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1.3 실제 진공 시스템의 영향

1.3.1 오염

진공실이 펌프 다운되었을 경우 가능한 한 신속히 원하는 압 력에 도달하기 위하여 진공실을 청소해야 합니다. 진공 시스 템의 일반적인 오염물에는 다음이 포함됩니다.

  • 진공 시스템 보호 잔류물 표면, 나사, 실의 오일 및 그리스
  • 어플리케이션 관련 오염물 공정 반응 제품, 먼지 및 입자
  • 주변 관련 오염물 응축 증기, 특히 용기 벽에 흡착된 물

결과적으로 진공 장비를 설치할 때 부속품이 가능한 한 깨끗 한지 확인할 필요가 있습니다. 진공실에 부착된 모든 부속품 은 깨끗하고 그리스가 없어야 합니다. 모든 실 역시 설치 후 건조되어야 합니다. 진공 그리스의 사용을 피할 수 없는 경 우엔 아주 드물게, 있다 할지라도, 실런트가 아니라 설치 보 조제로 사용해야 합니다. 고진공 또는 초고진공이 생성될 경 우, 조립 과정에 보풀이 일지 않고 가루가 떨어지지 않는 깨 끗한 장갑을 착용해야 합니다.

1.3.2 응축과 기화

모든 물질은 액체, 고체, 기체 상태에서 발생할 수 있습니다. 이들의 집계 상태는 압력과 온도의 함수입니다. 액체는 기화 를 통하여 가스 상태로 변하고, 승화를 통하여 고체 상태로 변합니다. 가스 단계에서 액체 또는 고체의 분리를 응축이라 부릅니다. 보통의 주변 공기가 약 m3 당 약 10 g의 수증기를 포함하고 있기 때문에, 응축된 수증기가 모든 표면에 존재하 고 있습니다.표면의 흡착은 특히 물 분자의 강한 극성 때문입니다. 특히 종이와 같은 천연 섬유엔 진공 하의 건조 과정에서 빠져나가 는 거대한 양의 물이 포함되어 있습니다. 냉각 콘덴서는 수 증기를 분리하기 위해 사용됩니다. 특정한 금속(카드뮴, 아 연, 마그네슘)조차도 100°C의 고온에서 상당량이 기회됩니 다. 이런 금속의 사용은 따라서 플랜트 건설에서 피해야 합니 다.
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    그림 1.9: 다양한 물질들의 증기압 곡선

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1.3.3 탈리, 확산, 침투 및 누출

물 이외에도 진공 펌프 작동 유체와 같은 다른 물질들이 표면 에 흡착될 수 있습니다. 물질들 역시 금속 벽에서 확산될 수 있고, 이는 잔류 기체에서 입증할 수 있습니다. 특히 엄격한 요구사항이 있는 경우, 스테인레스강 용기를 진공 상태에서 베이크 아웃하여 휘발성이 있는 대부분의 구성품을 금속 벽 에서 떼어낼 수 있습니다.

탈리

기체 분자(기본적으로 물)는 흡착과 흡수를 통하여 진공실의 내부 표면에 들러붙었다가 진공 상태에서 다시 점차 탈리됩 니다. 진공 시스템에서 금속 및 유리 표면의 탈리 비율은 시 간이 흐르면서 점유율이 감소하기 때문에 기체 발생을 줄입 니다. 주어진 시점 t > t 0 가 된 후 시간에 대한 선형 토대에서 감소가 발생하리란 것을 가정하면 훌륭한 근사값을 얻을 수 있습니다. t 0 은 일반적으로 한 시간으로 가정합니다.

기체 발생은 따라서 다음과 같은 공식으로 설명할 수 있습 니다.
  • Q_{\mathrm{des}}=q_{\mathrm{des}}\cdot A\cdot\frac{t_0}{t}

    공식 1-32: 탈리 비율

  • 𝑄des 탈리 비율 [Pa m3 s-1]
  • 𝑞des 탈리 흐름 밀도 (영역별) [Pa m3 s-1 m-2]
  • 𝐴 면적 [m2]
  • 𝑡 시간 [s]


탈리로 인한 확산

플라스틱 표면의 10-6 hPa 이하 탈리 작동 시, 특히 실의 경우, 더 중요하게 생각해야 합니다. 플라스틱은 주로 플라스틱에 용해된 기체들을 방출하는데, 이 기체들은 제일 먼저 표면에 서 확산되는 게 분명합니다. 연장된 펌프 정지 시간 동안에 는 플라스틱으로부터의 확산이 따라서 금속 표면으로부터의 확산보다 더 클 수 있습니다. 실의 표면 영역이 상대적으로 작지만, 시간에 따른 확산 비율의 감소는 금속 표면의 경우 보다 더 느리게 일어납니다. 시간에 따른 감소가 시간의 제곱 근의 비율로 일어날 거라고 가정할 수 있습니다.

