3.4 진공실

진공 시스템의 핵심은 진공실이며, 진공실은 특정한 어플리 케이션에 맞춰집니다. 진공실은 어플리케이션을 에워싸서 외부로부터 안전하게 격리하거나 내부에서는 공정으로부터 주변을 보호합니다. 건조 공정에 미세 진공이 필요한지 아닌 지와 상관 없이 플라스마 공정을 위한 중간 진공이나 고진공 또는 표면을 위한 초고진공은 다음 사항을 연구합니다. – 진 공실은 항상 기계적으로 대기로부터의 차압을 견뎌야 한다.

유럽 연합 내에서는 진공 용기가 디자인과 계산이 토대를 이 루고 있는 특정한 가이드라인의 영향을 받지 않습니다. 진공 용기는 압력 장비(압력 기기 고시 2014/68/EU는 내부 측정기 압력이 500 hPa보다 더 큰 구성품에 적용됨)가 아니고 기계 기기 고시 2006/42/EC에 따라 기계로 분류되지 않습니다. 그 럼에도 불구하고 진공 용기는 안전하고 신뢰할 수 있는 방법 으로 설계, 계산, 제조되어야 하고, 위임에 앞서 테스트를 받 아야 합니다.

접시 모양 경판과 같은 실린더형 튜브, 구 모양의 바디, 평평 한 바닥 또는 몰드 부품의 벽 두께는 AD-2000 리플렛을 사용 하여 계산해야 합니다. AD 2000 규정은 사실 압력 용기 계산 을 위한 “압력 용기 작업 위원회”에 의해 만들어졌지만, 이 사 실은 또한 부하 조건이 “외부의 초과 압력”임을 보여줍니다. 여기서는 예를 들면 실린더형 튜브의 “탄성 좌굴”이나 “소성 변형”을 포함하는 필요한 벽 두께 계산을 위한 방정식을 발 견하게 됩니다.

직사각형 챔버나 유사한 디자인을 사용하여 표면과 앞으로 일어날 장력의 편향을 확인해야 합니다. 편향이 너무 크면 벽 을 더 두껍게 하거나 예를 들면 추가 용접 리브로 면적을 강 화해야 합니다. 이를 위해 유한 요소법(FEM)을 사용하여 기 계적 계산을 수행하는 유용한 프로그램을 챔버 디자인을 최 적화하기 위하여 사용할 수 있습니다. 허용 가능한 기계적 응 력 이외에도 “외부는 대기, 내부는 진공”이라는 부하 조건에 서 밀봉 표면이 원래 상태를 잘 유지하고 있는지 확인할 필요 도 있습니다. 밀봉 표면이 뒤틀려 있으면 챔버의 사용을 막는 누출이 발생할 수 있습니다.

챔버의 기본 모양은 종종 어플리케이션에서 파생됩니다. 챔 버 바디엔 가능하면 재료 입력과 안정성에 이상적인 실린더 형 튜브를 선택해야 합니다. 명목 직경이 더 작을 경우엔 평 평한 바닥이 튜브 측면을 밀봉할 수 있습니다. 더 큰 직경은 재료 입력과 챔버 질량을 제한하기 위하여 접시 모양 경판으 로 봉해야 합니다. 예: 챔버 직경이 600mm일 경우엔 접시 모 양 경판보다 벽 두께가 3배 정도 큰 평평한 바닥을 요구합니 다. 피팅 뚜껑이 있는 주 플랜지는 챔버 접근을 허락하고 도 어 힌지는 사용 편의성을 향상시킵니다. 외부의 챔버 피트는 안정성을 보장하고, 아이 볼트나 게양 걸쇠는 안전한 운반을 가능하게 해줍니다.

챔버가 달궈져야 하거나 내부 열 소스가 챔버 덮개의 과도한 가열을 유발할 경우엔 챔버 냉각 시스템이 제공되어야 합니 다. 이것은 용접된 냉각 프로필 또는 대형 면적용 필로우 플 레이트 냉각(그림 3.18)에 의해, 심지어 이중 벽 용기가 됨으 로써 달성될 수 있습니다.

