진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF...

18
진공의 기초와 펌프 ◈ 차 례 ◈ 진공의 발견 진공 이란? 1. 진공 펌프의 종류 2. Positive displacement 펌프 2.1. 로터리 펌프(rotary vane pump) 2.2. 루츠 펌프(Roots pump) 2.3. 오일 확산 펌프(Oil diffusion pump) 2.4. 터보 분자 펌프(turbo-molecular pump) 2.5. 드라이 펌프(Dry pump) 3. Entrapment 펌프 3.1. 이온 펌프(Ion pump) 3.2. Cryogenic pump 3.3. Getter pump 4. 그밖의 펌프 2005. 12. 29 작성자 : 이 영 환

Transcript of 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF...

Page 1: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

진공의 기초와 펌프

◈ 차 례 ◈

진공의 발견

진공 이란?

1. 진공 펌프의 종류

2. Positive displacement 펌프

2.1. 로터리 펌프(rotary vane pump)

2.2. 루츠 펌프(Roots pump)

2.3. 오일 확산 펌프(Oil diffusion pump)

2.4. 터보 분자 펌프(turbo-molecular pump)

2.5. 드라이 펌프(Dry pump)

3. Entrapment 펌프

3.1. 이온 펌프(Ion pump)

3.2. Cryogenic pump

3.3. Getter pump

4. 그밖의 펌프

2005. 12. 29

작성자 : 이 영 환

Page 2: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

진공의 발견

토리첼리의 실험

- 1643년 이탈리아의 물리학자 토리첼리는 유리관과 수은을 사용하여 다음과 같은

실험을 하였다.

즉, 단면적1cm인 한쪽 끝이 막힌 길이 1m의 유리관 안에 수은을 가득 채운 다음,

수은이 담긴 그릇 안에 거꾸로 세우면,유리관 안의 수은주는 그릇에 담겨 있는

수은의 표면으로부터 76cm의 높이를 항상 유지 하게 된다는 것이다.

이때 유리관 위쪽에는 진공상태가 되는데 이를 "토리첼리 진공" 이라고 한다.

유리관 안의 수은주가 76cm가 되는 것은 수은주의 무게가 그릇에 담긴 수은의

표면에 작용하는 대기의 압력과 균형을 이루기 때문이다.

이 실험으로 대기압(1기압)은 높이 76cm의 수은주 무게와 같다는 사실이

발견되었으며, 이는 오늘날 진공의 측정 단위에 있어서도 기초적인 개념이 되고

있다. 우리가 흔히 사용하는 진공도의 단위인 토르(Torr)는 토리첼리의 머릿

글자를 딴 것이며, 대기압 상태를 표시하는 760Torr나 760mmHg, 76cmHg등도 모두

토리첼리의 실험에서 나타나는 수은주의 길이를 이용 한 대기압의 표시인 것이다.

토리첼리의 실험

Page 3: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

진공이란?

진공은 공간의 기체압력이 대기압보다 낮은 상태,

즉 분자밀도가 약 2.5×1019 분자/cm3 보다 적은

상태를 의미한다. 지상으로부터 고도에 따른

진공도의 비교는 아래 그림과 같다.

진공을 응용하기 위해서는 지상에 인위적인

진공을 발생시키고 제어해야 한다.

이런 진공기술의 요소는 발생기술, 재료기술,

가공 및 부품기술, 평가 및 제어기술로 대별되며

이 네 가지 요소가 합쳐져서 진공 응용기술이

성립된다. 진공은 다음과 같은 특성이 있으므로

전 과학기술 분야와 산업분야에서 진공기술이

응용되고 있다. 압력 차에 의한 힘의 발생,

극청정 환경 제공, 단열효과, 입자의 장거리

비행가능, 증발과 승화작용 안정된 플라즈마를

유지, 생화학 반응 억제, 우주환경 제공 등의

특성이 있다.

진공기술의 응용범위는 전 산업에 걸쳐 있으며 반도체의 집적도가 높아지고

양자소자 개발 등 첨단기술이 발전하면서 그 중요성은 날로 증가하고 있다.

- 다음은 진공기술이 응용되고 있는 대표적 분야들이다.

     첨단산업 : 반도체, FED

     미래산업 : 우주항공, 핵융합, 신소재 개발

     산업응용 : TV브라운/모니터, 기계/광학부품 코팅, 보온병, 램프, 냉동기

     의약 화학 식품 : 의약품 생산, 식품보관, 진공건조식품, 진공증류

     첨단과학 : 가속기, 표면분석장치, 질량분석

- 진공상태를 만들면 ?

