제 1 장진공의기초 1. 진공이란 ' 진공 (vacuum)' 이란원래라틴어로 'vacua', 즉, 기체 ( 물질 ) 가없는공간의상태를의미하며이런이상적인진공상태일때기압 ( 압력 ) 은영이된다. 하지만실제로이렇게완전한진공상태의제작은불가능하다. 우주공간의경우도미약하지만물질의입자들이계속움직이고있기때문에기압이지구상의대기압의약 10 17 분의 1 정도는된다. 그러면우리가주변에서자주사용하는 ' 진공 ' 이란무엇인가? 넓은의미로정의하면대기압보다낮은기체의압력상태를말하는데가까이에서많이접하고있다. 높은산에올라가면물이잘끓지않는현상, 빨대를이용하여음료수를들이키는것, 숨을들이쉬는것, 바람이세차게부는날전봇대에서소리가나는것등이진공현상과관련이있다고하겠다. 또한일상생활주변에있는많은제품들이직접또는간접적으로진공에관련이되어있다. 진공보온병, 진공청소기, TV 브라운관, 안경의코팅, 향기로운인스턴트커피, 식품포장, 네온사인등일상생활에직접적으로관련된것뿐만아니라우리가모르는중에사용하고있는대부분의전자제품의부품들이진공공정과정을통하여만들어진다. 각종진공관련산업이급속도로발달함에따라진공제작기술도많은발전을하였다. 그럼에도불구하고현재로는기체가전혀없는 ' 완전진공 ' 의의미로서의진공은여전히제작이불가능한일이다. 우리가잘아는토리첼리 (Torricelli) 의실험을다시살펴보자. 그는그림 1.1 과같이유리관을수은이담긴통에넣어수은을가득채운뒤거꾸로뒤집어세우는실험에서유리관위쪽에진공이생기는것을발견했다. 이때그릇속의수은표면에서유리관속의수은표면까지의높이가항시 76 cm 임을알아내었다. 그림 1.1 토리첼리수은주실험 질문 ) 토리첼리의실험에서유리관위부분에생긴빈공간은완전진공상태인가? 1
2. 진공의필요성 왜진공이필요한가? 우주공간에관계된일이아니더라도주변의모든것이직접또는 간접적으로진공과관련이있다. 우선그필요성을분류해보면크게다음과같다. 첫째는깨끗한환경제공이다. 예를들어반도체물질의도핑정도를따질때 ppm(part per million) 이란단위를쓴다. 즉, 백만분의일정도의이물질이그특성을바꾼다는것이다. 실제로반도체재료인실리콘 (Si) 에 10 ppm 정도의붕소 (B) 를첨가하면전기전도도가약 1000 배정도증가된다. 이정도면대기중에서수소분자를만나는확률이다. 따라서이런경우에는오염의염려가없는환경이필요한것이다. 둘째는적절한환경제공이다. 예를들어 sputtering 을이용할때는수 mtorr 의기압이필요하나 CVD(chemical vapor deposition : 화학기상증착법 ) 의경우에는그보다 100 배이상의압력이사용되고있다. 반면각종표면분석장비의경우는 10-8 Torr (10 11 분의 1 기압 ) 이하의환경이요구되기도한다. 셋째는진공특성을이용하는경우이다. 예를들어물의끓는점이약 1/40 기압정도에서는실온정도로떨어진다. 따라서음식이 지닌향을상당히보존한채물을증발시킬수있다. 또한진공의전기적절연도가 공기보다좋기때문에고압장비에응용하기도한다 (Carpenter 1983). 그밖에도, 이제우주시대가가까워옴에따라초고진공에서사용할수있는여러가지 장비의개발이라든지재료등에관한각종연구가필요하게되었다. 2
3. 진공의역사 원래 ' 진공 ' 이란말은고대그리스철학자들의자연관에서기인한다. 근대과학문명이싹트던 17 세기까지아리스토텔레스의진공부정론이세상을지배하고있었다는것은첨단과학문명속에산다는오늘날의우리로서는믿기어려운일일지모른다. 16 세기유럽에서는광산업이성행했는데갱속에고인물을퍼내는데물펌프를사용하였다. 광산노동자들사이에는이미물펌프가퍼올릴수있는깊이가약 10 m 정도밖에안된다는사실이알려져있었다. 진공분야에공헌한많은사람들의생활과그들의발명품에대한이야기는 Readhead 의최근논문모음집에서찾을수있다 (Readhead 1994). 다음은진공에관련된인물또는사건을연대순으로기술한내용이다. 진공펌프에대한간단한역사는 Yarwood 의논문을참고하기바란다 (Yarwood 1979). 1608-1647 E. Torricelli 1623-1662 B. Pascal 1602-1686 Otto von Guericke 1783 D. Bernoull 1859 J. K. Maxwell 1865 Sprengel 1874 H. Mcleod (1841-1932) 1905 W. Kaufman 1905 W. Gaeda : 로타리펌프 (rotary pump) 를제작하였다. 