챔버는 종종 실험이나 공정에 따라 사용자와 설계자의 대화 를 통하여 설계됩니다. 개별 맞춤 챔버의 대안은 표준 진공실 입니다. 표준 진공실은 자유롭게 선택 가능한 포트에 의해 완 성된 선구성된 기초 바디입니다. 표준 진공실은 완전한 고객 맞춤형 진공실에 더 빠르고 더 저렴한 대안을 제공합니다.

3.4.1 처리 - 표면

“재료 선택”과 “용접”이라는 주제는 이미 이전의 여러 장에서 다루었습니다. 진공실과 구성품의 내부 표면은 고진공 및 UHV에서 작동 압력에 도달하기 위한 중요한 요인입니다. 유 효 표면을 최소화하고 탈착률이 작은 표면을 만들게 해주는 조건 하에서 처리가 수행되어야 합니다.

진공실과 구성품의 표면은 종종 용접 및 기계적 처리 이후에 파열된 미세한 유리 구슬과 같습니다. 제한된 직경을 가진 고 압 유리 구슬이 표면 위로 과급됩니다. 밀봉 표면은 발파되어 서는 안 되므로 발파 시 덮개로 덮입니다. 공정은 표면을 밀 봉하고 미세하게 갈아내고, 표백하듯이 표면과 가까운 층들 을 제거하고, 장식적인 외관을 만듭니다. 발파될 표면은 깨끗 하고 그리스가 없어야 하며, 모래 매질은 특히 아철산염 및 오스테나이트 스테인레스강 같은 재료들의 그룹을 바꿀 때 정기적으로 교체해야 합니다.

연마는 밀 스케일, 스케일 또는 스커핑으로 거시적 조도를 제 거하기 위하여 사용합니다. 연마는 깨끗하고 오일 및 그리스 가 없는 표면에서 행해져야 하고, 연마제가 표면에 침투하게 해서는 안 됩니다. 초기의 조도와 제거해야 할 층 두께에 따 라 교차 연마 방식(예: 연마 방향 바꾸기)을 사용하여 점점 더 미세한 알갱이로 단계적으로 연마해야 합니다. 연마는 종종 전자 연마와 같은 후속 표면 처리의 예비 단계입니다. 연마는 시각적으로 균일한 인상을 만듭니다. 이미 비교적 매끄럽고 산세척된 표면에서 연마는 더 장식적인 효과를 낼 수 있지만 표면 영역을 증가시킬 수도 있습니다.

솔질은 용접 솔기의 후처리에 사용됩니다. 사용되는 솔은 스 테인레스강으로 만들어져야 하고, 이물질이 표면에 도입되 지 않도록 다른 물질로 오염되어서는 안 됩니다. 광택내기에 도 똑같은 것이 적용됩니다. 광택제나 연마제가 표면에 첨가 되어서는 안되며, 첨가 시에는 이후에 완전하게 제거되어야 합니다. 미세한 거칠기로 유효 표면 영역이 증가해서는 안 됩 니다.

산세척은 표면 청소에 효과적인 방법입니다. 불순물과 약 1~2 µm 두께의 층이 용해됩니다. 얼룩의 농도, 온도 또는 산 세척 시간과 같은 관련 산세척 매개변수는 과도한 산세척을 회피하기 위하여 엄격히 준수되어야 합니다. 산세척 후에는 산세척 액체의 모든 잔류물을 제거하기 위하여 강도 높게 행 궈야 합니다. 표면 조도는 산세척 공정에 의해서는 근소하게 만 바뀝니다.

