진공과 압력 이란???
▲ 진공의 원리
01. 진공이란 무엇?
- 진공이란 라틴의 ‘Vacua’ 라는 말에서 유래
- ‘비어있다’ 라는 의미
- 실제로 진공은 단지 부분적으로 비어있는 공간을 의미
- 일정한 부피에(Chamber) 공기와 다른 기체들이 제거
- 진공은 일정한 공간이 주위대기보다 적은 기체를 함유
- 대기보다 압력이 낮은 것
02. 진공은 어떻게 만드나?
- 진공은 진공펌프를 사용
- 진공용기로부터 공기와 기체를 제거
- 진공펌프를 이용하여 기체를 제거
03. 진공의 다른 형태들
- 러프 진공 (759 - 1 x 10^-3 torr)
- 고진공 (1 x 10^-3 torr – 1 x 10^-8 torr)
- 초 고진공 (1 x 10^-8 torr 이하)
04. 왜 진공이 필요하나?
- 매우 깨끗한 공간이 필요로 하는 경우
- 철은 공기 중에 노출되면 공기중의 기체와 반응해서 녹이 슬게 됨, 그러나 진공상태에서는 녹이 슬지 않음
▲ 압력의 원리
01. 압력이란?
- 일정한 면적에 가해지는 힘
- 압력은 진공용기의 압력과 바깥의 대기 압력을 비교함으로 측정 가능
- 기체 입자들이 공간을 여기저기 운동하며 부딪치고 입자들이 어떤 물체와 부딪쳐서 힘과 압력을 가한다.
- 단위면적에서의 입자의 수와 표면에서의 입자충돌의 강도를 측정할 수 있는데 그 결과가 압력의 측정
02. 압력(기체)
- 압력은 단위 면적 당 작용하는 힘 P=F/A
- 기체란 용기를 가득 채우고 형태 없이 확장하는 경향을 가지며 어느 방향이나 자유롭게 이동하는 입자의 물질 상태
- 수소와 산소 등의 기체는 활성, 쉽게 화학적 호합물로 형성
- 헬륨과 아르곤은 불활성 기체, 혼합물을 이루진 않는 경향.
- 모든 기체는 질량을 가지고 있어, 지구 중력에 의해 당겨짐
03. 압력(대기압)
- 지구 표면을 누르는 힘
- 14.7 PSIA = 760 TORR = 101,325 PASCAL
- 대기압은 해수면의 높이에 따라 변화한다.
- 대기압의 측정방법은 토리첼리에 의해 개발
- 토리첼리(Torricelli)를 경의 하는 의미로 torr라고 부른다.
04. 압력의 단위
- 압력은 몇 가지 측정단위로 표시
- Psig
- Psia
- mmhg
- torr
- mmtorr
- pascal
- bar
- millibar
05. 압력의 영향
- 공기를 진공용기로부터 뽑아낼수록 진공용기내의 압력은 떨어진다.
- 그러나 진공용기로부터 모든 기체 입자들의 제거는 불가능
- 탈 가스(Desorption or outgassung)
기체는 진공 시스템에 표면 또는 진공용기 내부에 있는 재료에서 나오기도 함
▲ 기체의 원리
01. 기체 입자
- 화학원소의 발생으로부터 생성(주기율표 참조)
- 원자(핵, 양자, 중성자)는 전기적으로 중성
- 핵은 많은 전자들에 둘러싸여 있다.
- 양자는 양의 전하를 가지며, 중성자는 중성, 전자는 음의 전하를 가진다.
- 양자와 중성자는 무게가 동일하며 동일한 부피를 차지
- 원자는 질량 또는 무게로 분류되며, 원자량은 amu로 부른다
- 분자는 많은 원자로 구성되며 화학적, 물리적 특성을 가짐
- 분자량은 분자를 구성하고 있는 원자량의 총합
- 수소의 원자무게는 1 amu 이지만, 수소분자는 2개의 수소원자로 구성되어 분자량은 2 amu이다.
- 이온화(ionization) : 원자나 분자가 전지적으로 전하를 가지는 것을 이온 이라 하며 이러한 과정을 이온화라고 함
02. 기체의 법칙
● 아보가드로의 법칙
- 몰(mole) : 동일한 압력과 온도 조건에서 동일한 부피의 기체는 동일한 분자수(아보가드로수)를 가짐
- 아보가드로의 법칙 : 표준조건(1 atm)에서 어떤 기체의 1몰을 6.023 x 10^23 개의 입자를 가지며 22.4리터의 부피를 차지하며, 분자량은 1이 된다. 이것을 아보가드로의 법칙이라 함
● 보일의 법칙
- 기체의 질량과 온도가 일정할 때 , 기체의 부피와 압력사이의 관계를 나타낸 것.