◎ 공기 및 기체의 영향에 의한 부식, 산화등을 예방한다. (제품보존 등)

◎ 물질의 끓는점을 낮아져 조기에 증발토록 한다. (농축, 금속처리 등)

◎ 흡착패드 등을 이용하여 타 기구로는 운반하기 어려운 물체의 운반에

적합하게 된다. (분체, 판 등의 운반)

◎ 물체속의 기체를 제거하고 타물질을 투입하는데 편리하다. (가스충전, 함침 등)

◎ 전기적 특성이 있다. (반도체, 브라운관, 진공관 등)

Page 4: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

[그림1] 진공의 이용분야

[그림2] 진공을 이용한 제품

Page 5: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

[표1] 여러 가지 압력단위의 환산

[표2] 진공도의 영역대별 분류

Page 6: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

진공 기술의 응용을 위해서는 진공 펌프를 이용하여 진공상태를 만들어야

되는데, 진공을 처음 대하는 사람은 우선 많은 종류의 펌프를 보고 놀랄 것이다.

또 진공 시스템을 보면 적어도 두 종류 이상의 펌프가 사용됨을 보고 의문을

가질 수 있는데, 이는 무엇보다도 모든 압력 영역에서 또는 원하는 작업 환경에서

작동되는 이상적인 펌프가 없기 때문이다.

따라서 이상적인 작업환경을 만들기 위해서는 작업조건에 맞는 펌프의 선정과

시스템의 구성이 무엇보다도 중요하다고 할 수 있는데, 이 장에서는 쉽게

사용되는 여러 가지 진공펌프의 특징과 사용법에 대해 간단히 정리하였다.

1. 진공 펌프의 분류

- 펌프의 종류는 [그림1-1]에서 나타낸 것과 같이 사용 가능한 압력에 따라 저진공,

고진공, 초고진공 등으로 나눌 수 있으나, 어떤 펌프를 어떤 압력에서 사용한다는

명확한 경계가 없고, 제조회사나 사용방법에 따라 조금씩 차이가 난다.

또한 작동 원리에 따른 분류로는 크게 positive displacement 펌프와

entrapment 펌프로 나눌 수 있다.

  ① positive displacement 펌프: 기체를 진공 용기 외부로 제거하는 펌프로 로터리

펌프(rotary vane pump), 터보 분자 펌프(turbo-molecular

pump)등 대부분의 기계적인 펌프가 이에 속한다.

   ② entrapment 펌프: 배기시킨 기체가 여전히 진공 용기나 펌프 속에 남아 있는

경우이다.‘포획 펌프(capture pump)'라고도 부른다.

여하튼 진공 용기 내부의 공간으로 부터 기체분자 수를 제거하기만

하면 압력이 낮아지므로 이런 것들도 펌프라고 부를 수 있다.

흡착 펌프(sorption pump)나 냉온 펌프(cryopump),

이온 펌프(ion pump)가 이에 속한다.

Page 7: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

③ 진공 펌프의 종류

◎ 건식 로타리 베인 펌프 (DRY-RUNNING ROTARY VANE PUMP)

◎ 만유식 로타리 베인 펌프 (OIL FLOODED ROTARY VANE PUMP)

◎ 순환 급유식 로타리베인 펌프 (OIL CIRCULATED INJECRED ROTARY VANE PUMP)

◎ 배출 급유식 로타리 베인 펌프 (ONCE -THROUGH OIL INJECTED ROTARY VANE PUMP)

◎ 로타리 피스톤 펌프 (ROTARY PISTON PUMP)

◎ 로타리 기어 펌프 (ROTARY GEAR PUMP)

◎ 피스톤 펌프 (PISTON PUMP)

◎ 다이아후렘펌프 (DIAPHRAM PUMP)

◎ 루츠 펌프 (ROOTS PUMP)

◎ 수봉식 펌프 (LIQUID RING PUMP)

◎ 터보 분자 펌프 (TURBO MOLECULAR PUMP)

◎ 확산 펌프 (DIFFUSION PUMP)

◎ 이젝타펌프 (STEAM EJECTOR/GAS EJECROR)

◎ 흡착 펌프 (ABSORPTION PUMP)

◎ 이온 펌프 (ION PUMP)

◎ 게터 펌프 (GETTER PUMP)

◎ 승화펌프 (SUBLIMATION PUMP)

◎ 저온 펌프 (CRYO PUMP)