전자 연마는 직류 전원장치를 사용함으로써 금속을 전해액 으로 만드는 선택적 양극 용해 방법입니다. 이 경우엔 수정 같이 맑은 순수한 표면을 만들기 위하여 표면에서 보통 12~15 µm이 제거됩니다. 표면이 균일하게 저거되기 위해서 는 구성품에 적합한 전극이 자주 만들어져야 합니다. 이것이 공정을 복잡하게 만듭니다. 또한 CF 밀봉 표면은 덮개를 덮 어야 합니다. 왜냐하면 전계 강도가 가장자리처럼 국부적으 로 증가하여 재료의 제거가 증가하기 때문입니다. UHV 사용 자들 사이에서는 이 공정에 대해 불만이 많습니다. 수소를 표 면에 직접 처리하거나 남은 전해액을 통해 표면에 처리하는 방법이 논의되고 있습니다. 산처리와 마찬가지로 전자 연마 후에는 구성품을 완전히 헹궈야 합니다. 또한 재료가 용접 솔기 영역에서 제거되기 때문에 후에 누출 테스트를 수행해 야 합니다. 이전의 조건에 따라 전자 연마가 표면 조도를 1/2 까지 감소시킬 수 있습니다.

3.4.2 처리 - 청소

깨끗한 표면은 진공 기술의 전제 조건입니다. 모든 불순물은 진공 조건에서 탈착되거나 기체 부하를 유발하거나 구성품 에 퇴적되지 않도록 표면에서 제거되어야 합니다.

예를 들어 초기에는 거친 분진을 제거하 위하여 고압 청소기 를 사용한 전처리가 필요합니다. 이후에는 구성품이 멀티 챔 버 초음파 용기에서 세척됩니다. 최초의 청소는 표면을 청소 하고 그리스를 제거하는 특수 청소기를 추가한 초음파 조건 에서 이루어집니다. 오염물질은 계면활성제로 코팅되어 표 면에서 들어올려져 청소 용기에 들러붙습니다. 청소 용기의 pH는 챔버 재료에 따라 조정되어야 합니다. 다른 용기에서는 사전 헹굼 이후에 뜨거운 탈염수로 완전히 행굼으로써 세제 가 완전히 제거됩니다. 그리고 그 직후 뜨겁고 먼지 없고 탄 화수소 없는 공기 속에서 건조되어야 합니다. 커다란 챔버는 특수 세정제를 추가한 스팀 또는 고압 청소기로 청소됩니다. 이후에는 뜨거운 탈염수로 여러 번 다시 세척한 후 뜨거운 공 기로 건조해야 합니다.

청소가 끝나면 진공 측면 표면은 깨끗하고 보풀 없는 장갑으 로만 만져야 합니다. 사용되는 포장은 PE 플라스틱 필름이 며, 밀봉 표면과 칼날 프로필은 PE 캡으로 보호됩니다.

청소된 구성품의 표면은 여전히 탈기체 소스를 대표합니다. 특별히 흡착된 물 분자와 공기 속에 저장되었다 나온 탄화수 소의 흔적은 UHV의 잔류 기체 소스 중에서 가장 큰 소스입 니다. 이런 것들을 표면에서 효과적으로 제거하기위해 UHV 챔버가 가열됩니다. 지속적인 배출을 위한 1 · 10^-6 hPa 미만 의 압력에서 구성품은 약 48시간 동안 150°C~300°C의 온도 로 가열됩니다.

물리 흡착 또는 화학 흡착을 통해 표면에 들러붙은 외부 원자 들은 이런 과정을 통해 열 에너지를 얻어 속박에서 벗어나 표 면에서 배출됩니다. 표면에서 배출된 원자는 진공 펌프에 의 해 시스템에서 제거되어야 합니다. 냉각 후에는 몇 단계 낮아 진 최종 압력에 도달합니다. 챔버가 환기될 경우 표면에서는 분자가 한 번 더 환기됩니다. 건조 질소를 홍수 기체로 삼아 건조한 대기에 짧게 여러 번 노출하는 것은 표면에 물이 생기 는 것을 완전히 막을 수는 없고 줄일 뿐입니다. 허용 가능한 펌프 다운 시간 내에 1 · 10^-8 hPa보다 더 작은 최종 압력에 도달하려면 , 또 한 번의 베이크 아웃이 필요합니다.