9.3.2 영구 접속
진공 시스템에서 여러 진공 부품을 누설이 없이 결합하는 가장 대표적인 방법은 영구적으로 접속하는 용접이다. 금속 용접은 접촉 부위의 강도나 누설에 대한 안전성이 가장 우수한 결합 방식으로 초고진공 시스템에서는 가급적이면 용접으로 접속하게 된다. 용접에 있어 가장 중요한 것은 용접 부위에 흠집이나 균열이 발생하지 않도록 주의하여야 하고, 이를 위해 용접선은 외부에 형성되도록 하여야 한다.
(1) 저온 용접
저온 용접(cold welding)은 ion pump나 진공 tube 등에 OFHC 튜빙을 밀폐하기 위한 일반적인 방법이다. 도체나 접속 단자가 연결되는 부위에 대전류를 흘려보내 용접하는 것으로 진공상태에서 진행하는 고급 용접법이다. 용접된 부분을 해체하려면 절단기를 사용하여야 하고, 입자를 발생할 수 있는 절단기는 사용하지 않는 것이 바람직하다. 이는 개봉으로 인하여 진공 중으로 빨려 들어갈 수 있기 때문이다.
(2) 브레이징
브레이징(brazing)은 우수한 접합을 만드는 고온 접합 기술로써, 수소(H2) 분위기의 용광로 상태에서 이루어진다. 수소는 접합 부위의 산화를 막아주고 온도조절을 정밀하게 할 수 있다. 토치(torch)를 이용하여 정교하게 작업하여야 하는데, 이는 누설이 발생할 수도 있고 혹은 탈가스의 원인을 제고할 수도 있기 때문이다. 장점으로는 열이나 압력을 가하지 않은 상태에서 용접할 수 있다는 점이며, 다양한 합금을 용접하는 것이 가능하다. 세라믹에 Kovar나 스테인리스강 등을 용접할 경우에 브레이징을 주로 사용한다. 그러나 세라믹을 용접할 때 균열이 발생할 수 있기 때문에 주의하여 작업하여야 한다.
(3) TIG 용접
TIG 용접(tungsten inert gas welding)은 진공 시스템을 만드는 접합 과정에서 가장 많이 사용하는 방식으로 접합 부위를 아크 용접하는 접합 기술이다. TIG 용접의 토치는 접합부에 아주 큰 힘을 주게 되며, 융점이 1,500°C 정도인 스테인리스강을 용접하는 데 유용하다. 작업 과정에서 아르곤과 같은 불활성 기체가 용접 토치나 접합 부위로 들어갈 수 있으며, 이는 재료나 접합 부분의 산화를 방지할 수 있는 장점이기도 하다.
이와 같은 용접 이외에 많이 사용하는 접합이 납땜(soldering) 방식이다. 일반적으로 두 개의 접합 부위를 결합하는 용접과는 달리 납땜은 중간 접합제를 재료에 결합하는 방식이다. 보통 진공 부분에는 경납땜(hard soldering)을 이용하는데, 은(Ag)이나 니켈(N)을 사용하며, 저융점 금속이 고진공에 적합하고, 주석(Sn)과 같이 높은 증기압을 발생시키는 납땜은 진공 시스템에 사용하지 않는다. 용접의 경우와 유사하게 접합재가 진공 안쪽으로부터 바깥쪽으로 흘러 들어가도록 작업하여야 하고, 균열이나 흠이 생기지 않도록 주의하여야 한다. 유리나 세라믹을 접합할 경우에는 용융접합(fused seal)을 이용하며, 이러한 소재를 결합할 경우에 중요한 사항은 열팽창계수이다. 두 재료의 열팽창계수가 거의 동일하여야 접합이 가장 용이하지만, 만일 열팽창계수가 서로 다를 경우에는 이들 열팽창계수의 중간 정도인 재료를 사이에 두고 단계적으로 결합하는 것이 바람직하다. 초고진공 영역에서 사용하는 유리와 유리를 접합하기 위해 적합하며, 전기 관통(olectrical feedthrough) 공급 관류나 고온 내시창(window) 등의 유리•금속 결합 제작에도 사용된다.
9.4 진공 시스템의 설계
진공 시스템의 구조를 설계하기 위해 가장 중요한 요소는 사용하고자 하는 공정의 용도일 것이다. 용도의 결정이 이루어지면, 진공 용기의 크기, 펌프의 선 정과 용량, 사용할 소재 및 각종 진공 부품 등이 결정될 것이고, 사용하려는 압력의 범위와 기체 종류 및 특성 등을 고려하여 진공 시스템이 구성될 것이다. 이제, 몇 가지 대표적인 진공 시스템에 대해 부록 B에서 나타낸 기호를 이용하여 기술하도록 한다.