[그림1-1] 여러 가지 진공펌프의 작업 가능 압력

Page 8: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

2. Positive displacement 펌프

2-1-1 로터리 펌프(rotary vane pump)

[그림2-1-1] 로터리 펌프의 내부구조 및 작동순서

- [그림2-1-1]에 일반적으로 실험실에서 저진공 용도로 가장 많이 사용되는 로터리

펌프의 구조와 작동 순서를 나타내었다. 로터리 펌프는 정지자(stator), 회전자

(rotator) 그리고 vane에 의해 흡입(A), 압축(B,C), 배기(D)의 과정을 거쳐 작동하게

된다. Vane과 회전자에 의해 압축된 가스의 압력이 배출밸브를 열기에 충분할

정도로 높아지면, 밸브가 열리면서 가스가 배출되게 된다.

- 로터리 펌프는 윤활제의 역할뿐만 아니라 회전에 의한 마찰열의 감소와 정지자와

vane사이의 공간을 막아주기 위하여 오일을 사용하게 되는데, 사용하는 오일의

증기압이 낮아야 좀더 낮은 압력까지 낮출 수 있고, 역류(backstream)에 의한

진공용기의 오염을 방지할 수 있다.

역류(backstream)와 트랩(trap) - 역류는 펌프 오일이 주로 증기의 상태로

진공 용기 쪽으로 이동하는 현상인데 진공 용기오염의 원인이 된다.

실온에서는 증기압이 비교적 낮으나 마찰 등으로 인하여 온도가 오르면

증기압은 쉽게 수백 배 또는 그 이상 증가한다. 표면을 타고 올라오는 경우는

‘creep'이라고 하며 장시간에 걸쳐 이루어지는데 표면을 냉각시키거나 또는

반대로 뜨겁게 하여 증발시킴으로써 방지할 수 있다.

또한 진공용기와 펌프사이에 트랩(trap)이나 역류 방지판(baffle) 등을

사용하여 이러한 현상을 상당히 줄일 수 있다.

Page 9: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

Dead volume - 로터리 펌프의 배기 과정 중 일부의 가스가 빠져나가면, 압력이

다시 감소하므로 가스가 완전히 빠져나가기 전에 배출밸브가 닫히게 되는데,

이때 빠져나가지 못하는 가스를 의미한다.

dead volume은 오일의 증기와 함께 로터리 펌프가 작동할 수 있는 한계압력

(ultimate or lowest pressure)을 한정짓는 원인이 된다.

Gas ballast- 물과 같이 응축(condensation)이 쉽게 되는 증기류는 펌프 속에서

압축단계를 거치는 동안 응축되어 펌프 오일을 오염시킨다.

예를 들어 수증기를 배기할 경우, 응축된 뒤 기름에 섞여 돌아다니는 물분자는

기압이 낮은 흡입 단계에서 다시 기화하여 펌프 흡입구 쪽의 압력을 높인다.

따라서 펌프의 압축 주기에 외부에서 대기나 다른 가스(N2) 등을 일부러 주입시켜

충분한 방출 압력을 가짐으로 해서 물분자 등이 펌프 안에서 응축이 되는 것을

방치하는 장치이다. 배출과정에서 수증기의 응축은 배출밸브를 열 수 있는

압력을 낮추어 밸브작동을 어렵게 하고, 흡입과정에서의 기화로 최저도달

압력을 낮추는 악영향을 미친다.

2-2-1 루츠 펌프(Roots pump)

[그림2-2-1] Roots pump의 작동원리

- [그림2-2-1]에서 보듯이 평행한 축에 달린 ‘8’자 모양의 두 개의 회전자가 서로

반대방향으로 돌면서 기체를 흡입 배출한다. 이때 두 회전자 사이의 간격은 약 0.2mm

정도로 유지되고 회전은 동기화 되어 있기 때문에 서로 접촉을 하지 않는다.

또한 오일을 사용하지 않기 때문에 로터리 펌프보다 훨씬 빠른 속도로 회전할 수

있으나, 로터리 펌프로 보조 배기(backing)를 해줘야 한다. 로터리 펌프는

최저도달 압력근처(10-2~10-4)에서 배기 속도가 떨어지고 오일 역류 등의 문제를

일으키는데 이 경우 루츠펌프와 동시에 사용을 하면 이상적이라 하겠다.

