크라이오 펌프 관련

 

 

 

5.3 크라이오 펌프

크라이오 펌프(cryo pump)는 원래 cryogenic pump의 줄인 말로써, cryo는 저온이라는 의미이다. 썸프의 원리는 이미 앞서 러핑 펌프에서 기술하였듯이, 저 진공 펌프에서 섭션 펌프나 확산 펌프에서 사용하는 냉온 트랩과 유사한 것으로 온도를 낮추어 표면에 흡착하도록 하는 방식이며, 일종의 포획 펌프이다. 즉, 기체분자를 차갑도록 온도를 낮추어 운동 에너지를 잃고 펌프 내에 얼려 붙잡아두는 독특한 방식의 펌프라 할 수 있다. 확산 펌프나 터보 펌프와 같은 오일을 사용하거나 기계적으로 동작하지 않기 때문에, 역류에 대한 문제가 전혀 없으며, 또한 펌프와 외부로 연결되는 컴프레서(compressor)의 동작으로 인한 소음을 제외하면 소음이나 진동에 대한 염려가 없다고 할 수 있다. 1930년대에 시작된 초기의 크라이오 펌프는 저온을 형성하기 위해 구조는 간단하였지만, 액체 질소나 액체 헬륨을 이용하여 각각 77K와 42K까지 만들어 이용하였다. 크라이오 펌프 기술의 가장 중요한 전환점은 1950년대 후반에 Gifford-McMahon이 수소, 헬륨이나 네온을 수착(sorption)하기 위해 개발한 냉동기(reffrigerator)로 활성탄을 이용한 것이다. G-M 냉동기(Gifford-McMahon refrigerators)의 구조는 서로 다른 직경을 가진 2단의 실린더형 냉온 진공 펌프로써, 1단에서는 65K까지 냉각하고 2단에서는 10~15K까지 냉각할 수 있다. 1980년 P.D. Bentley가 GM 냉동기의 동작 원리와 이론을 기술하였고 R.Haefer가 냉온 펌프의 동작을 구체적으로 설명하였다. 이후, 크라이오 펌프는 우주항공과 군용 산업을 비롯하여 산업용으로 개발되었다.

 

 

 

5.3.1 크라이오 펌프의 원리

압력이란 단위 면적당 작용하는 힘으로써, 진공에서의 압력은 기체 분자들이 운동하여 진공 용기 벽에 충돌하여 작용하는 힘이라 할 수 있다. 만일, 기체분자가 운동 에너지를 잃고 움직이지 않는다면 용기 벽과의 충돌은 없을 것이고 압력도 ’0'이 될 것이다. 이미 기술한 것처럼 식 (5-1)은 기체분자 하나가 가진 평균 에너지와 온도와의 관계를 나타낸 것이다. 식에서 온도가 0K라면, 질량은 ‘0’ 이 될 수 없기 때문에 속도가 ‘0’ 이 되며, 기체분자가 움직이지 않으면 압력은 '0‘이 된다. 이와 같이 온도를 낮추어 기체 분자들이 움직이지 못하도록 만든 장치가 바로 크라이오 펌프이다. 일반적으로 온도가 높으면 진공을 형성하는데 더 많은 시간이 소요되며, 진공 용기의 가스 온도가 낮을수록 배기가 용이해진다. 그러나 수증기는 분자 구조상 극성을 가지기 때문에 진공 용기 내벽에 달라붙어 잘 떨어지지 않는다. 따라서 수분을 떨어뜨리기 위해서는 진공 용기의 외벽에 가열기를 설치하여 온도를 높이면 물분자가 충분한 에너지를 얻게 되어 벽에서 떨어져 배기할 수 있다. 이때, 크라이오 펌프가 동작하여 온도를 낮추면 압축기에 압축된 헬름이 펌프의 실린더로 이동하며, 압축된 헬륨은 실린더에서 팽창하면서 온도가 급격히 감소한다. 여기서 크라이오 펌프의 실린더 벽과 헬륨 사이에 온도차에 의해 온도가 높은 벽에서부터 낮은 헬륨 쪽으로 열이 이동하게 되며, 온도가 내려가면 기체 분자들이나 수분은 에너지를 잃고 속도가 느려져 크라이오 펌프 내에 있는 다공질의 활성탄에 가두게 되어 압력이 낮아지는 원리이다. 그림 5-22는 크라이오 펌프의 내부 단면도를 나타낸다. 지금까지는 간단한 크라이오 펌프의 기본 동작에 대해 살펴보았는데, 이와 같은 크라이오 펌프의 원리는 3가지로 저온 응축(oryocondensation), 저온 흡착(oryosorption) 및 저온트랩(cryotrap)이 있으며, 이에 대한 원리를 기술하도록 한다.