9.4.1 확산 펌프를 이용한 진공 시스템
그림 9-13은 확산 펌프를 사용한 진공 시스템에 대한 것으로 나타내고 있다. 그림과 같은 시스템은 고진공을 얻기 위해 가장 전형적으로 요구되는 필수 구성을 나타낸다. 가장 일반적이고 신뢰할만한 진공 시스템을 갖추기 위해서는 회전식 기계적 펌프(mechanical pump)와 확산 펌프(diffusion pump)를 비롯하여 cold trap과 baffle 장치를 추가하게 된다. 보통 기계적 펌프는 10 mtorr까지 압력을 낮출 수 있으며, 진공 용기 내의 공기를 물리적으로 제거하는 장치이다. 초기 진공을 만들기 위해 공기를 제거하는 역할을 하지만, 기계적 펌프만으로 고진공을 만들지는 못한다. 따라서 확산 펌프를 사용하게 되는데, 사실 확산 펌프는 대기압에서 동작하지 않기 때문에 이를 도와주기 위해 먼저 기계적 펌프로 초기 진공을 만들게 된다. 그림에서와 같이 기계적 펌프는 포 라인이나 러핑 라인과 연결되어 있기 때문에 roughing pump, fore(line) pump, backing pump 등으로 부르기도 한다. 확산 펌프의 동작은 이미 앞 장에서 기술하였지만, 간단히 다시 설명하기로 한다. 확산 펌프의 내부에는 우산형의 증기 분사기가 있으며, 좁은 분출구를 통하여 위에서 아래로 제트(jet)의 속도로 오일 분자를 분출하게 되고, 고속으로 분사된 오일 증기는 공기 분자와 충돌하여 아래로 이동한다. 펌프의 차가운 내벽에 도달한 오일 분자는 농축되어 바닥으로 흘러 내려가며, 히터의 가열을 통하여 오일은 다시 순환하고 공기는 배기구를 통해 외부로 배출된다. 일반적으로 확산 펌프에서 사용하는 오일은 매우 낮은 증기압을 가진다. 실제로 확산 펌프의 오일 분자는 모두 농축되지 못하며, 극히 일부의 오일 증기는 HiVac 밸브를 통해 진공 시스템을 오염시킬 수 있다. 이와 같은 오일의 역류 현상을 방지하기 위해 수냉식 baffle이나 cold trap을 진공 용기와 확산 펌프 사이에 설치하게 된다. 따라서 확산 펌프 내에서 농축되지 않은 오일 증기를 이러한 장치를 통해 농축시키거나 냉각하여 오일 증기에 의한 오염을 제거할 수 있으며, 시스템의 압력을 더욱 낮추게 된다. 그림에서 Hi-Vac 밸브와 포라인 밸브는 진공 시스템에서 배출되는 공기를 격리하는 역할을 하게 된다. 진공 시스템을 roughing 하는 동안에 러핑 밸브는 열리고 약 수십 mtorr를 유지하면, 러핑 밸브를 닫은 후에 Hi-Vac 밸브와 포라인 밸브를 열어 공기를 반출하게 된다. 이때, venting 밸브는 항상 닫은 상태를 유지하여야 한다. 진공 시스템의 공정이 모두 끝나게 되면, Hi-Vac 밸브를 비롯하여 포라인과 러핑 밸브를 모두 닫고 진공 용기의 내부로 건조한 질소가스를 유입할 수 있도록 venting 밸브를 열게 된다. 확산 펌프를 이용한 시스템의 장점은 구조가 간단하고, 가격이 저렴하며, 높은 유량을 가지고 연속 동작이 가능하다는 것이다. 단점으로는 오일의 역류가 발생할 수 있고, 이를 방지하기 위해 크라이오 트랩과 액체 질소를 사용하게 되면 운영비용이 올라가게 된다.
9.4.2 터보 분자 펌프를 이용한 진공 시스템
그림 9-14는 터보 분자 펌프를 이용한 진공 시스템을 나타낸다. 터보 펌프의 장점은 시동 운전이 매우 빠르다는 것이고, 오일을 사용하지 않기 때문에 청정한 진공 시스템을 운용할 수 있다. 확산 펌프와 같이 포라인과 러핑 라인과 연결된 기계적 펌프가 필요하며, 입자에 민감하고 초기 설비와 유지 보수비용이 많이 필요로 한다.
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