Transcript 제1장 진공(Vacuum) 기술

진공(vacuum)과 진공기술의 중요성
조영래 교수
부산대학교 재료공학부
[email protected]
부산대학교 재료공학부
계면공학연구실
제1장 진공(Vacuum) 기술
1.1 들머리:
진공기술의 역사와 응용 및 중요성
 1953년: D. Alpert, “초고진공의 발생과 측정의 새로운 개발”,
J. Appl. Phys. 24. 860 (1953).
[진공의 개념을 기체분자운동론  표면과학 입장에서 연구]
 진공기술의 응용: 반도체산업, 신소재, 제약, 야금, 의학 등…
(전자현미경, 모형 우주선, 대형가속기, 핵융합장치 ….)
1.2 진공기술의 발전 역사
1640년경: 이탈리아의 Berti, 약 10 m의 물기둥 실험 완료  최초의 진공구현
1643년 : 이탈리아의 Torricelli, 수은기압계(13.6 cm) 실험으로 진공상태를 입증
1648년 : Pascal과 Perier, 대기압은 고도에 따라 변화함을 수은기압계로 증명
17C 중엽: 진공에서는 (소리전달, 연소, 생명유지)가 안 되는 현상을 밝혀냄
1654년 : Otto von Guericke, Magdeburg의 반구실험-피스톤식 공기펌프 사용
(지름 44cm 반구에 진공화- 8마리씩 말 반대방향 당김  진공 유지됨)
이후
: Boyle-Boyle의 법칙(일정온도에서 부피와 압력과의 관계)
Pneumatic tube, 가이슬러관 등으로 응용 됨
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 17세기 4대 발명품:
망원경, 현미경,
흔들시계, 공기펌프.
 Otto von Guericke:
Magdeburg반구실험
2x8 마리 horses,
지름 44 cm 황동반구
진공의 응용:
진공과 대기사이의
압력차 이용.
진공척 (chuck).
1 Kg f / cm2.
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 1.2.9 보충: 청정도(진공도)는 반도체 기술의 생명임: 집적도와 진공도와의 관계
1.3 진공(vacuum)이란 무엇인가?
 기체분자 마저도 없는 이상적인 <無> 의 공간 ?
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1. 개 요: Vacuum의 정의와 중요성을 알아보고, 진공펌프와 진공게이지의
종류 및 그 작동 원리를 파악함.
 진공(vacuum): 대기압(1 atm) 보다 낮은 압력상태를 총칭함
 진공챔버(vacuum chamber): 진공으로 유지되어 있는 용기
 진공펌프(vacuum pump): 진공에 도달 혹은 유지하게 하는 장치
 진공게이지(vacuum gauge): 진공의 정도를 측정하는 장치
 압력(pressure)의 단위
 유럽: Pa (=N/m2), mbar
 미국, 아시아: Torr
1 atm = 760 Torr =1.013 x105 Pa
= 1,013 mbar
그림 3. 1 기압의 수은기둥
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1 mmHg = 1 Torr = 133.3 Pa
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2. 진공에 대한 물리적인 사항: partial pressure, 기체의 흐름, Kinetic
이론 및 vapor pressure에 대한 개념을 확보해서 진공의 원리를 이해.
 부분압(partial pressure): Total pressure 에 대한 상대적인 개념으로
각 기체의 분자들에 의해서 이루어 지는 압력. 즉, 전체압= 부분압의 총합.
 기체의 흐름:
 Viscous flow : 압력이 높은 경우
 Molecular flow: 압력이 낮은 경우
 평균자유행로(Mean free path):
정의: 기체분자들이 충돌 없이 움직이는 거리
특징: 압력이 높을수록 mfp는 짧아짐.
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3. 진공 펌프(Vacuum Pump): 진공을 만드는 장치로 1개로 사용되기도
하지만 대부분 여러 개의 진공펌프가 조합되어 사용되어 짐.
 중요사항: 그림 10에서
그림 10. 압력과 펌프
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고진공 및 초고진공용
펌프는 반드시 저진공용
펌프(mechanical pump,
Sorption)와 직렬로
조합되어 사용됨.
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 로터리 펌프(Rotary Vane, Oil-sealed Mechanical Pump): Low vacuum영역에서
단독으로 쓰이거나, 고진공, 초고진공 펌프의 backing pump로 가장 많이 사용됨.
 동작원리: 29Hz로 회전하는 vane에 의해서 공기를 압축 시킨후 밖으로 방출시킴.
(흡입구로 공기 들어옴  vane에 의해서 공기 압축  압축정도가 계속 증가함
배출구 직하의 압력이 1 atm이상으로 증가  배출구 열림  공기배출
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 확산 펌프(Diffusion Pump): 확산펌프는 high vacuum용으로
외부에 냉각수가
흐르게 하고, 밑에는 가열판이 있으며 안쪽으로는 3단의 노즐이 있음.
 원리: 가열된 Oil 이 노즐에서 분사  분사된 증기가 공기분자를 배출구로 압축시킴
 반드시 backing pump로 배기시켜야 됨.
High Vacuum
Backing pump
Low Vacuum
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 터보분자 펌프 (Turbomolecular Pump: TMP): 마치 선풍기의 날개가 고속도로 회전
하면서 공기분자를 특정한 방향으로 튕겨 날려보내는 원리를 사용한 펌프 임.
 고진공을 위하여 backing pump로 로터리 펌프와 결합하여 가장 많이 사용됨.
순유동 방향
Backing pump
회전수: 20000~5000rpm
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4. 진공 게이지 (Vacuum Gauge): 챔버내의 압력(진공)을 측정하는 장치
그림. 22 압력과 진공게이지
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 이온 게이지 (Ion Gauge): 고진공용 진공 게이지임.
작동 원리: Hot filament, grid, collector로 이루어짐. 필라멘트에 전류 흐르면
 열전자 방출  그리드로 끌림  이때 충돌로 가스 분자들 이온화됨
 기체분자들이 많으면 이온화된 분자가 많아짐 ion collector의 이온전류 증가
( + 150 V)
( - 20 V)
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즉,
이온전류
측정으로
압력환산 함
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 피라니 게이지 (Pirani Gauge): 저진공용 진공 게이지임.
 작동 원리: filament 가열시 접점에서 TC로 온도를 측정하여 압력으로 환산
(압력이 높으면 많은 열 방출 됨 접점의 온도가 낮아짐  저항 감소  압력 환산 )
현재 추세: 필라멘트의 온도를 일정하게 유지시키는데 필요한 추가전압  압력환산
TC
F
** Wheatstone bridge사용 정교한 R변화 감지
Const. Current
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5. 진공 시스템의 기타 요소: feedthrough, sealing for fitting, 밸브, 플렌지
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게이트 밸브, O-ring 등
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6. 진공 시스템의 개략도: TMP, Rotary Pump, 진공 게이지, 게이트 밸브
시편/치구
타겟 등
[F-valve와 R-valve 둘중 하나는
반드시 colsed 되야 함.]
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MFP ??
[CRT]
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[FED]
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숙제
1. Define what is vacuum
2. 진공도의 변화에 따른 기체의 flow의 변화를 설명하시오.
3. Mean free path를 정의하고, 진공도와의 관계를 설명하시오.
4. 진공 펌프(pump)의 종류와 작동 원리를 설명하시오.
5. 진공 게이지(gauge) 종류와 작동원리에 대해 설명하시오.
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