 

 

 

1.저온응축

고체 표면의 온도를 낮추면 기체분자가 표면에 흡착하며, 이를 일반적으로 응축이라 하는데, 저온 응축이란 매우 낮은 온도에서 기체 분자들을 상당한 두께로 응축시키는 것을 의미한다. 이러한 응축 현상이 계속 일어나기 위해 서는 고체 표면의 온도가 주위 기체 압력의 포화 온도보다 낮아야 한다. 즉, 어떤 기체를 응축하여 배기하기 위해서는 기체의 포화 증기압 정도로 낮추어야 한다. 예로서, 물분자는 130K에서 $10^{-10}$ torr 정도의 고진공을 형성할 수 있지만, Ar, $N_2$, $CO_2$ 등과 같은 기체들은 20K 정도까지 낮추어야 $10^{-10}$ torr 이하로 진공도를 내릴 수 있다. 응축 현상에 의한 배기 효율은 고체 표면에 충돌하는 분자의 수에 대한 응축 분자의 비율에 의해 결정되는 응축 계수로 나타난다. 이와 같은 응축 계수는 기체 종류, 온도 및 포화도 등의 함수이다.

 

 

 

2.저온흡착

보통 고진공에서 온도를 낮추어 배기하는 기체분자들은 다음과 같이 분류하는데, 77K의 액체질소에서 고진공을 얻을 수 있는 기체를 제 1종이라 하고, 대략 20K 정도의 온도에서 고진공을 얻는 기체를 제 2종이라 하며, 마지막으로 20K 이하의 극히 낮은 온도에서 고진공을 얻는 기체를 제 3종이라 한다. 수소, 헬륨 및 네온과 같은 기체분자는 제 3종에 속하는 기체로써, 저온 응축에 의해 배기하는 것이 적절치 못하며, 이러한 기체들은 저온흡착에 의해 제거하게 된다. 저온 흡착이란 흡착되기 어려운 가벼운 기체 분자들을 흡착하기 위해 아주 낮은 저온에서 이루어진다는 점이 액체 질소를 이용하는 일반적인 흡착과 다르다. 대체로 제 3종의 기체 분자들은 흡착매와의 결합력이 낮기 때문에 심지어 다른 기체가 흡착하면서 발생하는 잠열로 인하여 이미 흡착된 제 3종의 기체들이 방출될 수도 있다. 그러므로 펌프의 설계에 있어 다른 기체분자가 가능한 저온 흡착면에 도달하지 않도록 하여야 한다. 흡착매의 선정은 섭션 펌프와 유사하지만, 섭션 펌프의 배기 대상이 공기인 반면에 저온 펌프는 수소를 비롯한 불활성 기체들이기 때문에 코코넛 활성탄을 사용하는 것이 바람직하다.

 

 

 

3.저온트랩

저온 트랩이란 응축이 잘되는 Ar과 같은 기체를 이용하여 흡착면을 재생시 키면서 흡착하는 원리이다. 즉, 극저온의 고체 표면에 Ar를 많이 공급하면 다공성의 응고층이 형성되어 표면적이 커지게 된다. 이때 같이 흡착되는 기체 분자들이 응고되면서 배기하게 되며, 새로운 응고층이 계속 만들어지기 때문에 복사열이나 잠열이 일어나더라도 가벼운 기체의 재방출 없이 트랩 될 수 있다.

 

 

 

