의 기초

1.1 진공의 정의

- 대기압보다 낮은 상태

- 분자 밀도 < 2.5 ´ 1019 / cm3

- 실제적 진공 영역의 구분

진공 영역	압력 범위
	mbar	torr
저진공(low)	33.3 ~ 1013.25	25 ~ 760
중진공(medium)	1 ´ 10-4 ~ 33.3	7.5 ´ 10-4 ~ 25
고진공(high)	1 ´ 10-7~ 1 ´ 10-4	7.5 ´ 10-7 ~ 7.5 ´ 10-3

-: 대기압으로부터 25 torr (0.033기압 – 약 1/30 기압)까지

- 현대적 의미의 진공

실제로는 완전한 진공을 만들기가 매우 어렵기 때문에 보통 1/1000(10-3)㎜Hg 정도 이하의 저압을 진공이라 한다. 진공으로 만든 용기 내에 남아 있는 기체의 압력을 그때의 진공도라 한다. 진공 전구의 진공도는 10-2~10-5㎜Hg, 수신용 진공관은 10-4~10-6㎜Hg, TV브라운관은 10-6㎜Hg 정도이다. 현재 인공적으로 도달할 수 있는 최고 진공도는 10-12㎜Hg 정도인데, 이때에도 1㎤당 약 3만 5000개나 되는 기체 분자가 남아 있다고 한다.

 

1.1 진공의 이용

1.2.1 일상 생활에서의 진공 이용

- 진공 주사기, 착유기, 이불 보관 팩, 청소기 등

1.2.2 산업용 및 공업용으로 진공의 이용

- 고분자 중합, 금속 제련, 제련 시의 기포 제거, electron-beam 용융, 특수 용접, 증발 탈수 코팅, 금속 박막 코팅, 고진공에서의 부분 용융 및 결정 생성, 분자 증류, 액내 기체 제거, 승화 공정, 수지 또는 래커의 성형 공정, 플라스틱 건조, 절연지 건조, 식품 냉동 건조, 의약품 냉동 건조, 백열등 제조, 전선 제조, gas discharged tube 제조 등

1.2.3 물리/화학 등 연구 분야에서의 진공의 이용

- 분광기, 입자 가속기, 초저온 연구, 박막 연구, 표면 물리학, 핵물리학 등

 

1.2 진공의 형성

- 내부 구성 물질을 밖으로 빼내는 진공법(gas transfer) 과 내부 물질을 펌프 내의 특정 위치에 잡아 가두는 진공법(gas entrapment) 으로 나눌 수 있다.

- 어쨌든 대기압으로부터 10-10 torr까지의 진공을 만들려면 하나의 펌프로서는 불가능하며 여러 개의 펌프를 이용하여 단계별로 압력차를 만들어 요구 진공도에 다다를 수 있다.

 

1.4 진공 펌프의 선택 기준

1.4.1 Ultimate pressure(최고 도달 진공도) – 고진공일수록 좋다.(조건에 따라 고려)

1.4.2 사용 압력 범위 – 펌프의 적절 작동 압력 범위 – 넓을수록 좋다.

1.4.3 배기 속력 – 압력에 따라 달라지는 진공 펌프의 배기 속력을 고려

1.4.5 배기 압력 – 펌프 내부에서 압축된 가스의 압력이 배기구 외부 압력보다 높을 때에만 배기가 가능하므로 배기구 외부 압력을 고려하여 용량 선택

 

1.5. 진공의 필요성

- 여러 공정상의 필요에 의해 비 진공 상태에서보다 훨씬 높은 수율, 작업성 등을 얻을 수 있으며 역시 고품질의 제품을 얻을 수 있다.(반도체, 석유화학 등)

 

1.6 용기(chamber)에 물을 담고 진공을 가해주면?

- 물이 바로 빨려 올라가는 것이 아니라 물이 일단 기화 된 뒤 가스 상태로 압력차에 의해 빠져나가게 된다. 즉 물이 기화 되려면 100℃가 되어야 하지만 진공이 가해진 상태에서는 그 이하의 온도에서도 물은 수증기가 될 수 있다. 즉 수면 위로 진공이 걸리면 물분자들은 압력이 낮아진 수면 위로 기화되어 증발하게 되는데 이 경우 남아있는 물분자들은 증발하는 물분자들에게 에너지를 뺏기게 되어 심한 경우 얼어버리게 될 수도 있다. (부탄가스를 사용하면 부탄가스 통의 온도가 떨어지는 것과 같은 원리)

- 따라서 진공시스템을 구축할 경우 공기 중에 잔류하는 수분(수증기)에 충분한 에너지가 공급되지 않으면 응축에 의한 장애가 발생할 수 있다. 특히 화학, 반도체 등의 공정에서는 치명적이다.

- 위와 같은 위험을 방지하기 위해 진공 chamber의 크기, 시스템의 기하학적 구조, 공기 중의 수분 함량, 배관, 진공펌프의 배기 속력 등이 면밀히 고려되어야 한다.