진공계란?
진공계는 어떤 공간 내의 진공도를 측정하기 위한 센서입니다.
그 목적에 따라 분압진공계와 전압진공계 중 하나를 선택합니다. 또한, 측정 방식도 다양하며, 그 차이에 따라 측정 가능한 진공도 범위에 차이가 있는 것이 특징입니다.
진공계의 용도 예시
진공 공간에는 수분을 포함한 불순물이 극히 적기 때문에 고청정도가 필요한 제조 현장에서는 진공 공간을 많이 활용합니다. 그 중에서도 진공 도달도 관리가 필요한 챔버나 석영관 등에 연결된 유체 회로에 설치되는 것이 진공계입니다.
진공계의 용도로는 반도체 제조장치의 플라즈마 에칭 공간이나 야금, 유기합성 등의 실험설비에 설치되는 경우가 많습니다. 또한, 이온빔 장치나 증착 장치 등 대상물 표면의 가공 용도 등 표면 청결도가 요구되는 곳에서도 사용됩니다.
진공계의 원리
진공계의 종류와 측정 원리는 매우 다양합니다. 진공계는 극소량으로 존재하는 기체 분자의 운동량을 잘 측정하여 공간 내 기체 밀도 및 진공도로 환산합니다. 진공계 중 가장 널리 보급된 것은 ‘피라니 진공계’입니다.
피라니 진공계는 전기저항형 진공계로, 전류를 흘린 백금선에 기체가 충돌할 때 사라지는 열에너지로 전류를 계산하고, 그 값에서 압력을 역산합니다. 이 미세한 압력이 그대로 진공도에 해당하는 구조입니다.
진공계 선택 방법
진공계는 다양한 종류가 존재하기 때문에 목적에 맞는 진공계를 적절히 선택해야 합니다. 용도별 유형, 측정 방법에 따라 특징이 다르기 때문에 각각의 특징을 충분히 이해하는 것이 중요합니다.
또한, 각종 진공계도 여러 종류가 있으므로 측정하고자 하는 목적의 진공 공간의 진공도에 따라 선택해야 합니다. 최종 진공 도달도를 보장하고 싶다면 하나의 진공계로 충분하지만, 진공 펌프에 의한 배기 속도 등의 거동을 알고 싶다면 여러 개의 진공도를 설치해야 합니다.
진공계의 종류
진공계는 용도별, 측정 방법, 측정 범위에 따라 몇 가지 종류로 분류할 수 있습니다.
1. 용도별
- 분압진공계
분압진공계는 개별 기체만의 진공도를 측정할 때 선택하며, 두 가지 이상의 기체가 혼합된 상태에서 각각의 기체가 나타내는 압력이 분압입니다.
같은 압력이라도 가스의 종류에 따라 성질이 다르기 때문에 진공의 품질을 분석하는 데 사용합니다. 분압진공계로 가장 일반적인 것은 질량분석기입니다.
질량분석기는 이온원, 분석부, 검출부 세 가지로 구성되어 있습니다. 전기장이나 자기장을 사용하여 특정 이온만을 관찰함으로써 각 기체의 압력을 알 수 있습니다.
- 전압진공계 전압진공계는 공간 내 진공도를 단순하게 측정하고 싶을 때 선택합니다. 측정 방법에 따라 다양한 종류가 존재하므로 목적에 맞는 선택이 필요합니다.
2. 측정 방법
측정 방법은. ‘압력 자체를 감지하는 방법’, ‘기체의 수송 현상을 이용하는 방법’, ‘기체 내 이온화 현상을 이용하는 방법’ 크게 세 가지로 분류됩니다.
- 압력 자체를 감지하는 방법
압력 자체를 감지하는 진공계로는 U자형 진공계가 있는데, U자형 진공계는 유리로 만든 U자형 튜브의 한쪽을 진공으로 배기하여 밀봉한 차압계입니다.
압력차에 의해 발생하는 액체 기둥의 높이로 기체의 압력차를 읽을 수 있는데, U자형 진공계는 기체의 종류에 구애받지 않는 것이 특징입니다. 따라서 압력을 절대적으로 측정할 수 있어 다른 진공계의 교정 기준으로 사용되고 있습니다.
- 기체 수송 현상을 이용하는 방법
기체의 수송 현상을 이용한 진공계가 열전도 진공계입니다. 기체의 열전도율은 압력에 따라 변화하는 성질을 이용한 진공계입니다.
열전도 진공계에도 여러 종류가 있는데, ‘피라니 진공계’, ‘서미스터 진공계’, ‘열전대 진공계’ 등이 있습니다. 열전도 진공계의 주의점은 고진공이 되면 열전도율보다 열 복사의 영향이 더 커진다는 것입니다. 따라서 열전도 진공계는 고진공 측정에는 사용할 수 없다는 단점이 있습니다.
- 기체 중의 이온화 현상을 이용하는 방법
기체의 이온화 현상을 이용한 진공관으로는 페닝 진공계(냉음극 이온화 진공계)와 이온 게이지(열음극 이온화 진공계)가 있습니다. 페닝 진공계는 진공 상태에서의 방전 현상을 이용하여 압력을 측정할 수 있습니다. 내구성이 뛰어나지만 기체 종류에 따라 감도가 크게 달라집니다.
페닝 진공계는 회로 구성이 간단하다는 장점이 있습니다. 반면, 페닝 방전은 불안정할 수 있기 때문에 정밀한 측정이 어렵다는 단점이 있습니다. 또한, 표면의 오염이 심하면 음극의 전자 방출량이 적어져 방전이 되지 않는 점, 고진공 상태가 되면 방전을 시작하기가 어려운 점 등이 있습니다.
3. 측정 범위
압력은 저진공, 중진공, 고진공, 초고진공 등의 진공도로 구분되며, 진공계의 종류에 따라 측정 진공도가 다릅니다. 진공도는 JIS(일본공업규격)에 따라 다음과 같이 압력 범위에 따라 5가지로 분류되어 있습니다. 피라니 진공계는 저진공부터 중진공까지 측정할 수 있고, 전리진공계는 중진공부터 초고진공까지 측정이 가능합니다.
- 저진공 (low vacuum): 105Pa~102Pa
- 중진공 (medium vacuum): 102Pa～10-1Pa
- 고진공 (high vacuum): 10-1Pa～10-5Pa
- 초고진공 (ultra high vacuum): -5Pa～10-8Pa
- 극고진공(extremely high vacuum): 10-8Pa 이하