직접 측정 게이지

 

 

 

7.2 직접 측정 게이지

기체의 압력을 직접 측정하는 진공 게이지는 일반적으로 기체의 물리적인 성질과는 무관하다. 액체의 높이를 측정하여 압력차를 측정하거나 압력에 의한 기계적 변화를 측정하는 것으로 주로 저진공 영역에서 동작하게 된다. 

 

 

 

7.2.1 액체 압력계

그림 7-4는 액체 압력계(liquid manometer)의 간단한 구조를 나타내는데, 가장 오래된 진공 게이지라고 할 수 있다. 구조는 U자형의 유리관에 들어있는 액체 높이의 차를 이용한 것으로 양단의 압력을 $P_1$과 $P_2$라고 하면, 압력의 차는 다음과 같다.

$$ P_1 - P_2 = h \rho g $$

여기서, h는 높이의 차이고, $\rho$는 액체의 밀도 g는 중력 가속도이다. 압력계의 액체는 증기압이 낮은 수은이나 확산 펌프류를 주로 사용하지만, 진공 시스템의 오염을 고려하여 주의해서 사용하여야 한다. 만일, 수은을 사용하면 20°C에서 수은의 증기압이 약 1.2 mtorr임으로 진공 시스템으로의 오염을 방지하기 위해 냉각 트랩을 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 U자 관의 한쪽은 기준 압력을 유지하여야 하기 때문에 기준 압력을 고진공으로 하는 밀폐형과 대기압으로 사용하는 개방형으로 구분한다. 액체 압력계는 주의하여 사용한다면 구조가 간단하고 정밀도가 높다는 장점 때문에 많은 매력을 갖고 있는데, 저밀도의 기름을 사용할 경우에 수은보다 비중이 작음으로 비교적 감도가 좋아지게 되며, $10^{-2}$ torr 정도까지 측정할 수 있다.

 

 

 

7.2.2 McLeod 게이지

McLeod 게이지는 압력계의 범위를 더 낮추기 위해 Boyle의 법칙을 이용한 것이다. 그림 7-5는 McLeod 게이지의 간단한 기본 구조를 나타낸다. 유리관의 주입구에 수은을 넣어 차단선 수준 이상으로 유지하여 압축되면 수은주의 높이 차이로 압력을 측정하게 된다. 측정하는 압력의 범위는 유리구와 모세관의 크기에 의존하지만, 보통 $10^{-5}$ torr 정도까지 가능하다. 물론, 수은을 사용하기 때문에 진공 시스템의 오염이나 인체의 안전에 주의를 기울여야 하고, 따라서 수은 증기에 의한 오염을 방지하기 위해 액체 질소 트랩을 설치하는 것이 바람직하다. McLeod 게이지의 동작 원리를 살펴보면, 진공 용기에 연결하여 압력이 떨어지게 되고 이때 수은주는 유리구를 통해 모세관으로 서서히 올라가게 된다. 그림에서 나타나듯이, 두 개의 모세관에서 높이의 차에 의해 압력은 위치 에너지 인 h$\rho$g만큼 차이가 나며, Boyle의 법칙에 의해 다음과 같은 식이 성립한다.

$$PV = P_fV_f = (P+h \rho g) \times Ah $$

여기서, A는 모세관의 단면적이고, $\rho$는 수은의 밀도이며, V는 유리구와 모세관의 체적이다. 상기 식을 압력 P에 대해 다시 정리하면,

$$P = \frac{A \rho gh^2}{(V - Ah)}$$

이고, 체적 변화분 Ah가 V와 비교하여 무시할 수 있다면, 압력은

$$P = \frac{A \rho gh^2}{V}$$

으로 접근한다. McLeod 게이지는 사용상 많은 주의를 기울여야 하는데, 먼저 높이를 측정하는 것이 매우 중요하며, 수은의 밀도, 중력 가속도 및 모세관 크기에 대해 잘 알고 있어야 한다. 특히, 증기 측정용으로 사용하는 것은 부적합하며, 압축과정에서 응축하기 때문에 상기식을 적용하기 어렵다. 또한, McLeod 게이지의 가장 큰 단점으로는 유리관으로 만들어져 있어 부서지기 쉽다는 점이며, 동작이 서서히 이루어지기 때문에 압력이 연속적으로 변하는 경우에는 이를 측정하기 쉽지 않다.

 

 

 

7.2.3 부르동 게이지

부르동 게이지(Bourdon gauge)는 기계적인 압력계로써, 상대 압력을 측정하며, 대기압 부근의 압력을 주로 측정한다. 그림 7-6에서 보여주듯이, 부르동관의 구조는 한쪽이 막힌 속이 빈 원형의 관에 지시 침이 연결되어 있으며, 다른 쪽은 진공 용기와 연결되어 가스가 배기 되면 부르동관의 탄성 변화에 따라 곡률 반경이 변하여 압력을 측정하는 원리이다. 일반적으로 부르동 제이지의 정확도는 그리 우수한 편이 아니지만, 구조가 간단하고 신뢰성이 있는 게이지로써, 주로 대기압보다 약간 낮은 1~0.1 torr 영역까지의 압력을 측정할 수 있다.

 

 

 

7.2.4 전기용량 게이지

격막을 이용하는 전기용량 게이지(capacitance diaphragm gauge; CDG)는
1960년대 산업용으로 개발되어 사용하고 있는데, 이러한 압력계의 기본 원리는 격막과 대응하는 전극 사이에 압력의 변함에 따라 전기용량의 변화를 측정하는 격막 게이지의 일종이다. 즉, 전기용량은 서로 대응하는 평행판 사이의 간격에 대한 함수라는 것을 이용한다. 그림 7-7은 전기용량 격막 게이지의 간단한 기본 구조를 나타낸다. 전기용량(C)은 다음과 같은 식으로 표현할 수 있으며,

$$C = \epsilon \frac{A}{L}$$

여기서, $\epsilon$ 는 유전율이고, A는 전기용량의 단면적이며, L은 전기용량의 간격이다. 그림에서 격막의 한쪽은 진공 용기로 연결되어 진공도를 측정하고자 하는 부분이고 다른 쪽은 $10^{-7}$ torr 정도의 고진공을 유지하는 기준 압력이다. 기준이 되는 공간에는 세라믹 기판에 원판형 전극과 이를 감싸는 링 모양의 전극이 배치되어 이들이 브리지 회로를 형성하게 된다. 진공 용기 쪽에 압력의 변화가 없으면, 브리지 회로는 일정한 값을 유지하지만, 압력의 변화를 일으키면 막의 변형이 발생하여 전극과 격막 사이에 전기용량의 변화를 나타낸다. 이때, 중앙에 원판형의 용량 변화는 크고 바깥쪽 링 모양의 전기용량 변화는 작기 때문에 브리지 회로에 균형이 깨진다. 전기용량 게이지의 단점으로는 온도 변화에 매우 민감하다는 점이며, 이러한 단점을 보완하기 위해 게이지 몸체를 항온조 내에 설치하여 사용하기도 한다. 반면에 장점으로는 모든 종류의 기체에 대해 게이지가 동작하기 때문에 반응성 기체를 사용하는 공정에서 많이 사용한다.