독일태생의 Wolfgang Gaede (1878-1945) 는진공펌프제작에큰기여를한사람이다. 대학시절물리를공부하면서금속의접촉저항측정등표면에관계된연구를하였다. 이를위해진공이필요하였는데당시그가구할수있었던펌프는겨우 0.01 liter/sec 의배기속도 (pumping speed) 를가졌기때문에결국그의연구를위해서더나은진공펌프를제작하게되었다. 로타리펌프뿐아니라오늘날가장많이사용되고있는확산펌프 (diffusion pump) 를소개하고또한분자드레그펌프 (molecular drag pump) 에대한고안도해냈다. 이펌프는 40 50 년뒤인지금에야실제로사용하게된다 (Yarwood 1979). 3
1906 M. Pirani 1906 Voege 1909 M. Knudsen 1914 Gaeda, Langmuir 1916 O. E. Buckley 1937 F. M. Penning 1942 헬륨 leak detector 1950 R. T. Bayard and D. Alpert 1950 R. Herb 1953 H. J. Schwartz, R. G. Herb 1958 W. Becker 1960 Redhead 1954 년에미국진공학회가발족된후진공관련장비및그응용분야에많은발전을가져오게되었고현재약 6000 가까운회원을확보하고있다 (Redhead 1995). 또한진공제작에있어그규모도일반실험실에서사용하는십수 liter 짜리를벗어나핵융합반응기의경우는집채만하고미국텍사스주에짓고있던 SSC(superconducting super collider) 가속기는직경이 30 km 에달하는초대형진공용기로구성되어있다. 사족을붙인다면진공에대한자연관은현재도계속바뀌고있다고보아야할것이다. 왜냐하면아무것도없는상태는아닌것같기때문이다. 소립자를연구하는사람들은새로운형태의입자및물질의존재를내세우고있고전자기파와같은에너지가공간을채울수도있기때문이다. 지금이시간에도여러분이앉아있는방에는세상곳곳에서보내고있는전파로가득차있는데기체를제거했다하더라도이와같이무엇인가는남아있는것이다. 또다른측면에서공간을살펴보자. 가장작은수소원자를생각해보면중심인원자핵에서전자궤도까지의거리가반경이약 0.5 A 인데원자핵의크기는이궤도의십만분의일정도이다. 즉, 원자핵을사람크기로보면그주위를돌고있는전자의궤도반지름은수십 km 가되고이전자와원자핵사이는다빈공간이된다. 4
세상의물질또는물체라는것들이전부이렇게텅빈원자로이루어져있으니때로는우리가인식하고있는세상사물이과연무엇인가를생각하게된다. 결국아리스토텔레스가고민하던공간에대한논제를되풀이하지않을수없다. 색즉시공 ( 色卽是空 ) 공즉시색 ( 空卽是色 )! 5
4. 진공의단위및진공의분류 4-1) 진공의단위 표 1.1 각종진공도또는압력단위들간의상호관계 std atm * PSI ** Torr Pa *** mb kg f/cm 2 # density 분자수 /cm 3 1 14.7 760 101300 1013 1.035 2.69 10 19 0.068 1 51.7 6891 68.9 0.070 1.83 10 18 0.0013 0.019 1 133.3 1.33 0.0014 3.53 10 16 9.87 10-6 1.45 10-4 0.0075 1 0.01 1.02 10-5 2.66 10 14 9.87 10-4 0.015 0.75 100 1 1.02 10-3 2.66 10 16 0.966 1.42 734.14 97852 978.52 1 2.78 10 19 4-2) 진공도의분류및응용분야 진공정도를표현하는데있어서는사용하는집단에따라약간씩다르므로거기에맞춰 사용하는것이편하다. 단순한분류로는 저진공 (low vacuum) : 1 기압 10-3 Torr : Rough vacuum 이라고도하고기체상태의분자수량이진공용기내부표면에부착되어있는분자수량보다많은상태이다. Food process( 음식건조, freeze drying : 커피등의향은그대로두고수분만제거하는방법 ), 증류 (distillation), 박막증착 (sputtering, LPCVD : low pressure chemical vapor deposition), 플라즈마공정, 네온사인등이이영역의진공대에서운용되고있다. 고진공 (high vacuum, HV) : 10-3 10-7 Torr: 기체의평균자유행로가진공용기의크기보다긴상태이기때문에분자간의충돌보다는진공용기내벽과의충돌이많다. 진공관제작, CRT(cathode ray tube), 이온주입 (ion implantation), 증착 (evaporation), 전자현미경등이이영역의진공대에서운용되고있다. 6
