초고진공펌프

 

 

 

초고진공펌프

초고진공(UHV; ultra high vacuum) 영역은 대표적으로 $10^{-8}$ torr 이하의 압력으로 정의하며, 이미 제3장 펌프의 분류나 선정에서 기술하였듯이 초기의 저진공을 형성하기 위해 먼저 러핑 펌프를 사용하여 배기하고, 연이어 고진공 펌프를 동작시켜 고진공 압력 영역으로 배기한 후에 초고진공 펌프를 이용하여 희망하는 초고진공 영역으로 배기한다. 혹은 초고진공 펌프의 종류에 따라 고진공 펌프를 사용하지 않고 바로 초고진공 펌프를 동작시켜 초고진공 압력 영역으로 배기할 수도 있지만, 일반적으로 고진공 펌프와 초고진공 펌프를 동시에 동작하거나 혹은 두 개 이상의 초고진공 펌프를 병행하여 배기하게 된다. 그러나 초고진공 영역에 성공적으로 도달하기 위해서는 심지어 탈가스(out-gassing), 진공 용기의 벽을 통과하는 누설이나 대기압으로부터의 누출 등을 포함하는 모든 누설 근원의 가능성을 고려하여 엄격히 제어할 수 있어야 한다. 또한, 초고진공의 압력 영역으로 진입하기 위해 진공 시스템을 설계함에 있어 지켜야 하는 몇 가지 기본적인 규칙이 있는데, 우선 첫 단계로써 진공 시스템의 내벽에 달라붙은 기체분자를 탈가스하여야 하며, 진공 용기의 외벽에 가열 테이프를 쌓아 정상적인 동작 온도보다 높은 적어도 200°C 정도의 온도로 bake 하여야 한다. 둘째로는 진공 시스템의 표면적을 줄여야 하는데, 이는 탈가스 비율이 면적에 비례하기 때문이며, 따라서 다공질의 소재를 피하는 것이 바람직하다. 마지막으로 진공 용기의 소재로는 대기 중의 기체가 침투하지 않는 것으로 고려하여야 한다. 특히, O-ring 플랜지(O-ring flange)는 시스템을 bake 하거나 대기 중의 기체가 침투할 수 있음으로 사용하지 않는 것이 좋으며, O-ring 플랜지 대신에 금속 가스켓 플랜지(metal gasket flange)로 대체하는 것이 바람직하다. 초고진공 펌프는 그림 6-1에서 나타내듯이, 몇 가지 종류가 있으며, 이번 장에서 다루게 되는 초고진공 펌프로는 게터 펌프(getter pump), 티타늄 승화 펌프(titanium sublimation pump) 및 이온 펌프(ion pump) 등이 있고, 이들 펌프의 동작 원리, 구조, 특성 및 일반 사용법 등에 대해 기술해 보도록 한다. 

 

 

 

6.1 게터 펌프

게터 펌프(getter pump)는 진공 용기 중에 운동하는 기체분자가 화학적으로 활성인 금속 표면에 흡착되어 배기 되는 펌프이다. 여기서 게터(getter)이란 활성화된 금속 표면에 기체분자가 도달하면 쉽게 결합하며, 이때 증기압이 낮은 화합물로 변환하여 배기하는 물질을 의미하고, 게터링(gettering)이란 이와 같은 물질을 이용하여 기체를 제거하는 과정을 말한다. 그러나 게터링은 반응성의 기체가 금속 표면에 흡착되는 단순한 과정이 아니며, 표면에 흡착된 기체가 내부로 확산되거나 이동하여 반응함으로써 안정화되어야 한다. 이와 같은 게터링 과정은 아직 이론적으로 명확히 정립되지 않은 복잡한 반응이며, 다만 기체분자가 표면에 흡착되고, 내부 확산을 거쳐 화학적으로 안정화되는 3단계로 전개되는 것으로 알려져 있다. 따라서 게터 펌프의 기본적인 원리는 기체 분자들을 포획하고 화학적으로 반응하여 결합하는 것이라 할 수 있다.

 

 

 

6.1.1 게터 펌프의 종류와 원리

게터 펌프를 분류하면, 증발 여부에 따라 증발형(evaporable type)과 비증발형(nonevaporable type)으로 나누며, 결합 방식에 따라 화학적 게터와 물리적 게터로 구분한다. 화학적 게터는 기체분자가 금속 표면에 화학적으로 결합하여 흡착하는 것이며, 물리적 흡착보다 강하게 달라붙는다. 물리적 게터는 아주 낮은 온도인 극저온 상태에서 약한 결합력으로 가스를 흡착하게 된다. 그리고 증발형 게터에서는 Ga이나 Ti와 같은 소재를 증발시켜 배기하며, 비증발형 게터 (non evaporable getter; NEG)는 대부분 합금으로 구성된 대형이나 덩어리 형태의 게터이다. 이와 같은 게터 물질은 화학적으로 안정된 화합물을 형성하여진 공용기 중에 잔류하는 기체를 제거하는 일종의 화학 펌프라고 할 수 있다. 비증발형 게터는 일명 덩어리 게터(bulk getter)라고 부르며, 증발형의 게터와 달리 증발시키지 않고 게터 표면에 얇은 보호막인 산화물이나 탄화물을 제거하는 과정인 활성화(activation)를 통하여 기체분자를 흡착하게 한다. 이는 진공 중에서 수 백도로 가열하면 표면을 둘러싸고 있는 보호막이 게터 내부로 확산 함으로써 게터의 표면에는 새로운 게터가 형성되어 지속적으로 배기하게 된다. 그림 6-2는 이와 같은 비증발형 게터의 활성화 과정을 나타내고 있다. 이러한 활성화 과정에는 온도 이외에 비활성층이 내부로 확산하기 위해 소요되는 시간에도 의존하게 된다. 비증발형의 게터를 활성화하는 방법에는 여러 종류가 있는데, 주로 가열하는 방식에 따라 고주파 가열, 전류 가열, 레이저나 적외선 가열 및 간접 가열 등으로 분류한다. 고주파 가열은 코일에 고주파를 인가하면 자기장이 발생하여 게터 표면에 유도되는 전류로 게터를 가열하는 방식이다. 이는 외부에서 코일을 통해 가열시키는 특징을 가진다. 전류 가열 방식은 내장된 히터를 가진 게터에 전류를 흘려줌으로써 Joule 열에 의해 직접 가열하는 것으로 가장 확실하게 활성화할 수 있다. 레이저나 적외선 가열법은 창을 통하여 게터에 레이저나 적외선램프에서 발생하는 빛으로 가열하는 방식이며, 간접 가열은 게터를 직접 가열하지 않고 내부에 설치된 가열기를 통해 장시간 가열하는 방식이다. 비증발형 게터의 소재로는 표면 흡착이나 내부 확산 및 화학적으로 결합하는 속도가 빠른 재료를 필요로 하며, 이러한 소재로는 표 6-1에서 나타나듯이 Ta, Nb, Ti 및 Th 등이 있으며, 최적으로 동작하는 온도는 재료에 따라 다르지만, 대략 수 백도에 이른다.