9.2.2 알루미늄
고진공 시스템에서 알루미늄(aluminium)이나 알루미늄 합금은 폭넓게 사용되고 있는데, 이는 알루미늄이 가볍고 강도가 높으며 열전도율이 우수하여 온도특성의 효율이 높기 때문에 진공 용기와 각종 진공 부품으로 많이 사용한다. 또한, 비자성체로써 전기전도가 우수하며, 부식에 강한 편이고, 금과 같이 유연하여 가공하기 쉬우며, 가격이 저렴하다는 장점을 가진다. 진공 시스템에서 알루미늄을 사용할 경우, 가장 문제시되는 점은 바로 밀봉이다. 고진공 영역에서 고무 O-ring을 사용하게 되면 그리 큰 문제는 발생하지 않지만, 초고진공의 경우에는 알루미늄이 연한 재료이기 때문에 적합한 개스킷 재료를 구하기 어렵다. 따라서 알루미늄을 용접하게 되면, 이와 같은 문제는 사라지지만, 반면에 용접 부위에서 다공질성이 만들어지면서 기체방출의 요인을 제공하기도 한다.
9.2.3 구리
구리는 전기전도 및 열 전도성이 우수하며, 가공하기 용이한 재료이기 때문에 진공 용기의 입출 배기관의 소재, 금속 개스킷 및 냉각관 등에 많이 사용되며, 또한 증착장비의 back plate나 electrical feedthrough로 주로 사용한다. 일반적으로 진공 시스템에서 사용하는 구리는 무산소로 처리된 특수구(OFHC)로써, 일산화탄소나 수소 가스 분위기 내에서 정제하게 되며 산소가 매우 적게 포함되며, 따라서 탈가스가 많이 발생하지 않는다. OFHC 구리는 온도 범위가 넓기 때문에 약 450°C 정도로 베이킹(baking)하더라도 견딜 수 있으며, 부드러운 소재임으로 이상적인 금속 개스킷으로 사용된다. 구리를 크게 구분하면, 전기 구리, 무산소 구리 및 탈산 구리로 나누는데, 보통 구리라고 부르는 것이 바로 전기 구리이며 산소를 0.02~0.05% 정도 포함한다. 일반적으로 전기 구리는 진공 시스템에서 사용하지 않는다. 탈산 구리는 인이나 마그네슘을 소량 포함하며, 표 9-2에서는 이러한 구리들에 대한 재료 조성을 나타낸다. 구리는 순도가 높아질수록 유연해져서 인장강도가 약해진다.
9.2.4 유리
유리를 실리카(SiO$_2$)의 성분비에 따라 구분하면, 70% 미만을 연성 유리, 70% 이상을 경화 유리, 그리고 100% 실리카를 가진 석영 유리(quartz)로 나눈다. 이외에 진공 시스템에서 쓰이는 유리를 살펴보면 pyrex, quartz, sapphire 및 Mgf$_2$, 등이 있다. 유리는 높은 강도와 낮은 기체 발생률을 가지며, 전기나 열에 대해 절연성을 나타내기 때문에 진공 소재로써 많이 사용한다. 대체로 유리는 실리카의 비율이 증가하면 단단해지고 사용 온도도 증가하는데, 석영 유리는 1,300°C 까지 사용할 수 있다. 유리는 진공 시스템에서 사용하는 일반 금속재료와 열팽창계수가 다르기 때문에 유리를 진공 용기로 사용하는 경우에 높은 온도로 베이킹하는 것은 바람직하지 않으며, 250°C보다 낮은 온도로 유지 하여야 한다. 그리고 quartz나 sapphire 등은 사용 온도 범위가 높고, 광학적 특성이 우수하며, 자외선을 통과시킬 수 있지만, 깨지기 쉽고 가격이 비싸다는 단점을 가진다. 헬륨은 대부분의 유리를 관통하여 지나갈 수 있다. 유리와 금속 혹은 세라믹과 금속을 결합하기 위해 Kovar가 사용되는데, 이는 세라믹과 스테인리스강의 중간 정도의 열팽창계수를 가진다. Kovar의 구성은 Fe(54%), Ni(29%)와 Co(17%)로 이루어진 합성 자성체이다. 세라믹과 금속에 각각Kovar로 브레이징(brazing)하게 되면, 극한의 온도에 노출되더라도 누설 없이 밀폐할 수 있다.
9.2.5 세라믹
세라믹은 금속의 산화물, 탄화물, 질화물 및 규화물로써, 다결정의 미세구조를 가진다. 세라믹의 특징으로는 열적 및 전기적으로 절연성이 우수하며, 유리 나 금속보다 높은 강도를 가지고, 금속과 접착할 수 있으며, 1,500°C 정도까지 사용할 수 있는 높은 온도 범위를 가진다는 것이다. 반면에 깨지기 쉽고, 진공을 위해 특수한 기술이 필요하다는 단점을 가진다.
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