진공은 어떤 공간에 기체나 다른 물질이 전혀 없거나, 아주 적은 상태를 말합니다. 일반적으로, 우리가 ‘진공’이라고 할 때는 대기압보다 훨씬 낮은 압력의 공간을 의미하는 경우가 많습니다. 완전한 진공, 즉 절대 진공은 이론적으로 모든 물질이 제거된 상태를 가리키지만, 실제로는 이런 상태를 완벽하게 만들어내기가 매우 어렵습니다.
진공이란?
진공 상태는 과학 연구, 산업 공정, 전자 제품 제조,반도체 산업 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 해요. 예를 들어, 반도체 칩을 만들 때 사용되는 증착 공정이나, 우주 연구에서도 진공 환경이 필수적입니다. 또한, 진공은 물리학에서 중요한 연구 대상 중 하나로, 공간의 특성, 입자의 음직음 등을 이해하는 데 도움을 줍니다. 이러한 진공은 그 압력 수준에 따라 여러 단계로 나눌 수 있습니다. 이 단계들은 진공의 품질을 나타내며, 특정 기술이나 연구에서 요구하는 진공 상태를 정의하는 데 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 진공의 분류는 다음과 같습니다.
첫번째는 저진공(Low Vacuum) 입니다. 대기압보다는 낮지만, 상대적으로 높은 압력 범위(1,013 hPa(밀리바)에서 약 1 hPa까지)에 속하는 구간 입니다. 이 단계에서는 기계식 펌프를 사용해서 진공을 생성할 수 있습니다. 일반적인 실험실이나 산업용 진공 청소기에서 이 단계의 진공을 사용한다고 볼 수 있습니다. 두번째 중진공(Medium Vacuum) 입니다. 압력이 1 hPa에서 10^-3 hPa 범위에 이르는 진공 상태를 말해요. 이 단계에서는 회전하는 펌프와 분자 펌프를 함께 사용하여 진공을 만들 수 있습니다. 많은 과학 실험과 물리 연구에서 이 단계의 진공을 필요로 합니다.
세번째 고진공(High Vacuum) 입니다.압력이 10^-3 hPa에서 10^-7 hPa 범위에 이르는 상태로, 고급 분자 펌프나 이온 펌프를 사용해야만 도달할 수 있습니다. 반도체 제조, 표면 과학 연구 등에서 필요한 진공 수준입니다. 네번째 극고진공(Ultra High Vacuum, UHV) 입니다. 압력이 10^-7 hPa 이하인 매우 낮은 압력 상태를 말합니다. 이 단계의 진공을 생성하기 위해서는 특별한 재료, 청정한 조건, 그리고 여러 가지 특수 펌프 (예: 티타늄 서브리메이션 펌프, 크라이오 펌프 등)의 사용이 필요합니다. 기초 물리학 연구, 우주 공간 시뮬레이션, 전자현미경 등 일부 고급 재료 과학 실험에서 이 수준의 진공이 사용 됩니다. 다섯번째 극초고진공(Extremely High Vacuum, XHV) 입니다. 압력이 10^-12 hPa 이하로, 이론적으로는 모든 입자가 거의 제거된 상태에 가깝습니다. 이런 수준의 진공을 달성하고 유지하기는 매우 어려우며, 특별한 실험실 조건에서만 가능합니다.
진공을 인위적으로 만드는 펌프
진공은 우리가 특정한 기술을 활용하여야 만들 수 있는 특수한 조건 입니다. 특히 진공을 만들기 위해서는 펌프가 많이 사용 됩니다. 이 글에선 진공을 생성하고 유지하기 위해 사용되는 펌프들의 각각 독특한 원리와 특징을 설명해 보겠습니다.
펌프는 기계식펌프, 분자펌프, 크라이오 펌프, 이온 펌프, 티타늄 펌프가 있습니다. 뒤로 갈수록 고진공에 사용된다고 보시면 됩니다. 기계식 펌프 (Mechanical Pumps) 증 로터리 베인 펌프(Rotary Vane Pump)는 오일을 사용하여 밀봉된 회전 베인으로 공기를 펌핑 하는 방식입니다. 저진공에서 중진공까지 도달할 수 있으며, 일반적으로 다른 펌프들의 앞쪽에 배치되어 초기 진공 상태를 만드는 데 사용됩니다. 그리고 드라이 펌프(Dry Pump)는 오일이나 다른 윤활제를 사용하지 않는 펌프로, 오염이 우려되는 환경에서 많이 사용됩니다. 반도체 제조 같은 깨끗한 환경을 요구하는 곳에서 많이 사용됩니다.
