9.2.6 탄성 중합체
탄성 중합체(elastomer)는 휘기 쉬우나 압축이 어려운 소재로써, 표면이 부드럽기 때문에 주로 접합 표면이나 누설을 제거하는 개스킷으로 많이 사용된다. 탄성이나 복원력이 좋아 다시 사용할 수 있지만, 초고진공 시스템에서 투과성 이 문제시 된다. 일반적으로 탄성 중합체는 헬륨이 많이 스며들 수 있으며, 헬륨으로 누설을 측정하면 헬륨이 서서히 확산하여 실질적인 누설을 일으킬 수 있다. 합성 고무 소재인 Buna-N은 헬륨에 대한 투과 저항력이 높고, 가격이 저렴하기 때문에 많이 사용하며, 80°C 이하의 온도영역에서 사용하기 적합하다. 진공 부품의 연결부에 밀폐용 탄성 중합체로 사용하는 Viton은 Dupon사의 상표명이지만, 워낙 많이 알려져 있기 때문에 고유 명사화하여 부르는 명칭으로 O-ring, valve seal 및 개스킷 등에 널리 사용한다. Viton의 특징은 기체방출이 적고 비교적 열에 안정적이기 때문에 초고진공 시스템에서도 많이 사용한다. 고압에서 눌린 상태로 장시간을 사용하면 형태가 변할 수 있으며, 세척 작업으로 O-ring을 열었다가 닫게 될 경우에는 모양이 뒤틀리지 않도록 주의하여야 하고, 만일 탄성이 줄어들면 새것으로 교환하는 것이 바람직하다. Viton의 사용온도 범위는 약 250°C 정도로 Buna-N보다 높은 편이지만, 헬륨에 대한 투과성은 Buna-N보다 더 크다. Polyimide는 고온에 대한 내성이 높고, 200°C 이상에서도 탄성을 유지하는 특성을 가짐으로 Viton의 대체 소재로 잘 알려져 있다. 대체로 탄성 중합체보다 딱딱한 재료이며 누설을 방지하기 위해 더 높은 압력으로 가하여야 한다. 단점으로는 물을 흡수한다는 점이다. Teflon은 우수한 탄성중합체라고 할 수 있으나, 플라스틱과 유사하여 지속적인 고압이 가해지면 변형이 발생할 수 있다. 또한, Teflon은 150°C 이상에서도 견딜 수 있는 내성을 가지며, 유연한 결합 접합제로 폭넓게 사용되지만, 헬륨 투과율이 높은 편이다. 이외에 진공 시스템에서 널리 사용하는 재료로는 철, 니켈, 수은, 텅스텐, 금, 몰리브덴, 티탄, 탄탈과 같은 금속 재료가 있으며, 비금속 재료로 고무, 운모, 흑연, 흡착제, 냉매, 접착제, 진공 그리스 및 진공 오일 등이 있다.
9.3 진공 결합 기술
진공 시스템은 진공 용기, 진공 펌프, 진공 게이지 및 각종 진공 부품을 연결하여 이루어지며, 따라서 진공 누설이 없는 제작 및 결합 기술은 매우 중요하다. 진공 시스템을 제작하기 위해서는 여러 종류의 재료나 요소 부품을 성형가공하고 용접, 접합 및 밀봉하여야 한다. 진공 기술에서 누설을 일으키는 가장 중요한 요소는 재료 표면에서의 기체방출이나 외부 기체분자의 침투에 의한 것이기 때문에 결합 기술은 주의를 기울여 다루어야 한다. 따라서 본 절에서는 진공 시스템을 분리하고 조립하면서 취급하는 몇 가지 결합 기술에 대해 기술한다.
9.3.1 플랜지 접속
진공 시스템을 구성하면서 분리된 두 개의 접속면이 맞닿는 경우, 외부 대기압으로부터의 공기가 접속면의 작은 틈새를 통해 침투하는 것을 방지하기 위해 접속면의 재료보다 강도가 낮은 재료로 만들어진 개스킷을 이들 사이에 끼워 압력을 가하면 접속면의 불균일한 표면이 개스킷의 표면을 부분적으로 눌러 접속면의 미세한 거칠기를 메워준다. 그러나 접속면과 개스킷 사이에 접촉이 너무 커지면 개스킷 표면의 거칠기가 문제를 일으킬 수도 있다. 따라서 가장 이상적인 접촉 방법은 접속면이 하나의 밀폐된 연결선으로 형성되는 것이 바람직하다. 이처럼 효율적으로 접촉을 만들기 위해 고안한 것이 바로 플랜지(flange)이다. 따라서 플랜지의 구조는 가능한 미세한 누설이 발생하지 않고, 편리하게 접촉할 수 있도록 구성하게 된다. 플랜지는 가운데 놓이는 개스킷에 변형을 줄 수 있을 정도로 강한 재료를 사용하게 되며, 대부분 원형의 플랜지로 만들어진다. 이는 기체분자의 운동이 반경 방향으로 진행되므로 기체 통로를 형성하지 못하도록 반경 방향보다는 원주 방향으로 가공하게 된다. 플랜지의 크기와 모양은 국제 규격으로 정해져 있으며, 여러 종류의 플랜지 중에 그림 9-8에서는 탄성 중합체(elastomer)로 밀폐하는 플랜지인 KF(Klein flange) 형과 금속 개스킷으로 밀폐하는 CF(con flat)형을 나타낸다.
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