Page 10: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

2-3-1 오일 확산 펌프(Oil diffusion pump)

(B)

[그림2-3-1] 오일확산 펌프의 구조(A) 및 작동 원리(B)

- [그림2-3-1]에서 보듯이 그 구조는 크게 히터(heater)와 jet assembly로 구성되어

있다. 히터에서 끓어 형성된 오일 증기가 증기탑을 따라 상승하다가 아래쪽을 향한

노즐에서 초음속(약 300m/초)으로 분출되는 것이다.

이렇게 아래쪽을 향해 분사되면서 펌프주변으로 들어온 기체분자들을 함께 같은

방향으로 이동시켜 배기가 이루어진다.

이때, 고분자 오일과 기체분자들의 충돌시 운동량 전달(momentum transfer)에

의해 기체분자가 아래쪽으로 향하게 되어 배기 된다.

- 오일 산화 등에 따른 역류를 방지하기 위하여 펌프에 사용되는 오일은 다음과

같은 성질을 만족하여야 한다.

    오일의 조건

  ① 휘발성이 없고 정제(purification)가 쉬워야 한다.

② 배기하고자 하는 가스와 반응성이 없어야 한다.

③ momentum transfer를 용이하게 하기 위해 분자량 및 분자밀도가 높아야 한다.

④ 공기 중 산화, 진공 중 decomposition, 고온산화 등에 강해야 한다.

⑤ 유독성이 없어야 한다.

Page 11: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

- 일반적으로 오일 확산 펌프는 오일의 산화 등을 방지하고, 배기 효율을 높이기

위하여 로터리 펌프를 이용하여 보조 배기를 해주면서 사용하게되는데, 이때

로터리 펌프의 용량은 오일확산펌프의 흡입구의 압력과 배출구의 압력, 그리고

오일 확산 펌프의 용량에 의해 결정되는데 이때의 관계식은 다음과 같다.

SMP PMP = SDP PDP = Qmax

∴ SMP =SDP PDP

=Qmax

P PMPMP

(SMP : 로터리펌프 배기 속도, SDP : 오일펌프 배기속도,

PMP : 배출구압력, PDP : 흡입구압력)

2-4-1 터보 분자 펌프(turbo-molecular pump)

[그림2-4-1] 터보분자 펌프의 배기 원리

(pumping mechanism)

옆의 [그림2-4-1]는 회전하는 블레이드에 부딪힌

분자가 튀겨나가는 모습을 나타낸 그림이다.

터보 분자 펌프는 블레이드의 회전에 의해

분자에 momentum transfer가 일어나고 이때

분자가 원하는 방향으로 튀어 나감으로써

배기가 이루어 진다는 간단한 원리를 가지고 있다.

그러나 실제 상황에서는 진공용기의 압력에 따라

다른 각도에서 이해를 하는 것이 필요할 것이다.

우선, 진공용기의 압력이 높은 경우, 기체분자의

량이 많기 때문에 기체 분자들은 독립적으로

움직이지 못하고 서로 영향을 받게 되는데,

이처럼 분자의 평균자유행로(mean free path)가

짧고 분자들 사이에 힘이 작용하는 경우를

viscous flow라고 한다.

이때 기체 분자는 완전 탄성구처럼 작용하여 충돌이 일어나면 그대로 다시 튀어나가게

되고 또한 압력 구배에 따른 자연스러운 흐림을 갖게되는 것으로 알려져 있다.

따라서 이 경우 역류(back stream)에 대한 우려가 없고, 그림에서처럼 블레이드에

부딪힌 분자는 자연스럽게 배기될 것이다.

Page 12: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

그러나 용기내의 압력이 낮아지면, 기체는 분자들 사이에 서로 영향을 미치지 않고

독립적으로 운동하는 molecular state 바뀌게되는데, 이때 기체 분자가 표면에

부딪히게 되면 탄성충돌에 의해 바로 튀어나가지 않고 흡착(absorption),

대기(residence time), 탈착(desorption)의 과정을 거치는 것으로 알려져 있다.

[그림2-4-2]. 따라서 이 경우 고정되어 있는 블레이드에는 양쪽 방향에서 균일한

충돌에 의해 분자들이 흡착되고 또한 코사인 분포(cosine distribution)에 따라

균일한 방향으로 탈착이 진행되므로 블레이드의 각도만으로 원하는 방향으로 기체의

순흐름(net flow)을 바꾸기는 어렵다. 따라서 압력이 낮은 경우 아래 [그림2-4-2]의

윗쪽 경우처럼 블레이드를 충분히 고속으로 움직여서 위쪽으로 접근하는 분자들의

흡착을(absoption) 막게되면, 기체의 순흐름을 원하는 방향으로 바꿀 수 있을 것이다.

