진공을 만들어 주는 장치 - #1. 로터리 펌프

 

 

 

   이제 진공펌프를 이용하여 챔버내에 있는 기체분자를 제거하여 진공상태로 만들어보도록 하자. 진공펌프는 배기원리와 사용조건에 따라 매우 다양한 펌프들이 있기 때문에 우리는 우리가 원하는 작업환경이나 압력, 배기속도 및 원하는 가격 등에 알맞은 펌프를 직접 선택해야 한다. 또한, 저진공부터 초고진공에 이르기까지 모든 진공범위에서 작동하는 펌프는 없다. 그래서 어느 펌프와 어느 펌프를 연결시킬 것인가 하는 펌프간의 조합도 매우 중요하다. 때문에 펌프에 대한 가벼운 기본 지식 정도는 알아야 할 필요가 있다. 그러나 우리가 선택해야 할 진공펌프의 종류가 너무도 많다는 것은 참 난감한 일이다. 이 많은 것들 중 무엇을 써야 할까? 시중에 나와있는 진공관련이나 박막관련 서적들 중 일부는 펌프에 대해서 매우 많은 부분을 할애하고 있다. 그러나 대부분의 실험실에서 사용하고 있는 펌프의 종류는 로터리, 오일확산, 터보, 크라이오 등 몇 개에 국한된다. 그 외 다른 펌프들은 찾아보기도 힘든 것이 많다. 단지 펌프의 종류나 구조에 관하여 공부를 하는 사람이라면 그것들 모두 필요하겠지만, 우리가 그 많은 펌프들을 하나하나 모두 다루면서 이야기를 하게 되면 몇개월간 펌프 이야기만 해도 다 못하게 될 것이기 때문에 가장 기본적인 진공펌프 몇 가지만 다루고 넘어가자. 그래서 가장 먼저 로터리 펌프다.

 

로터리(Rotary) 펌프

    압력은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 힘이라고 이야기 했었다. 자연 상태에서는 언제나 이런 현상이 당연하게 일어난다. 그러나 진공펌프는 그 반대로 기체를 압력이 낮은 곳에서 높은 곳으로 강제로 이동시키는 장치이다. 그래서 낮은 압력을 더 낮게 만들어준다. 어찌보면 자연현상을 역행하는 장치이기 때문에, 당연히 그만큼 더 큰 에너지를 필요로 한다. 이런 진공펌프들을 기체를 배기시키는 방법에 따라 두 가지로 나눈다면 가스배출방식과 가스포집방식으로 구분 할 수 있다. 가스배출방식이란 말 그대로 기체분자를 모아 펌프 내에서 밖으로 이동시켜 배기시키는 방법을 말한다. 그 중 가장 대표적인 것이 로터리 펌프이다.

 

 

로터리 펌프의 작동순서 

  

   위 그림은 로터리 펌프의 구조와 작동순서를 나타낸 것인데, 기본적으로 흡입-고립-압축-배기의 순서로 이루어지고 있다. 구조를 살펴보면, 펌프 내는 원통형의 공간(실린더)이 있고 기체분자가 들어오는 흡입구와 밖으로 내보내는 배출구가 달려있다. 그리고 실린더 안에는 충분한 오일이 담겨져 있어 윤활유의 역할과 마찰열의 냉각, 그리고 각 장치들의 틈을 막아주는 역할을 하고 있으며, 원형의 로터(회전자)가 달려서 매우 빠르게 회전하고 있다. 로터에는 베인(vane)이라는 장치가 달려있는데, 이것은 항상 스프링에 의해 로터에서부터 실린더 내벽으로 밀어 올려져 로터와 실린더 사이에 생긴 공간을 차단하고 있다. 작동 과정을 하나씩 살펴보면 먼저 '흡입(induction)'과정에서 로터가 회전하면 흡입구를 통해 기체분자가 펌프 안으로 들어오게 된다. 로터가 조금 더 회전하여 '고립(isolation)' 과정이 되면 베인이 흡입구를 차단하여 기체분자들은 완전히 외부와 고립된 상태가 되고 로터가 회전함에 따라 베인에 밀려 배기구 방향으로 이동하게 된다. 세 번째로 '압축(compression)' 과정에서는 기체분자들이 배기구 쪽으로 밀어 올려지고, 마지막으로 배출구의 마개가 열려 '배기(exhaust)'가 이루어지면서 반대쪽 흡입구에선 다시 기체분자의 흡입이 이루어 진다. 이와 같은 과정이 계속 반복되면서 기체분자를 이동시켜 진공을 만들어 내게 된다.

 

   로터리 펌프는 회전자의 형태 및 베인의 위치 등에 따라서 조금씩 다른 이름들을 사용하고 있으나 그 성능은 대부분 비슷하다. 무엇보다도 이들 로터리 펌프가 중요한 이유는 이것이 가장 기본적인 펌프이기 때문이고, 많은 진공장치에서 로터리 펌프를 대부분 1차 펌프(rough pump)로 사용하여 초기 배기를 하고 있기 때문이다. 제아무리 성능이 뛰어난 고가의 초고진공펌프를 2차 펌프로 장착했다 할 지라도 1차 펌프에서 배기가 제대로 이루어 지지 않았다면 2차 펌프는 성능저하는 물론이고 작동조차 하지 않는 경우도 있다.

 

 

 

 

...by 개날연..

 

 

 

 

갑자기 안하던 일을 하게 되어서..

싫은데도 별수없이 앞으로 몇년간은 묶여 할 생각을 하니

익숙해 지지 않아 정신적 스트레스가 갑자기 가중되고 있습니다..

틈틈히 자료는 계속 만들어 올려야 할텐데 말이죠... ㅠㅠ