- V₁P₁이 처음 상태이고 V₂P₂가 나중상태라면 다음과 같은 등식이 성립
- V₁P₁ = V₂P₂
- 처음 상태의 부피에 처음 상태의 압력을 곱한 것과 같으므로, 부피를 절반으로 줄이려면 압력은 두 배로 늘어나야 한다.
● 샬의 법칙
- 온도변화에 따른 기체부피의 변화
- 기체가 차가울 때 부피는 작다.
- 기체를 가열하며 부피는 증가한다.
- V₁T₁ = V₂/T₂
● 일반적인 기체의 법칙
- 보일의 법칙과 샬의 법칙을 결합하면 아래의 방정식이 성립
- P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂
▲ 진공 펌프
● 러핑 펌프
- (759 – 1 x 10^-3 torr)
- 피스톤 회전 펌프(Rotary piston oil)
- 오일 회전 펌프(rotary vane, oil)
- 드라이 펌프(Dry vacuum pump)
- 섭션 펌프(sorption pump)
- 벤츄리 펌프(venture pump)
- 송풍기/ 부스터 펌프(blower/ booster pump)
● 고진공 펌프
- (1 x 10^-3 torr -1 x 10^-8 torr)
- 오일 확산 펌프(Oil diffusion pump)
- 크라이오 펌프(Cryo pump)
- 터보 펌프(Turbo pump)
● 초 고진공 펌프
- (1 x 10^-8 torr 이하)
- 티타늄 서블리메이션 펌프
- 이온 펌프
▲ 진공 게이지 종류
● 부르동 게이지(Bourdon Gauge)
- 대기압 부근의 압력 측정
- 정확도는 높지 않으나 간단하고 신빙성이 높다.
- 일반적으로 대기압보다 높은 압력에서 사용되며 자동차에 사용.
- 상대적인 압력 측정
- +/- 10%의 오차를 가짐
● 케페시턴스 마노메타(Capacitance Manometer)
- 러프한 진공에서 사용
- 게이지 모델에 따라 상대적인 압력 및 절대적인 압력 측정 가능
- 정밀도(+/-1%) 및 재현성이 뛰어나서 표준게이지로 사용
- 얇은 박판에 압력이 가해지면 압력에 비례하여 횡경막이 움직이며, 이는 정전용량의 변화를 가져온다. 이는 주파수를 압력으로 변환해주는 회로의 일부분을 변형시켜 압력으로 표시된다.
- 재료는 인코넬과 스테인레스 강과 같은 재료로 구성
- 온도에 민감
- 이 게이지는 최대값 대비 3-4 제곱까지만 측정가능
● 열전대 게이지(Thermocouple Gauge)
- 러프한 진공에서 사용
- 정확성은 높지 않으나 간단하며 광대역의 측정가능
- 온도를 측정하여 압력으로 변환
- 가열된 필라멘트와 많은 분자들이 출동하며, 분자는 필라멘트로부터 열을 빼앗는데 이 필라멘트의 온도를 측정하여 압력으로 표시한다.
- 복사를 통한 열손실이 너무 큰 경우 즉, 1mtorr이하에서는 측정 불가능.
- 다른 게이지에 비해 응답속도가 느림(열 상승 및 열 하락의 시간이 필요)
● 피라니 게이지(Pirani Gauge)
- 러프한 진공에서 사용
- 필라멘트의 저항변화를 측정하여 압력으로 변환
- 가열된 필라멘트와 많은 분자들이 충돌하며, 분자는 필라멘트로부터 열을 빼앗는데 이 필라멘트의 저항변화로 인한 브릿지 회로의 불균형이 일어나며 이로 인한 전류 출력 값의 변화를 압력으로 표시한다.
- 기체의 열전도가 기체의 종류에 따라 달라지므로 기체에 따라 측정값이 달라진다.
● 전리 게이지(Ionization Gauge)
- 고진공 및 초 고진공에서 사용(10^-2 torr – 10^-12 torr)
- +/-30% 이상의 오차를 가짐
- 필라멘트, 그리드, 컬렉터로 구성
- 원자나 분자에 에너지를 가하면 전자를 잃고 전하를 띠게 되며, 이 전하를 띤 분자들이 다시 중성이 되기위해 전자를 얻을 때 압력이 측정
- 필라멘트에서 방출된 전자는 그리드쪽으로 끌리지만 대부분의 전자는 그리드와 충돌하지 못하고 그리드를 계속 회전한다. 회전하는 전자들은 기체분자와 충돌하여 기체분자를 이온화 시키면서 더 많은 전자가 생긴다. 양으로 이온화된 기체 분자들은 컬렉터로 끌리며 이것은 진공 용기내의 비례하여 이온전류를 생성.