   결국 이상과 같은 일련의 과정을 반복적으로 거치면서 분자의 순흐름이 유지되고

배기가 이루어지게 된다.

[그림2-4-3] 내부 단면 구조

[그림2-4-2] 블레이드 상태에 따른 충돌 후

분자 흐름의 변화

Page 13: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

[그림2-4-4] 일반적인 터보 분자 펌프의 구조 및 회전자(rotator)와 고정자(stator)의

작동에 따른 분자 경로의 변화

- [그림2-4-4]에 일반적인 터보 분자 펌프의 구조를 나타내었다. 날의 각은 배출구

쪽으로 갈수록 더 많이 기우는데 이는 흡입구에서는 진공용기와의 압력차가 크지

않고 또한 많은 기체를 받아들일 수 있도록 하기 위함이고 배출구 쪽에서는

압력차가 커지기 때문에 이를 유지하기 위함이다.

고정자는 역류를 방지하는 baffle의 역할과 함께 회전자에서 튀어나온 분자를

아래쪽을 향하도록 각을 유지하고 있다.

- 터보 분자 펌프는 고속(10,000~100,000)으로 회전하는 날이 작은 입자나

부스러기에 의해 쉽게 손상을 입을 수 있고, 또 고속회전시 각 속도가 회전축으로

크게 걸려 작은 충격에도 망가질 수 있으므로 사용에 각별히 주의해야 한다.

Page 14: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

2-5-1 드라이 펌프

- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에 배기할 필요성이

있고 유확산 Pump의 Oil과 Gas가 반응하여 반응 생성물이 발생할 경우가 있다.

이런 생성물은 Pump 본체의 부식 및 회전 불능 등의 Trouble의 원인이 된다.

또 Pump에 사용되는 Oil이 진공 측으로 역류 하는것에 의해 질 좋은 진공이

얻어지지 않는 원인이 된다.

이런 문제점을 해결하기 위해서 Dry 진공 Pump는 알루미늄, 합금제를 채용하는

것에 의해 광범위하게 균열화가 가능하다.

- H(고온형)과 L(저온형)의 두 종류의 Pump가 있다.

① [H] : 고온형 Pump 본체의 Gas 통과 부분을 공냉에 의해 고온 영역으로

균열화하여 CVD, Ething등의 Process로 발생하는 승화 성 배기 물질을

Pump 내부에 부착시키지 않도록 되어있다.

② [L] : 저온형 Gas 통과부를 수냉으로 하는 것에 의해 저온 영역으로 균열화하여

고온에서 반응하는 Process Gas 배기 및 고온 진공 배기에 사용 된다.

- 드라이 펌프의 용도

Mechanical Booster pump 및 Turbo 분자 Pump와 조합하여 사용 되기도 하고

이런 Pump의 보조 Pump로도 사용 된다.

주로 활성 Gas 배기 (CVD,Eching),또는 불활성 Gas 배기의 배기Pump로도 사용된다.

[그림2-5-1] 내부 단면 구조

Page 15: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

3. Entrapment 펌프

3-1-1 이온 펌프(Ion pump)

[그림3-1-1] Ion pump의 작동 원리

- 이름에서 짐작할 수 있듯이 기체를 이온화하여 표면과의 반응성을 높여 주어진

공간으로부터 기체분자를 제거하는 방법으로 [그림3-1-1]에 그 원리를 나타내었다.

- Cathode로부터 발생된 전자는 바깥에서 형성된 자기장의 영향으로 나선형으로

anode 쪽으로 운동을 한다. 전압은 약 5 kvolt 정도이고 자기장은 전자에

회전운동을 유도하여 곧바로 anode로 가는 것을 방지하고 기체분자와 충돌할 수

있는 확률을 높이게 된다. 전자는 나선형 운동 중에 기체 분자와 충돌하여

이온화시키고, 이온화된 기체는 cathode 쪽으로 급격히 가속되어 배기 과정이

이루어지게 된다. 이때 약하게 충돌한 이온은 cathode에 묻히게 되면서 제거되고,

강하게 충돌한 이온은 티타늄 cathode를 sputter하여 새로운 티타늄 표면을

형성하여 gettering으로 기체입자를 붙잡는다. (새로운 티타늄 표면은 기체입자와

화합물을 형성하거나 증가된 표면에너지를 줄이기 위해 분자결합을 함으로써

기체입자를 제거하게 된다.)