5.3.2 크라이오 펌프의 구조

이미 기술하였듯이, 크라이오 펌프는 터보 펌프와 같이 매우 청결한 작업을 수행할 수 있는 펌프로써, 첨단 반도체나 디스플레이 공정 분야에서 많이 사용하고 있다. 이제, 크라이오 펌프의 주요 구성에 대해 살펴보도록 한다. 크라이오 펌프는 크게 압축기와 저온봉을 합한 냉동기, 저온면(cryoarray) 및 저온 흡착매로 나눌 수 있다. 냉동기는 압축기와 저온봉이 일체화된 스터링(stirling) 형과 분리된 G-M형(Gifford-McMahon type)이 있으며, G-M형에서 저온봉은 펌프 내에 설치되고, 압축기는 따로 외부에 설치되어 호스로 연결된다. 현재 대부분의 크라이오 펌프는 G-M방식을 채택하는데, 이는 압축기를 외부에 설치함으로써 진동을 차단할 수 있기 때문이다. 그림 5-23은 크라이오 펌프의 내부 구조와 외형(CTI사 CRYO-TORR7)을 나타낸다. 일반적으로 펌프 내부의 냉각 단은 2단으로 구성된다. 저온 면은 배기 기체인 분자들이 직접 접촉하는 면으로 그림 5-24에서 나타내듯이, 안쪽으로는 활성탄(activated charcoal)이 붙어 있으며, 활성탄은 다공질 구조를 하기 때문에, 기체분자가 미로와 같은 다공질 내를 돌아다니다가 트랩 하게 된다. 저온 면은 속이 깊은 접시를 엎어놓은 듯한 구조로 여러 개를 적층으로 형성하며 저온 면의 온도가 배기 성능을 좌우하게 된다. 그림 5-23에서 나타나듯이, 저온 면과 저온봉을 컵 모양의 복사열 차단면이 감싸고 있으며, 이는 복사열의 부하를 줄이기 위해 방사율이 낮은 Ni로 코팅한다. 저온 흡착매인 활성탄의 특성으로는 많은 기체분자를 트랩 하기 위해 표면적이 넓고, 다공질로 들어온 기체는 에너지를 잃고 자리 잡게 되며, 또한 일단 다공질의 미로로 들어온 기체분자는 벗어나기 힘들게 된다. 그리고 흡착 잠열이 적으며, 상온으로 온도를 올려 다공질 내의 기체분자를 방출하여 펌프를 재생할 수 있다. 크라이오 펌프는 헬륨 컴프레서(He compressor) 모듈, 크라이오 펌프 모듈 및 이들을 연결하는 호스로 구성되며, 그림 5-25에서는 크라이오 펌프의 시스템을 나타낸다. 이미 앞 장에서 기체의 부분압에 대해 기술하였듯이, 진공 시스템에서 최종 압력은 부분합의 합으로 얻을 수 있는데, 특히 고진공에서 최종 압력은 매우 중요한 성능을 나타낸다. 크라이오 펌프에서 응축으로 배기 되는 기체들의 부분은 저온 면의 온도에 의한 포화증기압으로 얻을 수 있으며, 예로서 제 1단에서 배기 되는 $H_2O$에 대한 부분합은 $10^{-10}$ torr 이하가 되기 위해서는 배플의 온도가 130K보다 낮아야 하며, 다른 기체들은 제 2단에서 응축되며 이들의 부분이 $10^{-10}$ torr이하가 되려면 최대 온도가 20K보다 낮아야 한다. 크라이오 펌프는 일정 시간 사용한 후에는 성능이 급격히 저하하기 때문에 재생하여야 한다. 이와 같은 배기 성능에서의 저하는 응축에 따라 다르다. 크라이오 펌프를 오래 사용하면, 저온 면의 표면에 배기 기체가 쌓이게 되어 표면의 온도가 높아지며, 이는 기체의 압력이 증가되기 때문이다. 흡착의 경우에 $H_2$O와 같은 극성 분자는 표면에 흡착하면 매우 느리게 이동함으로 가벼운 기체인 $H_2$나 He가 흡착되는 것을 방해하여 용량이 떨어진다. 이러한 현상은 특히 배기 초기에 발생하게 되며, 저온 면의 온도를 조절하여 저온 면에 흡착하는 $H_2$O 분자의 양을 조절하여야 한다. 크라이오 펌프에서 배기속도는 배기되는 기체분자가 얼마나 빨리 저온 면에 도달하는지를 의미하지만, 배기 되는 전체 기체분자의 양은 유량으로 결정된다. 따라서 각 단에서의 냉각용량이 바로 유량을 나타낸다. 일반적으로 압력이 낮은 경우, 기체분자의 제거 능력은 배기속도에 의해 나타낼 수 있으며, 이는 압력이 낮으면 배기 능력은 충분하므로 저온 면에 도달하는 속도인 배기속도에 의해 좌우된다. 그러나 압력이 높은 경우에는 저온 면에 도달하는 기체분자를 얼마나 많이 흡착하는가는 배기 능력은 유량에 의해 결정된다.