- P=(1/S) x ip/ie( P=압력, S=게이지 감도, ip는 양이온 전류, ie는 방출전류)
- le는 일정(레이쇼메틱)
● 냉음극 게이지(Cold Cathode Gauge)
- 고진공 및 초 고징공에서 사용(10^-2 torr – 10^-12 torr)
- +/-50% 이상의 오차를 가짐
- 하나의 게이지 튜브와 제어장치로 구성
- 게이지 튜브의 중심에 하나의 양극과 두개의 음극, 또는 원통형의 음극이 있고 주위에 강한 영구 자석으로 구성
- 2000 vdc 전압은 게이지 튜브에 있는 전자들을 양전하를 띤 양극쪽으로 끌리게 하는데, 자기장은 전자들을 나선형으로 진행케 한다. 이것은 이온을 만드는 전자와 분자의 충돌 가능성을 증가시킨다. 양전기를 띤 이온은 음극쪽으로 이끌리게 되며, 그 결과로 생긴 이온 전류의 흐름은 압력을 측정하는 공식에 적용된다.
- 필라멘트를 사용하지 않으므로 타지 않는 장점을 가진다.
● 스피닝 로터 게이지(Spinning Rotor Gauge)
- 고 진공 에서 사용(10^-2torr – 10^-7 torr)
- +/-1% 이상의 오차를 가짐
- 스테인레스스틸 볼, CF35 플렌지, 두개의 영구자석, Pick up 코일, Stabilization Coil로 구성
- 진공중에서 자유로이 회전하는 금속볼이 기체와의 마찰로 인해 감속된다.
- 이 볼 속도 감소율을 정확히 측정한 후 그 결과를 압력으로 계산.
- 안전성과 재연성이 뛰어나며 가스의 종류에 영향을 받지 않음
- 진동
● 잔류기체 분석기(Residual Gas Analyzer)
- 분압을 측정하며 고진공 및 초 고진공에서 작동
- 기체의 부분압을 합하면 총 압력도 측정가능
- lon source, mass filter, detector로 구성
- 필라멘트 가열로 생성된 열전자는 가속되어 모여져 이온 생성기를 통과하게 되며 거기서 모든 종류의 분자들을 이온화 한다. 이렇게 생성된 이온들은 가속되어 mass filter에 모이게 되며 정확한 질량 대 전하비를 가진 이온들은 mass filter에 모이게 되며 정확한 질량 대 전하비를 가진 이온들은 mass filter를 통과하여 컬렉터로 가며 이온들은 필터를 통과하는 기체에 비례하는 신호를 만들어 낸다.
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토리첼리의 정리
액체를 넣은 용기의 벽에, 구멍을 뚫었을 때 그 구멍에서 흘러나오는 액체의 속도에 관한 정리. 1644년 이탈리아의 물리학자·수학자인 E. 토리첼리가 제출한 것으로 구멍이 용기의 크기에 비해 충분히 작다면 흐름은 정상상태라 할 수 있다. 이때 구멍에서 흘러나오는 액체의 속도 로 표시된다. 이것이 토리첼리의 정리이다. 여기서 g는 중력가속도 9.81 ㎨이고, h는 수면에서 구멍까지의 깊이이다.
토리첼리의 정리는 베르누이의 정리, 을 사용하면 증명할 수 있다(는 액체의 밀도). 구멍의 위치를 z=0으로 하면 수면은 z＝h이다. 용기가 충분히 크기 때문에 수면이 내려가는 속도는 0으로 볼 수 있다. 구멍의 위치 및 수면에 걸리는 압력은 다같이 대기압 와 같다.
따라서,
의 등식이 성립하고, 구멍에서 흘러나오는 액체의 속도는 로 구해진다.
Torricelli's theorem는 수조 측면 하부의 대기와 개방된 비교적 작은 구멍을 통하여 유출되는 유체(Fluid)의 속도(Velocity) 값을 계산하는 공식으로, 이 때 구멍이 작아 수조의 수위 하강 속도는 무시하고 계산한다. 베르누이 정리 중 비압축성 흐름(incompressible flow) 방정식의 변형된 수식이다.