다음은 분자 펌프 (Molecular Pumps) 입니다. 터보 분자 펌프(Turbo Molecular Pump)는 고속으로 회전하는 팬 블레이드를 이용하여 가스 분자를 펌핑 하는 방식입니다. 고진공을 생성할 수 있으며, 주로 과학 연구와 반도체 제조에서 사용됩니다. 그리고 디퓨전 펌프(Diffusion Pump)는 열을 이용하여 가스 분자를 챔버 바깥으로 이동시키는 방식입니다. 오일이나 수은 같은 작동 유체를 사용하며, 높은 진공 상태를 필요로 하는 곳에서 사용합니다.
다음은 크라이오 펌프 (Cryopump)입니다. 극저온을 이용해 가스 분자를 응축시키거나 흡착시켜 제거하는 방식입니다. 극고진공을 달성할 수 있으며, 우주 시뮬레이션과 같이 매우 낮은 압력이 필요한 실험에서 사용합니다. 이온 펌프 (Ion Pumps)는 가스 분자를 이온화 시킨 뒤, 강력한 전자기장을 이용하여 이온을 펌프 벽에 포집하는 방식입니다. 극고진공과 극초고진공 상태를 생성할 수 있으며, 전자기파나 자기장에 민감한 실험에서 주로 사용돼요. 반도체 분야에서 전자 현미경에는 대부분 들어가 있는 펌프 입니다. 티타늄 서브리메이션 펌프 (Titanium Sublimation Pump)는 티타늄을 가열하여 기화 시키고, 티타늄 증기가 가스 분자를 표면에 흡착시키는 방식으로 진공을 생성하는 펌프 입니다. 주로 극고진공 상태를 유지하는 데 추가적으로 사용합니다.
진공도를 어떻게 재나요?
그렇다면 이러한 진공도는 어떠한 방식으로 측정하게 되는건지 이번엔 진공도를 측정하는 배큠센서에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 진공 센서는 진공도, 즉 어떤 공간 내의 기체 압력을 측정하는 장치입니다. 이 센서는 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 하며, 특히 반도체 제조, 진공 코팅, 식품 포장, 연구소 실험 등에서 진공 상태를 정확히 모니터링하고 제어하는 데 필수적인 도구입니다. 배큠센서는 다음과 같은 여러 유형으로 분류될 수 있습니다.
역학적 센서(Mechanical Sensors)는 기체 압력의 변화에 따라 물리적인 변형을 일으키는 원리를 사용합니다. 예를 들어, 피에조 저항식 센서가 여기에 속합니다. 열전도도 센서(Thermal Conductivity Sensors)는 기체의 열전도율이 압력에 따라 변하는 원리를 이용합니다. 예를 들어, 열음극 진공계(예: 피라니 게이지)와 서미스터 진공계가 이 범주에 속합니다. 이 센서들은 주로 저진공 영역에서 사용됩니다.
이온화 센서(Ionization Sensors): 이 센서들은 기체 분자를 이온화 시키고, 이온화된 입자들의 양을 측정하여 압력을 결정합니다. 펜닝 게이지, 핫캐소드 이온화 게이지, 콜드캐소드(펜닝) 이온화 게이지 등이 있으며, 이들은 중진공 또는 고진공 영역에서 주로 사용됩니다. 광학 센서(Optical Sensors) 측정 방식은 광학적 원리를 이용하여 진공도를 측정합니다. 예를 들어, 진공 중에 특정 기체의 흡수선을 측정하여 압력을 결정하는 방식이 있습니다. 각각의 센서 유형은 특정 진공 범위 내에서 가장 잘 작동하여, 때로는 서로 다른 유형의 센서들을 조합하여 더 넓은 범위의 압력을 측정하는 데 사용합니다. 진공 시스템의 설계와 목적에 따라 적합한 배큠센서를 선택하는 것이 중요합니다.