초고진공 (ultrahigh vacuum, UHV) : 10-8 Torr 이하 : 분자밀도가상당히떨어진상태로분자가진공용기내부표면에단일층 (monolayer) 을형성하는시간이충분히오래걸려여러가지표면에관한실험을할수있는상황이된다. 우주관련연구, 물질연구, 표면분석, 가속기, 핵융합연구가초고진공을필요로하고있다. 저자에따라서는저진공과고진공사이에중진공 (medium vacuum) 을그리고초고진공다음에극고진공 (extremely high vacuum, EHV) 을두는경우도있는데큰의미는없다. 진공영역의분류가 log 스케일임을알수있는데이는분자운동이나깨끗한정도등이기준이되었기때문이다. 저진공의 10-3 Torr 영역이면이미기체가 99.99% 이상빠져나간상태이기때문에압력 [ 힘 면적 ] 의견지에서본다면 0 이나다름없다. 4-3) 그밖에압력에관계된용어 4-3-1) 분압 (partial pressure) 표 1.2 대기의구성및분압 분자 부피비 (%) 분압 (Torr) 질소 (N 2 ) 78.08 595 산소 (O 2 ) 20.95 159 아르곤 (Ar) 0.93 7.05 이산화탄소 (CO 2 ) 0.033 0.25 네온 (Ne) 1.8x10-3 0.014 헬륨 (He) 5.24x10-4 0.004 크립톤 (Kr) 1.1x10-4 0.00084 수소 (H 2 ) 5.0x10-5 0.00038 수증기 (H 2 O) 1.57 정도 11.9 7
4-3-2) 증기압 (vapor pressure) 표 1.3 주요액체의 20 에서의증기압 액체명 증기압 (Torr) 물 17.5 에탄올 43.9 아세톤 184.8 mechanical pump oil 10-4 10-7 diffusion pump oil 10-5 10-10 수은 약 10-3 그림 1.6 주요고체의온도에따른증기압 (Honig 1969) 8
4-3-3) 최저도달압력 ( 최고진공도, ultimate pressure/base pressure) 4-3-4) 작업압력 (operating pressure) 4-3-5) 잔류기체 (residual gas) 증발 (evaporation) : 각종물질로부터발생하는증기로아연, 카드뮴등고체상태의 물질이나기름, 지문, 유기용매등부주의로진공용기속에남긴액체의흔적이그원인이 된다. 온도가증가할수록심하게된다. 기체방출 (outgassing) : 진공용기내벽의표면이나또는진공용기속에사용하는각종물질속에흡착되어있던입자들이서서히방출되는것으로그원인은매우다양한데내부표면에부착된입자가방출되거나, 금속등의 grain boundary 등과같이더깊은곳에숨어있던입자가나오는경우도있다. 누출 (leak) : 불완전한진공밀폐 (vacuum sealing) 로인하여진공시스템이새는경우이다. 금속개스킷대신에 O-ring 등을사용하면초고진공에서어느정도의누출은당연한것이다. 역류 (backflow, backstream, backstreaming) : 펌프쪽으로부터의펌프오일의분자가 역류되어오는경우인데주로분자운동에의해기체상태로역류되는경우에사용하는 용어이다. 밸브작동오류로기름그자체가밀려올때는 dumping 했다고표현한다. 그림 1.9 진공시스템에서진공작업을위한인위적인기체유입외에압력상승의요인이 되는것들이다. 1 확산 (diffusion) 2 투과 (permeation) 3 역류 (backstream, backflow) 4 탈착 (desorption) 5 증발 (evaporation) 6 누출 (leak: 진성누출 ) 7 가성누출 (virtual leak) 9