Page 16: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

3-2-1 Cryogenic pump

- Cryogenic 펌프는 ‘저온(cryo-)’을 이용한 것으로, 차가운 표면에 기체 분자들이

응축 또는 흡착되도록 하여 제거하는 원리를 이용한다. 냉매로는 액체질소나

압축된 헬륨을 이용한다.

- 냉각된 표면이 기체분자를 붙잡는데 있어서 냉온응축(cryo-condensation)과

냉온흡착(cryo-sorption)의 원리를 이용한다. 냉온응축의 경우는 증기를 차갑게

하여 액화시킨 다음 얼리는 방법을 말하는데 80K 단계에서 증기압이 낮은 물분자가

먼저 제거되고 다음이 N2, O2, Ar등이다. 다음 단계는 냉온흡착을 이용하는데 15K

영역에서 담당하며 He, H2, Ne 등 저온에서도 증기압이 높은 기체들의 운동에너지를

빼앗아 표면에서 움직이지 못하게 하는 것이다

[그림3-2-1] Cryogenic pump의 개략도

- 크라이오 펌프의 작동 원리와 구조

크라이오 펌프에 사용되는 냉동기는 2단으로 되어 있고 1단은 냉동 능력이

큰 80K 이하로 냉각 할 수가 있고 2단은 냉동능력이 작은 10K~20K(켈빈)으로

냉각할 수가 있다.

15K Cryo Panel(1) (응축 Panel)과 15K Cryo Panel(2) (흡착 Panel)은 냉동기의

2단에 부착되어 있고 냉동능력이 큰 1단에 부착되어 있는 80K Shield와 80K

Buffle은 실온의 방사(복사)열로부터 펌프를 보호를 하고 있다.

Page 17: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

- 크라이오 펌프가 배기하는 주요 기체

• A.공기(N2,O2) : 진공장치 초기 Pumping후의 잔류기체.

• B.방출(H2O) : 진공용기의 벽면에 흡착(통상의 진공장치에는 최대의 성분)

• Glass,플라스틱,세라믹,등으로 부터의 방출 Gas

• (H2) : 진공용기의 금속벽 내부의 확산 방출 (초고진공,극 진공에서 문제)

• 고온,용해금속(특히Al) 으로의 방출(증착,Sputter)

• (CO,CO2,CH4) : 진공장치 벽면의 오염.

• C.도입Gas (Ar) : Sputter장치

• (H2) : Ion 주입

• (O2) : 산화물

- 수소(H2),헬륨(He),네온(Ne)과 같이 증기압이 높은 기체는 20K 또는 응축에 의해

배기 하는 것이 불가능하므로 20K이하로 냉각된 흡착제(활성탄)에 의해 배기된다.

이와 같이 크라이오 펌프는 모든 기체를 배기할 수가 있고 초고진공을

얻을 수가 있다.

- [그림3-2-2] 에서처럼 안쪽 표면에 activated charcoal (활성탄)이 발라져 있음을

보게되는데, 이는 물분자와 같이 1단계에서 포획될 수 있는 기체들이 15K 영역에

달라붙게 되면 냉온흡착을 할 수 있는 표면적이 줄어들기 때문에 이를 방지하기

위한 목적이다.

[그림3-2-2] Cryogenic pump의 개략도

Page 18: 진공의 기초와 펌프 - kemco.or.kr 공의 기초와 펌프자료@4[1].pdf · PDF file- 반도체,LCD 관련의 진공 장치에서는 활성Gas를 사용하는 조건하에

3-3-1 Getter pump

- 티타늄(Ti)과 같이 화합물 형성이 쉬운 물질을 필라멘트나 덩어리 형태로 가열하여

진공 펌프 벽에 증착하면, 펌프내로 들어온 가스와 hydride, oxide, nitride 등의

화합물을 형성하면서 기체 분자를 제거하게 되는데 이러한 원리에 의해 작동하는

펌프를 의미한다.

- Getter 펌프에는 위와같이 증착 막을 이용하는 경우와 재생이 가능한

zirconium-vanadium 또는 iron의 합금을 bulk 상태로 이용하는 경우가 있다.

4. 그밖의 펌프

Stream ejecter 펌프 : 확산 펌프와 비슷한 원리로 기름대신에 고속의

수증기를 이용하고 수Torr까지 사용이 가능하다.

Water jet 펌프 : 수압을 이용하여 간단한 진공 또는 흡입 장치로 사용하는데,

유속이 빠른 곳에서 압력이 낮아진다는 베르누이 정리를 이용한

방법이다.