플라스틱 표면에서 발생하는 기체는 따라서 다음과 같이 설 명할 수 있습니다.
  • Q_{\mathrm{diff}}=q_{\mathrm{diff}}\cdot A_{d}\cdot\sqrt{\frac{t_0}{t}}

    공식 1-33: 플라스틱에서의 확산 비율

  • 𝑄diff 탈리 비율 [Pa m3 s-1]
  • 𝑞diff 탈리 흐름 밀도 (영역별) [Pa m3 s-1 m-2]
  • 𝐴𝑑 용기에서 플라스틱 물질의 표면 [m2]
  • 𝑡 시간 [s]
금속의 경우엔 훨씬 더 낮은 압력에서도 비슷한 결과가 발생 합니다. 이 경우엔 수소와 탄소가 CO 및 CO 2 의 형태로 빠져 나오는데, 잔류 기체 스펙트럼에서 이를 볼 수 있습니다. 공식 1-33 역시 이 부분과 마찬가지입니다.


침투와 누출

실과 심지어 금속 벽도 탈리에 의하여 헬륨과 같은 작은 기체 분자가 침투할 수 있습니다. 이 과정은 시간과 무관하기 때문에 그 결과는 원하는 최종 압 력에서 지속적인 증가로 나타납니다. 침투 기체 흐름은 벽의 두께 및 물질 의존 침투 상수에 대한 압력 곡선에 비례합니 다.
  • Q_{\mathrm{perm}}=k_{\mathrm{perm}}\cdot A\cdot\frac{p_{a}}{d}

    공식 1-34: 침투

  • 𝑄perm 탈리 비율[Pa m3 s-1]
  • 𝑝𝑎 용기 외부 압력 [Pa]
  • 𝑑 벽 두께 [m]
  • 𝐴 용기의 표면 [m2]
  • 𝑘perm 침투 상수 [m2 s-1 ]

침투는 제일 먼저 10 -8 hPa 이하의 압력에서 분명히 나타납 니다.

𝑄𝐿 은 누출률(예: 누출을 통하여 진공 시스템으로 들어오는 기체 흐름)을 설명합니다. 누출률은 주어진 부피에서 시간에 대한 압력 상승으로 정의됩니다.
  • Q_{L}=\frac{\Delta p\cdot V}{\Delta t}

    공식 1-35: 누출률

  • 𝑄𝐿 누출률 [Pa m3 s-1]
  • Δ𝑝 측정 기간 동안 압력 변화 [Pa]
  • 𝑉 부피[m3]
  • Δ𝑡 측정 기간[s]

용기가 부피 흐름 비율 𝑆로 계속 펌프 아웃될 경우, 처리량 (공식 1-16)이 누출률 𝑄𝐿=𝑆⋅𝑝eq. 와 동일하면 평형 압력 𝑝eq 가 산출됩니다.

평형 압력 𝑝eq가 작용 압력의 약 10 %일 경우 시스템이 적절 히 조여졌다고 볼 수 있습니다. 예를 들어 작용 압력이 10-6 hPa에 도달해야 하고 사용 중인 진공 펌프의 펌프 속도가 100 l s-1 일 경우, 누출률이 s 10-6 Pa m3 s-1 이상이어서는 안 됩니다.

누출률 𝑄𝐿 < 10-9 Pa m3 s-1 은 깨끗한 스테인레스강 용기에서 는 쉽게 달성할 수 있습니다.

주어진 시간 𝑡 이후에 도달 가능한 최종 압력은 기본적으로 위에서 설명한 모든 효과 및 진공 펌프의 펌프 속도에 의존합 니다. 전제 조건은 당연히 최종 압력이 진공 펌프의 기본 압 력보다 높아야 한다는 것입니다.
  • Q_{\mathrm{des}}(t)+Q_{\mathrm{diff}}(t)+Q_{\mathrm{perm}}+Q_{L}=p(t)\cdot S

    공식 1-36: 시간에 따른 최종 압력

다양한 기체 흐름과 그로 인한 압력은 공식 1-36 을 사용 하여 시간과 관련하여 방정식을 풂으로써 주어진 펌프 시간t 에 대하여 연산할 수 있습니다. 도달 가능한 최종 압력은 이 런 압력들의 합계입니다.

1.3.4 베이크 아웃

초고진공 범위에서 압력(<10-8 hPa)에 도달하려면 다음 조건 이 충족되어야 합니다.

