진공을 만들어 주는 장치 - #3. 오일확산펌프(Oil Diffusion Pump)

   1차 펌프인 로터리와 루츠를 간단히 긁어-_-보았으니, 이제 고진공 펌프로 사용되는 2차 펌프에 대하여 알아보자. 1차냐 2차냐 하는 것은 펌프마다 사용가능한 진공 영역이 다르므로 먼저 저진공용 펌프로 1차 배기를 하고, 그 뒤에 고진공용 펌프로 2차 배기를 해서 구분된 것이다. 저진공에서는 기체의 양이 많아 집단적으로 흐를수 있는 '점성류'의 특성을 가지므로 그러한 형태의 배기에 유리한 것이 1차 펌프로 사용되고, 고진공 영역에서는 기체분자 하나하나씩 배기가 가능한 구조의 펌프가 2차 펌프로 사용된다. 2차 펌프 중에서 가장 흔하게 볼 수 있는 것 중 하나가 오일확산(oil diffusion)펌프다.

정말 오래된 낡아빠진 오일확산펌프. 

로터리 펌프와 연결된 배기쪽 라인은 반대편에 있어서 보이질 않는다. 

사진찍는데 각도가 안나와.. ;ㅁ;

그리고 이 오일확산펌프의 단면을 뚝- 잘라서 보면 아래 그림처럼 생겼다.

 

 

 오일확산 펌프 단면 

파워포인트로 이짓하는것이 이젠 어색하지 않다. -_ -

 

 

   독일의 게데(Wolfgang Gaede, 1878~1945)에 의해 처음 고안되어 흔히 확산 펌프 또는 디퓨전(diffusion) 펌프라고 부르는 이 펌프는 정말로 간단한 구조로 되어있다. 그래서 이것이 그렇게나 쉽고 빠르게 고진공을 만들어 낸다는 것이 믿기지 않을 정도다. 지금 이순간 생각해도 어이없을 정도로 간단하다.

 

   확산펌프는 배럴이라 부르는 펌프용기가 있고 그 안의 바닥에는 확산오일이 적당량 담겨있다. 그리고 맨 아래에는 오일을 가열시키고 증발시키는 열선 히터가 장착되어 있으며, 오일 위로는 마치 아폴로 우주로켓의 모습처럼 몇 단에 걸쳐 노즐이 달린 굴뚝(chimney)이 중앙부에 설치되어 있다. 그리고 오일의 냉각을 위한 냉각수가 코일(or 금속 튜브)을 통해 펌프 외벽 주위를 흐르고 있다. 펌프의 상부는 진공챔버쪽 배관과 연결되어 있으며 하부쪽에는 배기를 위해 1차 펌프와 연결되는 배출구가 있다. 그 외에는 어떠한 기계적 장치도 작동도 없고, 히터의 가열을 제외하면 어떠한 전기적 장치도 작동도 없다. 이게 오일확산펌프의 전부이다. 

 

 

   그럼 작동 과정을 살펴보자. 작동 과정도 구조만큼이나 간단하다. 아래에 설치되어 있는 히터를 가열시키면 바닥의 오일이 뜨거워져 증발하기 시작하고 이 증발된 오일입자들은 내부 굴뚝을 따라서 위로 상승하게 된다. 증발된 오일 입자가 더욱 많아지면 굴뚝 사이에 나있는 노즐을 통해 아래쪽으로 제트류(vapor jet)를 형성하며 분사되고, 이때 그 주위에 있던 다른 기체 입자들과 충돌하면서 기체 입자들에 운동량을 전달한다. 그렇게 충돌에 의해 운동량을 전해받은 이들 기체 입자들은 펌프의 아래쪽으로 모이게 되고 1차 펌프와 연결되어 있는 배출구 쪽으로 이동하여 빠져나가게 된다. 이때 1차 펌프와 연결되는 배기쪽 라인은 1차펌프의 오일이 역류해 들어오는 것을 막기 위해 위쪽 방향으로 향하도록 만들어져 있다. 

   

   기체분자와 충돌하여 기체분자를 이동시킨 후의 오일입자 들은 펌프의 안쪽 벽(배럴)에 충돌하게 되는데, 펌프 벽은 냉각수로 인해 냉각되어 있기 때문에 증기 오일 입자들은 차가운 벽에 부딪힌 후 액체로 응축되어 바닥으로 흘러내려간다. 바닥으로 내려온 오일은 다시 가열되어 위 과정을 반복하게 된다. 이렇듯 너무도 간단한 구조에 너무도 간단한 작동으로 큰 효과를 얻을 수 있고, 오일 교체 외에는 고장이 발생할 염려도 적으며, 펌프 가격 및 유지 비용도 저렴하기 때문에 가장 많이 사용되는 고진공 펌프다. 하지만 간과할 수 없는 단점이 하나 있는데 간혹 확산펌프내의 오일 분자가 챔버내로 역류하여 들어와 챔버와 시편을 오염시킬 가능성이 있다는 점이다. 이 문제 때문에 챔버와 확산펌프 사이에 오일의 역류를 방지하기 위한 트랩(trap)을 설치하고는 있지만, 그래도 반도체 공정에서는 오일확산 펌프는 사용하지 않고 터보펌프나 크라이오 펌프를 많이 사용하고 있다. 반도체에서는 오일분자 하나만 들어와도 문제가 되지만 그정도 청정도를 요구하지 않는 일반적인 금속등의 증착에서는 별 영향이 없을 수 있다. 그러나 어쩌다 전원이 끊겨 1차펌프가 꺼진다든가, 혹은 펌프의 성능이 어떠한 이유로 순간적으로 감소하여 내부 압력이 변하거나 하게 되면 한번에 많은양의 오일 역류가 발생할 수 있다는 것을 항상 염두에 둬야 한다. 만약 그렇게 오일이 역류되어 챔버 내부를 심각하게 오염시키게 되면 세척액을 사용해서 챔버내의 모든 부분, 부품은 물론이고 보이지 않는 틈새까지 모두 철저하게 닦아내야 한다. 

 

 

 

 

...by 개날연..