  • 진공 펌프의 기본 압력이 요구되는 최종 압력보다 10 낮 은 요소여야 합니다.
  • 진공실 및 구성품에 사용된 물질이 최소 탈기체에 적합해 야 하고 적절한 표면 마감 등급이어야 합니다.
  • 금속 실(예: CF 플랜지 연결 또는 ISO 표준용 헬리코플렉 스 실)을 사용해야 합니다.
  • 청정 작업은 초진공에는 필수입니다. 예를 들면 모든 부품 은 설치 전에 철저히 청소해야 하고 그리스 없는 장갑을 착용한 채 설치해야 합니다.
  • 장비와 고진공 펌프는 베이크 아웃이 필요합니다.
  • 누출은 히터 작동 전에 피하거나 제거해야 합니다. 헬륨 누출 감지기 또는 4중극자 질량 분석기는 이런 목적을 위 하여 사용해야 합니다.

베이크 아웃은 확산 및 탈리 비율을 크게 증가시키고 펌핑 시 간을 크게 줄여줍니다. 제조 과정의 최종 단계들 중 하나인 UHV 사용 챔버는 최대 900 °C의 온도에서 담금질을 할 수 있 습니다. 후속 베이크 아웃 온도는 텐트에서 최대 300 °C에 도 달할 수 있습니다. 고진공 펌프 플랜지에서 최대 베이크 아웃 온도와 관련한 펌프 제조업체들의 지침은 일반적으로 작동 중 최대 온도를 120 °C로 제한합니다. 열 소스가 진공 장비( 예: 복사 난방)에서 사용될 경우 인정되는 복사 전력을 초과 해서는 안 됩니다.

장비는 설치된 후에 가동해야 합니다. 10-5 hPa의 압력에 도 달한 후에는 히터를 켭니다. 가열하는 동안 모든 진공 측정기 를 10시간 간격으로 가동하고 진공 상태로 만들어야 합니다. 적절한 표면 마감 등급으로 금속 실로 처리된 스테인레스강 용기를 사용할 경우 20°C의 베이크 아웃 온도와 약 48시간 의 가열 시간이면 10-10 hPa의 압력 범위에 충분히 도달할 수 있습니다.

베이크 아웃은 최종 기대 압력에 100회 도달할 때까지 지속 되어야 합니다. 그런 다음에는 펌프 및 진공실의 히터들을 끕 니다. 냉각 후에는 원하는 최종 압력에 도달할 겁니다. · 10-10 hPa 미만의 압력과 거대한 내부 표면 영역에서는 높 은 부피 흐름 비율에서 금속에서 수소를 배출시키는 기체 결 합 펌프(티타늄 승화 펌프)를 사용하는 것이 좋습니다.b

1.3.5 잔류 기체 구성

초고진공 상태에서 작업할 때에는 진공 공정을 시작하기 전 에 또는 공정을 모니터하거나 제어하기 위하여 잔류 기체의 구성을 아는 것이 중요합니다. 깨끗하지 않거나 잘 베이크 아 웃되지 않은 진공실에서는 물m/e = 18)과 그 성분인 OH(m/e = 17)의 백분율이 클 수 있습니다. N2/O2 비율이 약 4:1일 때 질소(m/e = 28) 및 산소(m/e = 32)가 최대치에 달 하면 누출을 확인할 수 있습니다.

수소(m/e = 2), 물(m/e = 17 및 18), 일산화탄소(m/e = 28), 이산화탄소(m/e = 44)는 잘 베이크 아웃된 진공실에서 발견 됩니다. 터보 분자 펌프를 사용할 때는 이산화탄소가 발견되 지 않습니다. 이산화탄소는 고분자 질량 및 그로 인한 고압축 비 때문에 진공실에서 효과적으로 배기됩니다. 터보 분자 펌 프로 환기한 깨끗한 용기에 대한 일반 잔류 기체 스펙트럼은 그림 1.10에서 볼 수 있습니다.
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    그림 1.10: 터보 분자 펌프로 환기한 깨끗한 용기에 대한 일반 잔류 기체 스펙 트럼

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질량 분석기로 작업하는 것에 대한 더 많은 정보는 6장 질량 분석기 및 잔류 기체 분석에 나와 있습니다.

1.3.6 환기

원하지 않는 오염을 피하려면 진공실을 공기 대신 건조 질소 로 환기해야 합니다. 이렇게 하면 수증기와 주변 공기의 기타 응축 가능 물질들(예: 벤트 증기)이 용기 벽에 퇴적(흡착)하는 것을 막을 수 있습니다. 모든 응축물은 펌프 다운 작동과 비 슷한 느린 확산 과정으로 인해 후속 배출을 연장시킵니다. 용 기가 불활성 기체와 함께 환기될 경우에는 용기 내부에서 필 요한 작업이 수행되도록 하기 위하여 용기를 개방해야 합니 다. 용기를 오랫동안 개방하면 정비 직원의 작업으로 인한 대 류 때문에 또는 탈리 때문에 주변 공기가 들어옴으로써 수증 기가 생길 수 있습니다.